频谱定义及频谱资源的特性

1.         频谱的定义。

我们对电磁波频谱最为熟悉的部分就是可见光。“频谱”这个术语实际上最初只限于光。物理学家在17至19世纪首先认识到白色光实际上是由从红到紫各种不同颜色的光组成的。因此，白色光是不同颜色的频谱。光像水池中的水波纹一样表现出波的特性，波峰之间的距离就称为波长。单位时间内通过某一点的波峰数就称为频率。因此光具有波长和频率，红色光的波长最长，频率最低，而紫色光的波长最短，频率最高。

电磁频谱可以从可见光向两个方向发展，更高频率、更短波长的“光”包括紫外光、X射线以及宇宙射线，而更长波长、更低频率的“光”则首先是红外线光，然后随着波长越来越短即是无线电波。

理论和实践证明，当电子通过导线行进时其周围空间存在着电场和磁场，而且是随着时间而变化的，同时磁场的变化会产生电场，电场的变化也会产生磁场。交变的电磁场不仅存在于导体的周围，而且能够脱离其产生的波源向远方传播，这种以相同的频率向周围空间辐射传播的交变电磁场就称为电磁波。电磁波在空中以光速传播，即每秒中30万公里。1864年英国人麦克斯韦从理论上确定了电荷、电流、电场的关系，而且确定了电磁波的存在。1888年德国人赫兹使用来顿瓶做放电实验，第一次由人工产生了波长为30厘米的电磁波，从而证明了麦克斯韦的理论，因此人们在很长一段时间都把电磁波叫做赫兹波，后来把频率的单位称为赫兹，直至今天。若用f表示频率，用V表示电磁波每秒钟传播的距离（米），用λ表示波长（米），则三者之间的关系为：f=V/λ，其中频率的单位是赫兹（Hz）或周/秒，也可用千赫（KHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）表示。它们之间的关系是：1KHz=1000Hz，1MHz=1000KHz，1GHz=1000MHz。

2.         无线电频谱。

电磁频谱中3000GHz以下的部分称为无线电频谱。无线电频谱可用来进行声音和图像广播、气象预报、导航、无线电通信、灾害预报、报时等业务。根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为12个频段，而通常的无线电通信只使用其中的第4到第12个频度，无线电频谱和波段的划分如表1所示。

表1

序号
频段名称
频段范围（含上限）
频段名称
波长范围（含上限）

1
极低频（ELF）
3~30Hz
极长波
100~10兆米

2
超低频（SLF）
30~300Hz
超长波
10~1兆米

3
特低频（ULF）
300~3000Hz
特长波
100~10万米

4
甚低频（VLF）
3~30KHz
甚长波
10~1万米

5
低频（LF）
30~300KHz
长波
10~1千米

6
中频（MF）
300~3000KHz
中波
1000~100米

7
高频（HF）
3~30MHz
短波
100~10米

8
甚高频（VHF）
30~300MHz
米波
10~1米

9
特高频（UHF）
3~3000MHz
分米波
   

微

波
10~1分米

10
超高频（SHF）
3~30GHz
厘米波
10~1厘米

11
极高频（EHF）
30~300GHz
毫米波
10~1毫米

12
至高频
300~3000GHZ
丝米波
10~1丝米



在电信领域中还经常使用更低的电磁频谱。为确定电信领域中频段的命名，把频段向低扩展到包括表2所示的范围。

表2

频段标注号
代号
频率范围（含上限，不含下限）
相应的米制表达

-1
ELF
0.03~0.3Hz
千兆米波

0
0.3~3Hz
百兆米波

1
3~30Hz
十兆米波

2
30~300Hz
兆米波



对某些频段有时用字母来表示，而不是使用符号或缩写字符来表示，例如在雷达和空间通信的领域里，有些人使用了表3中所例的频段表达方式，但是在国际电信联盟（ITU）的出版物中未建议使用这些字符。

表3

字符
雷达（GHz）
空间通信（GHz）

频谱范围
例
标称频率
例

L
1~2
1.215~1.4
1.5
1.525~1.710

S
2~4
2.3~2.5; 2.7~3.4
2.5
2.5~2.690

C
4~8
5.25~5.85
4/6
3.4~4.2; 4.5~4.8; 5.85~7.075

X
8~12
8.5~10.5
-
   

Ku
12~18
13.4~14.0; 15.3~17.3
11/14; 12/14
10.7~13.25; 14.0~14.5

K
18~27
24.05~24.25
20
17.7~20.2

Kn
27~40
33.4~36.0
30
27.5~30.0



3.         无线电频谱资源的特性。

无线电频谱是一种特殊的自然资源。说它是一种自然资源，是由于它具有一般资源的共同特性，像土地、水、矿山、森林一样是国家所有的。但从国际范围来说，它又属于人类共有的、人类共享的。此外，它还具有一般自然资源所没有的如下特性：

（1）       无线电频谱资源是有限的。包括红外线、可见光、X射线在内的电磁波的频谱是相当宽的，而无线电通信使用的频谱资源，最底可为3KHz，最高达3000GHz。更高的电磁频谱当然不是以3000GHz为限的，使用3000GHz以上电磁频谱的电信系统也在研究探索之中，但它最大不能超过可见光的范围。由于受到技术上和可提供能够操作使用的无线电设备方面的限制，ITU当前只划分了9KHz~400GHz范围，而且目前实用的较高的频段只是在几十GHz。根据无线电波的传播特性，像大家所熟知的蜂窝移动通信业务（俗称大哥大）一般只能工作在3GHz以下，现主要工作在800MHz、900MHz/1800MHz。另外，尽管人们可以通过频率、时间、空间这三维相互关联的要素进行频率的多次复用指配来提高频率利用率，但就某一频率或频段而言，在一定的区域、一定的时间、一定的条件下之下，它又是有限的。

（2）       无线电频谱可以被利用但不会被消耗掉，是一种非消耗的资源。它不同于土地、水、矿山、森林等可以再生或非再生的资源，如果得不到充分利用，则是一种资源浪费，而若使用不当也是一中资源浪费，甚至会造成严重的危害。

（3）       无线电波有固有的传播特性，它不受行政区域、国家边界的限制。因此，任何一个国家、一个地区、一个部门甚至个人都不能随意地使用，否则会造成相互干扰而不能确保正常通信。

（4）       无线电频谱资源极易受到污染。它最容易受到人为噪声和自然噪声的干扰，使之无法正常操作和准确而有效地传输各类信息。

鉴于上述原因，为了加强对无线电频谱这种宝贵资源的、有限的自然资源管理和有效地利用，从便于无线电频谱的规划、管理以及设备的研制生产和使用出发，通常对无线电频谱按业务进行频段和频率的划分、分配和指配。按规定把某一频段供某一种或多种地面或空间业务在规定条件下使用，称为“频率划分”。为此，国际电联（ITU）专门制定了国际《无线电规则》，实际上这是一个各个国家都要遵守的国际上通用的无线电法规，各个国家也都据以制定了自己国家的无线电法或相关的详细管理规定，同时为各类无线电业务划分了频率或频段。ITU还专门建立了国际频率划分表，把世界划分为三个区域，第一区域包括欧洲、非洲和部分亚洲国家，第二区包括南、北美洲，第三区包括大部分亚洲国家和大洋洲。我国为第三区。使用无线电频率的无线电业务基本上分为两大类。即无线电通信业务和射电天文业务。无线电通信业务又可分为地面业务及空间业务、航空和水上安全业务等总共为37种业务。无线电频率划分表为各类无线电业务划分了频率或频段，例如我国把279~281MHz划分给移动业务，用于开放全国联网无线寻呼业务等。我国的频率划分表是1983年制定的，随着无线电事业的发展，这些年来频率的划分和使用都发生了相当大的变化，现正在积极组织修订。

把某一频段批准给一个国家或多个国家、地区或部门在规定条件下使用，称为“频率分配”。我国的频率分配是有国家无线电管理机构统一进行的，例如把87~108MHz频段分配给广播部门开发FM广播业务在全国各地统一规划和使用等。

国家或地方无线电管理机构根据设台审批权限批准某单位或个人的某一电台在规定的条件下操作使用某一无线电频率，称为“频率指配”。根据《中华人民共和国无线电管理条理》的规定，用户设置各类无线电台必须在领取电台执照后才能进行合法的操作和使用