¿Qué significa ancho de banda en general y en el contexto de los siguientes ejemplos?

Ancho de banda es un término utilizado para describir el comportamiento analógico de un sistema. Cada vez que tiene un ancho de banda, tiene una banda: un rango de frecuencias en el que está transmitiendo. El ancho de banda es la diferencia entre esas frecuencias.

Al abordar específicamente su pregunta de los comentarios, existen razones prácticas por las que usamos segmentos de ancho de banda de frecuencias altas en lugar de frecuencias bajas.

Gracias por la respuesta. En su último párrafo, ¿hay algún problema si asignamos 0 HZ a 10 000 MHz a 100 personas, cada una de 100 MHz de ancho, en lugar de 20 GHZ a 30 GHZ?

Puedes hacerlo. Funcionará. Sin embargo, hay razones físicas para no hacerlo. La razón principal por la que no asigna el ancho de banda de baja frecuencia de esta manera es que nuestros filtros normalmente funcionan en términos de frecuencias relativas. Un filtro de paso bajo de primer orden simple proporcionará 20 dB de atenuación por década. Eso significa que si tiene un filtro de paso bajo con una frecuencia de esquina de 100MHz, teóricamente pasará 100MHz perfectamente, 1000MHz con 20dB de atenuación y 10000MHz con 40dB de atenuación.

Si solo quisiera asignar una sola banda a cada persona, esto no causaría demasiado problema. Sin embargo, ¿qué pasaría si esas personas quisieran compartir el ancho de banda? ¿Qué pasaría si quisiera tener una radio que pudiera sintonizar diferentes estaciones de radio? Las estaciones de radio requieren un ancho de banda de aproximadamente 20 kHz. Podrías asignarle a uno de ellos la banda de 20-40kHz, luego a uno de 40-60kHz, a ninguno de 60-80kHz y así sucesivamente. Si tuviera 10 canales de este tipo, necesitaría 200 kHz de ancho de banda, que oscila entre 20 kHz y 220 kHz. Eso es alrededor de 3,5 octavas. Si, en cambio, hubiera iniciado la primera estación de radio en 100MHz, luego en 100.020MHz, 100.040MHz y así sucesivamente, aún necesitaría 200kHz de ancho de banda, pero oscilaría entre 100Mhz y 100.220Mhz. ¡Eso es solo 0.003 octavas! es muchoEs más fácil diseñar una antena que resuene bien por encima de las 0,003 octavas que hacer una antena que resuene bien por encima de las 3,5 octavas.

La otra gran razón para asignar bandas de frecuencias más altas es la uniformidad. Los efectos de la atmósfera y otras interacciones con el medio ambiente están bastante bien distribuidos en un espacio logarítmico. ¿Por qué? Es la misma razón que la anterior: los efectos tienden a operar proporcionalmente a la frecuencia, tal como lo hizo nuestro filtro de paso bajo simple de primer orden.

Al diseñar un sistema de RF, normalmente queremos encontrar una ventana en la que la atenuación sea aceptable para nuestra aplicación. Si necesitamos una cantidad fija de ancho de banda (por ejemplo, 200 kHz), es más fácil encontrar una ventana de 200 kHz con las mismas propiedades en frecuencias altas que encontrar una ventana tan simple en frecuencias bajas.

Una última cuestión a considerar: el tamaño. Las frecuencias más bajas significan longitudes de onda más grandes. Las longitudes de onda más grandes significan que necesita antenas más grandes para transmitir y recibir de manera eficiente.

Un ejemplo de uso de baja frecuencia son los submarinos. Se sabe que los submarinos han transmitido en la región ELF: frecuencia extremadamente baja. ¡La Marina de los EE. UU. utilizó un transmisor, Seafarer, que operaba a 76 Hz! No pude encontrar nada sobre el ancho de banda para ese sistema en particular, ¡pero las antenas transmisoras tenían que tener 56 km de largo! ¡Los submarinos ni siquiera pueden enviar respuestas porque las antenas transmisoras son demasiado grandes y consumen mucha energía para el submarino!

"ancho de banda" en general es el ancho de la banda, es decir, la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja.

Cuando hablamos de una señal, nos referimos al rango de frecuencias utilizadas para codificar información. Cuando hablamos de un amplificador, cable, antena, etc., nos referimos al rango de frecuencias en las que el rendimiento es aceptable.

Exactamente lo que se entiende por aceptable varía, pero una convención común es usar el ancho de banda "-3dB". Es decir, los puntos en los que la potencia de la señal se reduce en un factor de dos (la tensión de la señal se reduce en un factor de$\sqrt{2}$) de su valor máximo.

2. El ancho de banda de una señal modulada en amplitud transmitida

Suponiendo una modulación de amplitud simple, el ancho de banda de la señal de AM es el doble de la frecuencia más alta de la señal de modulación.

Esto se debe a que cuando se multiplican dos señales, se obtienen componentes en la suma y la diferencia de las dos frecuencias. Entonces, la frecuencia más baja en la señal modulada es la frecuencia portadora menos la frecuencia más alta en la señal moduladora y la frecuencia más alta en la señal modulada es la frecuencia portadora más la frecuencia moduladora.

Este es un esquema de modulación ineficiente ya que la información en la señal original está esencialmente duplicada. Existen variantes de modulación de amplitud que intentan reducir esta ineficiencia ya sea suprimiendo una de las bandas laterales de la señal modulada (SSB/VSB) o codificando dos señales separadas en diferentes fases de la misma portadora (QAM).

3.El ancho de banda de una señal utilizada en cables coaxiales/cables de fibra óptica

Como arriba, el rango de frecuencias utilizado para transportar la información. Según el contexto, también puede incluir bandas de protección añadidas para permitir un filtrado imperfecto.

También para la fibra, tenga en cuenta que podemos hablar del ancho de banda eléctrico (el ancho de banda de la señal utilizada para modular la fuente de luz) o el ancho de banda óptico (el rango de frecuencias en el sistema óptico). Si el láser se modula en amplitud, el ancho de banda óptico será el doble del ancho de banda eléctrico.

En algunos casos, las personas también usan "ancho de banda" para referirse a la velocidad de datos. La velocidad de datos alcanzable de un enlace de comunicación depende en gran medida del ancho de banda.

4. El ancho de banda de una señal utilizada para la comunicación por satélite.

Mucho de la misma respuesta que la anterior.

¿Por qué una alta frecuencia portadora significa un gran ancho de banda?

Cuando se habla de sistemas de radio, una frecuencia portadora alta no significa necesariamente un ancho de banda alto, pero una frecuencia portadora baja significa casi con seguridad un ancho de banda bajo. Hay un par de razones para esto.

Uno es el diseño de la antena. En general, el diseño de la antena se vuelve más difícil a medida que aumenta la proporción de frecuencias más altas y más bajas. Sería virtualmente imposible hacer una antena que funcione aceptablemente en el rango de 0 Hz a 100 MHz, pero es relativamente fácil hacer una que funcione aceptablemente en el rango de 1 GHz a 1,1 GHz.

La otra razón es que el espectro de radio es un recurso compartido. Claro, si fuera un dictador, podría asignar un servicio de 0 Hz a 100 MHz, pero ¿qué pasa con todos los demás? OTOH entre 20 GHz y 30 GHz habría espacio para 100 canales cada 100 MHz de ancho.

Con respecto a los dos primeros:

1) Si la hoja de datos de un amplificador operacional se refiere al ancho de banda, se refiere a la frecuencia máxima con la que se puede usar, sin tener en cuenta las restricciones impuestas por otros componentes que se pueden usar junto con el amplificador operacional.

2) El ancho de banda de una señal AM es la frecuencia más alta que resulta cuando la frecuencia central se modula con información (mezclada con una voz, por ejemplo) menos la frecuencia más baja que resulta cuando se modula la frecuencia central. Puede variar según el contexto, pero generalmente refleja qué parte del espectro de radio está ocupada por la señal de AM. Una sola señal de radio pura (portadora) sin modulación ocupará teóricamente solo 1 frecuencia. Pero cuando una señal de modulación se acopla a ella, se produce un rango de frecuencias por encima y por debajo de la portadora. La magnitud de ese rango entre las frecuencias más altas y más bajas producidas es el ancho de banda.

Como ejemplo, en la transmisión de radio AM había tantas frecuencias de radio públicas para transmitir que podía visualizar un dial de radio antiguo limitado, que oscilaba entre 540 y 1600 (que representa kHz). A cada estación se le asigna una frecuencia de al menos 10 (kHz) de distancia de su vecino más cercano en el dial. Siempre que la frecuencia central asignada (una portadora), cuando se mezcla con la información de modulación (tal vez voz o música) no produzca ninguna frecuencia fuera de ese ancho de banda asignado de 10 kHz, entonces no interferirán con sus vecinos en el dial. . Cuando dos frecuencias se mezclan producen otras frecuencias. En este ejemplo, las otras frecuencias se agruparán muy cerca de la frecuencia portadora, por encima y por debajo. El ancho de banda es la frecuencia más alta del clúster menos la frecuencia más baja del clúster, o cuánto espacio ocupan en el dial de la radio. Tenga en cuenta que las frecuencias que están presentes son dinámicas y cambian y cambian rápidamente a medida que cambia el tipo de información de modulación (música o lo que sea). En este ejemplo, el ancho de banda asignado permitido a la estación y el ancho de banda instantáneo medido pueden ser diferentes. Si hay un momento de silencio, el ancho de banda instantáneo puede ser de 500 Hz, pero el sonido de un flautín puede aumentar el ancho de banda instantáneo a 6 kHz.