Радиоспектр — это часть электромагнитного спектра с частотами от 3 Гц до 3000 ГГц (3 ТГц ). Электромагнитные волны этого диапазона частот, называемые радиоволнами , широко используются в современной технике, особенно в телекоммуникациях . Чтобы предотвратить помехи между различными пользователями, генерация и передача радиоволн строго регулируется национальным законодательством и координируется международным органом — Международным союзом электросвязи (ITU). [1]
Различные части радиоспектра распределяются МСЭ для различных технологий и приложений радиопередачи; около 40 служб радиосвязи определены в Регламенте радиосвязи (РР) МСЭ . [2] В некоторых случаях части радиоспектра продаются или лицензируются операторам частных служб радиопередачи (например, операторам сотовой связи или станциям вещательного телевидения). Диапазоны выделенных частот часто обозначаются по их предусмотренному использованию (например, сотовый спектр или телевизионный спектр). [3] Поскольку это фиксированный ресурс, который пользуется спросом у растущего числа пользователей, радиоспектр в последние десятилетия становится все более перегруженным, и необходимость более эффективного его использования стимулирует современные телекоммуникационные инновации, такие как транкинговые радиосистемы , расширенный спектр , сверхширокополосная связь , повторное использование частот , динамическое управление спектром , объединение частот и когнитивное радио .
Частотные границы радиоспектра являются общепринятыми в физике и несколько условны . Поскольку радиоволны являются самой низкой частотной категорией электромагнитных волн , нижнего предела частоты радиоволн не существует. [4] Радиоволны определяются МСЭ как: «электромагнитные волны с частотами произвольно ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в космосе без искусственного проводника». [5] На высокочастотном конце радиоспектр ограничен инфракрасным диапазоном. Граница между радиоволнами и инфракрасными волнами определяется на разных частотах в разных научных областях. Терагерцовый диапазон от 300 гигагерц до 3 терагерц можно рассматривать либо как микроволны, либо как инфракрасное излучение. Это самый высокий диапазон, отнесенный Международным союзом электросвязи к радиоволнам . [4] , но учёные-спектроскописты считают эти частоты частью дальнего и среднего инфракрасного диапазонов.
Поскольку это фиксированный ресурс, практические ограничения и основные физические аспекты радиоспектра, частоты, полезные для радиосвязи , определяются технологическими ограничениями, которые невозможно преодолеть. [6] Таким образом, хотя радиоспектр становится все более перегруженным, нет возможности добавить дополнительную полосу частот помимо той, которая используется в настоящее время. [6] Самые низкие частоты, используемые для радиосвязи, ограничены увеличивающимся размером необходимых передающих антенн . [6] Размер антенны, необходимой для эффективного излучения радиомощности, увеличивается пропорционально длине волны или обратно пропорционально частоте. Ниже примерно 10 кГц (длина волны 30 км) требуются надземные проволочные антенны диаметром в несколько километров, поэтому очень немногие радиосистемы используют частоты ниже этой. Вторым ограничением является уменьшение пропускной способности, доступной на низких частотах, что ограничивает скорость передачи данных. [6] Ниже примерно 30 кГц аудиомодуляция нецелесообразна, и используется только медленная скорость передачи данных. Самые низкие частоты, которые используются для радиосвязи, составляют около 80 Гц в системах подводной связи ELF , построенных военно-морскими силами нескольких стран для связи со своими подводными лодками, находящимися под водой на глубине сотен метров. Они используют огромные наземные дипольные антенны длиной 20–60 км, возбуждаемые мегаваттной мощностью передатчика, и передают данные с чрезвычайно медленной скоростью, примерно 1 бит в минуту (17 миллибит в секунду , или около 5 минут на символ).
Самые высокие частоты, полезные для радиосвязи, ограничены поглощением микроволновой энергии атмосферой. [6] По мере увеличения частоты выше 30 ГГц (начало диапазона миллиметровых волн ) атмосферные газы поглощают все большее количество энергии, поэтому мощность в луче радиоволн уменьшается экспоненциально по мере удаления от передающей антенны. На частоте 30 ГГц полезная связь ограничена примерно 1 км, но с увеличением частоты диапазон приема волн уменьшается. В терагерцовом диапазоне выше 300 ГГц радиоволны ослабляются до нуля в пределах нескольких метров из-за поглощения атмосферой электромагнитного излучения (в основном за счет озона , водяного пара и углекислого газа ), которое настолько велико, что по существу непрозрачен для электромагнитных излучений, пока снова не станет прозрачным в ближнем инфракрасном и оптическом диапазонах частот окна. [7] [8]
Радио -группа — небольшая полоса частот (смежный участок диапазона радиоспектра), в которой каналы обычно используются или выделяются для одной и той же цели. Чтобы предотвратить помехи и обеспечить эффективное использование радиоспектра, аналогичные службы распределяются по полосам. Например, радиовещательные, мобильные радио или навигационные устройства будут выделены в непересекающиеся диапазоны частот.
Для каждого радиодиапазона у ITU есть план полос (или частотный план ), который определяет, как он должен использоваться и совместно использоваться, чтобы избежать помех и установить протокол для совместимости передатчиков и приемников . [9]
Каждый частотный план определяет диапазон частот, который должен быть включен, как должны быть определены каналы и что будет передаваться по этим каналам. Типичными определениями, изложенными в частотном плане, являются:
Фактически разрешенные полосы частот определяются МСЭ [10] и местными регулирующими органами, такими как Федеральная комиссия по связи США (FCC) [11] , а добровольные передовые методы помогают избежать помех. [12]
По соглашению ITU делит радиоспектр на 12 диапазонов, каждый из которых начинается с длины волны , равной степени десяти (10 n ) метров, с соответствующей частотой 3×10 8− n герц и каждый охватывает десятилетие. частоты или длины волны. Каждая из этих групп имеет традиционное название. Например, термин « высокая частота» (ВЧ) обозначает диапазон длин волн от 100 до 10 метров, что соответствует диапазону частот от 3 до 30 МГц. Это всего лишь символ, не имеющий отношения к распределению; ITU дополнительно делит каждый диапазон на поддиапазоны, выделенные различным службам. Выше 300 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что атмосфера фактически непрозрачна, пока снова не становится прозрачной в ближнем инфракрасном и оптическом диапазонах частот окна.
Эти радиодиапазоны ITU определены в Регламенте радиосвязи ITU . Статья 2, положение № 2.1 гласит, что «радиоспектр подразделяется на девять полос частот, которые обозначаются прогрессивными целыми числами в соответствии со следующей таблицей». [13]
Таблица возникла по рекомендации четвертого заседания CCIR , состоявшегося в Бухаресте в 1937 году, и была одобрена Международной радиоконференцией, состоявшейся в Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, в 1947 году. Идея присвоить каждому диапазону номер, в котором номер является номером. логарифм приблизительного среднего геометрического верхнего и нижнего пределов диапазона в Гц, предложенный Б. К. Флемингом-Уильямсом, который предложил его в письме редактору журнала Wireless Engineer в 1942 году. Например, приблизительное среднее геометрическое диапазона 7 равно 10. МГц или 10 7 Гц. [14]
Название полосы «чрезвычайно низкая частота» (TLF) использовалось для частот от 1 до 3 Гц (длины волн от 300 000 до 100 000 км) [15] , но этот термин не был определен МСЭ. [16]
Полосы частот СВЧ- диапазона обозначены буквами. Эта конвенция началась во время Второй мировой войны с военных обозначений частот, используемых в радарах , что было первым применением микроволн. Существует несколько несовместимых систем наименования микроволновых диапазонов, и даже внутри одной системы точный диапазон частот, обозначенный буквой, может несколько различаться в зависимости от области применения. Одним из широко используемых стандартов являются радиолокационные диапазоны IEEE , установленные Институтом инженеров по электротехнике и электронике США .
Частоты от 1 до 3 Гц (длины волн от 300 000 до 100 000 км) известны под названием «чрезвычайно низкие частоты» (TLF) [15] , но этот термин не был определен МСЭ. [24]
Частоты вещания:
Обозначения частот теле- и FM-радиовещания различаются в зависимости от страны, см. Частоты телевизионных каналов и диапазон FM-вещания . Поскольку частоты ОВЧ и УВЧ желательны для многих видов использования в городских районах, в Северной Америке некоторые части бывшего диапазона телевизионного вещания были переданы сотовым телефонам и различным системам наземной мобильной связи. Даже в пределах ассигнований, по-прежнему предназначенных для телевидения, устройства ТВ-диапазона используют каналы без местных вещательных компаний.
Диапазон Apex в США до Второй мировой войны был выделен для аудиовещания в диапазоне УКВ; он устарел после введения FM-вещания.
Под воздушным диапазоном понимаются частоты УКВ от 108 до 137 МГц, используемые для навигации и голосовой связи с самолетами. Трансокеанские самолеты также оснащены КВ- радиостанцией и спутниковыми приемопередатчиками.
Самым большим стимулом для развития радио была необходимость связи с кораблями, находящимися вне зоны видимости берега. С самых первых дней существования радио большие океанские суда имели мощные длинноволновые и средневолновые передатчики. Высокие частоты по-прежнему предназначены для судов, хотя спутниковые системы взяли на себя некоторые приложения безопасности, которые ранее обслуживались на частотах 500 кГц и других частотах. 2182 кГц — это средневолновая частота, которая до сих пор используется для морской экстренной связи.
Морская УКВ-радиостанция используется в прибрежных водах и для связи на относительно небольшом расстоянии между судами и береговыми станциями. Радиоприемники распределены по каналам: разные каналы используются для разных целей; Морской канал 16 используется для звонков и экстренных ситуаций.
Распределение любительских радиочастот различается по всему миру. Для любителей во всем мире распространено несколько диапазонов, обычно в КВ части спектра. Другие полосы являются национальными или региональными распределениями только из-за различий в распределениях для других служб, особенно в частях радиоспектра ОВЧ и УВЧ .
Гражданский диапазон радиораспределения распределен во многих странах с использованием канализированных радиостанций в верхней ВЧ части спектра (около 27 МГц). Он используется для личных целей, малого бизнеса и хобби. Другие распределения частот используются для аналогичных услуг в разных юрисдикциях, например, UHF CB распределен в Австралии. Во всем мире существует широкий спектр услуг персональной радиосвязи , обычно упор делается на связь на малом расстоянии между отдельными людьми или для малого бизнеса, упрощенные лицензионные требования или в некоторых странах, на которые распространяется классовая лицензия, и обычно FM-трансиверы, использующие около 1 Вт или меньше.
Полосы ISM изначально были зарезервированы для использования радиочастотной энергии, не связанного с связью, например, для микроволновых печей , радиочастотного отопления и подобных целей. Однако в последние годы эти полосы чаще всего использовались системами связи малого радиуса действия с низким энергопотреблением, поскольку пользователям не нужно иметь лицензию радиста. Беспроводные телефоны , беспроводные компьютерные сети , устройства Bluetooth и устройства открывания гаражных ворот используют диапазоны ISM. Устройства ISM не имеют нормативной защиты от помех со стороны других пользователей диапазона.
Полосы частот, особенно в ОВЧ- и УВЧ-частях спектра, выделены для связи между фиксированными базовыми станциями и наземными мобильными автомобильными или портативными приемопередатчиками. В Соединенных Штатах эти услуги неофициально известны как радио бизнес-диапазона . См. также Профессиональное мобильное радио .
Полицейское радио и другие службы общественной безопасности, такие как пожарные части и машины скорой помощи, обычно находятся в частях спектра ОВЧ и УВЧ. Транкинговые системы часто используются для наиболее эффективного использования ограниченного числа доступных частот.
Спрос на услуги мобильной телефонной связи привел к выделению больших блоков радиоспектра для сотовых частот .
Для надежного радиоуправления используются специально предназначенные для этой цели диапазоны. Радиоуправляемые игрушки могут использовать части нелицензированного спектра в диапазонах 27 МГц или 49 МГц, но более дорогие модели самолетов, лодок или наземных транспортных средств используют выделенные частоты радиоуправления около 72 МГц, чтобы избежать помех от нелицензированного использования. В 21 веке произошел переход на RC-системы управления с расширенным спектром 2,4 ГГц.
Лицензированные радиолюбители используют часть 6-метрового диапазона в Северной Америке. Промышленное дистанционное управление кранами или железнодорожными локомотивами использует выделенные частоты, которые различаются в зависимости от региона.
В радиолокационных приложениях используются импульсные передатчики относительно высокой мощности и чувствительные приемники, поэтому радар работает в диапазонах, не используемых для других целей. Большинство радиолокационных диапазонов находятся в микроволновой части спектра, хотя в некоторых важных метеорологических приложениях используются мощные передатчики в диапазоне УВЧ.