Rob's web

Ruis, soorten en bronnen

Vele verstoringen van de kortegolf ontvangst kunnen worden samengevat onder de term "ruis".

Ton heeft in dit artikel een aantal zaken netjes op rij gezet, zodat er minder kans is op miscommunicatie als we spreken over ruis.

Een ontvanger moet in staat zijn signalen temidden van ruis te detecteren. De S/N, signal to noise ratio, is een bepaalde kwaliteitsfactor, die aangeeft wat de afstand is tot boven de ruis, zodat dit nog met succes gedetecteerd en verwerkt kan worden.

Zo zal een signaal Us van 10 mV met daarbij ruis Ur van l mV een S/N hebben van:

10 log Us2 / Ur2 of omgerekend 20 log Us/Ur is 20 dB.

Het is dus de kunst om een ontvanger te bouwen, die een selectie kan maken om uit de ruis een signaal te kunnen detecteren. De twee belangrijkste eigenschappen van een ontvanger zijn dan ook de gevoeligheid en de selectiviteit.

Ruis is bij ontvangst een beperkende factor, omdat de plaatselijk aanwezige signaalsterkte altijd boven het ruisniveau uit moet komen om een verstaanbaar signaal in de luidspreker te kunnen opleveren.

Tegenwoordig wordt veelvuldig gebruik gemaakt van digitale technieken als DSP, digitale signaal processing. Een praktijk voorbeeld is het LOFAR project, waarbij de externe ruis en/of storingen door computers weg wordt berekend.

Soorten ruis

Ruis is in te delen in twee groepen:

Men kan feitelijk onderscheid maken tussen ruis die in de ontvanger wordt geproduceerd en die welke via de antenne binnen komt.

Aan de externe ruisbronnen kunnen we niet veel doen. Dit zijn hoofdzakelijk door mensen al of niet gewilde geproduceerde elektromagnetische signalen en ontladingen bij onweer. Deze zijn impulsachtig en daardoor een breed spectrum, welke in ons ontvangstgebied vallen.

Dit is vooral dominant aanwezig in steden, waar zich opeenhopingen van elektrische apparatuur bevinden en waar druk verkeer is. De opgewekte ruis is voornamelijk afkomstig van elektrische vonken, die bijvoorbeeld ontstaan in de verdelers van verbrandingsmotoren, aan de collectoren van elektromotoren of door gasontladingen.

"Man-made" ruis (QRM)

De, door menselijke activiteiten veroorzaakte, ruis wordt ook wel "manmade" (QRM) genoemd.

Deze lokale ruis is enerzijds te bestrijden door de antenne zo ver mogelijk te verwijderen van de storingsbronnen en anderzijds door de toepassing van ruisbegrenzers (noise limiters) in de ontvangers en het toepassen van ruisfilters bij de bronnen.

De lokale ruis is het meest storend bij de lage frequenties en neemt af naarmate de frequentie toeneemt. In normale gevallen kan dit ruistype beneden circa 12 MHz (25 m) storend zijn.

Kosmische ruis

Boven 12 MHz is het vooral de kosmische ruis, die bepalend is voor de minimaal noodzakelijke signaalsterkte die een zender ter plaatse moet produceren.

Een kleiner deel van deze externe ruis kan afkomstig zijn van atmosferische of van kosmische oorsprong en neemt af naarmate de frequentie toeneemt. Het niveau is bij ca. 40 MHz nog maar de helft van dat wat bij 14 MHz wordt gemeten.

Kosmische ruis is afkomstig van ruisbronnen buiten onze aarde. Overdag is de zon de belangrijkste ruisbron en 's nachts blijkt de ruis vaak afkomstig te zijn uit bepaalde richtingen van het heelal.

Bijvoorbeeld uit de richtingen van de sterrenbeelden Schorpioen en Boogschutter, maar ook van onzichtbare nevels. De kosmische ruis is een thermische ruis: zij wordt veroorzaakt door de warmtebeweging van moleculen, evenals bijvoorbeeld de thermische ruis van weerstanden in een ontvanger.

Atmosferische ruis

Een heel bekend extern ruisverschijnsel is de atmosferische ruis. Deze staat algemeen bekend onder de naam "static". Static wordt veroorzaakt door bliksemschichten. Een momentopname van de onweerssituatie op aarde leert, dat er zich op elk tijdstip van dag of nacht op vele plaatsen onweersbuien vormen, dan wel zich ontladen. Elke bliksemflits is een overslag van een enorme spanning, waarbij een stroom van 20.000 a 100.000 ampere vloeit. Deze verstoring plant zich voort als een radiogolf. De som van alle onweersruis vormt het typische achtergrondgeruis dat bij vele hoogfrequente radioverbindingen hoorbaar is.

Uiteraard is deze ruis niet overal even sterk.

In de buurt van de evenaar is het ruisniveau hoger dan in de gematigde klimaatzones.

Evenzo is het ruisniveau boven land hoger dan boven zee, wat mede wordt veroorzaakt door de omstandigheid dat zich veel meer onweersbuien boven land dan boven zee ontwikkelen. Elektrisch geladen deeltjes, b.v. stof, zand of zelfs regen, kunnen gedurende korte tijd op de antenne en soort contactruis veroorzaken, die men soms ook "static" noemt.

Deze contactruis is te voorkomen door de antenne van geisoleerd draad te maken; de elektrische ladingen kunnen dan de antennedraad niet meer bereiken.

Interne ruis

De interne ruis wordt in de ontvanger zelf opgewekt. Bekende ruisbronnen weerstanden, vooral weerstanden van hoge waarden. Het spreekt vanzelf, dat ontwerpers van communicatieontvangers rekening moeten houden met de interne ruis, omdat dit immers een beperkende factor is voor de gevoeligheid van het ontvangsttoestel.

Wanner een afgeschermde 50 Ω weerstand over de antenne/ingang van een ontvanger wordt gezet, zal het ruisniveau aan de uitgang van die ontvanger in voorspelbare mate toenemen t.o.v. het niveau bij kortgesloten ingang. Dit soort ruis wordt witte ruis genoemd (thermal agition noise of thermische ruis). Dit houdt in, dat deze vorm zeer breedbandig is (normale Gauss verdeling). Het thermische ruisspectrum is vrijwel vlak in het MF gebied van 10.000 - 100.000 Hz.

De term witte ruis is afgeleid van wit licht, dat immers alle kleuren (frequenties) bezit.

Ruis met eenzelfde vermogen per frequentiedecade wordt soms roze ruis genoemd.

Rekenen met ruis

De formule voor ruis luidt:

Eq. 1

Waarbij,
K = constante van Bolzmann (1,38 × 10-23 J/K)
R = weerstand in Ω
B = bandbreedte in Hz

Voorbeeld:

Bepaal de ruisspanning in een schakeling over een weerstand van 50 en een bandbreedte 1000 Hz.

Eq. 2

Je zult nu ook begrijpen, dat de meeste noise limiters de bandbreedte verkleinen en dat daardoor de ruis hoorbaar afneemt. Dit is tevens de reden, dat morse ondanks veel storing en ruis, goed te decoderen is: n.l. de bandbreedte en de codevorm.

Evenzo wordt bij een gevoeligheid (als het goed gespecificeerd is) de bandbreedte vermeld zoals ca. 6 kHz voor AM, 1,8 kHz voor EZB en 200 Hz voor CW en/of RTTY. Bij deze laatst genoemde is de S/N natuurlijk het gunstigst!

Interne ruis

In de hoogfrequentversterker van ontvangers worden speciale schakelingen toegepast om het gebruik van weerstanden met hoge waarde te voorkomen. Ook past men speciale ruisarme transistoren toe om de eigen ruis van de ontvanger lager te houden dan de externe ruis.

De in de ontvanger opgewekte ruis is een thermische ruis, veroorzaakt door elektronenbewegingen. De ruisspanning is, zoals kan worden verwacht, afhankelijk van de temperatuur.

Antenneruis

Voor de volledigheid dient ook de antenneruis te worden vermeld. Aangezien de antenne energie opneemt (of afstaat), kan men haar een bepaalde weerstandswaarde toekennen.

Deze bestaat eigenlijk uit twee delen:

De laatste is een maat voor de hoeveelheid energie die de antenne aan haar omgeving afstaat, c.q. daaruit opneemt.

Waar weerstand is, is ook weerstandsruis.

Analoog aan de term bij mensen en mensenruis, ofwel miscommunicatie!

Tonny van der Burgh, PA4TON.