Espectro radioeléctrico

El espectro radioeléctrico es la parte del espectro electromagnético con frecuencias de 3  Hz a 3.000  GHz (3  THz ). Las ondas electromagnéticas en este rango de frecuencia, llamadas ondas de radio , se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, en particular en las telecomunicaciones . Para evitar interferencias entre diferentes usuarios, la generación y transmisión de ondas de radio está estrictamente regulada por leyes nacionales, coordinadas por un organismo internacional, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). ^[1]

La UIT asigna distintas partes del espectro radioeléctrico para distintas tecnologías y aplicaciones de transmisión de radio; en el Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la UIT se definen unos 40 servicios de radiocomunicaciones . ^[2] En algunos casos, partes del espectro radioeléctrico se venden o se licencian a operadores de servicios privados de transmisión de radio (por ejemplo, operadores de telefonía celular o estaciones de televisión abierta). A menudo se hace referencia a los rangos de frecuencias asignadas por su uso previsto (por ejemplo, espectro celular o espectro de televisión). ^[3] Debido a que es un recurso fijo que demanda un número cada vez mayor de usuarios, el espectro radioeléctrico se ha congestionado cada vez más en las últimas décadas, y la necesidad de utilizarlo de manera más eficaz está impulsando innovaciones modernas en telecomunicaciones como los sistemas de radio troncalizados , el espectro ensanchado , la banda ultraancha , la reutilización de frecuencias , la gestión dinámica del espectro , la agrupación de frecuencias y la radio cognitiva .

Los límites de frecuencia del espectro radioeléctrico son una cuestión de convención en física y son algo arbitrarios. Dado que las ondas de radio son la categoría de frecuencia más baja de las ondas electromagnéticas , no existe un límite inferior para la frecuencia de las ondas de radio. ^[4] Las ondas de radio están definidas por la UIT como: "ondas electromagnéticas de frecuencias arbitrariamente inferiores a 3000 GHz, propagadas en el espacio sin guía artificial". ^[5] En el extremo de alta frecuencia, el espectro radioeléctrico está delimitado por la banda infrarroja . El límite entre las ondas de radio y las ondas infrarrojas se define en diferentes frecuencias en diferentes campos científicos. La banda de terahercios , de 300 gigahercios a 3 terahercios, puede considerarse como microondas o infrarrojos. Es la banda más alta categorizada como ondas de radio por la Unión Internacional de Telecomunicaciones . ^[4] pero los científicos espectroscópicos consideran que estas frecuencias forman parte de las bandas de infrarrojo lejano e infrarrojo medio.

Debido a que es un recurso fijo, los límites prácticos y las consideraciones físicas básicas del espectro radioeléctrico, las frecuencias que son útiles para la comunicación por radio , están determinadas por limitaciones tecnológicas que son imposibles de superar. ^[6] Por lo tanto, aunque el espectro radioeléctrico está cada vez más congestionado, no hay forma posible de agregar ancho de banda de frecuencia adicional fuera del que se usa actualmente. ^[6] Las frecuencias más bajas utilizadas para la comunicación por radio están limitadas por el tamaño creciente de las antenas de transmisión requeridas. ^[6] El tamaño de antena necesario para radiar potencia de radio de manera eficiente aumenta en proporción a la longitud de onda o inversamente a la frecuencia. Por debajo de aproximadamente 10 kHz (una longitud de onda de 30 km), se requieren antenas de alambre elevadas de kilómetros de diámetro, por lo que muy pocos sistemas de radio usan frecuencias por debajo de esto. Un segundo límite es el ancho de banda decreciente disponible a bajas frecuencias, que limita la velocidad de datos que se puede transmitir. ^[6] Por debajo de aproximadamente 30 kHz, la modulación de audio es poco práctica y solo se utiliza la comunicación de datos a baja velocidad en baudios. Las frecuencias más bajas que se han utilizado para la comunicación por radio son de alrededor de 80 Hz, en los sistemas de comunicaciones submarinas ELF construidos por las armadas de unas pocas naciones para comunicarse con sus submarinos sumergidos a cientos de metros bajo el agua. Estos emplean enormes antenas dipolares terrestres de 20 a 60 km de longitud excitadas por megavatios de potencia de transmisión y transmiten datos a una velocidad extremadamente lenta de aproximadamente 1 bit por minuto (17 milibits por segundo , o aproximadamente 5 minutos por carácter).

Las frecuencias más altas útiles para la comunicación por radio están limitadas por la absorción de energía de microondas por la atmósfera. ^[6] A medida que la frecuencia aumenta por encima de 30 GHz (el comienzo de la banda de ondas milimétricas ), los gases atmosféricos absorben cantidades cada vez mayores de energía, por lo que la potencia en un haz de ondas de radio disminuye exponencialmente con la distancia desde la antena transmisora. A 30 GHz, la comunicación útil está limitada a aproximadamente 1 km, pero a medida que aumenta la frecuencia, el rango en el que se pueden recibir las ondas disminuye. En la banda de terahercios por encima de 300 GHz, las ondas de radio se atenúan a cero en unos pocos metros debido a la absorción de radiación electromagnética por la atmósfera (debida principalmente al ozono , vapor de agua y dióxido de carbono ), que es tan grande que es esencialmente opaca a las emisiones electromagnéticas , hasta que se vuelve transparente nuevamente cerca de los rangos de frecuencia del infrarrojo cercano y la ventana óptica . ^{[7] [8]}

Una banda de radio es una pequeña banda de frecuencias (una sección contigua del rango del espectro radioeléctrico) en la que los canales se utilizan o reservan habitualmente para el mismo fin. Para evitar interferencias y permitir un uso eficiente del espectro radioeléctrico, los servicios similares se asignan en bandas. Por ejemplo, la radiodifusión, la radio móvil o los dispositivos de navegación se asignarán en rangos de frecuencias que no se superpongan.

Para cada banda de radio, la UIT tiene un plan de banda (o plan de frecuencia ) que dicta cómo debe usarse y compartirse, para evitar interferencias y establecer un protocolo para la compatibilidad de transmisores y receptores . ^[9]

Cada plan de frecuencias define el rango de frecuencias que se incluirá, cómo se definirán los canales y qué se transmitirá por esos canales. Las definiciones típicas que se establecen en un plan de frecuencias son:

• Esquema de numeración : qué números de canal o letras (si corresponde) se asignarán
• frecuencias centrales : qué tan separadas estarán las ondas portadoras de cada canal
• Ancho de banda y/o desviación : qué tan ancho será cada canal
• Máscara espectral : cómo se atenuarán las señales extrañas por frecuencia.
• Modulación : ¿qué tipo se utilizará o se permitirá?
• Contenido: qué tipos de información están permitidos, como audio o video , analógico o digital.
• Licencias – cuál será el procedimiento para obtener una licencia de transmisión

Las bandas de frecuencia autorizadas reales están definidas por la UIT ^[10] y las agencias reguladoras locales como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los EE. UU. ^[11] y las mejores prácticas voluntarias ayudan a evitar interferencias. ^[12]

Por convención, la UIT divide el espectro radioeléctrico en 12 bandas, cada una de las cuales comienza en una longitud de onda que es una potencia de diez (10 ⁿ ) metros, con una frecuencia correspondiente de 3×10 ^{8− n}  hertz , y cada una cubre una década de frecuencia o longitud de onda. Cada una de estas bandas tiene un nombre tradicional. Por ejemplo, el término alta frecuencia (HF) designa el rango de longitud de onda de 100 a 10 metros, correspondiente a un rango de frecuencia de 3 a 30 MHz. Esto es solo un símbolo y no está relacionado con la asignación; la UIT divide además cada banda en subbandas asignadas a diferentes servicios. Por encima de 300 GHz, la absorción de radiación electromagnética por la atmósfera de la Tierra es tan grande que la atmósfera es efectivamente opaca, hasta que se vuelve transparente nuevamente en los rangos de frecuencia del infrarrojo cercano y la ventana óptica .

Estas bandas de radiocomunicaciones de la UIT están definidas en el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT . El artículo 2, disposición N° 2.1 establece que "el espectro radioeléctrico se subdividirá en nueve bandas de frecuencias, que se designarán mediante números enteros progresivos de conformidad con la siguiente tabla". ^[13]

La tabla se originó a partir de una recomendación de la cuarta reunión del CCIR , celebrada en Bucarest en 1937, y fue aprobada por la Conferencia Internacional de Radio celebrada en Atlantic City, Nueva Jersey, en 1947. La idea de dar a cada banda un número, en el que el número es el logaritmo de la media geométrica aproximada de los límites de banda superior e inferior en Hz, se originó con B. C. Fleming-Williams, quien lo sugirió en una carta al editor de Wireless Engineer en 1942. Por ejemplo, la media geométrica aproximada de la banda 7 es 10 MHz, o 10 ⁷  Hz. ^[14]

El nombre de banda "frecuencia tremendamente baja" (TLF) se ha utilizado para frecuencias de 1 a 3 Hz (longitudes de onda de 300 000 a 100 000 km), ^[15] pero la UIT no ha definido el término. ^[16]

Las bandas de frecuencia en el rango de microondas se designan con letras. Esta convención comenzó alrededor de la Segunda Guerra Mundial con designaciones militares para las frecuencias utilizadas en el radar , que fue la primera aplicación de las microondas. Existen varios sistemas de nombres incompatibles para las bandas de microondas, e incluso dentro de un sistema determinado, el rango de frecuencia exacto designado por una letra puede variar un poco entre diferentes áreas de aplicación. Un estándar ampliamente utilizado son las bandas de radar IEEE establecidas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de EE. UU .

El nombre de banda "frecuencia tremendamente baja" (TLF) se ha utilizado para frecuencias de 1 a 3 Hz (longitudes de onda de 300 000 a 100 000 km), ^[15] pero la UIT no ha definido el término. ^[24]

Frecuencias de transmisión:

• Radio AM de onda larga = 148,5 kHz – 283,5 kHz (LF)
• Radio AM de onda media = 520 kHz – 1700 kHz (MF)
• Radio AM de onda corta = 3 MHz – 30 MHz (HF)

Las designaciones de las frecuencias de transmisión de televisión y radio FM varían entre países; consulte Frecuencias de canales de televisión y banda de transmisión FM . Dado que las frecuencias VHF y UHF son deseables para muchos usos en áreas urbanas, en América del Norte algunas partes de la antigua banda de transmisión de televisión se han reasignado a teléfonos celulares y varios sistemas de comunicaciones móviles terrestres. Incluso dentro de la asignación aún dedicada a la televisión, los dispositivos de banda de TV utilizan canales sin emisoras locales.

La banda Apex en los Estados Unidos era una asignación anterior a la Segunda Guerra Mundial para la transmisión de audio VHF; quedó obsoleta después de la introducción de la transmisión FM.

La banda aérea se refiere a las frecuencias VHF de 108 a 137 MHz, utilizadas para la navegación y la comunicación de voz con aeronaves. Las aeronaves transoceánicas también llevan transceptores de radio y satélite de alta frecuencia .

El mayor incentivo para el desarrollo de la radio fue la necesidad de comunicarse con los barcos que se encontraban fuera del alcance visual de la costa. Desde los primeros tiempos de la radio, los grandes buques oceánicos llevaban potentes transmisores de onda larga y media. Las asignaciones de alta frecuencia todavía se destinan a los barcos, aunque los sistemas satelitales han asumido algunas de las aplicaciones de seguridad que antes servían las frecuencias de 500 kHz y otras. 2182 kHz es una frecuencia de onda media que todavía se utiliza para las comunicaciones de emergencia marítimas.

La radio VHF marina se utiliza en aguas costeras y en comunicaciones de alcance relativamente corto entre embarcaciones y estaciones costeras. Las radios están canalizadas y se utilizan diferentes canales para distintos propósitos; el canal marino 16 se utiliza para llamadas y emergencias.

Las asignaciones de frecuencias para radioaficionados varían en todo el mundo. Varias bandas son comunes para los radioaficionados de todo el mundo, generalmente en la parte HF del espectro. Otras bandas son asignaciones nacionales o regionales únicamente debido a las diferentes asignaciones para otros servicios, especialmente en las partes VHF y UHF del espectro radioeléctrico.

En muchos países se asignan frecuencias de radio de banda ciudadana , que utilizan radios canalizadas en la parte superior de HF del espectro (alrededor de 27 MHz). Se utilizan para fines personales, de pequeñas empresas y de ocio. Se utilizan otras frecuencias para servicios similares en diferentes jurisdicciones; por ejemplo, en Australia se asignan frecuencias de banda ciudadana UHF . Existe una amplia gama de servicios de radio personales en todo el mundo, que suelen hacer hincapié en la comunicación de corto alcance entre individuos o para pequeñas empresas, requisitos de licencia simplificados o, en algunos países, cubiertos por una licencia de clase, y, por lo general, transceptores FM que utilizan alrededor de 1 vatio o menos.

Las bandas ISM se reservaron inicialmente para usos no relacionados con las comunicaciones de la energía de RF, como hornos microondas , calefacción por radiofrecuencia y propósitos similares. Sin embargo, en los últimos años, el mayor uso de estas bandas ha sido para sistemas de comunicaciones de bajo consumo y corto alcance, ya que los usuarios no necesitan tener una licencia de operador de radio. Los teléfonos inalámbricos , las redes informáticas inalámbricas , los dispositivos Bluetooth y los abridores de puertas de garaje utilizan las bandas ISM. Los dispositivos ISM no tienen protección reglamentaria contra interferencias de otros usuarios de la banda.

Las bandas de frecuencias, especialmente en las partes VHF y UHF del espectro, se asignan para la comunicación entre estaciones base fijas y transceptores portátiles o montados en vehículos móviles terrestres . En los Estados Unidos, estos servicios se conocen informalmente como radio de banda comercial . Véase también radio móvil profesional .

Las radios de la policía y otros servicios de seguridad pública, como los bomberos y las ambulancias, suelen encontrarse en las partes VHF y UHF del espectro. A menudo se utilizan sistemas de trunking para aprovechar al máximo el número limitado de frecuencias disponibles.

La demanda de servicios de telefonía móvil ha dado lugar a que grandes bloques de espectro radioeléctrico se asignen a frecuencias celulares .

El control por radio fiable utiliza bandas dedicadas a este fin. Los juguetes radiocontrolados pueden utilizar partes del espectro sin licencia en las bandas de 27 MHz o 49 MHz, pero los modelos de aviones, barcos o vehículos terrestres más costosos utilizan frecuencias de control por radio dedicadas cercanas a los 72 MHz para evitar interferencias por parte de usos sin licencia. En el siglo XXI hemos presenciado una transición hacia los sistemas de control por radiocontrol de espectro ensanchado de 2,4 GHz.

Los radioaficionados con licencia utilizan partes de la banda de 6 metros en América del Norte. El control remoto industrial de grúas o locomotoras de ferrocarril utiliza frecuencias asignadas que varían según la zona.

Las aplicaciones de radar utilizan transmisores de pulsos de potencia relativamente alta y receptores sensibles, por lo que el radar funciona en bandas que no se utilizan para otros fines. La mayoría de las bandas de radar se encuentran en la parte de microondas del espectro, aunque ciertas aplicaciones importantes para la meteorología utilizan transmisores potentes en la banda UHF.

• Recomendación UIT-R V.431: Nomenclatura de las bandas de frecuencias y longitudes de onda utilizadas en telecomunicaciones. Unión Internacional de Telecomunicaciones , Ginebra.
• Norma IEEE 521-2002: Designaciones de letras estándar para bandas de frecuencia de radar
• AFR 55-44/AR 105-86/OPNAVINST 3430.9A/MCO 3430.1, 27 de octubre de 1964, reemplazado por AFR 55-44/AR 105-86/OPNAVINST 3430.1A/MCO 3430.1A, 6 de diciembre de 1978: Ejecución de contramedidas electrónicas en los Estados Unidos y Canadá, Anexo 1, Autorizaciones de frecuencia ECM.

• UnwantedEmissions.com Una referencia a las asignaciones de espectro radioeléctrico.
• "El espectro radioeléctrico: un recurso vital en un mundo inalámbrico" Política de la Comisión Europea.