Was ist RF? Ein Leitfaden zum Radiofrequenzspektrum

Von Jeremy Cook

Das Radiofrequenzspektrum (RF) ist überall um uns herum, unsichtbar und überträgt natürliche sowie von Menschen erzeugte Signale in einer schwindelerregenden…Frequenz. Dieser Artikel beantwortet die Frage „Was ist RF?“ und untersucht, wie Regulierungsbehörden daran arbeiten, den ordnungsgemäßen Zugang zu dieser begrenzten Ressource sicherzustellen. Wir werden auch darauf eingehen, wie 5G in dieses Bild passt.

Hochfrequenzphysik

Auf der grundlegendsten Ebene kann ein variierendes elektrisches Signal auf einer Antenne elektromagnetische Schwingungen (d. h. HF-Wellen) erzeugen. Diese können unbeabsichtigt sein (was möglicherweise Interferenzen mit anderen Geräten verursacht) oder absichtlich, sorgfältig modulierte Signale, die von anderen Antennen empfangen und als nutzbare Informationen interpretiert werden können. AM (Amplitudenmodulation) zum Beispiel verwendet eine Reihe von festen Frequenzwellen als sogenannte Trägerwelle, während die Amplitude dieser Wellen in Serie als modulierbares Signal verändert wird.
 
Das HF-Spektrum kann als elektromagnetische Wellen definiert werden, die zwischen 3 Hz und 3.000 GHz schwingen, wodurch es eine breite Palette an Merkmalen und Anwendungsfällen erhält. Man bedenke, dass ein 3 Hz Träger drei vollständige elektromagnetische Wellen pro Sekunde erzeugt und dass das modulierte Signal, das auf diesem Träger „reitet“, typischerweise eine langsamere Frequenz aufweist.
 
Während mehrere Faktoren eine Rolle spielen, wird eine modulierte Signaldatenrate mit einem 3 Hz Träger extrem langsam sein, wahrscheinlich im Bereich von Bits/Sekunde oder sogar weniger ausgedrückt. Am anderen Ende des Spektrums ermöglicht eine 3.000 GHz Trägerwelle ein viel schneller modulierbares Signal, und es gibt eine breite Palette von (praktischeren) Werten dazwischen. Dieser Bereich ermöglicht die hohen Datenraten, die wir heute in WiFi- und Mobilfunkkommunikation als selbstverständlich ansehen, sowie im traditionellen AM- und FM-Radio.
 
Radiofrequenzen stehen in Beziehung zur Lichtgeschwindigkeit und sind umgekehrt proportional zur Wellenlänge, ausgedrückt durch die Gleichung:

Die Lichtgeschwindigkeit (etwa 3 x 10^8 m/s) ändert sich nie. Wenn also die Wellenlänge eines HF-Signals zunimmt, nimmt die Frequenz proportional ab und umgekehrt. Ein relativ hochfrequentes HF-Signal hat eine kurze Wellenlänge, und ein weniger hochfrequentes HF-Signal hat eine höhere Wellenlänge.
 
Der Kompromiss bei hochfrequenten Signalen und Datenraten besteht darin, dass sie zwar viele Informationen über eine kurze Distanz übertragen können, jedoch schnell von der Atmosphäre und den umliegenden Objekten absorbiert werden. Ein alltägliches Beispiel ist, dass die 2,4 GHz WiFi-Datenraten etwas langsamer sind als ihre 5 GHz Gegenstücke, sie jedoch in größerer Entfernung empfangen werden können.
 
Am extremen Ende der Übertragungen mit niedrigen Datenraten über große Distanzen werden Signale im Bereich unter hundert Hertz verwendet, um mit U-Booten zu kommunizieren und in die Tiefen des Ozeans einzudringen. Der Hauptkompromiss ist eine sehr niedrige Datenrate. Eine weitere Überlegung ist, dass das Arbeiten mit längeren HF-Wellenlängen entsprechend lange Antennen erfordert.

HF-Signale und Regelungen zur Vermeidung von Störungen

Da es einen festen Frequenzbereich gibt, in dem RF-Kommunikation vernünftigerweise stattfinden kann, sind die Funkwellen der Welt per Definition eine begrenzte Ressource. Eine endliche Bandbreite muss den RF-Pionieren zu Beginn des 20. Jahrhunderts theoretisch erschienen sein (wenn überhaupt in Betracht gezogen), aber heute wird RF für eine unglaubliche Vielfalt an Technologien eingesetzt und muss sorgfältig zugeteilt werden. Wenn Signale notwendigerweise überlappen (z. B. der 97,1 MHz-Radiosender in New York City im Vergleich zur gleichen Frequenz in Austin oder die Milliarden von Bluetooth-Geräten weltweit), werden Leistungsgrenzen durchgesetzt, um Störungen auf ein Minimum zu beschränken.
 
Überlegen Sie, wie viele Geräte um Sie herum absichtlich RF-Signale senden und empfangen. Typische Smartphones haben mindestens vier RF-Modi: WLAN, Bluetooth, Mobilfunk und GPS. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl unabsichtlicher RF-Sender, zu denen alles von Glühbirnen bis hin zu Elektromotoren und Verkabelungen gehört.
 
Glücklicherweise kommen die RF-Signale der Welt in der Regel gut miteinander aus, dank der Anleitung von Gruppen wie der International Telecommunication Union (ITU), der Federal Communications Commission (FCC) und der National Telecommunications and Information Administration (NTIA). Diese Organisationen teilen das Spektrum in nutzbare Abschnitte ein. Obwohl das Spektrum aufgrund unserer massiven Nutzung dieser Ressource begrenzt ist, denken Sie daran, dass dieser Bereich von 3 Hz bis 3000 GHz (3.000.000.000.000 Hz, ausgeschrieben) reicht. Die offizielle FCC Online-Tabelle der Frequenzzuweisungen umfasst entsprechend massive 181 Seiten Text.

Wie funktioniert 5G mit Frequenzbändern?

Die Öffentlichkeit erwartet einfach, dass RF-Geräte funktionieren, ohne sich groß mit den Details zu beschäftigen, ähnlich wie wir beim Einstecken in eine Steckdose elektrische Energie erwarten. Vielleicht aufgrund der intensiven Werbung der Netzbetreiber für 5G ist RF—und speziell 5G—Teil unseres kollektiven Bewusstseins. 5G verspricht zwar bessere Datenraten und geringere Latenzzeiten für die mobile Datenübertragung, war aber auch Gegenstand von Kontroversen, einschließlich Befürchtungen, dass es Radarhöhenmesser in Flugzeugen stören könnte.
 
Trotz aller Bedenken ist 5G jetzt in weiten Teilen der USA ohne größere Probleme implementiert. 5G nutzt nicht ein einziges Frequenzband, sondern, wie hier erläutert, es arbeitet in drei verschiedenen Frequenzbereichen. Höhere Frequenzen werden für hohe Datenraten bei kurzen Entfernungen von einem Sender verwendet, und niedrigere Frequenzen übertragen über längere Entfernungen bei niedrigeren Datenraten.
 
5G ist auch nicht dasselbe wie 5 GHz WiFi, eine weitgehend nicht verwandte RF-Technologie mit einem ähnlichen Namen. Für noch mehr Verwirrung verwendet WiFi 5 zwar 5 GHz für die Übertragung, aber die 5 steht eigentlich für die fünfte Generation des drahtlosen Internets. Und es kommen ständig neue WiFi-Standards: WiFi 6E erweitert das Signal in den neu verfügbaren 6 GHz-Bereich, während WiFi 7 die gleichen Bänder wie 6E nutzt, aber Mehrfachverbindungen und Geschwindigkeiten von bis zu 46 Gbps ermöglicht. Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen 5G- und 5GHz-Technologien.

RF-Bereich: Eine begrenzte Ressource, die sorgfältig zugeteilt werden muss

Während die RF-Frequenz niemals auf die gleiche Weise „ausgehen“ wird wie Öl oder seltene Erden, ist das Band von 3 Hz bis 3.000 GHz das, womit wir arbeiten müssen. Dieser Bereich war derselbe zu Beginn der Funkkommunikation in den späten 1800er Jahren, und es sei denn, es gibt eine dramatische Veränderung in unserem Verständnis der Physik, wird er in der Zukunft derselbe sein.
Um diese Ressource richtig zu nutzen, benötigen wir eine sorgfältige Frequenzzuweisung mit geeigneten Leistungsgrenzen und technologischen Innovationen (wie QPSK-Signalisierung), die uns ermöglichen, mehr Daten zu übertragen, ohne mehr Frequenzraum zu beanspruchen.
Arrow führt eine große Auswahl an Hochfrequenzprodukten und -geräten von führenden Herstellern für Ihr nächstes Projekt. Zum Beispiel lässt die DFR0868 ESP32-C3 Entwicklungsplatine Sie mit sowohl WiFi als auch Bluetooth im selben Modul beginnen.