Радиочастотный спектр: определение, регулирование и использование.

Введение

Часть электромагнитного спектра от 1 Гц до 3000 ГГц – это спектральный диапазон. Радиоспектр – это часть электромагнитного спектра с частотами от 3 Гц до 3000 ГГц (3 ТГц). Электромагнитные волны в этом частотном диапазоне, называемые радиоволнами, широко используются в современных технологиях, особенно в телекоммуникациях. Для предотвращения взаимных помех между различными пользователями генерация и передача радиоволн строго регулируются национальным законодательством, координируемым международной организацией – Международным союзом электросвязи (МСЭ). Различные части радиоспектра распределяются МСЭ для различных технологий и областей применения радиосвязи; около 40 служб радиосвязи определены в Регламенте радиосвязи МСЭ (RR). В некоторых случаях части радиоспектра продаются или предоставляются по лицензии операторам частных служб радиосвязи (например, операторам сотовой связи или телеканалам вещания). Диапазоны выделенных частот часто называют в соответствии с их назначением (например, спектр для сотовой связи или телевизионный спектр). Поскольку радиоспектр является ограниченным ресурсом, спрос на который постоянно растет, в последние десятилетия он становится все более перегруженным, и необходимость более эффективного его использования стимулирует современные телекоммуникационные инновации, такие как транкинговые радиосистемы, широкополосная модуляция, ультраширокополосная связь, повторное использование частот, динамическое управление спектром, объединение частотных ресурсов и когнитивное радио.

Пределы

Границы частот радиочастотного спектра являются предметом соглашения в физике и в некоторой степени произвольны. Поскольку радиоволны представляют собой категорию электромагнитных волн с самой низкой частотой, нижнего предела частоты радиоволн не существует. МСЭ определяет радиоволны как: "электромагнитные волны с частотами произвольно ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственных волноводов". На верхнем частотном пределе радиоспектр ограничен инфракрасным диапазоном. Граница между радиоволнами и инфракрасными волнами определяется по-разному в различных научных областях. Диапазон терагерц, от 300 гигагерц до 3 терагерц, может рассматриваться как микроволны или инфракрасное излучение. Это самый высокочастотный диапазон, классифицируемый МСЭ как радиоволны. Таким образом, несмотря на растущую загруженность радиочастотного спектра, невозможно добавить дополнительную полосу частот за пределы уже используемой.

Полосы

Радиодиапазон – это узкий диапазон частот (непрерывный участок радиочастотного спектра), в котором каналы обычно используются или резервируются для одних и тех же целей. Чтобы предотвратить взаимные помехи и обеспечить эффективное использование радиочастотного спектра, схожие виды обслуживания распределяются по диапазонам. Например, вещание, мобильная радиосвязь или навигационные приборы получают выделенные неперекрывающиеся диапазоны частот.

Международный союз электросвязи

Фактические разрешенные полосы частот определяются МСЭ и местными регулирующими органами, такими как Федеральная комиссия по связи США (FCC), а добровольные передовые методы помогают избежать помех. По соглашению, МСЭ разделяет радиоспектр на 12 полос, каждая из которых начинается с длины волны, равной степени десяти (10n) метров, с соответствующей частотой 3 × 108−n герц, и каждая из которых охватывает декаду частоты или длины волны. Каждая из этих полос имеет традиционное название. Например, термин "высокая частота" (HF) обозначает диапазон длин волн от 100 до 10 метров, соответствующий диапазону частот от 3 до 30 МГц. Это лишь условное обозначение и не связано с распределением; МСЭ далее разделяет каждую полосу на подполосы, выделенные для различных служб. Выше 300 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что атмосфера фактически непрозрачна, пока не становится прозрачной в ближнем инфракрасном и оптическом диапазонах частот. Эти радиодиапазоны МСЭ определены в Регламенте МСЭ по радиосвязи. Статья 2, положение № 2.1 гласит, что "радиочастотный спектр должен быть разделен на девять полос частот, которые должны быть обозначены последовательными целыми числами в соответствии со следующей таблицей". Таблица возникла в результате рекомендации четвертого заседания CCIR, состоявшегося в Бухаресте в 1937 году, и была утверждена Международной радиоконференцией, проходившей в Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, в 1947 году. Идея присвоения каждой полосе номера, равного логарифму приблизительного геометрического среднего верхней и нижней границ полосы в Гц, принадлежит Б. К. Флемингу Уильямсу, который предложил ее в письме редактору журнала Wireless Engineer в 1942 году. Например, приблизительное геометрическое среднее для полосы 7 составляет 10 МГц, или 107 Гц. Название полосы "сверхнизкая частота" (TLF) используется для частот от 1 до 3 Гц (длины волн от 300 000 до 100 000 км), но этот термин не был определен МСЭ.

The actual authorized frequency bands are defined by the ITU and the local regulating agencies like the US Federal Communications Commission (FCC) and voluntary best practices help avoid interference. As a matter of convention, the ITU divides the radio spectrum into 12 bands, each beginning at a wavelength which is a power of ten (10n) metres, with corresponding frequency of 3×108−n hertz, and each covering a decade of frequency or wavelength. Each of these bands has a traditional name. For example, the term high frequency (HF) designates the wavelength range from 100 to 10 metres, corresponding to a frequency range of 3 to 30 MHz. This is just a symbol and is not related to allocation; the ITU further divides each band into subbands allocated to different services. Above 300 GHz, the absorption of electromagnetic radiation by Earth's atmosphere is so great that the atmosphere is effectively opaque, until it becomes transparent again in the near infrared and optical window frequency ranges. These ITU radio bands are defined in the ITU Radio Regulations. Article 2, provision No. 2.1 states that "the radio spectrum shall be subdivided into nine frequency bands, which shall be designated by progressive whole numbers in accordance with the following table". The table originated with a recommendation of the fourth CCIR meeting, held in Bucharest in 1937, and was approved by the International Radio Conference held at Atlantic City, NJ in 1947. The idea to give each band a number, in which the number is the logarithm of the approximate geometric mean of the upper and lower band limits in Hz, originated with B. C. Fleming Williams, who suggested it in a letter to the editor of Wireless Engineer in 1942. For example, the approximate geometric mean of band 7 is 10 MHz, or 107 Hz. The band name "tremendously low frequency" (TLF) has been used for frequencies from 1–3 Hz (wavelengths from 300,000–100,000 km), but the term has not been defined by the ITU. Band name Abbreviation ITU band number Frequency and wavelength Example uses Extremely low frequency ELF 1 Communication with submarines Super low frequency SLF 2 Communication with submarines Ultra low frequency ULF 3 Communication with submarines, communication within mines, landline telephony, fax machines, fiber optic communication Very low frequency VLF 4 Navigation, time signals, communication with submarines, landline telephony, wireless heart rate monitors, geophysics Low frequency LF 5 Navigation, time signals, AM longwave broadcasting (Europe and parts of Asia), RFID, amateur radio. Medium frequency MF 6 AM (medium wave) broadcasts, amateur radio, avalanche beacons, magnetic resonance imaging, positron emission tomography, electrical telegraph, wireless telegraphy, radioteletype, dial up internet. High frequency HF 7 Shortwave broadcasts, citizens band radio, amateur radio, over the horizon aviation communications, RFID, over the horizon radar, automatic link establishment (ALE) / near vertical incidence skywave (NVIS) radio communications, marine and mobile radio telephony, CT scan, magnetic resonance imaging, positron emission tomography, ultrasound, cordless phones. Very high frequency VHF 8 FM broadcasts, television broadcasts, cable television broadcasting, radars, line of sight ground to aircraft, aircraft to aircraft communications, emergency locator beacon homing signal, radioteletype, land mobile and maritime mobile communications, amateur radio, police, fire and emergency medical services broadcasts, weather radio, CT scan, magnetic resonance imaging, positron emission tomography, ultrasound, cordless phones. Ultra high frequency UHF 9 Television broadcasts, cable television broadcasting, microwave oven, radars, microwave devices/communications, radio astronomy, radars (L band), mobile phones, wireless LAN, Bluetooth, Zigbee, GPS and two way radios such as land mobile, emergency locator beacon, FRS and GMRS radios, amateur radio, satellite radio, police, fire and emergency medical services broadcasts, remote control systems, ADSB, cordless phones, internet, dial up internet, satellite broadcasting, communication satellites, weather satellites, satellite phones (L band), satellite phones (S band). Super high frequency SHF 10 Radio astronomy, microwave devices/communications, wireless LAN, DSRC, most modern radars, communications satellites, cable and satellite television broadcasting, DBS, amateur radio, satellite broadcasting, communication satellites, weather satellites, satellite radio, cordless phones, internet, satellite phones (S band). Extremely high frequency EHF 11 Radio astronomy, satellite broadcasting, communication satellites, weather satellites, high frequency microwave radio relay, microwave remote sensing, directed energy weapon, millimeter wave scanner, Wireless Lan 802.11ad, internet. Terahertz or tremendously high frequency THF 12 Experimental medical imaging to replace X rays, ultrafast molecular dynamics, condensed matter physics, terahertz time domain spectroscopy, terahertz computing/communications, remote sensing

Название полосы частот | Сокращение | Номер полосы частот МСЭ | Частота и длина волны | Пример использования
---|---|---|---|---
Чрезвычайно низкая частота | ELF | 1 | Связь с подводными лодками
Сверхнизкая частота | SLF | 2 | Связь с подводными лодками
Ультранизкая частота | ULF | 3 | Связь с подводными лодками, связь в шахтах, стационарная телефония, факсы, волоконно-оптическая связь
Очень низкая частота | VLF | 4 | Навигация, сигналы времени, связь с подводными лодками, стационарная телефония, беспроводные мониторы сердечного ритма, геофизика
Низкая частота | LF | 5 | Навигация, сигналы времени, AM-вещание на длинных волнах (Европа и части Азии), RFID, любительское радио
Средняя частота | MF | 6 | AM (средневолновое) вещание, любительское радио, лавинные маяки, магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография, электрический телеграф, беспроводная телеграфия, радиотелетип, dial-up интернет
Высокая частота | HF | 7 | Коротковолновое вещание, гражданское радио, любительское радио, авиационная связь за горизонтом, RFID, радиолокация за горизонтом, автоматическое установление связи (ALE) / радиосвязь на небосводе с вертикальным углом падения (NVIS), морская и мобильная радиотелефония, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография, ультразвук, беспроводные телефоны
Очень высокая частота | VHF | 8 | FM-вещание, телевизионное вещание, кабельное телевидение, радары, связь земля-самолет в прямой видимости, связь самолет-самолет, сигнал наведения аварийного радиобуя, радиотелетип, наземная мобильная и морская мобильная связь, любительское радио, передачи полиции, пожарных и скорой помощи, радиометеорологические передачи, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография, ультразвук, беспроводные телефоны
Ультравысокая частота | UHF | 9 | Телевизионное вещание, кабельное телевидение, микроволновые печи, радары, микроволновые устройства/коммуникации, радиоастрономия, радары (диапазон L), мобильные телефоны, беспроводные локальные сети, Bluetooth, Zigbee, GPS и двухсторонние радиостанции, такие как наземные мобильные, аварийные радиобуи, радиостанции FRS и GMRS, любительское радио, спутниковое радио, передачи полиции, пожарных и скорой помощи, системы дистанционного управления, ADSB, беспроводные телефоны, интернет, dial-up интернет, спутниковое вещание, спутники связи, метеорологические спутники
Сверхвысокая частота | SHF | 10 | Радиоастрономия, микроволновые устройства/коммуникации, беспроводные локальные сети, DSRC, большинство современных радаров, спутники связи, кабельное и спутниковое телевидение, DBS, любительское радио, спутниковое вещание, спутники связи, метеорологические спутники, спутниковое радио, беспроводные телефоны, интернет, спутниковые телефоны (диапазон S)
Экстремально высокая частота | EHF | 11 | Радиоастрономия, спутниковое вещание, спутники связи, метеорологические спутники, высокочастотная микроволновая релейная связь, микроволновое дистанционное зондирование, оружие направленной энергии, миллиметровый волновой сканер, Wireless Lan 802.11ad, интернет
Терагерцовая или сверхвысокая частота | THF | 12 | Экспериментальная медицинская визуализация для замены рентгена, ультрабыстрая молекулярная динамика, физика конденсированного состояния, терагерцовая спектроскопия во временной области, терагерцовые вычисления/коммуникации, дистанционное зондирование

Диапазоны частот волноводов

Диапазон частот
R диапазон от 1,70 до 2,60 ГГц
D диапазон от 2,20 до 3,30 ГГц
S диапазон от 2,60 до 3,95 ГГц
E диапазон от 3,30 до 4,90 ГГц
G диапазон от 3,95 до 5,85 ГГц
F диапазон от 4,90 до 7,05 ГГц
C диапазон от 5,85 до 8,20 ГГц
H диапазон от 7,05 до 10,10 ГГц
X диапазон от 8,2 до 12,4 ГГц
от 12,4 до 18,0 ГГц
K диапазон от 18,0 до 26,5 ГГц
от 26,5 до 40,0 ГГц
Q диапазон от 33 до 50 ГГц
U диапазон от 40 до 60 ГГц
V диапазон от 50 до 75 ГГц
E диапазон от 60 до 90 ГГц
W диапазон от 75 до 110 ГГц
F диапазон от 90 до 140 ГГц
D диапазон от 110 до 170 ГГц
Y диапазон от 325 до 500 ГГц

Воздушная полоса

Авиационная радиосвязь охватывает диапазоны ВЧ (VHF) от 108 до 137 МГц, используемые для навигации и голосовой связи с воздушными судами. Трансокеанские самолеты также оснащены радиостанциями и спутниковыми передатчиками высокой частоты (HF).

Морская группа

Наибольшим стимулом для развития радио была необходимость связи с кораблями, находящимися за пределами прямой видимости берега. С первых же дней существования радио крупные океанские суда были оснащены мощными передатчиками длинных и средних волн. Высокочастотные диапазоны по-прежнему выделены для судовой связи, хотя спутниковые системы частично заменили функции обеспечения безопасности, которые ранее выполнялись на частотах 500 кГц и других. Частота 2182 кГц – это средняя волна, которая до сих пор используется для экстренной морской связи. Морское УКВ-радио используется в прибрежных водах и для связи на относительно небольшие расстояния между судами и береговыми станциями. Радиосвязь организована по каналам, при этом разные каналы используются для разных целей; морской канал 16 предназначен для вызова и экстренной связи.

Радиочастоты для любителей

Распределение радиочастот для любительской связи различается в разных странах мира. Ряд диапазонов частот используется любителями во всем мире, как правило, в диапазоне высоких частот (HF). Другие диапазоны выделены для любительской связи на национальном или региональном уровне из-за различного распределения частот для других служб, особенно в диапазонах очень высоких частот (VHF) и ультравысоких частот (UHF).

Гражданские радиослужба и личные радиостанции

Во многих странах выделена гражданская радиосвязь, использующая канальные радиостанции в верхней части КВ-диапазона (около 27 МГц). Она применяется для личных нужд, малого бизнеса и хобби. В различных странах для подобных услуг выделяются другие частоты, например, в Австралии выделена UHF CB. По всему миру существует широкий спектр услуг персональной радиосвязи, обычно ориентированных на связь на короткие расстояния между людьми или для малого бизнеса, с упрощенными требованиями к лицензированию или, в некоторых странах, покрываемых генеральной лицензией, и как правило использующих FM-трансиверы мощностью около 1 ватта или меньше.

Промышленные, научные, медицинские

Изначально полосы ISM были зарезервированы для некоммуникационных видов использования радиочастотной энергии, таких как микроволновые печи, радиочастотный нагрев и аналогичные цели. Однако в последние годы наибольшее применение эти полосы получили в системах связи малого радиуса действия и низкой мощности, поскольку пользователям не требуется получать лицензию радиооператора. Беспроводные телефоны, беспроводные компьютерные сети, устройства Bluetooth и открыватели ворот гаражей – все они используют полосы ISM. Устройства ISM не имеют нормативной защиты от помех, создаваемых другими пользователями этих полос.

Наземные мобильные полосы

Полосы частот, особенно в диапазонах VHF и UHF, выделяются для связи между стационарными базовыми станциями и мобильными радиостанциями, установленными на транспортных средствах или портативными. В Соединенных Штатах эти услуги неформально называют радиосвязью для бизнеса. См. также Профессиональная мобильная радиосвязь. Радиосвязь полиции и другие службы общественной безопасности, такие как пожарные службы и скорая помощь, обычно работают в диапазонах VHF и UHF. Системы транкинга часто используются для наиболее эффективного использования ограниченного количества доступных частот. Спрос на услуги мобильной телефонной связи привел к выделению больших блоков радиочастотного спектра для сотовой связи.

Радиоуправление

Надежное радиоуправление использует полосы частот, выделенные для этой цели. Игрушки с радиоуправлением могут использовать части нелицензируемого спектра в диапазонах 27 или 49 МГц, но более дорогие модели самолетов, лодок или наземного транспорта используют выделенные радиоуправляемые частоты вблизи 72 МГц, чтобы избежать помех от нелицензируемого использования. В XXI веке наблюдается переход к системам радиоуправления с расширенным спектром на частоте 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.

Радар

Радарные системы используют относительно мощные импульсные передатчики и высокочувствительные приемники, поэтому для радаров выделены частотные диапазоны, не используемые другими службами. Большинство радиолокационных диапазонов находятся в микроволновой части спектра, хотя для некоторых важных метеорологических приложений применяются мощные передатчики в УВЧ-диапазоне.