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Utilização do espectro Radioeléctrico
Utilização do espectro radioeléctrico
Como é usado o espectro radioeléctrico
Armando Sousa
Supervisor: Professor Sílvio Abrantes
Albino Miguel Alves [email protected]
Mariana Borges [email protected]
Utilização do espectro Radioeléctrico – Como é usado o espectro radioeléctrico
Utilização do espectro radioeléctrico
Como é usado o espectro radioeléctrico
Projeto FEUP 1º Ano -- MIEEC :
Armando Sousa J. N. Fidalgo
Equipa E04C:
Supervisor: Professor Sílvio Abrantes Monitor: Denise Martins
Estudantes & Autores:
[email protected] Manuel Fernandes [email protected]
[email protected] Sofia Ferreira [email protected]
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Utilização do espectro radioeléctrico
Como é usado o espectro radioeléctrico
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Resumo
Este relatório foi elaborado no âmbito da Unidade Curricular Projecto FEUP, que tem
como objectivo integrar os novos alunos no seio da comunidade universitária, bem como
apresentar os diversos serviços disponibilizados aos alunos pela faculdade.
Como tal, foi desenvolvido um trabalho de pesquisa com base num tema principal:
“Utilização do espectro radioeléctrico”
Inicialmente faz-se uma breve referência à evolução histórica da utilização do espectro
rádio eléctrico, dando mais importância às fases iniciais do desenvolvimento do
conhecimento sobre este tema.
Posteriormente, definimos alguns conceitos essenciais para a compreensão do trabalho,
tais como a frequência e as características básicas de cada banda rádio que lhes concedem
determinados modos de propagação.
Por fim, abordamos vários tipos de bandas radiofrequência e analisamos as suas
formas de utilização e utilidades no quotidiano.
Palavras-Chave
Espectro radioeléctrico; Rádiofrequência; Frequência; Ondas electromagnéticas;
Ionosfera; Microondas; Propagação;
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Agradecimentos
O grupo gostaria de gostaria de prestar os seus agradecimentos a todas as pessoas
que, directa ou indirectamente contribuíram para a realização deste relatório,
nomeadamente ao Professor Sílvio Abrantes, e à monitora Denise Martins, pela colaboração
e apoio prestado ao longo das aulas, e também pelo tempo disponibilizado pois foram uma
preciosa ajuda para a realização e sucesso deste trabalho.
Gostaríamos também de agradecer à FEUP e à sua biblioteca, por nos ter facultado
espaços e recursos suficientes para que este trabalho fosse desenvolvido e concretizado.
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Índice
Resumo……………………………………………………………………………………………………………………………………..2
Palavras-Chave………………………………………………………………………………………………………………………….2
Agradecimentos………………………………………………………………………………………………………………...………3
Lista de figuras/acrónimos………………………………………………………………………………………….....………….4
Introdução………………………………………………………………………………………………………………………………...6
1. História das ondas rádio…………………………………………………………………………………………………..…….7
1.1. Cronologia das ondas rádio………………………………………………………………………………………….……..8
2. Frequência……………………………………………………………………………………………………………………..……..8
2.1. Very Low Frequency…………………………………………………………………………………………………….…….10
2.2. Low Frequency……..……………………………………………………………………………………………………….....11
2.3. Medium Frequency………………………………………………………………………………………………………......12
2.4. High Frequency………………………………………………………………………………………………………………….13
2.5. Very High Frequency………………………………………………………………………………………………………….13
2.6. Ultra High Frequency .……………………………………………………………………………………………………….15
2.7. Super High Frequency……………………………………………………………………………………………………....16
2.8. Extremely High Frequency………………………………………………………………………………….……………..17
Conclusão…………………………………………………………………………………………………………….………………….18
Referências bibliográficas………………………………………………………………………………….…………………....19
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Lista de figuras
Figura 1: Diagrama do espectro electromagnético.
Figura 2: James Clerk Maxwell.
Figura 3: Heinrich Hertz.
Figura 4: Espectro das radiofrequências.
Figura 5: Submarino da Marinha Portuguesa.
Figura 6: Relógio digital actualizado via ondas rádio.
Figura 7: Rádio AM/FM.
Figura 8: Descrição dos vários tipos de propagação de ondas HF.
Figura 9: Televisão, aparelho que utiliza as ondas VHF.
Figura 10: Forno microondas, evidenciando a malha de metal na porta de vidro.
Figura 11: Antena parabólica, utilizada para interceptar as ondas.
Figura 12: Modem de internet de banda larga.
Lista de acrónimos
VLF – Very Low Frequency
LF – Low Frequency
MF – Medium Frequency
HF – High Frequency
VHF – Very High Frequency
UHF – Ultra High Frequency
SHF – Super High Frequency
EHF – Extremely High Frequency
UIT – União Internacional de Telecomunicações
LORAN – Long Range Navigation
OWF – Optimum Working Frequency
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Introdução
As ondas rádio, também denominadas de ondas radiofrequência ou ondas
hertzianas, são um tipo de radiação eletromagnética com comprimentos de onda superiores
aos da radiação infravermelha. Ondas rádio com causas naturais são produzidas por raios
ou objectos astronómicos (tais como estrelas e galáxias), enquanto que as ondas rádio
geradas artificialmente são utilizadas para os mais diversos fins, tais como a comunicação
por rádio móvel, broadcasting, radares, comunicação via satélite, entre outros.
Uma das invenções tecnológicas mais importantes da história moderna foi a rádio. A sua
capacidade de transmitir música, imagens e dados através de milhares de quilómetros
proporcionou uma nova perspetiva sobre a comunicação, entretenimento e investigação e
alterou radicalmente o estilo de vida da população. Hoje em dia é uma ferramenta essencial,
seja em períodos de lazer quando vemos televisão ou ouvimos música na rádio, seja para
desenvolver os nossos projetos de carácter profissional, como quando utilizamos a internet
para pesquisar informação para um trabalho.
O espectro radioeléctrico divide-se numa multiplicidade de frequências, cada uma das
quais com características e usos específicos diferentes das outras. Com este trabalho
damos a conhecer um pouco mais sobre as ondas rádio, as suas diferentes bandas de
radiofrequência e respectivas utilizações nos nossos dias.
Figura 1: Diagrama do espectro eletromagnético.
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1. História das ondas rádio
As ondas rádio foram matematicamente previstas pela primeira vez em 1867, pelo físico
James Clerk Maxwell, que desenvolveu equações que descreviam as ondas luminosas e as
ondas rádio como ondas electromagnéticas que se propagavam no vácuo. Duas décadas
mais tarde, em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz comprovou os cálculos de Maxwell ao
gerar ondas rádio no seu laboratório.
Figura 2: James Clerk Maxwell. Figura 3: Heinrich Hertz.
Poucos anos mais tarde, Nikola Tesla propôs a utilização das ondas rádio como
potenciais métodos de telecomunicação de informação. Finalmente, em 1895, o inventor
Guglielmo Marconi construiu um sistema wireless capaz de transmitir sinais a longas
distâncias (cerca de 2.4 km), pelo qual foi galardoado com um prémio Nobel, e demonstrou
a aplicação das ondas rádio em comunicações de carácter comercial e militar. O seu
principal objectivo era criar um método de comunicação a longa distância que substituísse o
telégrafo e assegurasse a segurança dos navios em alto mar.
Desde então, o campo da comunicação rádio tem atraído muitos investigadores e
expandido rapidamente, continuando a evoluir mesmo no presente.
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Tabela 1: Cronologia da rádio (excerto retirado do site oficial de California Historical
Radio Society).
1861-1865 James Clark Maxwell realiza experiências com ondas electromagnéticas. Em 1873,
como resultado da sua investigação, descreve a base teórica da propagação das
ondas electromagnéticas.
1886-1888 Heinrich Hertz comprova a teoria de Maxwell através de experiências realizadas no
seu laboratório, nas quais comprovou que a radiação rádioelectrica tinha todas as
propriedades das ondas transversais.
1895 Marconi torna-se no primeiro cientista a realizar uma transmissão via rádio com
sucesso.
1906
Reginald Fessenden toca o seu violino, canta a música “O Holy Night” e lê um verso
da bíblia para um telefone sem fios da sua invenção, gerando o primeiro broadcast da
história.
1923 É feito broadcast do primeiro anúncio publicitário pago via rádio pela estação
WEAF de Nova Iorque.
2. Frequência
A frequência das ondas rádio pode variar entre os 3kHz e os 300GHz e, dependendo do
seu valor, confere às ondas rádio diferentes características de propagação na atmosfera
terrestre: ondas mais longas são capazes de cobrir com consistência uma determinada área
do planeta, enquanto que ondas mais curtas são reflectidas na atmosfera e propagadas
para diversas partes do mundo.
Em geral, bandas com frequência mais reduzida são usadas para a transmissão de
serviços áudio, enquanto que frequências mais elevadas são utilizadas no âmbito da
transmissão de vídeos e outros serviços profissionais. [R. K. Shevgaonkar, 2005]
Para prevenir a interferência entre diferentes utilizadores, a geração de ondas rádio está
regulamentada por lei, e é coordenada por uma organização internacional, a União
Internacional de Telecomunicações (UIT).
Uma banda é uma pequena secção do espectro das frequências das ondas rádio.
Diferentes bandas do espectro das ondas rádio são vendidas a operadores privados para
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diferentes tipos de aplicações e tecnologias de transmissão das ondas rádio, tais como a
operadores de telemóveis e a estações de televisão.
Figura 4: Espectro das radiofrequências.
Segundo a classificação de bandas de frequência do UIT, o espectro das ondas rádio
está dividido num total de nove bandas, designadas por números inteiros ordenados de
forma crescente, e cujas frequências são expressas na unidade hertz (Hz).
Tabela 2: Tabela de bandas de radiofrequência segundo a classificação oficial
do UIT.
Número da
banda
Nome da banda Símbolo Extensão da
frequência
Extensão do
comprimento
de onda
4 Very Low
Frequency
VLF 3 a 30 kHz 10 a 100 km
5 Low Frequency LF 30 a 300 kHz 1 a 10 km
6 Medium
Frequency
MF 300 a 3000 kHz 100 a 1000 m
7 High Frequency HF 3 a 30 MHz 10 a 100 m
8 Very High
Frequency
VHF 30 a 300 MHz 1 a 10 m
9 Ultra High
Frequency
UHF 300 a 3000 MHz 10 a 100 cm
10 Super High
Frequency
SHF 3 a 30 GHz 1 a 10 cm
11 Extremely High
Frequency
EHF 30 a 300 GHz 1 a 10 mm
12 Tremendously
High Frequency
THF 300 a 3000 GHz 1 mm a 100 µm
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2.1. Very Low Frequency (VLF)
Very Low Frequency, normalmente abreviada para VLF, é uma banda de
radiofrequência que abrange dos 3 kHz aos 30 kHz. Os receptores de sinal normais não têm
a capacidade de captar este tipo de ondas rádio, pois são optimizadas para sinais de
frequências mais elevadas. Por este motivo, são necessárias antenas especializadas para
captarem sinais em VLF, e não são capazes de transmitir sinais áudio.
Historicamente, eram utilizadas na radiocomunicação por telégrafo sem fios, e eram
empregues na transmissão de mensagens por código Morse.
Sinais de rádio com baixa frequência são capazes de penetrar a água e atingir
profundidades de cerca de 10 a 40 metros, o que permite a comunicação com submarinos e
navios que se encontrem em alto mar.
São também utilizados em serviços de navegação rádio, estações de rádio
governamentais e comunicação militar de alta segurança.
Figura 5: Submarino da Marinha Portuguesa.
2.2. Low Frequency (LF)
Low Frequency, ou simplesmente LF, é uma banda de rádiofrequência que se situa na
gama de 30 kHz até 300 kHz. Devido ao seu longo comprimento de onda, na casa dos
quilómetros, a baixa taxa de atenuação do sinal permite a comunicação a longas distâncias.
Isto deve-se ao facto de ser reflectida pela ionosfera, propagando-se num alcance de até 2
mil quilómetros. Para além disso, o facto de ser uma onda longa permite a difracção das
ondas, que são capazes de evitar objectos de grande tamanho, como montanhas e
edifícios, e seguir a curvatura do planeta.
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Em vários países da Europa, e também no Japão, utilizam-se relógios que funcionam
através de transmissões LF. Este é um meio fiável de manter os relógios actualizados visto
que estas ondas não são afectadas por outros sinais que se cruzem entre o emissor e o
receptor.
Figura 6: Relógio digital actualizado via ondas rádio.
Na Europa, e em certas partes de África e da Ásia, é empregue na emissão de sinais
rádio AM. Em certos lugares do mundo é frequentemente utilizada na sinalização aérea, na
radionavegação (LORAN), transmissão de informação, sistemas de meteorologia, bem
como comunicação com submarinos e navios.
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2.3. Medium Frequency (MF)
MF é a abreviatura utilizada em inglês de Medium Frequency que significa “Frequência
Média”. Designa a banda de frequências de 300 kHz a 3MHz do espectro radioeléctrico.As
ondas MF são usadas para a emissão de rádio AM, comunicação entre navios e a costa,
entre outros.
A propagação de ondas MF através da reflexão na ionosfera é apenas possível durante
a noite, pois durante o dia estas ondas são absorvidas pela zona mais baixa desta camada
atmosférica. Logo, durante a noite, estas ondas são capazes de se propagar muito mais
longe.
Figura 7: Rádio AM/FM
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2.4 High Frequency (HF)
HF é a abreviatura utilizada em inglês de High Frequency que significa “Frequência
Alta”. Designa a banda de frequências compreendidas entre 3MHz e 30MHz do espectro
radioeléctrico. Este tipo de ondas é usado para a emissão de rádio, comunicação em
aviação, estações meteorológicas, rádio amadora, etc.
As ondas HF podem-se propagar através de ondas directas, através da reflexão na
ionosfera (sky waves) e ondas de superfície (surface wave).
Figura 8: Descrição dos vários tipos de propagação de ondas HF
Nem todas as ondas HF podem ser reflectidas na ionosfera. Se a frequência for muito
alta a onda penetra e atravessa a ionosfera, se for muito baixa a onda é absorvida pela
região mais baixa da ionosfera. Os limites das frequências que podem ser usadas variam ao
longo do dia, com a época do ano, com os ciclos solares e de lugar para lugar. Para saber a
frequência ideal de emissão (OWF – Optimum Working Frequency) para um determinado
local são examinados os dados históricos de emissões nesse lugar específico.
2.5. Very High Frequency (VHF)
VHF é a abreviatura utilizada em inglês de Very High Frequency que significa
“Frequência Muito Alta”. Designa a banda de frequências de 30 a 300 MHz do espectro
radioeléctrico.
Relativamente à propagação, podemos dizer que as VHF possuem características que
se adaptam mais a comunicações terrestres de curta distância. Ao contrário de outras
frequências, a ionosfera não costuma reflectir os sinais na gama de frequências VHF que
continuam a sua propagação e escapam para o espaço exterior.
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As transmissões nesta banda têm um alcance restrito, não havendo perigo de
interferirem com outras transmissões realizadas a milhares de quilómetros de distância. Os
sinais de VHF são transmitidos em linha de vista, isto é, qualquer obstáculo como por
exemplo montanhas, prédios e até a curvatura da Terra, bloqueia-os. Geralmente, a
distância utilizada situa-se entre os 3 a 30 quilómetros e depende dos equipamentos
empregues na sua produção, da altura da antena e das características da superfície
terrestre, tais como folhagens, entre outros. Por outro lado, os sinais de VHF são menos
afectados por ruídos atmosféricos e interferências de equipamentos eléctricos que os sinais
de HF, por exemplo.
São várias as aplicações de VHF. Entre elas podemos salientar algumas: nos dias de
hoje, as embarcações estabelecem as suas comunicações através da radiofrequência VHF.
Uma vez que o rádio não reconhece fronteiras geográficas ou políticas, e para garantir que
os navios possam sempre comunicar quer em viagens nacionais ou internacionais, a banda
marítima de VHF é a mesma em todo o mundo. À semelhança dos navios, os aviões
também utilizam esta frequência.
As frequências VHF são usadas para uma variedade de utensílios domésticos, como
telefones sem fios, walkie-talkies e pagers. São ainda utilizadas em televisões e transmissão
de rádio FM.
Figura 9: Televisão, aparelho que utiliza as ondas VHF e UHF.
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2.6. Ultra High Frequency (UHF)
UHF é a abreviatura utilizada em Inglês de Ultra High Frequency que significa
“Frequência Ultra Alta”. Designa a banda de frequências de 300 a 3000 MHz do espectro
radioeléctrico.
Na faixa de UHF, os sinais transmitidos não são devolvidos para a superfície pela
ionosfera; são capazes de ultrapassar as camadas atmosféricas mais periféricas e
conseguem passar para o espaço permitindo a ligação aos satélites e também a
comunicação com veículos espaciais, bem como para a radioastronomia. Da mesma forma,
os sinais emitidos a partir do espaço podem penetrar na ionosfera e atingir a superfície.
As frequências UHF são normalmente usadas para microfones sem fios, transmissões
de televisão, em satélites de comunicação, telemóveis, wireless LAN, Bluetooth, GPS e
rádios bidireccionais, rádio amador, entre outros.
É também utilizada em fornos microondas, cujas portas de vidro têm uma malha de
metal com orifícios muito pequenos. Na gama UHF, as ondas têm uma frequência muito
elevada e, como tal, têm comprimentos de onda com apenas alguns centímetros de
tamanho. A rede mantém as microondas presas no forno, mas permite a passagem de
ondas com comprimentos de onda menores, tal como as ondas luminosas que têm um
comprimento de onda ao nível microscópico; é por este motivo que conseguimos observar o
interior do forno microondas.
Figura 10: Forno microondas, evidenciando a malha de metal na porta de vidro.
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Comparativamente às ondas VHF, as UHF têm mais atenuação atmosférica e menor
reflexão na ionosfera. Por outro lado, o tempo de duração quando utilizado em baterias é
mais curto nestas últimas quando comparadas à gama das VHF. No entanto, os sinais de
UHF tendem a ser mais puros e são mais facilmente transmitidos.
Para a maioria das aplicações, as frequências de rádio mais baixas são melhores para
atingirem um maior alcance. Uma vantagem da transmissão em gamas UHF é o facto de
serem ondas curtas, o que implica que a antena de rádio utilizada para as captar possa ser
inferior a uma antena de rádio VHF equivalente.
2.7. Super High Frequency (SHF)
Super High Frequency, ou SHF, é a designação UIT para a gama de frequências rádio
entre os 3 e os 30 GHz.
Esta frequência intersecta-se com a banda microondas, portanto ondas da gama
SHF são classificadas como microondas. O curto comprimento de onda das microondas
permite que se desloquem através de feixes estreitos por antenas tais como as parabólicas,
logo são frequentemente utilizadas na comunicação entre dois pontos definidos, ligação de
dados e em radares. Ondas nesta gama de frequência são usadas na maioria dos radares
mais modernos, em fornos microondas, comunicações por satélite, televisão via satélite,
wireless LAN, entre outros.
Figura 11: Antena parabólica, utilizada para interceptar as ondas
Utilização do espectro Radioeléctrico – Como é usado o espectro radioeléctrico 17/20
A banda SHF ocupa uma posição beneficiada no espectro radioeléctrico. Como é a
banda com frequências mais baixas que permite a transmissão da informação por feixes
estreitos de antenas, impede a interferência com transmissores nas vizinhanças que emitam
na mesma frequência, permitindo assim a reutilização de frequências. Por outro lado, é a
gama com as frequências mais elevadas capaz de ser utilizada para comunicações
terrestres a longas distâncias, graças à fácil absorção de frequências mais elevadas, tais
como as EHF (Extremely High Frequency), pela atmosfera. É também uma banda com
capacidade de transmitir grandes quantidades de informação.
2.8. Extremely High Frequency (EHF)
Extremely High Frequency, ou EHF, é a designação UIT para a maior banda de
radiofrequência, abrangendo uma gama entre os 30 e os 300 GHz.
As ondas que se inserem nesta banda têm grande atenuação atmosférica; isto é, são
facilmente absorvidas pelos gases da atmosfera. Como tal, têm um alcance curto, e só
podem ser utilizadas para comunicações terrestres que não ultrapassem um quilómetro de
distância. Mesmo em distâncias relativamente curtas, também o contacto com a água da
chuva pode provocar a absorção das ondas e diminuir a potência de sinal.
Esta banda é utilizada essencialmente na área da radioastronomia e da detecção
remota, geralmente para monitorizar e controlar as condições atmosféricas presentes.
Como a banda EHF se encontra ainda pouco desenvolvida, encontra-se relativamente
livre para ser aproveitada por uma grande variedade de novos produtos e serviços, incluindo
acesso à internet de banda larga.
Figura 12: Modem de internet de banda larga
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Conclusões
Neste relatório desenvolvemos um estudo sobre as diversas aplicações do espectro
radioeléctrico e chegámos a várias conclusões relativamente à utilização das diferentes
bandas que o constituem.
Constatámos que as frequências das ondas rádio podem variar entre os 3kHz e os 300
GHz. Assim, podemos afirmar que o espectro de radiofrequências é constituído por uma
grande variedade de bandas, desde as ondas de frequência muito baixa (VLF) às ondas de
frequência extremamente alta (EHF), cada uma das quais com diferentes características de
onda que lhe permitem desenvolver diferentes e específicas funções.
As bandas de frequências mais baixas, como as LF, MF e HF, são exemplos de ondas
pouco energéticas que se movimentam com facilidade e atingem maiores distâncias. Por
vezes conseguem dar a volta completa à Terra, graças à mudança de direcção provocada
pela sua colisão e reflexão na ionosfera e na superfície terrestre. As ondas VHF são úteis na
transmissão de sons com alta qualidade, apesar de possuírem um alcance muito pequeno
devido, por exemplo, à sua incapacidade de contornarem certos obstáculos de grandes
dimensões, como as montanhas e edifícios. O seu trajecto é feito em linha recta e ao nível
do solo.
Assim, as ondas rádio são de extrema importância nos nossos dias, pois proporcionam-
nos uma via de comunicação em massa – somos capazes de interagir e partilhar informação
quase instantaneamente com pessoas do outro lado do planeta e até com satélites e
astronautas no espaço. As ondas rádio presentes no nosso quotidiano são indispensáveis
para que possamos levar uma vida com todos os confortos e comodidades que o nosso
século nos pode proporcionar, e tudo isto graças a mais de cem anos de uma árdua
investigação e trabalho.
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