Радиоспектр — это часть электромагнитного спектра с частотами от 3 Гц до 3000 ГГц (3 ТГц ). Электромагнитные волны в этом диапазоне частот, называемые радиоволнами , широко используются в современных технологиях, особенно в телекоммуникациях . Для предотвращения помех между различными пользователями генерация и передача радиоволн строго регулируются национальными законами, координируемыми международным органом — Международным союзом электросвязи (МСЭ). [1]
Различные части радиоспектра выделяются МСЭ для различных технологий и приложений радиопередачи; около 40 служб радиосвязи определены в Регламенте радиосвязи МСЭ (РР). [2] В некоторых случаях части радиоспектра продаются или лицензируются операторам частных служб радиопередачи (например, операторам сотовой связи или вещательным телевизионным станциям). Диапазоны выделенных частот часто упоминаются по их предоставленному использованию (например, сотовый спектр или телевизионный спектр). [3] Поскольку это фиксированный ресурс, который востребован все большим числом пользователей, радиоспектр становится все более перегруженным в последние десятилетия, и необходимость использовать его более эффективно стимулирует современные инновации в области телекоммуникаций, такие как транкинговые радиосистемы , расширенный спектр , сверхширокополосная связь , повторное использование частот , динамическое управление спектром , объединение частот и когнитивное радио .
Частотные границы радиоспектра являются вопросом соглашения в физике и в некоторой степени условны. Поскольку радиоволны являются самой низкой категорией частот электромагнитных волн , не существует нижнего предела частоты радиоволн. [4] Радиоволны определяются МСЭ как: «электромагнитные волны с частотами произвольно ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного направляющего устройства». [5] На конце высокочастотного радиоспектра 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 как микроволны или инфракрасный. Это самый высокий диапазон, классифицируемый Международным союзом электросвязи как радиоволны . [4] но специалисты по спектроскопии считают эти частоты частью дальнего инфракрасного и среднего инфракрасного диапазонов.
Поскольку это фиксированный ресурс, практические ограничения и основные физические соображения радиоспектра, частоты, которые полезны для радиосвязи , определяются технологическими ограничениями, которые невозможно преодолеть. [6] Таким образом, хотя радиоспектр становится все более перегруженным, нет возможности добавить дополнительную полосу частот за пределами той, которая используется в настоящее время. [6] Самые низкие частоты, используемые для радиосвязи, ограничены увеличивающимся размером требуемых 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 приподнятые проволочные антенны диаметром в километры, поэтому очень немногие радиосистемы используют частоты ниже этого. Вторым ограничением является уменьшение полосы пропускания, доступной на низких частотах, что ограничивает скорость передачи данных . [6] Ниже примерно 30 кГц аудиомодуляция непрактична, и используется только передача данных с низкой скоростью передачи. Самые низкие частоты, которые использовались для радиосвязи, составляют около 80 Гц, в системах подводной связи ELF, построенных флотами нескольких стран для связи с их подводными лодками, находящимися на глубине сотен метров под водой. Они используют огромные наземные дипольные антенны длиной 20–60 км, возбуждаемые мегаваттами мощности передатчика, и передают данные с чрезвычайно низкой скоростью около 1 бита 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 миллиметрового диапазона волн ) атмосферные газы поглощают все большее количество энергии, поэтому мощность в луче радиоволн уменьшается экспоненциально с расстоянием от передающей антенны. На частоте 30 ГГц полезная связь ограничена примерно 1 км, но с увеличением частоты диапазон, на котором волны могут быть приняты, уменьшается. В терагерцовом диапазоне выше 300 ГГц радиоволны ослабляются до нуля в пределах нескольких метров из-за поглощения электромагнитного излучения атмосферой (в основном из-за озона , водяного пара и углекислого газа ), которое настолько велико, что оно по существу непрозрачно для электромагнитных излучений, пока оно не станет снова прозрачным вблизи ближнего инфракрасного и оптического диапазонов частот окна . [7] [8]
Радиогруппа небольшая полоса частот (непрерывный участок диапазона радиоспектра), в которой каналы обычно используются или отводятся для одной и той же цели. Чтобы предотвратить помехи и обеспечить эффективное использование радиоспектра, аналогичные службы выделяются в полосы. Например, вещание, мобильная радиосвязь или навигационные устройства будут выделены в неперекрывающихся диапазонах частот.
Для каждого радиодиапазона МСЭ имеет план диапазонов (или частотный план ), который определяет, как его следует использовать и совместно использовать, чтобы избежать помех и установить протокол для совместимости передатчиков и приемников . [9]
Каждый частотный план определяет диапазон частот, который будет включен, как будут определены каналы и что будет передаваться по этим каналам. Типичные определения, изложенные в частотном плане:
Фактические разрешенные полосы частот определяются МСЭ [ 10] и местными регулирующими органами, такими как Федеральная комиссия по связи США (FCC) [11] , а добровольные передовые практики помогают избежать помех. [12]
В качестве соглашения МСЭ делит радиоспектр на 12 диапазонов, каждый из которых начинается с длины волны , которая является мощностью десяти (10 n ) метров, с соответствующей частотой 3×10 8− n герц , и каждый охватывает декаду частоты или длины волны. Каждый из этих диапазонов имеет традиционное название. Например, термин высокая частота (HF) обозначает диапазон длин волн от 100 до 10 метров, что соответствует диапазону частот от 3 до 30 МГц. Это всего лишь символ, не связанный с распределением; МСЭ далее делит каждый диапазон на поддиапазоны, выделенные для различных служб. Выше 300 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что атмосфера фактически непрозрачна, пока она не станет снова прозрачной в ближнем инфракрасном и оптическом диапазонах частот окна .
Эти радиодиапазоны МСЭ определены в Регламенте радиосвязи МСЭ . Статья 2, положение № 2.1 гласит, что «радиоспектр должен быть разделен на девять частотных диапазонов, которые должны быть обозначены прогрессивными целыми числами в соответствии со следующей таблицей». [13]
Таблица была создана по рекомендации четвертого заседания МККР , состоявшегося в Бухаресте в 1937 году, и была одобрена Международной радиоконференцией, состоявшейся в Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, в 1947 году. Идея дать каждому диапазону номер, в котором число является логарифмом приблизительного геометрического среднего верхнего и нижнего пределов диапазона в Гц, возникла у Б. К. Флеминга-Уильямса, который предложил это в письме редактору Wireless Engineer в 1942 году. Например, приблизительное геометрическое среднее диапазона 7 составляет 10 МГц или 10 7 Гц. [14]
Название диапазона «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]
Частотные диапазоны в микроволновом диапазоне обозначаются буквами. Эта конвенция зародилась около Второй мировой войны с военных обозначений частот, используемых в радарах , которые были первым применением микроволн. Существует несколько несовместимых систем наименований для микроволновых диапазонов, и даже в пределах одной системы точный диапазон частот, обозначенный буквой, может несколько различаться в разных областях применения. Одним из широко используемых стандартов являются радиолокационные диапазоны IEEE, установленные Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике США .
Название диапазона «чрезвычайно низкая частота» (TLF) использовалось для частот от 1 до 3 Гц (длины волн 300 000–100 000 км) [15] , но этот термин не был определен МСЭ. [24]
Частоты вещания:
Обозначения для частот телевизионного и FM-радиовещания различаются в разных странах, см. Частоты телевизионных каналов и диапазон FM-вещания . Поскольку частоты VHF и UHF желательны для многих целей в городских районах, в Северной Америке некоторые части бывшего диапазона телевизионного вещания были перераспределены для сотовой связи и различных наземных мобильных систем связи. Даже в пределах распределения, все еще предназначенного для телевидения, устройства TV-диапазона используют каналы без местных вещателей.
Диапазон Apex в Соединенных Штатах был выделен до Второй мировой войны для аудиовещания на УКВ; он устарел после введения FM-вещания.
Воздушный диапазон относится к частотам VHF от 108 до 137 МГц, используемым для навигации и голосовой связи с самолетами. Трансокеанские самолеты также несут HF- радио и спутниковые приемопередатчики.
Самым большим стимулом для развития радио стала необходимость связи с судами вне зоны видимости берега. С самых первых дней радио крупные океанские суда несли мощные длинноволновые и средневолновые передатчики. Высокочастотные распределения по-прежнему предназначены для судов, хотя спутниковые системы взяли на себя некоторые из приложений безопасности, ранее обслуживаемых 500 кГц и другими частотами. 2182 кГц — это средневолновая частота, которая до сих пор используется для морской аварийной связи.
Морская УКВ-радиостанция используется в прибрежных водах и для связи на относительно коротких расстояниях между судами и береговыми станциями. Радиостанции имеют канальную структуру, при этом разные каналы используются для разных целей; морской канал 16 используется для вызовов и аварийных ситуаций.
Распределение любительских радиочастот различается по всему миру. Несколько диапазонов являются общими для любителей по всему миру, обычно в HF -части спектра. Другие диапазоны являются национальными или региональными распределениями только из-за различных распределений для других служб, особенно в VHF и UHF -частях радиоспектра.
Радиочастотный диапазон для граждан выделяется во многих странах, используя канализированные радиостанции в верхней части спектра HF (около 27 МГц). Он используется для личных, малых деловых и любительских целей. Другие распределения частот используются для аналогичных услуг в различных юрисдикциях, например, UHF CB выделяется в Австралии. Широкий спектр услуг персонального радио существует по всему миру, обычно подчеркивая связь на короткие расстояния между отдельными лицами или для малого бизнеса, упрощенные требования к лицензированию или в некоторых странах охватываемые лицензией класса, и обычно FM-трансиверы, использующие около 1 Вт или меньше.
Диапазоны ISM изначально были зарезервированы для некоммуникационного использования радиочастотной энергии, например, для микроволновых печей , радиочастотного отопления и подобных целей. Однако в последние годы наибольшее использование этих диапазонов приходится на маломощные системы связи ближнего действия, поскольку пользователям не требуется иметь лицензию радиооператора. Беспроводные телефоны , беспроводные компьютерные сети , устройства Bluetooth и открыватели гаражных ворот — все они используют диапазоны ISM. Устройства ISM не имеют нормативной защиты от помех со стороны других пользователей диапазона.
Диапазоны частот, особенно в диапазонах VHF и UHF, выделяются для связи между стационарными базовыми станциями и наземными мобильными , установленными на транспортных средствах или переносными приемопередатчиками. В Соединенных Штатах эти услуги неофициально известны как деловое радио. См. также Профессиональное мобильное радио .
Полицейское радио и другие службы общественной безопасности, такие как пожарные и машины скорой помощи, обычно находятся в диапазонах VHF и UHF. Системы транкинга часто используются для наиболее эффективного использования ограниченного числа доступных частот.
Спрос на услуги мобильной телефонной связи привел к выделению больших участков радиоспектра под частоты сотовой связи .
Надежное радиоуправление использует полосы, предназначенные для этой цели. 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 к системам радиоуправления с расширенным спектром 2,4 ГГц.
Лицензированные радиолюбители используют части 6-метрового диапазона в Северной Америке. Промышленное дистанционное управление кранами или железнодорожными локомотивами использует назначенные частоты, которые различаются в зависимости от региона.
Радарные приложения используют относительно мощные импульсные передатчики и чувствительные приемники, поэтому радар работает на диапазонах, не используемых для других целей. Большинство радарных диапазонов находятся в микроволновой части спектра, хотя некоторые важные приложения для метеорологии используют мощные передатчики в диапазоне УВЧ.