ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับคลื่นวิทยุ

6 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

คลื่นวิทยุ คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง สามารถเดินทางไปได้ทุกที่ ทุกตัวกลาง โดยสามารถเดินทางในสภาวะสุญญากาศได้ที่ความเร็ว 299,792,458 เมตร/วินาที (ประมาณ 300,000 กิโลเมตร/วินาที) โดยคลื่นวิทยุนี้จะแบ่งได้เป็นสเปกตรัมต่าง ๆ ตามความถี่ของลูกคลื่น ซึ่งแสงที่เรามองเห็นก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก ๆ ตามปกติเราจะนับเป็นความยาวคลื่นกี่นาโนเมตร(nm) ตามตำราวิทยาศาสตร์พื้นฐานจะบอกว่า 380 - 740 nm ซึ่งมีความถี่คือ 405 - 790 THz ส่วนคลื่นอื่น ๆ ที่เราได้ยินกันบ่อย ๆ เลยคือค่ายโทรศัพท์นู้นประมูลได้คลื่นความถี่ 900MHz ค่ายนี้ประมูลได้ 1800, 2100 MHz ก็ล้วนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งสิ้น

จากภาพแสดงถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็ก(สีฟ้า) และคลื่นไฟฟ้า(สีแดง) เดินทางไปพร้อมกันในทิศทางตั้งฉาก โดย λ คือความยาวของ 1 ลูกคลื่นที่เราเรียกว่ากี่นาโนเมตรที่ท่องไปสอบกันมา ส่วนความถี่(f)นั้นคือสิ่งที่บ่งบอกว่ามันมีกี่ลูกคลื่นใน 1 วินาที หรือที่เราเรียกกันว่า เฮิตซ์ (Hertz : Hz) นั่นเอง และตัว c ในรูปก็คือความเร็วแสงในสุญญากาศประมาณ 300,000.000 m/s ที่ได้กล่าวไป โดยทั้งสามค่านี้สามารถคำนวณกลับไปกลับมาได้จากสมการ

ส่วนที่เรียกว่า VHF UHF มันคือยังไง มันคือการแบ่งประเภทของคลื่นตามความถี่ ซึ่งแบ่งตามการจัดของ ITU ได้ตามนี้

ย่านความถี่	ความถี่ของคลื่น	ความยาวของลูกคลื่น	ตัวอย่างการใช้งาน
ELF : Extremely low frequency	3 - 30 Hz	10 - 100 Mm	การวิจัยทางวิทยาศาสตร์
SLF : Super low frequency	30 - 300 Hz	1 - 10 Mm	การติดต่อกับเรือดำน้ำ
ULF : Ultra low frequency	300 - 3000 Hz	100 km - 1 Mm	ใช้สังเกตุสนามแม่เหล็กโลก
VLF : Very low frequency	3 - 30 kHz	10 - 100 km	ระบบวิทยุนำทาง
LF : Low frequency	30 - 300 kHz	1 - 10 km	RFID
MF : Medium frequency	300 - 3000 kHz	100 m - 1 km	วิทยุ AM
HF : High frequency	3 - 30 MHz	10 - 100 m	วิทยุคลื่นสั้น
VHF : Very high frequency	30 - 300 MHz	1 - 10 m	วิทยุสื่อสาร
UHF : Ultra high frequency	300 - 3000 MHz	0.1 - 1 m	สัญญาณโทรศัพท์มือถือ
SHF : Super high frequency	3 - 30 GHz	0.01 - 0.1 m	เตาไมโครเวฟ
ELF : Extremely high frequency	30 - 300 GHz	1 mm - 1 cm
FIR : Far infrared	300 - 3000 GHz	100 µm - 1 mm
MIR : Mid infrared	3 THz - 30 THz	10 - 100 µm
NIR : Near infrared	30 - 300 THz	1 - 10 µm
Visible light (colored bands)	300 - 3000 THz	100 nm - 1 µm	แสงที่ตามองเห็นอยู่ในช่วงนี้
NUV : Near ultraviolet	3 - 30 PHz	10 - 100 nm
EUV : Extreme ultraviolet	30 - 300 PHz	1 - 10 nm
SX : Soft X-Rays	300 - 3000 PHz	100 pm - 1 nm
HX : Hard X-rays	3 - 30 EHz	10 - 100 pm	รังสีเอ็กเรย์
$\gamma$ {\displaystyle \gamma } $\gamma$ : Gramma	30 - 300 EHz	1 - 10 pm	รังสีนิวเคลียร์

การใช้งาน
ในเมื่อเรารู้จักคลื่นในย่านต่าง ๆ แล้ว คุณสมบัติของคลื่นในย่านต่าง ๆ ก็มีสมบัติที่แตกต่างกันไป คลื่นความถี่ต่ำจะสามารถเดินทางได้ระยะไกล จะเห็นว่าระบบวิทยุนำทางของเครื่องบินและเรือเดินทะเลจะใช้ย่าน VLF หรือวิทยุคลื่นสั้นที่ใช้สื่อสารระยะไกลได้ก็อยู่ในย่าน HF แต่ทั้งหมดนี้ต้องแลกกับพลังงานของคลื่นต่ำทำให้ไม่สามารถทะลุทะลวงได้ดีนัก แต่หากใช้คลื่นความถี่สูงเช่นย่าน UHF ก็มีคลื่นสัญญาณ WiFi ที่เราใช้กัน จะมีพลังงานคลื่นสูงสามารถทะลุกำแพงได้ หรือความถี่สูงมาก ๆ อย่างเครื่องเอ็กเรย์ตามโรงพยาบาลที่ต้องใช้แผ่นตะกั่วหรือผนังหนา ๆ เพื่อป้องกันคลื่นทะลุออกไปทำอันตรายกับผู้ที่อยู่นอกห้อง แต่ก็แลกกับการที่คลื่นเดินทางได้ระยะไม่ไกล อย่าง WiFi Router ของบ้านเราจะเห็นว่าคลื่นสัญญาณมันเดินทางแพร่กระจายได้แค่บริเวณบ้านเราเท่านั้นเอง หากต้องการเพิ่มระยะก็ต้องใช้พลังงานเพื่อส่งสัญญาณมากขึ้น แต่ก็มีอีกข่าวดีสำหรับคลื่นความถี่ต่ำ ถึงแม้จะทะลุไม่ได้เดินทางไปตามพื้นดิน(เรียกว่า "คลื่นดิน")ชนกับภูเขาเข้าสัญญาณก็หาย คลื่นความถี่ต่ำนี้มีก๊อกสองคือ "คลื่นฟ้า" คลื่นจะกระจายขึ้นไปเมื่อกระทบกับชั้นบรรยากาศก็จะถูกสะท้อนลงมาสู่พื้นโลกอีกครั้งเพราะผลจากการที่ไม่สามารถทะลุทะลวงได้ ในขณะที่คลื่นความถี่สูงนั้นทะลุทะลวงได้ดีเมื่อกระทบชั้นบรรยากาศแล้วก็ทะลุออกนอกโลกไป
ในการใช้งานนั้นเราแค่หยิบคลื่นออกมาความถี่หนึ่ง เรียกคลื่นนี้ว่า "คลื่นพาห์" (Carrier Wave) มาตั้งต้นไว้ก่อน จากนั้นจึงนำข้อมูลไม่ว่าจะเป็นแบบอนาล็อก เช่น คลื่นเสียง หรือสัญญาณดิจิตอล 01001101 มาทำการผสม(Modulation)ลงไป แล้วจึงส่งสัญญาณคลื่นที่ผสมแล้วออกไป เมื่อเครื่องรับสัญญาณตรวจจับสัญญาณได้ ก็จะทำสัญญาณนั้นมาทำการแยก(Demodulation)เอาสัญญาณคลื่นพาห์ออกมาทิ้งไป เหลือแต่ข้อมูลเก็บไว้ใช้งาน
แต่ทั้งนี้การที่จะหยิบคลื่นไหนมาใช้ ในโลกแห่งความจริงไม่สามารถหยิบมาใช้มั่ว ๆ ได้ ลองคิดดูว่าประเทศ A อยากใช้คลื่น 100MHz ส่งวิทยุ แต่ประเทศ ฺB ใช้คลื่น 100MHz ส่งสัญญาณโทรทัศน์ ความบันเทิงมันบังเกิดแน่นอนเพราะวิทยุของประเทศ A จะไปโผล่ที่โทรทัศน์ประเทศ B และโทรทัศน์ประเทศ B ก็จะไปโผล่ในวิทยุประเทศ A การใช้คลื่นความถี่ต่าง ๆ บนโลกนี้(อันที่จริงเขาก็กำหนดไปถึงการใช้ในกิจการอวกาศกันเลยหล่ะครับ) จะถูกควบคุม ดูแล แนะนำโดยสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) ซึ่งก็ได้แบ่งโลกออกเป็น 3 ภูมิภาค ประเทศไทยจัดอยู่ในภูมิภาคที่ 3 (ประเทศทวีปเอเชีย-ออสเตรเลีย) ฉะนั้นความถี่ที่ใช้ในไทยก็จะแตกต่างกับในสหรัฐอเมริกา(อเมริกาอยู่ภูมิภาคที่ 1) แต่โดยหลัก ๆ ที่ถูกกำหนดให้เหมือน ๆ กันทั่วโลก เช่น WiFi ให้ใช้ 2.4, 5GHz หรือคลื่น 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2300MHz ใช้สำหรับโทรศัพท์มือถือ แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นถึงแม้ว่าจะใช้กฏจาก ITU เป็นแกนเหมือนกัน แต่อาจมีรายละเอียดต่างกันไปในแต่ละประเทศ เช่น WiFi ใช้แกนจาก ITU เหมือนกัน ในไทย(และประเทศอื่น ๆ ส่วนมากบนโลก) จะใช้คลื่น 2.412GHz - 2.472GHz แบ่งออกเป็น 13 ช่องสัญญาณ แต่ในอเมริกาจะใช้ได้แค่ย่าน 2.412GHz - 2.462GHz แบ่งเป็น 11 ช่อง หรือในญี่ปุ่นที่ใช้ฉบับภูมิภาค 3 เหมือนไทยก็กำหนดให้มีช่องที่ 14 ขึ้นมาคือ 2.484GHz ซึ่งรายละเอียดเหล่านี้ในประเทศไทยมีคณะกรรมการกิจการกระจายเสียง กิจการโทรทัศน์ และกิจการโทรคมนาคมแห่งชาติ หรือ กสทช. คอยทำหน้าที่กำหนดการใช้งานคลื่นความถี่ให้เหมาะสมและสอดคล้องกับหลักปฏิบัติของ ITU อีกทั้งยังมีหน้าที่กำกับดูแล ควบคุมการใช้งานความถี่วิทยุภายในประเทศ ซึ่งการใช้งานความถี่ในส่วนของ Maker ที่ทำเป็นงานอดิเรก(หรือใช้เพื่อการใดก็ตาม) ทาง กสทช.ได้กำหนดคลื่นความถี่ให้เราใช้งานได้อย่างอิสระค่อนข้างเยอะ ตามคำแนะนำ Unlicensed band ของ ITU และการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยี ซึ่งสามารถอ่านได้ตามบทความด้านล่างนี้
บทความที่เกี่ยวข้อง : กฏหมายที่เกี่ยวข้องกับคลื่นความถี่ ที่เหล่า Maker ควรรู้

การผสมคลื่นความถี่
AM - Amplitude Modulation

การผสมคลื่นแบบ AM เป็นเทคนิคการผสมคลื่นที่ทำให้แอมพิจูดของคลื่นพาห์เปลี่ยนไปตามคลื่นสัญญาณที่ต้องการผสม จากภาพจะเห็นว่าคลื่นพาห์สีเขียวมีแอมพิจูดเท่ากันทุกลูกคลื่น แต่สัญญาณข้อมูลที่ต้องการส่งมีแอมพิจูดเปลี่ยนไป สัญญาณที่ส่งออกไปสีน้ำเงินจึงมีความถี่เท่ากับคลื่นพาห์เหมือนเดิม แต่มีแอมพิจูดเปลี่ยนไปตลอดเวลา การส่งสัญญาณ AM นี้จะเห็นว่าคลื่นด้านบนและด้านล่างสมดุลเหมือนเป็นกระจกสะท้อนกัน จึงสามารถส่งเป็น Sideband คือสัญญาณที่ได้ออกมาจะถูกตัดตรงกลางและส่งออกไปเพียงครึ่งเดียวเพื่อให้ความกว้างขอสัญญาณที่จะส่งน้อยลง ช่วงความถี่เท่าเดิมจะสามารถส่งพร้อมกันได้เยอะช่องขึ้น(ลองนึกถึงถนนกว้าง 9 เมตร หากแบ่งเลนให้รถยนต์วิ่งกว้างเลนละ 3 เมตรจะได้ 3 เลน แต่หากแบ่งให้จักรยานวิ่งกว้างเลนละ 1.5 เมตรจะได้ถึง 6 เลน) โดยการส่งสัญญาณออกซีกเดียวจะเรียกว่าโหมด Single Side Band : SSB โดยสัญญาณซีกบนจะเรียกว่า Upper side band : USB สัญญาณซีกล่างจะเรียกว่า Lower side band : LSB
FM Frequency Modulation

การผสมคลื่นแบบ FM จะตรงข้ามกับแบบ AM คือแบบ FM นี้ ความถี่ของคลื่นที่ส่งออกจะเปลี่ยนไปตามคลื่นสัญญาณที่จะส่ง แต่แอมพิจูดนั้นจะคงที่เสมอเท่ากับแอมพุจูดของคลื่นพาห์ ด้วยการที่แอมพิจูดคงที่ตลอดเวลาทำให้กำหนดระยะห่างระหว่างช่องสัญญาณได้ค่อนข้างแน่นอน ไม่ต้องกลัวว่าจะมียอดคลื่นบางอันแหลมไปกวนข้าง ๆ หรือยอดที่แหลมของช่องข้าง ๆ จะเข้ามารบกวนเรา (กลับไปตอนเราแบ่งเลนถนน หากเป็น AM เราแบ่งเลนถนนไว้ 3 เมตร มีจักรยานมาปั่นก็เหลือพื้นที่เปล่า แต่พอมีรถบรรทุกมาก็กว้างจนกินเลนอื่น ทีนี้เป็น FM เรารู้ว่าจะมีแค่รถเก๋งวิ่ง ความกว้่างเลนละ 3 เมตรก็จะวิ่งได้กำลังพอดีและไม่รบกวนเลนอื่น) ซึ่ง FM ก็มีวิธีการเป็นเทคนิคย่อยลงไปอีก เช่น การผสมเชิงเลขทางแอมปลิจูด (Amplitude – Shift Keying : ASK) การผสมเชิงเลขทางความถี่ (Frequency – Shift Keying : FSK) การผสมเชิงเลขทางเฟส (Phase – Shift Keying : PSK)

สายอากาศ - Antenna
พูดถึงสัญญาณคลื่นวิทยุ คงหนีไม่พ้นเรื่องสายอากาศ ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำคัญที่ช่วยส่งสัญญาณ(แบบที่เห็นเสาเด่ ๆ ที่เราท์เตอร์ WiFi) และเป็นอุปกรณ์รับสัญญาณ(มีทุกเครื่องครับ แม้จะบอกว่าไอโฟนไม่เห็นมี แต่จริง ๆ มันมีเป็นชิ้นส่วนเล็ก ๆ อยู่ภายในตัวเครื่อง) เรื่องสายอากาศนั้นผู้เขียนเห็นหลายคนพยายามไปบิดสายอากาศของเราเตอร์ WiFi ในที่สาธารณะให้ชี้ไปที่จุดที่ตนอยู่หวังให้สัญญาณแรงขึ้น ผิดนะครับสัญญาณเท่าเดิมครับ เนื่องด้วยสายอากาศของเครื่องใช้ปกติของเรา ๆ จะเป็น "สายอากาศแบบรอบตัว" การกระจายคลื่นจะออกไปรอบด้านลักษณะเป็นทรงกลม เหมือนลูกโป่งที่ถูกกดให้แบน ๆ ตามภาพด้านล่างครับ เป็นภาพสามมิติของการกระจายคลื่น รูปแบบการกระจายคลื่นเมื่อมองจากด้านบนและด้านข้าง พิจารณาจากรูปนี้แล้วการชี้เสาไปที่ตัวเองผลที่เกิดขึ้นคือสัญญาณก็จะยิ่งอ่อนลงไปอีก แล้วก็ไปเพิ่มความแรงของสัญญาณให้ผู้ที่อยู่ชั้นล่างกับชั้นบนแทน

ทีนี้หากอุปกรณ์ของเรามีทิศทางที่แน่นอน เช่น เรามีอุปกรณ์ตรวจวัดอากาศ แต่อยู่ไกลมากจากตัวรับที่จะรับข้อมูลไปแสดงผล สายอากาศรอบตัวธรรมดาส่งสัญญาณไปไม่ถึง ซึ่งทั้งสองตัวนี้ติดประจำที่ไม่มีการเคลื่อนย้าย เรารู้ทิศทางที่แน่นอนที่สายอากาศจะชี้ไป ตรงนี้ "สายอากาศแบบทิศทาง" จะเข้ามาช่วยเรา สัญญาณจะพุ่งไปในทิศที่สายอากาศชี้ไป เหมือนเราเอาลูกโป่งลูกเดิมมาบีบด้านหลังและด้านข้างทั้งสอง มันเลยพองพุ่งไปด้านหน้าที่ไม่ได้บีบนั่นเอง สายอากาศแบบนี้ที่เห็นได้บ่อยคือจานดาวเทียมนั่นเอง หรือใครพอมีอายุ(อย่างน้อยก็พอ ๆ กับผู้เขียน) คงเคยเห็นเสาก้างปลาโทรทัศน์ติดทุกบ้านสมัยก่อน ต้องบิดหันเสาไปยังทิศของสถานีส่งสัญญาณ นั่นแหละครับคือสายอากาศแบบทิศทาง

ทั้งหมดนี้ก็เป็นความรู้เล็ก ๆ น้อย ๆ ที่นำมาฝากกันสำหรับใครที่ยังมึน ๆ งง ๆ อยู่นะครับ พยายามอธิบายเป็นภาษาง่าย ๆ ให้เห็นภาพ ไม่อยากใช้หลักวิชาการเยอะเดี๋ยวจะเบื่อกันไปก่อน และไม่ควรนำไปอ้างอิงนะตรับ ควรไปศึกษาหาข้อมูลกันเพิ่มเติมให้ได้ข้อมูลถูกต้องตามหลักการดีกว่า ถ้าเอาบทความนี้ไปอ้างอิงทำรายงานส่งครูแล้วได้ 0 กลับมาผู้เขียนไม่รับผิดชอบนะครับ แต่หากชอบบทความของเราก็ขอแค่อุดหนุนซื้อสินค้าของร้านเราเล็ก ๆ น้อย ๆ ก็ยังดีครับ หรือสนับสนุนด้วยการแชร์บทความไปให้เพื่อนอ่านก็ได้ ขอขอบคุณล่วงหน้าครับผม สำหรับบทความต่อไปจะเป็นเรื่องอะไร ติดตามกันต่อนะครับ