หลักการเบื้องต้นของวิทยุสื่อสาร

การสื่อสาร  (Communication )  คือกระบวนการแลกเปลี่ยนข้อมูล ข่าวสาร  ระหว่างบุคคลต่อบุคล   หรือบุคคลต่อกลุ่ม โดยใช้สัญลักษณ์ สัญญาณ   หรือพฤติกรรมที่เข้าใจกัน โดยมีองค์ประกอบดังนี้

องค์ประกอบขั้นพื้นฐานของระบบ

1. ผู้ส่งข่าวสารหรือแหล่งกำเนิดข่าวสาร   (source)
2. ผู้รับข่าวสารหรือจุดหมายปลายทางของข่าวสาร (sink)
3. ช่องสัญญาณ  (channel)
4. การเข้ารหัส  (encoding)
5. การถอดรหัส  (decoding)
6. สัญญาณรบกวน  (noise)

1. ผู้ส่งข่าวสารหรือแหล่งกำเนิดข่าวสาร   (source) อาจจะเป็นสัญญาณต่าง ๆ เช่น สัญญาณภาพ ข้อมูลและเสียงเป็นต้น ในการติดต่อสื่อสารสมัยก่อนอาจจะใช้ แสงไฟ  ควันไฟ   หรือท่าทางต่าง
2. ผู้รับข่าวสารหรือจุดหมายปลายทางของข่าวสาร (sink)      ซึ่งจะรับรู้ จากสิ่งที่ผู้ส่งข่าวสาร หรือแหล่งกำเนิดข่าวสารส่งผ่านมาให้  ตราบใดที่การติดต่อสื่อสารบรรลุวัตถุประสงค์ ผู้รับสารหรือจุดหมายปลายทางของข่าวสารก็จะได้รับข่าวสารนั้น
3.  ช่องสัญญาณ  (channel)    ในที่นี้อาจจะหมายถึงสื่อกลางหรือตัวกลางที่ข่าวสารเดินทางผ่าน  อาจจะเป็นอากาศ   สายนำสัญญาณต่าง ๆหรือแม้กระทั่งของเหลว เช่น น้ำ น้ำมัน เป็นต้นเปรียบเสมือนเป็นสะพาน  ที่จะให้ข่าวสารข้ามจากฝั่งหนึ่งไปยังอีกฝั่งหนึ่ง
4.   การเข้ารหัส  (encoding)  เป็นการช่วยให้ผู้ส่งข่าวสารและผู้รับข่าวสารมีความเข้าใจตรงกันในการสื่อความหมาย   จึงมีความจำเป็นต้องแปลงความหมายนี้  การเข้ารหัสจึงหมายถึงการแปลงข่าวสารให้อยู่ในรูปพลังงาน ที่พร้อมจะส่งไปใน
5. การถอดรหัส  (decoding)   หมายถึงการที่ผู้รับข่าวสารแปลงพลังงานจากสื่อกลาง        ให้กลับไปอยู่ในรูปข่าวสาร  ที่ส่งมาจากผู้ส่งข่าวสารโดยมีความเข้าในหรือรหัสตรงกัน
6. สัญญาณรบกวน  (noise) เป็นสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติมักจะลดทอนหรือรบกวนระบบ    อาจจะเกิดขึ้นได้ทั้งทางด้านผู้ส่งข่าวสาร ผู้รับข่าวสาร  และช่องสัญญาณ

การสื่อสารแบ่งเป็น 2 ประเภท

1.  การสื่อสารตามสาย ช่องสัญญาณ   หรือตัวกลางที่ใช้สำหรับส่งสัญญาณนั้นเป็นสายส่งสัญญาณ    (Transmission Line)
2. การสื่อสารวิทยุ ช่องสัญญาณ  หรือตัวกลางที่ใช้สำหรับส่งสัญญาณนั้นเป็นบรรยากาศ โดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่งผ่านบรรยากาศ

การสื่อสารทางวิทยุ

การที่จะส่งข้อมูลของเสียง    ผ่านบรรยากาศไปยังเครื่องรับได้โดยสะดวกเราจะต้องอาศัยคลื่นไฟฟ้าที่มีความถี่สูงเป็นคลื่นพาห์ (Carrier)ช่วยนำข้อมูลของเสียงนั้นผ่านบรรยากาศไปยังเครื่องรับกระบวนการ     ที่ทำการฝากข้อมูลไปกับคลื่นพาห์นี้คือการ มอดดูเลชัน(Modulation)โดยเครื่องมือที่ใช้ทำหน้าที่นี้มีชื่อเรียกว่า
มอดดูเลเตอร์  (Modulator)  เมื่อทางด้านเครื่องส่ง   มีกระบวนการฝากข้อมูลไปกับคลื่นพาห์แล้วทางด้านเครื่องรับก็จะต้องมีกระบวนการที่จะแยกเอาข้อมูลออกมาจากคลื่นพาห์นั้นเช่นกัน กระบวนการแยกข้อมูลออกมาจากคลื่นพาห์นี้เรียกว่า การดีมอดดูเลชั่น (Demodulation)  หรือ การดีเทคชั่น ( Detection) เครื่องมือที่ใช้สำหรับทำหน้าที่นี้มีชื่อว่า  ดีมอดดูเลเตอร์ ( Demodulator) หรือบางครั้งเรียกว่า ดีเทคเตอร์ ( Detector)  มอดดูเลเตอร์ และดีมอดดูเลเตอร์ นั้นเมื่ออยู่ร่วมกันแล้ว    มีชื่อเรียกเป็นศัพท์โดยเฉพาะว่าโมเด็ม (Modem)      ซึ่งได้มาจากอักษรนำของคำว่า    Modulator   และ Demodulator

ความถี่คลื่นวิทยุ  (Radio Frequency)

ความถี่  คือปริมาณที่บ่งบอกจำนวนครั้งที่เหตุการณ์เกิดขึ้นในเวลาหนึ่ง การวัดความถี่  สามารถทำได้โดยกำหนดช่วงเวลาคงที่ค่าหนึ่ง

แสดงคลื่นรูป ไซน์ ความถี่ต่างๆ คลื่นด้านล่างมีความถี่สูงกว่าคลื่นด้านบน

ในระบบหน่วย SI หน่วยวัดความถี่คือ   เฮิรตซ์ (Hertz) ซึ่งมาจากชื่อของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ              Heinrich Rudolf Hertz เหตุการณ์ที่มีความถี่หนึ่งเฮิรตซ์   หมายถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นหนึ่งครั้งทุก  หนึ่งวินาที    หน่วยอื่นๆ ที่นิยมใช้กับความถี่ได้แก่ รอบต่อวินาทีหรือ รอบต่อนาที (rpm) (revolutions per minute)อัตราการเต้นของหัวใจใช้หน่วยวัดเป็นจำนวนครั้งต่อนาที

ความถี่ของคลื่น

สำหรับคลื่นเสียง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  (เช่นคลื่นวิทยุหรือแสง สัญญาณไฟฟ้าหรือคลื่นอื่นๆ ความถี่ในหน่วย เฮิรตซ์ของคลื่นนั้นคือจำนวนรอบที่คลื่นนั้นซ้ำรอยเดิมในหนึ่งวินาที สำหรับคลื่นเสียงความถี่คือ ปริมาณที่บ่งบอกความทุ้มแหลมความถี่ของคลื่น   มีความสัมพันธ์กับความยาวคลื่น กล่าวคือความถี่  f  มีค่าเท่ากับความเร็ว  v  ของคลื่น    หารด้วยความยาวคลื่น λ (lambda) 
        V = f / λ

f   ความถี่ของคลื่นสัญญาณสัญญาณ   
v  ความเร็วของคลื่นสัญญาณ  เมตร/วินาที
λ  ความยาวคลื่น     เมตร
หมายเหตุ  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านสุญญากาศด้วยความเร็วเท่ากับ ความเร็วของแสง  คือเมื่อกล่าวถึงความยาวคลื่นโดยมิได้กล่าวถึงตัวกลางที่เคลื่อนที่ผ่านไป ซึ่งจะหมายถึงคลื่นมีความเร็วเท่ากับ 3 x 108 เมตร/วินาที

Example  ความถี่ที่ใช้สำหรับวิทยุ VHF ( Very-high frequency) มีความถี่ 30 MHz  ดังนั้นความยาวคลื่น
จะมีค่าเท่าไร ?

หาความยาวคลื่นคือ λ

                                 V   =   f   /   λ
                                 V  =   3 x 108 เมตร/วินาที
f  =    30 MHz

λ  =  3 x 108   เมตร/วินาที   /   30 x 106   วินาที =  10 เมตร
การแบ่งย่านความถี่

การแบ่งย่านความถี่ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานข้อตกลงระหว่างประเทศซึ่งกำหนดโดย ITU (International Telecommunication Union)

 

คุณลักษณะและประโยชน์ของคลื่นความถี่

   ELF และ VF   เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำมาก   เป็นย่านความถี่ของสัญญาณที่เกิดขึ้นจากเครื่องดนตรี เสียงของสัตว์ หรือเสียงของมนุษย์บางส่วน
  VLF  และ LF  เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำ      ใช้สำหรับวิทยุโทรเลข  (Radio Telegraph) แต่เนื่องจากความยาวคลื่นมีมาก สายอากาศจึงต้องมีความยาวมาก ซึ่งปัจจุบันใช้สำหรับงานพิเศษโดยเฉพาะ
   HF เป็นย่านความถี่ของคลื่นที่ใช้ในการส่งกระจายเสียง ระบบ AM
   VHF และ UHF เป็นย่านความถี่ของคลื่นที่มีความถี่สูงมาก   มีคุณสมบัติคล้ายคลื่นแสงมาก คลื่นในย่านความถี่นี้จะเดินทางเป็นแนวเส้นตรงทำให้การติดต่อสื่อสารในย่านความถี่นี้ เครื่องรับและเครื่องส่งจะต้องอยู่ในแนวเส้นตรงที่มองเห็นซึ่งกันและกันได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ซึ่งลักษณะการสื่อสารดังกล่าวมีชื่อเรียกเฉพาะว่า “ การสื่อสารในแนวสายตา”  ( Line Of Sight Communication)  ซึ่งย่านความถี่ดังกล่าวจะใช้สำหรับการส่งโทรทัศน์     และวิทยุสื่อสารเคลื่อนที่
  SHF และ EHF  เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ สูงกว่า   3 GHz   ที่มีชื่อเรียกว่าไมโครเวฟ ( Microwave) ปกติใช้สำหรับงานเรดาร์ ( Radar)การศึกษาทางด้านดาราศาสตร์

ประเภทของคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุที่กระจายออกจากสายอากาศ    จะเดินทางไปทุกทิศทาง ในทุกระนาบการกระจายคลื่นนี้มีลักษณะเป็นการขยายตัวของพลังงาน ออกเป็นทรงกลมถ้าจะพิจารณาในส่วนของพื้นที่แทนหน้าคลื่น   จะเห็นได้ว่ามันพุ่งออกไปเรื่อย ๆ จากจุดกำเนิด และสามารถเขียนแนวทิศทางเดินของหน้าคลื่นได้ด้วยเส้นตรงหรือเส้นรังสี  เส้นรังสีที่ลากจากสายอากาศออกไปจะทำมุมกับระนาบแนวนอนมุมนี้เรียกว่า มุมแผ่คลื่น อาจมีค่าเป็นบวก (มุมเงย) หรือมีค่าเป็นลบ  (มุมกดลง) มุมของการแผ่คลื่นนี้อาจนำมาใช้เป็นตัวกำหนดประเภทของคลื่นวิทยุได้             


คลื่นวิทยุแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

1.  คลื่นดิน (GROUND WAVE )    
2.  คลื่นฟ้า (SKY WAVE )       
พลังงานคลื่นวิทยุส่วนใหญ่จะเดินทางอยู่ใกล้ ๆ ผิวโลกหรือเรียกว่า คลื่นดิน ซึ่งคลื่นนี้จะเดินทางไปตามส่วนโค้งของโลก คลื่นอีกส่วนที่ออกจากสายอากาศ ด้วยมุมแผ่คลื่นเป็นค่าบวก (มุมเงย) จะเดินทางจากพื้นโลก พุ่งไปยังบรรยากาศจนถึงชั้นเพดานฟ้า และจะสะท้อนกลับลงมายังโลกนี้เรียกว่า  คลื่นฟ้า

  1. คลื่นดิน (Ground Wave) เป็นคลื่นวิทยุที่เดินทางอยู่ใกล้ ๆ กับผิวโลกหรือเดินทางไปตามส่วนโค้งของโลก แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ

         1.1 คลื่นผิวดิน(Surface Wave) เป็นคลื่นที่แพร่กระจายไปตามส่วนโค้งของผิวพื้นโลก คลื่นวิทยุก็จะถูกสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้บนพื้นโลก ดูดกลืนไป การดูดกลืนจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับ ความถี่ ของคลื่นวิทยุ คลื่นวิทยุที่มี ความถี่ต่ำ เช่น ในย่านความถี่ VLF  LF หรือ MF จะแพร่กระจายไปได้ไกล มากกว่าคลื่นวิทยุความถี่สูง เช่น VHF หรือ UHF
         1.2 คลื่นตรง (Direct Wave) เป็นคลื่นที่แพร่กระจายจากสายอากาศของเครื่องส่งตรงไปสู่สายอากาศของเครื่องรับ ผ่านทางอากาศโดยไม่สะท้อนกับสิ่งใดเลยการแพร่กระจายแบบนี้ระยะทางจะถูกจำกัดด้วยความโค้งของผิวโลก  ทำให้สามารถแพร่กระจายคลื่นได้เป็นเส้นตรงในแนวเส้นสายตา     (Line of Sight) จะมีผลต่อการแพร่กระจายคลื่นในย่านความถี่
1.3   คลื่นดินสะท้อน (Ground Reflected Wave) เป็นคลื่นที่แพร่กระจายจากสายอากาศของเครื่องส่ง แล้วมีมุมตกกระทบไปยังพื้นดิน หรือทะเลและสะท้อนกลับมายังสายอากาศของเครื่องรับ

  1. คลื่นฟ้า (Sky Wave)  คือคลื่นที่แพร่กระจายไปยังชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมายังพื้นโลก  ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์นี้ประกอบด้วยชั้นบรรยากาศ หลายชั้นที่มีการแตกตัวของไอออนของก๊าซที่มีปริมาณที่แตกต่างกันทำให้ระยะทางในการแพร่กระจายคลื่นแตกต่างกันด้วย  การแพร่กระจายคลื่นแบบนี้จะมีอิทธิพลต่อการแพร่กระจายคลื่น ในย่านความถี่ HF เป็นหลัก

ทิศทางของการสื่อสารข้อมูล

ทิศทางของการสื่อสารข้อมูล แบ่งออกได้เป็น 3 แบบคือ

  1. แบบทิศทางเดียว (Simplex)
  2. แบบกึ่งสองทิศทาง (Half Duplex)
  3. แบบสองทิศทาง (Full Duplex)

1.แบบทิศทางเดียว (Simplex) เป็นทิศทางการสื่อสารข้อมูล      แบบที่ข้อมูล  จะถูกส่งจากทิศทางหนึ่ง     ไปยังอีกทิศทางโดยไม่สามารถส่งข้อมูลย้อนกลับมาได้      เช่น ระบบวิทยุหรือโทรทัศน์
2. แบบกึ่งสองทิศทาง (Half Duplex) เป็นทิศทางการสื่อสาร    ข้อมูล  แบบที่ข้อมูลสามารถส่งกลับกันได้ 2 ทิศทาง แต่จะ    ไม่สามารถส่งพร้อมกันได้         โดยต้องผลัดกันส่งครั้งละ    ทิศทางเท่านั้น เช่น วิทยุสื่อสารแบบผลัดกันพูด
3. แบบสองทิศทาง (Full Duplex) เป็นทิศทางการสื่อสารข้อมูล    แบบที่ข้อมูลสามารถส่งพร้อม ๆ กันได้ทั้ง 2 ทิศทาง    ในเวลาเดียวกัน เช่น ระบบโทรศัพท์