Utilização do espectro radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico

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1 Utilização do espectro radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico Projeto FEUP 1º Ano -- MIEEC : Armando Sousa J. N. Fidalgo Equipa E04C: Supervisor: Professor Sílvio Abrantes Monitor: Denise Martins Estudantes & Autores: Albino Miguel Alves up @fe.up.pt Manuel Fernandes up @fe.up.pt Mariana Borges up @fe.up.pt Sofia Ferreira up @fe.up.pt Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 1/20

2 Resumo Este relatório foi elaborado no âmbito da Unidade Curricular Projecto FEUP, que tem como objectivo integrar os novos alunos no seio da comunidade universitária, bem como apresentar os diversos serviços disponibilizados aos alunos pela faculdade. Como tal, foi desenvolvido um trabalho de pesquisa com base num tema principal: Utilização do espectro radioeléctrico Inicialmente faz-se uma breve referência à evolução histórica da utilização do espectro rádio eléctrico, dando mais importância às fases iniciais do desenvolvimento do conhecimento sobre este tema. Posteriormente, definimos alguns conceitos essenciais para a compreensão do trabalho, tais como a frequência e as características básicas de cada banda rádio que lhes concedem determinados modos de propagação. Por fim, abordamos vários tipos de bandas radiofrequência e analisamos as suas formas de utilização e utilidades no quotidiano. Palavras-Chave Espectro radioeléctrico; Rádiofrequência; Frequência; Ondas electromagnéticas; Ionosfera; Microondas; Propagação; Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 2/20

3 Agradecimentos O grupo gostaria de gostaria de prestar os seus agradecimentos a todas as pessoas que, directa ou indirectamente contribuíram para a realização deste relatório, nomeadamente ao Professor Sílvio Abrantes, e à monitora Denise Martins, pela colaboração e apoio prestado ao longo das aulas, e também pelo tempo disponibilizado pois foram uma preciosa ajuda para a realização e sucesso deste trabalho. Gostaríamos também de agradecer à FEUP e à sua biblioteca, por nos ter facultado espaços e recursos suficientes para que este trabalho fosse desenvolvido e concretizado. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 3/20

4 Índice Resumo..2 Palavras-Chave.2 Agradecimentos... 3 Lista de figuras/acrónimos....4 Introdução História das ondas rádio Cronologia das ondas rádio Frequência Very Low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency...17 Conclusão..18 Referências bibliográficas Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 4/20

5 Lista de figuras Figura 1: Diagrama do espectro electromagnético. Figura 2: James Clerk Maxwell. Figura 3: Heinrich Hertz. Figura 4: Espectro das radiofrequências. Figura 5: Submarino da Marinha Portuguesa. Figura 6: Relógio digital actualizado via ondas rádio. Figura 7: Rádio AM/FM. Figura 8: Descrição dos vários tipos de propagação de ondas HF. Figura 9: Televisão, aparelho que utiliza as ondas VHF. Figura 10: Forno microondas, evidenciando a malha de metal na porta de vidro. Figura 11: Antena parabólica, utilizada para interceptar as ondas. Figura 12: Modem de internet de banda larga. Lista de acrónimos VLF Very Low Frequency LF Low Frequency MF Medium Frequency HF High Frequency VHF Very High Frequency UHF Ultra High Frequency SHF Super High Frequency EHF Extremely High Frequency UIT União Internacional de Telecomunicações LORAN Long Range Navigation OWF Optimum Working Frequency Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 5/20

6 Introdução As ondas rádio, também denominadas de ondas radiofrequência ou ondas hertzianas, são um tipo de radiação eletromagnética com comprimentos de onda superiores aos da radiação infravermelha. Ondas rádio com causas naturais são produzidas por raios ou objectos astronómicos (tais como estrelas e galáxias), enquanto que as ondas rádio geradas artificialmente são utilizadas para os mais diversos fins, tais como a comunicação por rádio móvel, broadcasting, radares, comunicação via satélite, entre outros. Uma das invenções tecnológicas mais importantes da história moderna foi a rádio. A sua capacidade de transmitir música, imagens e dados através de milhares de quilómetros proporcionou uma nova perspetiva sobre a comunicação, entretenimento e investigação e alterou radicalmente o estilo de vida da população. Hoje em dia é uma ferramenta essencial, seja em períodos de lazer quando vemos televisão ou ouvimos música na rádio, seja para desenvolver os nossos projetos de carácter profissional, como quando utilizamos a internet para pesquisar informação para um trabalho. O espectro radioeléctrico divide-se numa multiplicidade de frequências, cada uma das quais com características e usos específicos diferentes das outras. Com este trabalho damos a conhecer um pouco mais sobre as ondas rádio, as suas diferentes bandas de radiofrequência e respectivas utilizações nos nossos dias. Figura 1: Diagrama do espectro eletromagnético. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 6/20

7 1. História das ondas rádio As ondas rádio foram matematicamente previstas pela primeira vez em 1867, pelo físico James Clerk Maxwell, que desenvolveu equações que descreviam as ondas luminosas e as ondas rádio como ondas electromagnéticas que se propagavam no vácuo. Duas décadas mais tarde, em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz comprovou os cálculos de Maxwell ao gerar ondas rádio no seu laboratório. Figura 2: James Clerk Maxwell. Figura 3: Heinrich Hertz. Poucos anos mais tarde, Nikola Tesla propôs a utilização das ondas rádio como potenciais métodos de telecomunicação de informação. Finalmente, em 1895, o inventor Guglielmo Marconi construiu um sistema wireless capaz de transmitir sinais a longas distâncias (cerca de 2.4 km), pelo qual foi galardoado com um prémio Nobel, e demonstrou a aplicação das ondas rádio em comunicações de carácter comercial e militar. O seu principal objectivo era criar um método de comunicação a longa distância que substituísse o telégrafo e assegurasse a segurança dos navios em alto mar. Desde então, o campo da comunicação rádio tem atraído muitos investigadores e expandido rapidamente, continuando a evoluir mesmo no presente. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 7/20

8 Tabela 1: Cronologia da rádio (excerto retirado do site oficial de California Historical Radio Society). James Clark Maxwell realiza experiências com ondas electromagnéticas. Em 1873, como resultado da sua investigação, descreve a base teórica da propagação das ondas electromagnéticas Heinrich Hertz comprova a teoria de Maxwell através de experiências realizadas no seu laboratório, nas quais comprovou que a radiação rádioelectrica tinha todas as propriedades das ondas transversais. Marconi torna-se no primeiro cientista a realizar uma transmissão via rádio com sucesso Reginald Fessenden toca o seu violino, canta a música O Holy Night e lê um verso da bíblia para um telefone sem fios da sua invenção, gerando o primeiro broadcast da história. É feito broadcast do primeiro anúncio publicitário pago via rádio pela estação WEAF de Nova Iorque Frequência A frequência das ondas rádio pode variar entre os 3kHz e os 300GHz e, dependendo do seu valor, confere às ondas rádio diferentes características de propagação na atmosfera terrestre: ondas mais longas são capazes de cobrir com consistência uma determinada área do planeta, enquanto que ondas mais curtas são reflectidas na atmosfera e propagadas para diversas partes do mundo. Em geral, bandas com frequência mais reduzida são usadas para a transmissão de serviços áudio, enquanto que frequências mais elevadas são utilizadas no âmbito da transmissão de vídeos e outros serviços profissionais. [R. K. Shevgaonkar, 2005] Para prevenir a interferência entre diferentes utilizadores, a geração de ondas rádio está regulamentada por lei, e é coordenada por uma organização internacional, a União Internacional de Telecomunicações (UIT). Uma banda é uma pequena secção do espectro das frequências das ondas rádio. Diferentes bandas do espectro das ondas rádio são vendidas a operadores privados para Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 8/20

9 diferentes tipos de aplicações e tecnologias de transmissão das ondas rádio, tais como a operadores de telemóveis e a estações de televisão. Figura 4: Espectro das radiofrequências. Segundo a classificação de bandas de frequência do UIT, o espectro das ondas rádio está dividido num total de nove bandas, designadas por números inteiros ordenados de forma crescente, e cujas frequências são expressas na unidade hertz (Hz). Tabela 2: Tabela de bandas de radiofrequência segundo a classificação oficial do UIT. Número da Nome da banda Símbolo Extensão da Extensão do banda frequência comprimento de onda 4 Very Low VLF 3 a 30 khz 10 a 100 km Frequency 5 Low Frequency LF 30 a 300 khz 1 a 10 km 6 Medium MF 300 a 3000 khz 100 a 1000 m Frequency 7 High Frequency HF 3 a 30 MHz 10 a 100 m 8 Very High VHF 30 a 300 MHz 1 a 10 m Frequency 9 Ultra High UHF 300 a 3000 MHz 10 a 100 cm Frequency 10 Super High SHF 3 a 30 GHz 1 a 10 cm Frequency 11 Extremely High EHF 30 a 300 GHz 1 a 10 mm Frequency 12 Tremendously High Frequency THF 300 a 3000 GHz 1 mm a 100 µm Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 9/20

10 2.1. Very Low Frequency (VLF) Very Low Frequency, normalmente abreviada para VLF, é uma banda de radiofrequência que abrange dos 3 khz aos 30 khz. Os receptores de sinal normais não têm a capacidade de captar este tipo de ondas rádio, pois são optimizadas para sinais de frequências mais elevadas. Por este motivo, são necessárias antenas especializadas para captarem sinais em VLF, e não são capazes de transmitir sinais áudio. Historicamente, eram utilizadas na radiocomunicação por telégrafo sem fios, e eram empregues na transmissão de mensagens por código Morse. Sinais de rádio com baixa frequência são capazes de penetrar a água e atingir profundidades de cerca de 10 a 40 metros, o que permite a comunicação com submarinos e navios que se encontrem em alto mar. São também utilizados em serviços de navegação rádio, estações de rádio governamentais e comunicação militar de alta segurança. Figura 5: Submarino da Marinha Portuguesa Low Frequency (LF) Low Frequency, ou simplesmente LF, é uma banda de rádiofrequência que se situa na gama de 30 khz até 300 khz. Devido ao seu longo comprimento de onda, na casa dos quilómetros, a baixa taxa de atenuação do sinal permite a comunicação a longas distâncias. Isto deve-se ao facto de ser reflectida pela ionosfera, propagando-se num alcance de até 2 mil quilómetros. Para além disso, o facto de ser uma onda longa permite a difracção das ondas, que são capazes de evitar objectos de grande tamanho, como montanhas e edifícios, e seguir a curvatura do planeta. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 10/20

11 Em vários países da Europa, e também no Japão, utilizam-se relógios que funcionam através de transmissões LF. Este é um meio fiável de manter os relógios actualizados visto que estas ondas não são afectadas por outros sinais que se cruzem entre o emissor e o receptor. Figura 6: Relógio digital actualizado via ondas rádio. Na Europa, e em certas partes de África e da Ásia, é empregue na emissão de sinais rádio AM. Em certos lugares do mundo é frequentemente utilizada na sinalização aérea, na radionavegação (LORAN), transmissão de informação, sistemas de meteorologia, bem como comunicação com submarinos e navios. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 11/20

12 2.3. Medium Frequency (MF) MF é a abreviatura utilizada em inglês de Medium Frequency que significa Frequência Média. Designa a banda de frequências de 300 khz a 3MHz do espectro radioeléctrico.as ondas MF são usadas para a emissão de rádio AM, comunicação entre navios e a costa, entre outros. A propagação de ondas MF através da reflexão na ionosfera é apenas possível durante a noite, pois durante o dia estas ondas são absorvidas pela zona mais baixa desta camada atmosférica. Logo, durante a noite, estas ondas são capazes de se propagar muito mais longe. Figura 7: Rádio AM/FM Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 12/20

13 2.4 High Frequency (HF) HF é a abreviatura utilizada em inglês de High Frequency que significa Frequência Alta. Designa a banda de frequências compreendidas entre 3MHz e 30MHz do espectro radioeléctrico. Este tipo de ondas é usado para a emissão de rádio, comunicação em aviação, estações meteorológicas, rádio amadora, etc. As ondas HF podem-se propagar através de ondas directas, através da reflexão na ionosfera (sky waves) e ondas de superfície (surface wave). Figura 8: Descrição dos vários tipos de propagação de ondas HF Nem todas as ondas HF podem ser reflectidas na ionosfera. Se a frequência for muito alta a onda penetra e atravessa a ionosfera, se for muito baixa a onda é absorvida pela região mais baixa da ionosfera. Os limites das frequências que podem ser usadas variam ao longo do dia, com a época do ano, com os ciclos solares e de lugar para lugar. Para saber a frequência ideal de emissão (OWF Optimum Working Frequency) para um determinado local são examinados os dados históricos de emissões nesse lugar específico Very High Frequency (VHF) VHF é a abreviatura utilizada em inglês de Very High Frequency que significa Frequência Muito Alta. Designa a banda de frequências de 30 a 300 MHz do espectro radioeléctrico. Relativamente à propagação, podemos dizer que as VHF possuem características que se adaptam mais a comunicações terrestres de curta distância. Ao contrário de outras frequências, a ionosfera não costuma reflectir os sinais na gama de frequências VHF que continuam a sua propagação e escapam para o espaço exterior. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 13/20

14 As transmissões nesta banda têm um alcance restrito, não havendo perigo de interferirem com outras transmissões realizadas a milhares de quilómetros de distância. Os sinais de VHF são transmitidos em linha de vista, isto é, qualquer obstáculo como por exemplo montanhas, prédios e até a curvatura da Terra, bloqueia-os. Geralmente, a distância utilizada situa-se entre os 3 a 30 quilómetros e depende dos equipamentos empregues na sua produção, da altura da antena e das características da superfície terrestre, tais como folhagens, entre outros. Por outro lado, os sinais de VHF são menos afectados por ruídos atmosféricos e interferências de equipamentos eléctricos que os sinais de HF, por exemplo. São várias as aplicações de VHF. Entre elas podemos salientar algumas: nos dias de hoje, as embarcações estabelecem as suas comunicações através da radiofrequência VHF. Uma vez que o rádio não reconhece fronteiras geográficas ou políticas, e para garantir que os navios possam sempre comunicar quer em viagens nacionais ou internacionais, a banda marítima de VHF é a mesma em todo o mundo. À semelhança dos navios, os aviões também utilizam esta frequência. As frequências VHF são usadas para uma variedade de utensílios domésticos, como telefones sem fios, walkie-talkies e pagers. São ainda utilizadas em televisões e transmissão de rádio FM. Figura 9: Televisão, aparelho que utiliza as ondas VHF e UHF. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 14/20

15 2.6. Ultra High Frequency (UHF) UHF é a abreviatura utilizada em Inglês de Ultra High Frequency que significa Frequência Ultra Alta. Designa a banda de frequências de 300 a 3000 MHz do espectro radioeléctrico. Na faixa de UHF, os sinais transmitidos não são devolvidos para a superfície pela ionosfera; são capazes de ultrapassar as camadas atmosféricas mais periféricas e conseguem passar para o espaço permitindo a ligação aos satélites e também a comunicação com veículos espaciais, bem como para a radioastronomia. Da mesma forma, os sinais emitidos a partir do espaço podem penetrar na ionosfera e atingir a superfície. As frequências UHF são normalmente usadas para microfones sem fios, transmissões de televisão, em satélites de comunicação, telemóveis, wireless LAN, Bluetooth, GPS e rádios bidireccionais, rádio amador, entre outros. É também utilizada em fornos microondas, cujas portas de vidro têm uma malha de metal com orifícios muito pequenos. Na gama UHF, as ondas têm uma frequência muito elevada e, como tal, têm comprimentos de onda com apenas alguns centímetros de tamanho. A rede mantém as microondas presas no forno, mas permite a passagem de ondas com comprimentos de onda menores, tal como as ondas luminosas que têm um comprimento de onda ao nível microscópico; é por este motivo que conseguimos observar o interior do forno microondas. Figura 10: Forno microondas, evidenciando a malha de metal na porta de vidro. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 15/20

16 Comparativamente às ondas VHF, as UHF têm mais atenuação atmosférica e menor reflexão na ionosfera. Por outro lado, o tempo de duração quando utilizado em baterias é mais curto nestas últimas quando comparadas à gama das VHF. No entanto, os sinais de UHF tendem a ser mais puros e são mais facilmente transmitidos. Para a maioria das aplicações, as frequências de rádio mais baixas são melhores para atingirem um maior alcance. Uma vantagem da transmissão em gamas UHF é o facto de serem ondas curtas, o que implica que a antena de rádio utilizada para as captar possa ser inferior a uma antena de rádio VHF equivalente Super High Frequency (SHF) Super High Frequency, ou SHF, é a designação UIT para a gama de frequências rádio entre os 3 e os 30 GHz. Esta frequência intersecta-se com a banda microondas, portanto ondas da gama SHF são classificadas como microondas. O curto comprimento de onda das microondas permite que se desloquem através de feixes estreitos por antenas tais como as parabólicas, logo são frequentemente utilizadas na comunicação entre dois pontos definidos, ligação de dados e em radares. Ondas nesta gama de frequência são usadas na maioria dos radares mais modernos, em fornos microondas, comunicações por satélite, televisão via satélite, wireless LAN, entre outros. Figura 11: Antena parabólica, utilizada para interceptar as ondas Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 16/20

17 A banda SHF ocupa uma posição beneficiada no espectro radioeléctrico. Como é a banda com frequências mais baixas que permite a transmissão da informação por feixes estreitos de antenas, impede a interferência com transmissores nas vizinhanças que emitam na mesma frequência, permitindo assim a reutilização de frequências. Por outro lado, é a gama com as frequências mais elevadas capaz de ser utilizada para comunicações terrestres a longas distâncias, graças à fácil absorção de frequências mais elevadas, tais como as EHF (Extremely High Frequency), pela atmosfera. É também uma banda com capacidade de transmitir grandes quantidades de informação Extremely High Frequency (EHF) Extremely High Frequency, ou EHF, é a designação UIT para a maior banda de radiofrequência, abrangendo uma gama entre os 30 e os 300 GHz. As ondas que se inserem nesta banda têm grande atenuação atmosférica; isto é, são facilmente absorvidas pelos gases da atmosfera. Como tal, têm um alcance curto, e só podem ser utilizadas para comunicações terrestres que não ultrapassem um quilómetro de distância. Mesmo em distâncias relativamente curtas, também o contacto com a água da chuva pode provocar a absorção das ondas e diminuir a potência de sinal. Esta banda é utilizada essencialmente na área da radioastronomia e da detecção remota, geralmente para monitorizar e controlar as condições atmosféricas presentes. Como a banda EHF se encontra ainda pouco desenvolvida, encontra-se relativamente livre para ser aproveitada por uma grande variedade de novos produtos e serviços, incluindo acesso à internet de banda larga. Figura 12: Modem de internet de banda larga Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 17/20

18 Conclusões Neste relatório desenvolvemos um estudo sobre as diversas aplicações do espectro radioeléctrico e chegámos a várias conclusões relativamente à utilização das diferentes bandas que o constituem. Constatámos que as frequências das ondas rádio podem variar entre os 3kHz e os 300 GHz. Assim, podemos afirmar que o espectro de radiofrequências é constituído por uma grande variedade de bandas, desde as ondas de frequência muito baixa (VLF) às ondas de frequência extremamente alta (EHF), cada uma das quais com diferentes características de onda que lhe permitem desenvolver diferentes e específicas funções. As bandas de frequências mais baixas, como as LF, MF e HF, são exemplos de ondas pouco energéticas que se movimentam com facilidade e atingem maiores distâncias. Por vezes conseguem dar a volta completa à Terra, graças à mudança de direcção provocada pela sua colisão e reflexão na ionosfera e na superfície terrestre. As ondas VHF são úteis na transmissão de sons com alta qualidade, apesar de possuírem um alcance muito pequeno devido, por exemplo, à sua incapacidade de contornarem certos obstáculos de grandes dimensões, como as montanhas e edifícios. O seu trajecto é feito em linha recta e ao nível do solo. Assim, as ondas rádio são de extrema importância nos nossos dias, pois proporcionamnos uma via de comunicação em massa somos capazes de interagir e partilhar informação quase instantaneamente com pessoas do outro lado do planeta e até com satélites e astronautas no espaço. As ondas rádio presentes no nosso quotidiano são indispensáveis para que possamos levar uma vida com todos os confortos e comodidades que o nosso século nos pode proporcionar, e tudo isto graças a mais de cem anos de uma árdua investigação e trabalho. Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 18/20

19 Referências bibliográficas Shevgaonkar, R K Electromagnetic Waves. India: Tata McGraw-Hill Education. Acedido a: 10/10/ r_esc=y Brain, Marshal. How the Radio Spectrum Works, How Stuff Works. Acedido a: 10/10/ ITU (International Telecommunication Union) Frequency and Wavelength Bands. Acedido a: 10/10/ Tomislav, Stimac. Definition of Frequency Bands (VLF, Elf etc.), Radio Waves bellow 22kHz. Acedido a: 10/10/ Adams, Mike. 100 years of Radio, California Historical Radio Society. Acedido a: 11/10/ Smeter Very Low Frequency (VLF) Stations. Acedido a: 9/10/ Australian Government Bureau of Meteorology, Introduction to HF Radio Propagation Acedido a: 12/10/ Infopédia. Ondas de rádio e televisão. Porto: Porto Editora Acedido a: 10/10/ Infopédia. Largura de banda. Porto: Porto Editora Acedido a 10/10/ Pimenta Cunha, Mauricio. Rádio VHF. Acedido a: 9/10/2013: Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 19/20

20 Pimenta Cunha, Mauricio. Rádio UHF. Acedido a: 9/10/ Through the Wires. Radio Invention. Acedido a: 11:10/ Wikipedia. Super high frequency. Acedido a: 10/10/ Wikipedia. Extremely high frequency. Acedido a: 10/10/ Wikipedia. Very high frequency. Acedido a: 10/10/ Wikipedia. Ultra high frequency. Acedido a: 10/10/ Utilização do espectro Radioeléctrico Como é usado o espectro radioeléctrico 20/20