Qu'est-ce que le RF ? Un guide du spectre de fréquence radio

Par Jeremy Cook

Le spectre des radiofréquences (RF) nous entoure, invisible, transmettant des signaux naturels et artificiels à une fréquence…hallucinante. Cet article répond à la question « Qu'est-ce que la RF ? », et explore comment les régulateurs travaillent pour assurer un accès adéquat à cette ressource limitée. Nous aborderons également comment la 5G s'intègre dans le tableau.

Physique des radiofréquences

De manière élémentaire, un signal électrique variable sur une antenne peut produire des oscillations électromagnétiques (c'est-à-dire des ondes RF). Celles-ci peuvent être non intentionnelles (pouvant potentiellement causer des interférences avec d'autres dispositifs) ou intentionnelles, des signaux soigneusement modulés qui peuvent être reçus par d'autres antennes et interprétés comme des informations utilisables. L'AM (modulation d'amplitude), par exemple, utilise une série d'ondes à fréquence fixe comme une onde porteuse, tout en modifiant l'amplitude de ces ondes en série en tant que signal modulé.
 
Le spectre RF peut être défini comme des ondes électromagnétiques oscillant entre 3 Hz et 3 000 GHz, lui conférant une large gamme de caractéristiques et de cas d'utilisation. Considérez qu'une onde porteuse de 3 Hz produit trois ondes électromagnétiques complètes par seconde et que le signal modulé qui « chevauche » cette porteuse est généralement d'une fréquence plus lente.
 
Bien que plusieurs facteurs soient en jeu, un débit de données de signal modulé utilisant une onde porteuse de 3 Hz sera extrêmement lent, probablement exprimé dans la plage des bits/seconde ou même moins. À l'autre extrémité du spectre, une onde porteuse de 3 000 GHz permettra un signal modulé beaucoup plus rapide, et il existe une large gamme de valeurs (plus pratiques) intermédiaires. Cette gamme permet les débits de données à haute vitesse que nous considérons maintenant comme acquis dans les communications WiFi et cellulaires, ainsi que dans la radio AM et FM traditionnelle.
 
Les fréquences radio sont liées à la vitesse de la lumière et sont inversement proportionnelles à la longueur d'onde, exprimées par l'équation :

La vitesse de la lumière (environ 3 x 10^8 m/s) ne change jamais, donc lorsque la longueur d'onde d'un signal RF augmente, la fréquence diminue proportionnellement, et vice versa. Un signal RF à fréquence relativement élevée a une courte longueur d'onde, et un signal RF à fréquence plus basse a une longueur d'onde plus élevée.
 
Le compromis des signaux et des taux de données à haute fréquence est que bien qu'ils puissent transmettre beaucoup d'informations sur une courte distance, ces signaux sont rapidement absorbés par l'atmosphère et les objets environnants. À titre d'exemple quotidien, considérez comment les taux de données WiFi à 2,4 GHz sont légèrement plus lents que leurs homologues à 5 GHz, mais ils peuvent être reçus à une plus grande distance.
 
À l'extrémité du spectre des transmissions longue distance à faible débit de données, des signaux dans la gamme des sub-hertz sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins, pénétrant dans les profondeurs de l'océan. Le principal compromis est un taux de données très bas. L'autre considération est que travailler avec des longueurs d'onde RF plus longues nécessite des antennes correspondamment longues.

Signaux RF et réglementation pour prévenir les interférences

Étant donné qu'il existe une plage de fréquences fixe à laquelle les communications RF peuvent raisonnablement avoir lieu, les ondes radio mondiales sont, par définition, une ressource limitée. La bande passante finie a dû sembler théorique (si elle a été envisagée) par les pionniers de la RF au tournant du 20e siècle, mais aujourd'hui, la RF est utilisée pour une incroyable gamme de technologies et doit être allouée avec soin. Lorsque les signaux se chevauchent nécessairement (par exemple, la station de radio 97,1 MHz à New York par rapport à la même fréquence à Austin, ou les milliards de dispositifs Bluetooth dans le monde), des limites de puissance sont appliquées pour réduire les interférences au minimum.
 
Considérez combien d'appareils autour de vous transmettent et reçoivent intentionnellement des signaux RF. Les smartphones typiques ont au moins quatre modes RF : WiFi, Bluetooth, cellulaire et GPS. En plus de cela, il existe une large gamme d'émetteurs RF non intentionnels, allant des ampoules aux moteurs électriques en passant par le câblage.
 
Heureusement, les signaux RF mondiaux s'harmonisent généralement grâce aux directives d'organisations telles que l'International Telecommunication Union (ITU), la Federal Communications Commission (FCC) et la National Telecommunications and Information Administration (NTIA). Ces organisations divisent le spectre en morceaux utilisables. Bien que le spectre soit limité en raison de notre utilisation massive de cette ressource, souvenez-vous que cette plage s'étend de 3 Hz à 3000 GHz (3,000,000,000,000 Hz, écrit). Le Tableau officiel des allocations de fréquences en ligne de la FCC est un texte correspondant massif de 181 pages.

Comment la 5G fonctionne-t-elle avec les bandes de fréquences ?

Le public s'attend simplement à ce que les appareils RF fonctionnent, s'intéressant rarement à leurs subtilités, de la même manière que nous attendons le courant électrique en branchant une prise. Cependant, peut-être en raison de l'importante publicité autour du 5G dans les annonces des opérateurs, le RF—et spécifiquement le 5G—fait partie de notre conscience collective. Le 5G promet effectivement de meilleurs débits de données et une latence réduite pour le transfert de données cellulaires, mais il a aussi été sujet à controverse, y compris des craintes qu'il puisse interférer avec les altimètres radar utilisés dans les avions.
 
Malgré les préoccupations, le 5G est maintenant implanté dans une grande partie des États-Unis sans problèmes majeurs. Le 5G n'utilise pas une seule bande de fréquence, mais, comme discuté ici, il fonctionne sur trois gammes de fréquences distinctes. Les fréquences plus élevées sont utilisées pour des débits élevés sur de courtes distances à partir d'un transmetteur, et les fréquences plus basses transmettent sur de plus longues distances à des débits inférieurs.
 
Le 5G n'est également pas le même que le WiFi 5 GHz, une technologie RF en grande partie sans rapport avec un nom similaire. Ajoutant à la confusion, le WiFi 5 utilise 5 GHz pour la transmission, mais le 5 signifie en réalité cinquième génération sans fil. Et de nouvelles normes WiFi continuent d'arriver : le WiFi 6E étend le signal dans la gamme récemment disponible de 6 GHz, tandis que le WiFi 7 utilise les mêmes bandes que le 6E, mais permet une opération multi-liens et des vitesses allant jusqu'à 46 Gbps. En savoir plus sur les différences entre la technologie 5G et 5 GHz.

Plage RF : Une ressource limitée qui doit être allouée avec soin

Bien que la fréquence RF ne "s'épuise" jamais de la même manière que le pétrole ou les terres rares, la bande de 3 Hz à 3 000 GHz est celle avec laquelle nous devons travailler. Cette gamme était la même à l'aube de la communication radio à la fin des années 1800, et à moins qu'il n'y ait un changement radical dans notre compréhension de la physique, elle sera la même à l'avenir.
Pour utiliser correctement cette ressource, nous devons effectuer une allocation de fréquence minutieuse avec des limites de puissance appropriées et une innovation technologique (comme le signal QPSK) qui nous permet de transférer plus de données sans occuper plus d'espace de fréquence.
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