Rádiové spektrum - Radio spectrum

Rádiového spektra je část elektromagnetického spektra s frekvencí od 30  Hz do 300  GHz . Elektromagnetické vlny v tomto frekvenčním rozsahu, nazývané rádiové vlny , jsou široce používány v moderní technologii, zejména v telekomunikacích . Aby se zabránilo rušení mezi různými uživateli, generování a přenos rádiových vln je přísně regulován vnitrostátními zákony, koordinovanými mezinárodním orgánem, Mezinárodní telekomunikační unií (ITU).

ITU přiděluje různé části rádiového spektra pro různé technologie a aplikace rádiového přenosu; v Radiokomunikačních předpisech ITU (RR) je definováno asi 40 radiokomunikačních služeb . V některých případech jsou části rádiového spektra prodávány nebo licencovány provozovatelům soukromých rádiových přenosových služeb (například mobilním operátorům nebo televizním stanicím). Rozsahy přidělených frekvencí jsou často označovány jejich zajištěným použitím (například celulární spektrum nebo televizní spektrum). Protože se jedná o fixní zdroj, který je žádán stále větším počtem uživatelů, je rádiové spektrum v posledních desetiletích stále více přetížené a potřeba jeho efektivnějšího využití je hybnou silou moderních telekomunikačních inovací, jako jsou dálkové rádiové systémy , rozšířené spektrum , ultraširokopásmové , opětovné použití frekvence , dynamická správa spektra , sdružování frekvencí a kognitivní rádio .

Limity

Tyto frekvence hranice rádiového spektra jsou záležitostí konvence ve fyzice a jsou poněkud libovolné. Vzhledem k tomu, že rádiové vlny jsou nejnižší frekvenční kategorií elektromagnetických vln , neexistuje žádná dolní hranice frekvence rádiových vln. Na konci vysoké frekvence je rádiové spektrum ohraničeno infračerveným pásmem. Hranice mezi rádiovými vlnami a infračervenými vlnami je definována na různých frekvencích v různých vědních oblastech. Terahertz pás , od 300 GHz až 3 terahertz, lze považovat buď za mikrovlnami nebo infračervené. Jedná se o nejvyšší pásmo, které Mezinárodní telekomunikační unie klasifikuje jako rádiové vlny , ale spektroskopičtí vědci považují tyto frekvence za součást daleko infračerveného pásma.

Tyto praktické limity rádiového spektra, frekvence, které jsou použitelné prakticky pro rádiovou komunikaci , jsou určeny technologickým omezením, které je nepravděpodobné, že je třeba překonat. Takže i když je rádiové spektrum stále více přetížené, existuje malá vyhlídka na další šířku frekvenčního pásma mimo to, že se v současné době začne zpřístupňovat.

Nejnižší frekvence používané pro rádiovou komunikaci jsou omezeny rostoucí velikostí požadovaných vysílacích antén . Velikost antény potřebné k účinnému vyzařování rádiového výkonu se zvyšuje úměrně k vlnové délce nebo nepřímo s frekvencí. Pod asi 10 kHz (vlnová délka 30 km) jsou vyžadovány vyvýšené drátové antény kilometry v průměru, takže jen velmi málo rádiových systémů používá frekvence pod touto úrovní. Druhým limitem je klesající šířka pásma dostupná při nízkých frekvencích, která omezuje přenosovou rychlost . Pod asi 30 kHz je zvuková modulace nepraktická a používá se pouze datová komunikace s nízkou přenosovou rychlostí. Nejnižší frekvence, které byly použity pro rádiovou komunikaci, jsou kolem 80 Hz, v podmořských komunikačních systémech ELF postavených námořnictvem několika národů pro komunikaci se svými ponořenými ponorkami stovky metrů pod vodou. Ty využívají obrovské pozemní dipólové antény o délce 20–60 km buzené megawatty výkonu vysílače a přenášejí data extrémně pomalou rychlostí přibližně 1 bit za minutu (17 mbit/s nebo asi 5 minut na znak).

Nejvyšší frekvence užitečné pro radiovou komunikaci jsou omezeny absorpcí mikrovlnné energie atmosférou. Jak se frekvence zvyšuje nad 30 GHz (začátek pásma milimetrových vln ), atmosférické plyny absorbují rostoucí množství energie, takže výkon v paprsku rádiových vln exponenciálně klesá se vzdáleností od vysílací antény. Při frekvenci 30 GHz je užitečná komunikace omezena na přibližně 1 km, ale jak se frekvence zvyšuje, rozsah, ve kterém lze vlny přijímat, klesá. V terahertzovém pásmu nad 300 GHz jsou rádiové vlny na několik metrů zeslabeny na nulu, takže atmosféra je v podstatě neprůhledná.

Kapely

Radio band je malá souvislá část frekvencí rádiového spektra , ve které jsou kanály obvykle používány nebo vyčleněny pro stejný účel. Aby se zabránilo rušení a umožnilo efektivní využití rádiového spektra, jsou podobné služby přidělovány v pásmech. Například vysílací, mobilní rádio nebo navigační zařízení budou přidělována v nepřekrývajících se frekvenčních rozsazích.

Pro každou z těchto skupin na ITU má bandplan který diktuje, jak má být použita a sdíleny, aby se zabránilo rušení a nastavení protokolu pro kompatibilitu všech vysílačů a přijímačů .

ITU

ITU podle konvence rozděluje rádiové spektrum do 12 pásem, každé začíná na vlnové délce, která je silou deseti (10 n ) metrů, s odpovídající frekvencí 3 × 10 8 − n  hertzů a každé pokrývá desetiletí frekvence nebo vlnové délky. Každá z těchto kapel má tradiční název. Například termín vysoká frekvence (HF) označuje rozsah vlnových délek od 100 do 10 metrů, což odpovídá frekvenčnímu rozsahu 3 MHz až 30 MHz. Toto je jen konvence pojmenování a nesouvisí s přidělováním; ITU dále rozděluje každé pásmo na subpásma alokovaná pro různá použití. Nad 300 GHz je absorpce elektromagnetického záření zemskou atmosférou tak velká, že je atmosféra efektně neprůhledná, dokud se v blízkých infračervených a optických frekvenčních rozsazích okna opět nezprůhlední.

Tato rádiová pásma ITU jsou definována v Radiokomunikačních předpisech ITU . Článek 2, ustanovení č. 2.1 uvádí, že „rádiové spektrum bude rozděleno do devíti frekvenčních pásem, která budou označena postupnými celými čísly v souladu s následující tabulkou“.

Tabulka vznikla na základě doporučení IV. Zasedání CCIR, které se konalo v Bukurešti v roce 1937, a byla schválena Mezinárodní rozhlasovou konferencí v Atlantic City, New Jersey v roce 1947. Myšlenka přidělit každému pásmu číslo, ve kterém je číslo logaritmus přibližného geometrického průměru mezí horního a dolního pásma v Hz, pochází z BC Fleming-Williams, který to navrhl v dopise redaktorovi aplikace Wireless Engineer v roce 1942. (Například přibližný geometrický průměr pásma 7 je 10 MHz nebo 107 Hz.)

Název kapely Zkratka Číslo pásma ITU Frekvence a vlnová délka Příklad použití
Extrémně nízká frekvence ELF 1 3–30 Hz
100 000–10 000 km
Komunikace s ponorkami
Super nízká frekvence SLF 2 30–300 Hz
10 000–1 000 km
Komunikace s ponorkami
Ultra nízká frekvence ULF 3
300–3 000 Hz 1 000–100 km
Podmořská komunikace, komunikace v dolech
Velmi nízká frekvence VLF 4 3–30 kHz
100–10 km
Navigace , časové signály , podmořská komunikace, bezdrátové monitory srdečního tepu , geofyzika
Nízká frekvence LF 5 30–300 kHz
10–1 km
Navigace, časové signály , AM dlouhovlnné vysílání (Evropa a části Asie), RFID , amatérské rádio
Střední frekvence MF 6
300–3 000 kHz 1 000–100 m
Vysílání AM (střední vlna), amatérské rádio, lavinové majáky
Vysoká frekvence HF 7 3–30 MHz
100–10 m
Krátkovlnné vysílání, rádio pro občany , amatérské rádio a letecká komunikace na obzoru , RFID , radar na obzoru , rádiová komunikace s automatickým navázáním spojení (ALE) / blízké vertikální oblohy (NVIS), námořní a mobilní radiotelefonie
Velmi vysoká frekvence VKV 8 30–300 MHz
10–1 m
FM , televizní vysílání, přímá komunikace země -letadlo a letadlo-letadlo , pozemní mobilní a námořní mobilní komunikace, amatérské rádio, meteorologické rádio
Ultra vysoká frekvence UHF 9
300–3 000 MHz 1–0,1 m
Televizní vysílání, mikrovlnná trouba , mikrovlnná zařízení/komunikace, radioastronomie , mobilní telefony , bezdrátová síť LAN , Bluetooth , ZigBee , GPS a obousměrné rádia jako pozemní mobilní, rádia FRS a GMRS , amatérské rádio, satelitní rádio , systémy dálkového ovládání, ADSB .
Super vysoká frekvence SHF 10 3–30 GHz
100–10 mm
Radioastronomie, mikrovlnná zařízení/komunikace, bezdrátová síť LAN, DSRC , nejmodernější radary , komunikační satelity , kabelové a satelitní televizní vysílání, DBS , amatérské rádio, satelitní rádio .
Extrémně vysoká frekvence EHF 11 30–300 GHz
10–1 mm
Radioastronomie, vysokofrekvenční mikrovlnné rádiové relé , mikrovlnné dálkové snímání , amatérské rádio, zbraň s přímou energií , skener milimetrových vln , Wireless Lan 802.11ad.
Terahertz nebo ohromně vysoká frekvence THz nebo THF 12
300–3 000 GHz 1–0,1 mm
Experimentální lékařské zobrazování nahrazující rentgenové paprsky, ultrarychlá molekulární dynamika, fyzika kondenzovaných látek , terahertzová spektroskopie v časové oblasti , terahertzové výpočty/komunikace, dálkový průzkum Země

Radarová pásma IEEE

Kmitočtová pásma v mikrovlnném rozsahu jsou označena písmeny. Tato úmluva začala kolem druhé světové války vojenským označením pro frekvence používané v radaru , což byla první aplikace mikrovln. Bohužel existuje několik nekompatibilních pojmenovacích systémů pro mikrovlnná pásma a dokonce i v rámci daného systému se přesný frekvenční rozsah označený písmenem může v různých aplikačních oblastech poněkud lišit. Jednou široce používanou normou jsou radarová pásma IEEE zřízená americkým institutem elektrotechnických a elektronických inženýrů .


Radarová frekvenční pásma podle standardu IEEE

Označení pásma
Frekvenční rozsah Vysvětlení významu písmen
HF 0,003 až 0,03 GHz Vysoká frekvence
VKV 0,03 až 0,3 GHz Velmi vysoká frekvence
UHF 0,3 až 1 GHz Ultra vysoká frekvence
L 1 až 2 GHz Dlouhá vlna
S 2 až 4 GHz Krátká vlna
C 4 až 8 GHz Kompromis mezi S a X
X 8 až 12 GHz Používá se ve druhé světové válce pro řízení palby , X pro kříž (jako v nitkovém kříži ). Exotický.
K u 12 až 18 GHz Kurz-under
K 18 až 27 GHz Kurz (německy zkratka)
K a 27 až 40 GHz Kurz-výše
PROTI 40 až 75 GHz
W 75 až 110 GHz W následuje V v abecedě
mm nebo G 110 až 300 GHz Milimetr

Označení kmitočtu EU, NATO, USA ECM

DESIGNACE DOPISU NATO VYSÍLÁNÍ OZNAČENÍ
PÁSMA
NOVÁ NOMENKLATURA STARÁ NOMENKLATURA
KAPELA FREKVENCE ( MHz ) KAPELA FREKVENCE (MHz)
A 0 - 250 100 - 150 Pásmo I
47 - 68 MHz (TV)
Pásmo II
87,5 - 108 MHz (FM)
G 150 - 225 Pásmo III
174 - 230 MHz (TV)
B 250 - 500 P 225 - 390
C 500 - 1 000 L 390 - 1 550 Pásmo IV
470 - 582 MHz (TV)
Pásmo V
582 - 862 MHz (TV)
D 1 000 - 2 000 S 1550 - 3900
E 2 000 - 3 000
F 3 000 - 4 000
G 4 000 - 6 000 C 3 900 - 6 200
H 6 000 - 8 000 X 6 200 - 10 900
8 000 - 10 000
J. 10 000 - 20 000 Ku 10 900 - 20 000
K 20 000 - 40 000 Ka 20 000 - 36 000
L 40 000 - 60 000 Otázka 36 000 - 46 000
PROTI 46 000 - 56 000
M 60 000 - 100 000 W 56 000 - 100 000
USA- VOJENSKÝ / SACLANT
N. 100 000 - 200 000
Ó 100 000 - 200 000

Frekvenční pásma vlnovodu

Kapela Frekvenční rozsah
Pásmo R. 1,70 až 2,60 GHz
Kapela D. 2,20 až 3,30 GHz
Kapela S. 2,60 až 3,95 GHz
E pásmo 3,30 až 4,90 GHz
Pásmo G. 3,95 až 5,85 GHz
F pásmo 4,90 až 7,05 GHz
Pásmo C. 5,85 až 8,20 GHz
H pásmo 7,05 až 10,10 GHz
X pásmo 8,2 až 12,4 GHz
K u pásmo 12,4 až 18,0 GHz
K pásmo 18,0 až 26,5 GHz
K pásmo 26,5 až 40,0 GHz
Pásmo Q 33 až 50 GHz
U pásmo 40 až 60 GHz
V. pásmo 50 až 75 GHz
E pásmo 60 až 90 GHz
W pásmo 75 až 110 GHz
F pásmo 90 až 140 GHz
Kapela D. 110 až 170 GHz
Y band 325 až 500 GHz

Porovnání standardů pro označení rádiových pásem

Porovnání označení frekvenčních pásem
Frekvence IEEE EU,
NATO,
US ECM
ITU
Ne. zkr.
A  
3 Hz 1 ELF
30 Hz 2 SLF
300 Hz 3 ULF
3 kHz 4 VLF
30 kHz 5 LF
300 kHz 6 MF
3 MHz HF 7 HF
30 MHz VKV 8 VKV
250 MHz B
300 MHz UHF 9 UHF
500 MHz C
1 GHz L D
2 GHz S E
3 GHz F 10 SHF
4 GHz C G
6 GHz H
8 GHz X
10 GHz J.
12 GHz K u
18 GHz K
20 GHz K
27 GHz K a
30 GHz 11 EHF
40 GHz PROTI L
60 GHz M
75 GHz W
100 GHz
110 GHz mm
300 GHz 12 THF
3 THz  

Aplikace

Vysílání

Vysílací frekvence:

Označení frekvencí televizního a rozhlasového vysílání FM se v jednotlivých zemích liší, viz frekvence televizního kanálu a pásmo FM vysílání . Protože frekvence VHF a UHF jsou žádoucí pro mnoho použití v městských oblastech, v Severní Americe byly některé části bývalého pásma televizního vysílání přeřazeny k mobilním telefonům a různým pozemním mobilním komunikačním systémům. I v rámci alokace, která je stále věnována televizi, používají zařízení TV pásma kanály bez místních provozovatelů vysílání.

Apex band ve Spojených státech bylo přidělení pre-WWII pro VHF audio vysílání; byla zastaralá po zavedení FM vysílání.

Vzduchový pás

Airband označuje VKV frekvence 118 až 137 MHz, používané pro navigaci a hlasovou komunikaci s letadly. Trans-oceánská letadla také nesou HF rádiové a satelitní transceivery.

Námořní kapela

Největší pobídkou pro rozvoj rádia byla potřeba komunikovat s loděmi mimo viditelný dosah pobřeží. Od samého počátku rozhlasu nesly velké zaoceánské lodě výkonné vysílače dlouhých a středních vln. Vysokofrekvenční příděly jsou stále určeny pro lodě, přestože satelitní systémy převzaly některé z bezpečnostních aplikací, které dříve sloužily pro 500 kHz a jiné kmitočty. 2182 kHz je střední vlna, která se stále používá pro námořní nouzovou komunikaci.

Námořní VKV rádio se používá v pobřežních vodách a v relativně krátkém dosahu komunikace mezi plavidly a pobřežními stanicemi. Rádia jsou usměrňována s různými kanály používanými pro různé účely; Marine Channel 16 se používá pro volání a nouzové situace.

Amatérské rádiové frekvence

Amatérské přidělení rádiových frekvencí se po celém světě liší. Pro amatéry na celém světě je běžných několik pásem, obvykle v KV části spektra. Jiná pásma jsou národní nebo regionální alokace pouze kvůli rozdílným alokacím pro jiné služby, zejména v částech VKV a UHF rádiového spektra.

Občanská skupina a osobní rozhlasové služby

Rádio s občanským pásmem je v mnoha zemích přidělováno pomocí channelizovaných rádií v horní KV oblasti spektra (kolem 27 MHz). Používá se pro osobní, malé podnikání a hobby účely. Pro podobné služby v různých jurisdikcích se používají další přidělování frekvencí, například UHF CB je přidělován v Austrálii. Po celém světě existuje široká škála osobních rádiových služeb , které obvykle kladou důraz na komunikaci na krátkou vzdálenost mezi jednotlivci nebo pro malé podniky, zjednodušené licenční požadavky nebo v některých zemích pokryté třídní licencí, a obvykle přijímače FM s výkonem přibližně 1 watt nebo méně.

Průmyslové, vědecké, lékařské

Tyto ISM pásy byly původně vyhrazena pro non-komunikačních použití vysokofrekvenční energie, jako jsou například mikrovlnné trouby , vysokofrekvenční ohřev a podobné účely. V posledních letech však největší využití těchto pásem využívají komunikační systémy s nízkým výkonem na krátkou vzdálenost, protože uživatelé nemusí být držitelem licence radisty. Bezdrátové telefony , bezdrátové počítačové sítě , zařízení Bluetooth a otvírače garážových vrat využívají pásma ISM. Zařízení ISM nemají regulační ochranu proti rušení od ostatních uživatelů pásma.

Přistát mobilní pásma

Pásma frekvencí, zejména v částech spektra VHF a UHF, jsou přidělena pro komunikaci mezi pevnými základnovými stanicemi a pozemními mobilními vozidlovými nebo přenosnými transceivery. Ve Spojených státech jsou tyto služby neformálně známé jako business band radio. Viz také Profesionální mobilní rádio .

Policejní rádio a další služby veřejné bezpečnosti, jako jsou hasiči a záchranné služby, se obecně nacházejí v částech spektra VKV a UHF. K co nejefektivnějšímu využití omezeného počtu dostupných frekvencí se často používají systémy kanálů .

Poptávka po mobilních telefonních službách vedla k velkým blokům rádiového spektra přidělovaným mobilním frekvencím .

Rádiové ovládání

Spolehlivé rádiové ovládání využívá pásma vyhrazená tomuto účelu. Rádiem ovládané hračky mohou využívat části nelicencovaného spektra v pásmech 27 MHz nebo 49 MHz, ale dražší modely letadel, lodí nebo pozemních vozidel používají vyhrazené rádiové frekvence blízko 72 MHz, aby se zabránilo rušení nelicencovaným používáním. V 21. století došlo k přechodu na 2,4GHz systémy řízení RC s rozšířeným spektrem.

Licencovaní amatérští rozhlasoví operátoři používají části 6metrového pásma v Severní Americe. Průmyslové dálkové ovládání jeřábů nebo železničních lokomotiv využívá přiřazené frekvence, které se liší podle oblasti.

Radar

Radarové aplikace používají pulzní vysílače a citlivé přijímače s relativně vysokým výkonem, takže radar je provozován v pásmech, které nejsou použity pro jiné účely. Většina radarových pásem je v mikrovlnné části spektra, i když některé důležité meteorologické aplikace využívají výkonné vysílače v pásmu UHF.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy