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Qué son las bandas de frecuencia satelital


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Una de las principales características de los satélites es que pueden comunicarse a través del envío y recepción de datos. Ya sea que se trate de un satélite de comunicaciones o de investigación científica, el satélite transmite estos datos (imágenes, sonidos, etc) en forma de señales electromagnéticas. Si bien la explicación científica y técnica de cómo funcionan las ondas electromagnéticas escapa al objetivo de este texto, a continuación se brinda una breve descripición sobre el tema, en un lenguaje sencillo para tener una idea al respecto y poder así comprender qué son las bandas de frecuencia satelital y para qué sirven.
 
Las señales electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (casi 300.000 km/s, o sea que estas señales recorren casi 300 mil kilómetros por segundo). Estas señales viajan en forma de ondas oscilantes. No todas las señales electromagnéticas realizan el mismo número de oscilaciones por segundo, ni las ondas de cada oscilación tienen la misma longitud. Es por eso, que las señales electromagnéticas están categorizadas de acuerdo a la cantidad de oscilaciones por segundo que realizan y a la longitud de cada una de estas oscilaciones. Lo que sí es siempre igual es la velocidad a la que viajan o se propagan, la velocidad de la luz (cuyo valor exacto es 299.792,458 km/s, aunque para redondear se suele decir que es de casi 300.000 km/s). Por lo tanto, cualquier tipo de señal electromagnética recorre la misma distancia en el mismo tiempo. Lo que varía es la cantidad de oscilaciones que realiza por segundo.

Dado que una señal que efectúa más oscilaciones por segundo debe recorrer la misma distancia en el mismo tiempo que una señal que realiza menos oscilaciones por segundo, cada oscilación (también llamada onda) tiene una longitud menor para poder recorrer en el mismo tiempo la misma distancia. Esto ocurre porque las señales electromagnéticas siempre viajan a la velocidad de la luz independientemente del tipo de señal, es decir, independientemente de la cantidad de ondas por segundo que efectúa.

Cuales son las diferencias entre ondas electromagneticas de alta y baja frecuencia
Cuáles son las diferencias entre ondas electromagnéticas de alta y baja frecuencia - Cliquear para ampliar la imagen

Cuantas más oscilaciones realiza por segundo la señal electromagnética, mayor energía tiene.

La cantidad de oscilaciones u ondas que efectúa una señal electromagnética por segundo se denomina frecuencia. La longitud de cada una de estas oscilaciones se denomina longitud de onda. Cuanto más corta es la onda, mayor frecuencia tiene una señal (por lo tanto mayor energía). Cuanto más larga es la onda, menor frecuencia tiene una señal (por lo tanto menor energía).

La longitud de onda se mide en metros.

La frecuencia se mide en ondas que realiza una señal por cada segundo de tiempo. También se le dice ciclos por segundo. La unidad de medida utilizada para medir la frecuencia es el Hertz (simbolizado Hz).

  • 1 Hertz (1 Hz): la señal realiza 1 ciclo por segundo.
  • 100 Hertz (100 Hz): la señal realiza 100 ciclos por segundo.
  • 1 Kilohertz (1 kHz): la señal realiza mil ciclos por segundo. El prefijo Kilo representa al número mil.
  • 1 Megahertz (1 MHz): la señal realiza 1 millón de ciclos por segundo. El prefijo Mega representa 1 millón.
  • 1 Gigahertz (1 GHz): la señal realiza mil millones de ciclos por segundo. El prefijo Giga representa mil millones.
  • 100 Gigahertz (100 GHz): la señal realiza 100 mil millones de ciclos por segundo. El prefijo Giga representa mil millones.
  • 1 Terahertz (1 THz): la señal realiza 1 billón de ciclos por segundo. El prefijo Tera representa 1 billón.
  • 1 Petahertz (1 PHz): la señal realiza 1000 billones de ciclos por segundo. El prefijo Peta representa 1000 billones.
  • 1 Exahertz (1 EHz): la señal realiza 1 trillón de ciclos por segundo. El prefijo Exa representa 1 trillón.

Las señales electromagnéticas también son conocidas con el nombre de radiación electromagnética.

Como se explicó más arriba, las distintas clases de radiación o señal electromagnética están categorizadas según su frecuencia (o sea la cantidad de ciclos u ondas por segundo que generan). Todas las clases de radiación electromagnética forman un catálogo denominado espectro de ondas electromagnéticas.

Las mayores divisiones o categorías del espectro de ondas electromagnéticas -ordenadas de menor a mayor frecuencia- son:

  • Las ondas de radio (ocupan el rango de aproximadamente 3 Hz a 3 GHz).
  • Microondas (ocupan el rango de aproximadamente 3 GHz a 300 GHz).
  • La radiación infrarroja (ocupan el rango de aproximadamente 300 GHz a 400 THz).
  • Luz visible (ocupan el rango de aproximadamente 400 THz a 789 GHz).
  • Radiación ultravioleta (ocupan el rango de aproximadamente 789 GHz a 30 PHz).
  • Rayos X (ocupan el rango de aproximadamente 30 PHz a 30 EHz).
  • Rayos Gamma (ocupan lo que resta del espectro a partir de aproximadamente 30 EHz).

Como se puede notar en la lista anterior, la luz también es un tipo de señal o radiación electromagnética. Es por eso que la velocidad a la que viajan las señales electromagnéticas de cualquier clase se denomina velocidad de la luz. Esto sucede porque todas las clases de radiación electromagnética viajan a la misma velocidad que la luz visible, que como se mencionó antes, también resulta ser un tipo de radiación electromagnética.

Es necesario señalar que las microondas también se suelen considerar parte de las ondas de radio, y en el espectro se colocan en el sector de mayor energía (mayor frecuencia de ciclos por segundo) de las ondas de radio. Esto significa que las microondas son ondas de radio de alta frecuencia y longitudes de onda más cortas.

A su vez, cada una de estas divisiones o categorías de ondas electromagnéticas tienen subdivisiones o subcategorías llamadas bandas. A continuación, se muestra todo el espectro electromagnético con sus divisiones, subdivisiones (bandas), así como las longitudes de onda y frecuencias que le corresponden a cada una (Para ampliar el tamaño cliquear sobre la imagen).

Frecuencias del espectro electromagnetico
Frecuencias del espectro electromagnético - Cliquear para ampliar la imagen

Cada uno de estos tipos de onda se aplican a distintos campos de la ciencia y la tecnología. En particular, para las comunicaciones se utilizan las ondas de radio, o sea la categoría de radiación electromagnética de menor energía en el espectro. Esto significa que toda la información que se emite (sonidos, imágenes y datos) es transformada en señales de radio para poder ser transmitida a grandes distancias. Algunos de los servicios, tecnologías y medios de comunicación que transmiten su información a través de señales de radio son: servicios de navegación marítima, radio AM, radios de onda corta para radioaficionados, radiotelefonía, televisión, comunicaciones de aviación civil, radio FM, telefonía móvil, servicios WiFi, comunicaciones satelitales, sistemas de radares y radioastronomía.

Las subdivisiones de cada categoría del espectro electromagnético se denominan bandas. En las ondas de radio estas bandas de menor a mayor son:

  • ELF (Frecuencia Extremadamente Baja o en inglés Extremely Low Frequency): 3 Hz a 30 Hz
  • SLF (Super Baja Frecuencia o en inglés Super Low Frequency): 30 Hz a 300 Hz
  • ULF (Ultra Baja Frecuencia o en inglés Ultra Low Frequency): 300 Hz a 3 kHz
  • VLF (Muy Baja Frecuencia o en inglés Very Low Frequency): 3 kHz a 30 kHz.
  • LF (Baja Frecuencia o en inglés Low Frequency): 30 kHz a 300 kHz.
  • MF (Frecuencia Media o en inglés Medium Frequency): 300 kHz a 3 MHz.
  • HF (Alta Frecuencia o en inglés High Frequency): 3 MHz a 30 MHz.
  • VHF (Muy Alta Frecuencia o en inglés Very High Frequency): 30 MHz a 300 MHz.
  • UHF (Ultra Alta Frecuencia o en inglés Ultra High Frequency): 300 MHz a 3 GHz.
  • SHF (Super Alta Frecuencia o en inglés Super High Frequency): 3 GHz a 30 GHz. (Pertenece al rango de microondas).
  • EHF (Frecuencia Extremadamente Alta o en inglés Extremely High Frequency): 30 GHz a 300 GHz. (Pertenece al rango de microondas)

No todos los tipos de radiación electromagnética pueden atravesar a la atmósfera terrestre. Las ondas ultravioletas, Rayos X y Rayos Gamma son en su mayoría absorbidos por distintos componentes de la atmósfera.

De hecho, hay dos tipos de radiación electromagnética que pueden atravesar a la atmósfera, es decir, dos ventanas en el espectro electromagnético que están abiertas al espacio exterior: una corresponde a la luz visible y la otra a las ondas de radio. Es por eso, que para comunicaciones con el espacio exterior -y por lo tanto con satélites- se utilizan ondas de radio. No obstante, no todas las señales de radio pueden atravesar bien a la atmósfera. En el sector de ondas de radio, el rango de ondas que pueden atravesar a la atmósfera -o ventana abierta del espectro hacia el espacio exterior- abarca aproximadamente de 30 MHz a 30 GHz, esto corresponde a las bandas VHF, UHF y SHF.

Las ondas de radio de menos de 30 MHz, son absorbidas y reflejadas por una capa muy alta y poco densa de la atmósfera, llamada ionósfera, ubicada aproximadamente entre 100 y 500 km de altura y donde hay moléculas de gases cargadas eléctricamente (iones). Las ondas de radio por encima de los 30 GHz (sector correspondiente a las microondas) son absorbidas por el oxígeno y vapor de agua que hay en la atmósfera por debajo de los 10 km de altura. Incluso entre los 20 GHz y los 30 GHz hay algo de absorción.

Es por todo esto, que para comunicaciones satelitales se utilizan las bandas VHF, UHF y SHF, ya que son las señales de radio de este sector las únicas que pueden atravesar bien a la atmósfera.

Ondas electromagneticas que pueden atravesar a la atmosfera
Ondas electromagnéticas que pueden atravesar a la atmósfera - Cliquear para ampliar la imagen
 

 

Aplicaciones satelitales que se les da a distintas frecuencias de las ondas de radio:

Banda VHF:

  • Entre los 137 y 138 MHz se utilizan para transmisión de datos e imágenes de baja resolución de satélites meteorológicos.
  • Entre 144 y 146 MHz para satélites de radioaficionados o amateurs.
  • Entre 148 y 150 MHz para el envío de señales desde las estaciones terrenas a satélites que utilizan el rango 137-138 MHz para enviar señales hacia las estaciones terrenas (por ejemplo satélites meteorológicos).
  • Entre 149.95 y 150.05 MHz para satélites que proveen servicios de posicionamiento, así como señales de tiempo y frecuencia (muy utilizado antes de la existencia de los satélites del Sistema de Posicionamiento Global GPS).
  • Entre 240 y 270 MHz para satélites militares (este rango se encuentra dentro del rango mayor de 225 - 270 MHz reservado para la aviación militar).

 
Banda UHF:

  • Entre 399.9 y 403 MHz se utiliza para navegación, posicionamiento, satélites meteorológicos, observación/exploración terrestre y telefonía satelital.
  • El rango ubicado alrededor de los 400 MHz se utiliza como banda complementaria para satélites que transmiten a 150 MHz.
  • Entre 432 y 438 MHz se utiliza para satélites de radioaficionados y para algunos satélites de observación terrestre.
  • Entre 460 y 470 MHz se utiliza para satélites de observación meteorológica y ambiental.

A partir de este punto comienzan las bandas correspondientes a la zona de las microondas. Aproximadamente, la mitad alta de la banda UHF, la banda SHF y la banda EHF pertenecen a las microondas.

Una de las ventajas de estas bandas de frecuencias de radio más altas (microondas), es que tienen un mayor ancho de banda que las de frecuencias más bajas. El ancho de banda es la diferencia que hay entre las frecuencias más altas y más bajas de una banda. Por ejemplo:

  • Ancho de banda VHF (30 MHz a 300 MHz): 300 - 30 = 270 Mhz (270 millones de ciclos de ancho de banda).
  • Ancho de banda UHF (300 MHz a 3 GHz): 3.000 - 300 = 2.700 Mhz (2.700 millones de ciclos de ancho de banda).
  • Ancho de banda SHF (3 GHz a 30 GHz): 30.000 - 3.000 = 27.000 Mhz (27.000 millones de ciclos de ancho de banda).

Como la información es transformada y transmitida en ondas electromagnéticas, cuanto mayor es el ancho de banda, mayor cantidad de ondas contiene esa banda, y por lo tanto mayor es la cantidad de datos que pueden ser transmitidos.

Para entenderlo mejor, esto mismo se puede notar también en la diferencia que hay entre radio AM y radio FM, ya que las señales de radiofonía AM se encuentran en la banda MF (con frecuencias de entre 530 kHz y 1710 kHz) y las señales de radiofonía FM están en la banda VHF (con frecuencias de entre 87.5 MHz y 108 MHz aproximadamente), por lo que las señales FM pueden transmitir más datos por segundo debido a que hay más ondas disponibles en las que esos datos son transmitidos.

Una analogía válida es la de un avión con más asientos, y que puede transportar a más personas que uno de menos asientos. Como cada pasajero tiene una información determinada, el avión de mayor cantidad de asientos lleva más información que el de menos asientos.

Si se pueden transmitir más datos por segundo, la calidad de la información transmitida es más detallada, por ende de mejor calidad, es por eso que la radio FM tiene sonido de mejor calidad que la radio AM.

Para la transmisión de información, ésta es transformada en ondas electromagnéticas, debido a ello se las denomina ondas portadoras, ya que son las que transportan o portan a la información.

Siguiendo con el ejemplo de las señales de radiofonía AM y FM, las ondas de sonido que emiten los locutores cuando hablan, son transformadas en el micrófono a corriente eléctrica y luego a ondas electromagnéticas para poder ser transmitidas a grandes distancias. La transformación a ondas electromagnéticas se denomina modulación. Los detalles técnicos de cómo ocurre esta transformación escapan al objetivo de este texto, sin embargo, es importante señalar que por lo general, se les suele asignar 10 kHz de ancho de banda a cada emisora de radio AM, por lo que en una determinada zona pueden haber hasta alrededor de 118 estaciones AM (entre 530 kHz y 1710 kHz). Por otro lado, a cada estación FM se le suele asignar anchos de banda de aproximadamente 200 kHz, por lo que en una determinada población pueden haber como máximo unas 100 emisoras (87.5 MHz a 108 Mhz). Dado que las señales de emisoras FM tienen mayor ancho de banda, pueden portar mayor cantidad de información por segundo que las señales AM, por lo tanto, transmiten sonidos de mejor calidad (por ejemplo sonido estéreo).

Diferencias entre señales de radio AM y FM
Diferencias entre señales de radio AM y FM - Cliquear para ampliar la imagen

Cuanto mayores son las frecuencias de una banda, más frecuencias alberga dicha banda, es decir, tiene un mayor ancho de banda disponible. Es debido a eso que la UHF tiene mayor ancho de banda que la VHF, y por su parte, la SHF tiene mayor ancho de banda que la UHF.

Son cada día más las actividades en las que los satélites cumplen un papel fundamental (meteorología, comunicaciones, diversas tareas de exploración y observación terrestre, astronomía, etc), entonces, por el alto número de satélites en uso, para evitar congestión en el espectro electromagnético, se requiere un mayor ancho de banda que el disponible en bandas más bajas como la VHF. A raíz de eso, para las transmisiones satelitales, cada vez se utilizan más frecuencias de la parte alta de la banda UHF, así como de la banda SHF (zona de microondas).

La mitad alta de la banda UHF y la banda SHF han sido subdivididas en bandas más pequeñas para uso de transmisiones satelitales. Estas bandas se llaman: L, S, C, X, Ku, K, y Ka.

Ya se mencionó que una ventaja de estas bandas de frecuencias más altas (y por ende mayor ancho de banda disponible) es que pueden transmitir mayor densidad de datos por segundo, lo que da como resultado información más detallada y de mejor calidad. No obstante, también tienen una desventaja relacionada con el clima, ya que estas señales de frecuencias más altas son más susceptibles a la lluvia y a los altos niveles de humedad, entonces se degradan con mayor facilidad.

Bandas de frecuencias satelitales
Bandas de frecuencias satelitales - Cliquear para ampliar la imagen

    
Banda L (1 GHz a 2 GHz): El rango de entre 1.2 GHz y 1.8 GHz es utilizado por satélites de diverso tipo, entre ellos se incluyen los del Sistema de Posicionamiento Global -GPS por las siglas Global Positioning System- (Estados Unidos), así como los sistemas de navegación satelital Glonass (Rusia), Galileo (Unión Europea), Beidou (China). Asimismo, este rango es usado por satélites de búsqueda y rescate del sistema SARSAT/COSPAS, y también por satélites de telefonía móvil satelital de los sistemas Iridium e Inmarsat.
 
El rango de entre 1.67 GHz y 1.71 GHz es usado por satélites meteorológicos para transmisión de datos e imágenes de alta resolución desde los satélites a las estaciones terrenas (downlink o bajada de datos).
 
 
Banda S (2 GHz a 4 GHz): Entre 2.025 GHz y 2.3 GHz es usado por agencias espaciales -como la NASA- para comunicaciones con la Estación Espacial Internacional y con naves espaciales. También es utilizado por el Programa de Satélites Meteorológicos de Defensa de Estados Unidos de América (Defense Meteorological Satellite Program) y por el sistema de telefonía satelital móvil Inmarsat.
 

Entre 2.5 GHz y 2.67 GHz es utilizado en algunos países asiáticos por sistemas de difusión televisiva y de radio satelital.

 
 
Banda C (4 GHz a 8 GHz): El rango de entre 3.4 GHz y 4.2 GHz es usado por sistemas de telecomunicaciones satelitales y por cadenas de televisión satelital. Su uso es muy común en zonas de abundantes precipitaciones tropicales, dado que las señales de la Banda C sufren menor degradación por lluvia y humedad que las señales de la banda Ku descrita más abajo.
 
El rango 5.9 GHz - 6.4 GHz es usado por los mismos servicios del rango 3.4 GHz - 4.2 GHz, solo que en aquel rango se realiza la bajada de datos desde satélites a tierra (downlink), mientras que en el rango 5.9 GHz - 6.4 GHz se realiza la subida de datos desde tierra a los satélites (uplink).

 
 
Banda X (8 GHz a 12 GHz): Muy usada en investigación espacial, operaciones enfocadas al espacio profundo, así como por satélites militares y de observación ambiental. Muchos satélites y naves espaciales cuentan con transmisores complementarios de bandas S y X. Paralelamente, esta banda es empleada por radares en diversas actividades.

 
 
Banda Ku (12 GHz a 18 GHz): Muy usada por satélites de comunicaciones de diversas partes del mundo para el envío y recepción de videos, datos y sonido. A pesar de que las señales de la banda Ku son susceptibles a la lluvia y se degradan más fácilmente en zonas de altas precipitaciones que las señales de la banda C, esto es compensado con la enorme calidad y alta velocidad de los datos transmitidos en banda Ku, gracias al gran ancho de banda disponible.

 
 
Banda Ka (entre 26 GHz y 40 GHz): Las señales de esta banda son cada día más utilizadas debido al gran ancho de banda que proporcionan, algo muy necesario en un espacio cada vez más congestionado de satélites. Una ventaja es que al no ser tan usada la banda Ka en servicios terrestres, las antenas satelitales para estas frecuencias pueden ser instaladas casi en cualquier lugar, a diferencia de otras bandas que sí son compartidas con servicios terrestres y para las que hay que instalar las antenas con mucho cuidado para evitar interferencias con otros servicios. Sin embargo, una desventaja de las señales de esta banda es su gran nivel de degradación debido a la lluvia y humedad (incluso más susceptibles que las señales de la banda Ku), por lo que no es muy útil en zonas tropicales con precipitaciones muy frecuentes y altos porcentajes de humedad. Esta banda es comúnmente utilizada en televisión satelital de alta definición.

Se considera que la banda Ka será muy utilizada en el futuro, ya que su gran ancho de banda proveerá abundante espacio para la transmisión de señales en un mundo cada vez más congestionado de satélites. Además, debido a que las señales de la banda Ka tienen menor longitud de onda que las de la banda Ku, se requieren antenas más pequeñas para su recepción. Por otro lado, es importante destacar que si se cuenta con más espacio disponible en esta banda, los costos se reducen debido a las leyes de oferta y demanda.

 
El origen de los nombres de las bandas Ku y Ka proviene de la palabra alemana Kurz que significa corta y se refiere a las ondas de menor longitud de este rango de las ondas de radio o microondas. En realidad, se trata de tres bandas que ocupan el espectro electromagnético entre los 12 GHz y los 40 GHz: la banda Ku (12 GHz - 18 GHz), la banda K (18 GHz - 26 GHz) y la banda Ka (26 GHz - 40 GHz). Sucede que las señales de la banda K (o Kurz) tienen un alto nivel de degradación por humedad o vapor de agua en la atmósfera, por lo que no sirven para comunicaciones satelitales (especialmente alrededor de los 23 GHz). Pero por debajo de los 18 GHz y por encima de los 26 GHz, las señales son menos susceptibles al vapor de agua y pueden utilizarse en transmisiones satelitales. El nombre Ku proviene de Kurz Unten, que en alemán significa Bajo Corta (se refiere a las señales del rango en cuestión que están por debajo de la banda Kurz). El nombre Ka proviene de Kurz Above, que en una combinación entre el término alemán Kurz (corta) y el término inglés above (encima) significa Corta Encima (se refiere a las señales del rango en cuestión que se ubican por encima de la banda Kurz).
 
 
Fuentes de información:


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