การทำงานบล็อกไดอะแกรมของเครื่องรับวิทยุ AM , FM
เครื่องรับวิทยุ AM
เครื่องรับวิทยุ AM แบบ Superheterodyne
วิทยุกระจายเสียงแบบ AM จะ มีช่วงความถี่อยู่ที่ประมาณ 535 KHz - 1,605 KHz แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHz ความถี่ IF เท่ากับ 455 KHz
AM radio is broadcast on several frequency bands
วิทยุกระจายเสียงระบบ AM ส่งออกอากาศ ด้วยหลายช่วงความถี่
- วิทยุคลื่นยาว หรือ Long wave ,LW ออกอากาศที่ความถี่ 153 kHz–279 kHz สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 9 KHz
- วิทยุคลื่น ปานกลาง หรือ Medium wave , MW ออกอากาศที่ความถี่ 535 kHz–1,605 kHz. แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHz
- วิทยุคลื่นสั้น หรือ Short wave , SW ออกอากาศที่ความถี่ 2.3 MHz – 26.1 MHz โดยจะแบ่งออกเป็น 15 ช่วงความถี่ย่อย แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 5 KHz ช่วงความถี่นี้จะเดินทางได้ไกล ที่สุด
เครื่องรับวิทยุ FM
หลักการทำงานคือ หลังจากที่ได้รับตัวสัญญาณเสียงจากไมโครโฟนหรือแหล่งเสียงอื่นๆแล้ว สัญญาณเสียงจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นสัญญาณไฟฟ้า สัญญาณไฟฟ้านั้นจะถูกนำไปเข้าระบบ Amplifier เพื่อขยายกำลังของสัญญาณเสียงที่ได้ หลังจากขยายแล้ว ก็จะนำส่งต่อไปยังภาคของModulation โดยสัญญาณมา Modulation ด้วยนั้นคือสัญญาณจาตัวOscillator ซึ่งจะผลิตความถี่ได้ในช่วง 88 - 108 MHz โดยจะต้องมีการเลือกสร้างคลื่นที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งในช่วงความถี่ดังกล่าว ซึ่งจะสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นคลื่นนำพา โดยหลักการModulation ของ FM คือ จะนำคลื่นนำพาที่ได้มาปรับความถี่ตามแอมปลิจูดและความถี่ของคลื่นเสียง โดยที่เฟสและแอมปลิจูดของคลื่นนำพายังคงคงที่ จะเปลี่ยนแปลงเฉพาะความถี่เท่านั้น (ส่วนของModulation จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป) หลังจากนั้น สัญญาณที่ได้จากการ Modulation (เรียกว่าสัญญาณ RF) จะถูกนำไปขยายสัญญาณความถี่วิทยุให้แรงขึ้น เพื่อที่จะให้เพียงพอต่อการส่งสัญญาณไปในอากาศ จากนั้นจึงส่งออกไปทางเสาอากาศ
เครื่องรับวิทยุ AM แบบ Superheterodyne
วิทยุกระจายเสียงแบบ AM จะ มีช่วงความถี่อยู่ที่ประมาณ 535 KHz - 1,605 KHz แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHz ความถี่ IF เท่ากับ 455 KHz
AM radio is broadcast on several frequency bands
วิทยุกระจายเสียงระบบ AM ส่งออกอากาศ ด้วยหลายช่วงความถี่
วิทยุคลื่นยาว หรือ Long wave ,LW ออกอากาศที่ความถี่ 153 kHz–279 kHz สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 9 KHzวิทยุคลื่น ปานกลาง หรือ Medium wave , MW ออกอากาศที่ความถี่ 535 kHz–1,605 kHz. แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHzวิทยุคลื่นสั้น หรือ Short wave , SW ออกอากาศที่ความถี่ 2.3 MHz – 26.1 MHz โดยจะแบ่งออกเป็น 15 ช่วงความถี่ย่อย แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 5 KHz ช่วงความถี่นี้จะเดินทางได้ไกล ที่สุด
ตัวอย่างเครื่องรับ วิทยุคลื่นสั้น
RF Amplifier ทำหน้าที่ขยายสัญญาณวิทยุที่รับเข้ามาจากสายอากาศ ในส่วนนี้จะมีวงจร Tune เลือกรับมาเฉพาะ ความถี่ช่วง 535 KHz - 1,605 KHz
สายอากาศของเครื่องรับวิทยุแบบ AM
วงจร Mixer
ทำหน้าที่ผสมคลื่น จากภาค RF amp. และ Local Oscillator สัญญาณที่ออกมาทั้งหมด มี 4 ส่วนคือ
1. ความถี่ RF ที่รับเข้ามา
2. ความถี่ OSC ที่ส่งมาจาก Local Oscillator
3. ความถี่ผลต่างระหว่าง OSC กับ RF (OSC - RF) = IF = 455 KHz
4. ความถี่ผลบวกระหว่าง OSC กับ RF (OSC + RF)
ความถี่ที่ส่งไปยัง ภาค IF มีความถี่เดียวคือ ความถี่ ผลต่าง 455 KHz ชึ่งไม่ว่า RF จะรับความถี่ใดเข้ามา IF ก็ยังคงเท่าเดิม
วงจร Local Oscillator หรือวงจร OSC. ทำหน้าที่ผลิดความถี่ขึ้นมา มีความแรงคงที่ ส่วนความถี่จะเปลี่ยนแปลงได้ ตาม RF ที่รับเข้ามา ซึ่งภาค OSC จะผลิดความถี่ขึ้นมาสูงกว่า RF เท่ากับ IF คือ 455 KHz เสมอ เช่น รับสัญญาณ AM จากสถานี ความถี่ 600 KHz ความถี่ของวงจร OSC
FOSC = fRF + fIF
= 600 KHz + 455 KHz
= 1,055 KHz
ในวิทยุ AM บางรุ่น อาจจะรวม ภาค Mixer กับ OSC เข้าด้วยกัน เรียกว่า Converter ถ้ารวม 3 วงจรเข้าด้วยกัน คือ RF Amp + Mixer + OSC. เราจะเรียกว่า ภาค Front End
รูปความถี่ Local OSC. ที่ความถี่ต่ำสุดของวิทยุ AM
รูปความถี่ Local OSC. ที่ความถี่สูงสุดของวิทยุ AM
Superheterodyne AM radio front end with improved front end filtering จากรูป ตัวอย่าง เป็นวงจรวิทยุ AM แบบ Superheterodyne ที่เพิ่มวงจรกรองสัญญาณเข้าไป วงจรกรอง เป็น L และ C ก่อนที่จะเข้าวงจร Mixer สมมุติว่าเราต้องการรับสัญญาณที่ความถี่ 1,490 KHz วงจร OSC จะผลิตความถี่ขึ้นมา 1,945 KHz และความถี่ IF ก็เป็น 455 KHz จากรูป การเปลี่ยนความถี่ ของ RF และ OSC เราจะทำพร้อมกันโดย เปลียนค่าของ C
dual ganged-variable capacitor
วงจร IF Amp คำว่า IF ก็คือ Intermediate Frequency คือความถี่ปานกลาง เกิดจากผลต่างของ วงจร OSC กับ RF ที่รับเข้ามา จะได้ความถี่ IF 455 KHz วงจรนี้จะขยายสัญญาณ 455 KHz เพื่อให้แรงขึ้นก่อนส่งไปยัง วงจร Detector ต่อไป
วงจร AM detector
ทำหน้าที่ตัดสัญญาณ IF ออกครึ่งหนึ่งและกรองเอาความถี่ IF ออก เหลือเฉพาะความถี่เสียง (AF) ส่งต่อไปยัง ภาคขยายเสียง มีสัญญาณบางส่วนจะถูก กรองเป็นไฟ DC ส่งย้อนกลับไปยังภาคขยาย IF เป็นแรงไฟ AGC (Automatic Gain Control) ทำให้ความแรงของสัญญาณที่รับได้มีขนาดใกล้เคียงกัน
หลักการทำงานของเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุ เราจะแบ่งได้หลายแบบ เช่น
1. เครื่องรับวิทยุแบบแร่ (Crystal Radio )
เครื่องรับวิทยุแบบแร่ ถือเป็นวงจรเบื้องต้นของเครื่องรับวิทยุ สามารถประกอบได้ง่ายที่สุด ราคาถูก ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า "free-power" radio (บางรุ่นอาจจะดัดแปลงให้มีเสียงออกทางลำโพง จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า)
ตัวอย่าง วงจร เครื่องรับวิทยุ AM แบบแร่
เมื่อสายอากาศ และสายดิน ถูกต่อเข้า กับวงจร จะมีสัญญาณไฟฟ้าขนาดเล็ก ๆ ผ่านมายังวงจรจูน (tuned circuit) ที่ประกอบด้วย L1 และ C1 จุดที่เราต้องการเราเรียกว่า resonant frequency เป็นการเลือกรับความถี่ และถ้าเราต้องการที่จะเปลี่ยนความถี่ที่จะรับ เราก็เปลี่ยนค่าของ C1 (วงจร A)
ความถี่ที่เลือกรับมาแล้วนั้น จะถูกส่งมายัง D1 เพื่อทำหน้าที่ detector ไดโอดที่ใช้จะเป็น ที่มีแรงดันตกคร่อมต่ำ ถ้ามองเข้าไปจะเห็นเส้นลวดเล็ก ๆ ฝรั่งเขาเรียกว่า "cat’s whisker" ซึ่งคล้ายหนวดแมว จากคุณสมบัติของไดโอด คือยอมให้กระแสไหลผ่านได้ทางเดียว สัญญาณที่ผ่านวงจรนี้ไปได้ ก็จะมีเพียงแค่ ซึกเดียว (วงจร B) C2 ทำหน้าที่ bypass ความถี่วิทยุลงกราวด์ เหลื่อเฉพาะคลื่นเสียง เท่านั้นที่ผ่านไปยังหูฟัง H1 ได้
วิทยุแบบแร่ มีความสามารถในการแยกแยะสัญญาณไม่ดี โดยจะรับสัญญาณเข้ามาทั้งหมด (all AM broadcast signals) สัญญาณความถี่ไหนแรงกว่า ก็จะบดบังสถานีที่มีสัญญาณอ่อน ๆ
2. เครื่องรับวิทยุแบบ Regenerative
3. เครื่องรับแบบ จูนความถี่ TRF (Tuned Radio Frequency Receiver)
เครื่องรับวิทยุแบบแร่ มีประสิทธิภาพการรับสัญญาณ ไม่ดี ไม่มีการขยาย ประสิธิภาพการเลือกรับสัญญาณไม่ดี สัญญาณที่แรง ๆ อยากแทรกแซงเช้ามาได้ จึงมีคนคิดค้นวิทยุแบบ TRF ขึ้นมาแทน ซึ่งมีการรับสัญญาณที่ดีกว่า
TRF receiver แบบจูนครั้งเดียว ใช้กันในสมัยแรก ๆ
เครื่องรับ TRF receiver แบบจูนหลายครั้ง เป็นวงจรที่พัฒนามาจากแบบแรก การจูนแต่ละครั้งจะทำหลังจากภาคขยายในแต่ละส่วน (ใช้วงจร L-C resonant ในการจูน) เครื่องรับแบบนี้นำมาใช้มากในย่าน very low frequency (VLF) หรือ อาจจะเรียกว่า whistler receiver สำหรับการเฝ้าดู solar flares (เพลิงที่ลุกโชติชั่วขณะหนึ่ง บนดวงอาทิตย์ ) และ sudden ionospheric disturbances (SIDs)
ตัวอย่างวงจร เครื่องรับแบบ TRF แบบง่าย ๆ ประกอบด้วย 4 ส่วนพื้นฐาน คือ reception, selection, demodulation, และ reproduction
4.เครื่องรับวิทยุแบบ ซูเปอร์เฮเทอโรดายน์ (Superheterodyne Receiver)
เครื่องรับวิทยุแบบ superheterodyne มีใจความสำคัญอยู่ตรงที่ การเปลี่ยนความถี่ RF ที่รับเข้ามาหลาย ๆ ความถี่เป็น เดียวเป็นค่ากลาง ๆ (intermediate frequency : IF) ความถี่ IF นี้จะสามารถทำให้สูงกว่า (high-side injection) หรือต่ำกว่า (low-side injection) ความถี่ RF ที่รับมาก็ได้ ระบบ superheterodyne ในสมัยแรก ๆ จะทำให้ความถี่ IF สูงกว่า ความถี่ RF แต่ปัจจุบันจะทำให้ความถี่ IF ต่ำกว่า เนื่องจากความถี่ต่ำจะมีความยุ่งยากน้อยกว่า
AM radio block diagram
ยกตัวอย่างเครื่องรับ AM แบบ ซูเปอร์เฮเทอโรดายน์ วงจรที่สำคัญของระบบนี้คือ Local Oscillator และวงจร Mixer สัญญาณ RF จะถูกแปลงเป็นความถี่ IF ค่าตายตัวค่าหนึ่ง โดยทั่วไปวิทยุ AM จะใช้ความถี่ IF เท่ากับ 455 KHz
ในวงจร Mixer จะทำการผสมสัญญาณRF กับสัญญาณจาก Local Oscillator ซึ่งความถี่ทั้งสองนี้จะห่างกันอยู่ เท่ากับ 455 KHz พอดี (ห่างกันเท่ากับความถี่ IF) สมมุติว่าเราต้องการรับสัญญาณวิทยุ AM ที่ความถี่ 1000 KHz วงจรขยาย RF ก็ต้องจูนและขยายความถี่ 1000 KHz เป็นหลัก และยอมให้ความถี่ใกล้เคียงบริเวณ 1000 KHz เข้ามาได้เล็กน้อย การจูนความถี่นอกจากจะจูนภาคขยาย RF แล้วยังจะจูนวงจร Local Oscillator ด้วย (วิทยุ AM แบบใช้มือจูน) ความถี่ของ Local Oscillator จะเท่ากับ 1000 KHz +455 KHz = 1455 KHz พอดี
เมื่อสัญญาณทั้ง RF และจาก Local Oscillator ป้อนเข้ามาที่วงจร Mixer ซึ่งเป็นวงจรที่ทำงานแบบ นอนลิเนียร์ สัญญาณที่ออกมาจะมี่ทั้งสัญญาณผลบวกและผลต่าง เมื่อป้อนให้กับวงจร IF ซึ่งจูนรับความถี่ 455 KHz ดังนั้นสัญญาณผลรวมจะถูกตัดทิ้งไป คงไว้แต่สัญญาณของความถี่ผลต่าง (1455 KHZ - 1000 KHz = 455 KHz)
วงจรขยาย IF ก็คือวงจรขยาย RF ที่จูนความถี่เอาไว้เฉพาะ ที่ความถี่ 455 KHz วงจรขยาย IF อาจจะมีด้วยกันหลายภาค เพื่อให้มีอัตราการขยายสัญญาณที่รับได้สูง ๆ และ การเลือกรับสัญญาณที่ดี เนื่อจาหวงจรนี้ขยายความถี่คงที่จึงทำให้ง่ายต่อการออกแบบ สัญญาณที่ขยายแล้วจะเข้าสู่กระบวนการ Detector เพื่อแยกสัญญาณเสียงออกมา
FM radio block diagram
SSB shortwave receiver block diagram
สัญญาณวิทยุ เข้ามาที่สายอากาศ ผ่านวงจร RF Amplifier ขยายสัญญาณคลื่นวิทยุที่รับได้ให้เแรงขึ้น แล้วส่งสัญญาณไปผสม (Mixer) กับความถี่ที่ กำเนิดภายในตัวเครื่องรับวิทยุเอง (Local Oscillator) จากนั้นเราจะได้สัญญาณ ที่มีความถี่ต่ำลงมา เรียกว่าความถี่ IF (Intermediate Frequency) เมื่อได้ความถี่ IF มาแล้ว ก็จะทำการขยายให้แรงขึ้นโดย วงจร IF Amplifier แล้วผ่านไปยัง วงจร Detector ซึ่งทำหน้าที่กรองสัญญาณความถี่วิทยุออกไป เหลือแต่คลื่นความถี่เสียง (AF) แล้วจึงขยายสัญญาณให้แรงขึ้นอีกครั้ง (AF Amplifier) เพื่อส่งออกลำโพงต่อไป
ความถี่เงา Image Frequency (fimage)
(fimage) = Fc + 2fIF กรณีที่ fLO > Fc (high-side injection)image) = Fc - 2 fIF กรณีที่ fLO < Fc (low-side injection)
Superheterodyne แบบ Double และ Triple-Conversion Receivers
Double-conversion receiver.
การทำงานของบล็อกไดอะแกรมเครื่องรับวิทยุFM
1.สายอากาศ (Antenna) จะทำหน้าที่รับสัญญาณคลื่นวิทยุที่ส่งจากสถานีต่างๆ เข้ามาทั้งหมดโดยไม่จำกัดว่าเป็นสถานีใด ถ้าสถานีนั้นๆ ส่งสัญญาณมาถึง สายอากาศจะส่งสัญญาณต่างๆไปยังภาค RF โดยส่วนใหญ่สายอากาศของเครื่องรับวิทยุ FM จะเป็นแบบไดโพล (Di-Pole) ซึ่งเป็นสายอากาศแบบสองขั้ว จะช่วยทำให้การรับสัญญาณดียิ่งขึ้น
2.ภาคขยาย RF (Radio Frequency Amplifier) จะทำงานเหมือนกับเครื่องรับวิทยุ AM คือจะทำหน้าที่รับสัญญาณวิทยุในย่าน FM 88 MHz – 108 MHz เข้ามาและเลือกรับสัญญาณ FM เพียงสถานีเดียวโดยวงจรจูนด์ RF และขยายสัญญาณ RF นั้นให้แรงขึ้น เพื่อให้มีกำลังสูง เหมาะที่จะส่งไปบีท (Beat) หรือผสมในภาคมิกเซอร์ (Mixer) โดยข้อแตกต่างสำคัญของภาคขยาย RF ของเครื่งรับ AM และ FM คือ วิทยุFM ใช้ความถี่สูงกว่า AM ดังนั้นการเลือกอุปกรณ์มาใช้ในวงจรขยายจะต้องหาอุปกรณ์ที่ให้การตอบสนองความถี่ในย่าน FM ได้ และต้องขยายช่องความถี่ที่กว้างของ FM ได้
3.ภาคมิคเซอร์ (Mixer) จะทำงานโดยจะรับสัญญาณเข้ามาสองสัญญาณ ได้แก่สัญญาณ RF จากภาคขยาย RF และสัญญาณ OSC. จากภาคโลคอลออสซิลเลเตอร์ เพื่อผสมสัญญาณ (MIX.) ให้ได้สัญญาณออกเอาท์พุตตามต้องการ สัญญาณที่ออกจากภาคมิกเซอร์มีทั้งหมด 4 ความถี่ คือ
a) ความถี่ RF ที่รับเข้ามาจากวงจรจูน RF (RF)
b) ความถี่ OSC. ที่ส่งมาจากภาคโลคอล ออสซิลเลเตอร์ (OSC.)
c) ความถี่ผลต่างระหว่าง OSC. กับ RF. จะได้เป็นคลื่นขนาดกลางหรือที่เรียกว่า IF (Intermediate Frequency) ได้ความถี่ 10.7 MHz
d) ความถี่ผลบวกระหว่าง OSC. กับ RF
ความถี่ที่วงจรจูนด์ IF ให้ผ่านมีความถี่เดียว คือความถี่ IF เท่ากับ 10.7 MHz ไม่ว่าภาคขยาย RF จะรับความถี่เข้ามาเท่าไรก็ตาม และภาค OSC. จะผลิตความถี่ขึ้นมาเท่าไรก็ตาม เมื่อเข้าผสมกันที่ภาคมิกเซอร์แล้วจะได้ความถี่ IF เท่ากับ 10.7 MHz ออกเอาท์พุตเสมอ
4.ภาคโลคอล ออสซิลเลเตอร์ (Local Oscillator) ทำงานเหมือนกับเครื่องรับวิทยุ AM คือ ผลิตความถี่ที่มีความแรงคงที่ขึ้นมา ความถี่ที่ผลิตขึ้นจะสูงกว่าความถี่ที่วงจรจูนด์ RF รับเข้ามาเท่ากับความถี่ IF คือ 10.7 MHz. เช่น วงจรจูนด์ RF รับความถี่เข้ามา 100 MHz. ความถี่ OSC. จะผลิตขึ้นมา 100 MHz. + 10.7 MHz. = 110.7 MHz.
5.ภาคขยาย IF (Intermediate Frequency Amplifier) จะทำหน้าที่เหมือนเครื่องรับวิทยุ AM และยังสามารถขยายความถี่ IF ทั้งของ AM และ FM ได้ ในเครื่องรับวิทยุบางรุ่นที่มีทั้ง AM และ FM ในเครื่องเดียวกัน อาจใช้ภาคขยาย IF ร่วมกันทั้งวิทยุ AM และวิทยุ FM คือขยายความถี่ IF ให้มีระดับความแรงมากขึ้นแบบไม่ผิดเพี้ยน โดยภาคขยาย IF ของคลื่น FM นั้นขยายความถี่ได้ตลอดย่าน 10.7 MHz. นับว่ามีความถี่สูงกว่าเครื่องรับ AM ซึ่งโดยปกติเครื่องรับแบบ AM มีความถี่เพียง 455 kHz. เท่านั้น ส่วนที่แตกต่างกันระหว่างIF ของ AM และ FM คือ ในส่วนวงจรจูนด์ IF เพราะใช้ความถี่ไม่เท่ากัน ค่าความถี่เรโซแนนท์ต่างกัน การกำหนดค่า L, C มาใช้งานต่างกัน
6.ภาคดีเทคเตอร์ (Detector) ดีเทคเตอร์ของเครื่องรับ FM นั้นมีความแตกต่างกับเครื่องรับ AM ทั้งนี้เพราะวิธีผสมคลื่นของสถานีส่งทั้งสองแบบนี้ไม่เหมือนกัน โดยภาคดีเทคเตอร์ทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงออกจากความถี่ IF แต่จะแตกต่างกันในระบบการแยกเสียง เพราะในระบบ AM สัญญาณเสียงถูกผสมมาทางความสูงของคลื่นพาหะ สามารถแยกได้โดยใช้ไดโอดหรือทรานซิสเตอร์ร่วมกับ R, C ฟิลเตอร์ก็สามารถตัดความถี่ IF ออกเหลือเฉพาะสัญญาณเสียงได้ ส่วนในระบบวิทยุ FM สัญญาณเสียงจะผสมกับพาหะ โดยสัญญาณเสียงทำให้คลื่นพาหะเปลี่ยนความถี่สูงขึ้นหรือต่ำลง ส่วนความแรงคงที่ ไม่สามารถใช้วิธีการดีเทคเตอร์แบบ AM ได้ ต้องใช้วิธีพิเศษ เช่น ดิสคริมิเนเตอร์ (Discriminator), เรโชดีเทคเตอร์ (Ratio Detector), เฟส ล็อค ลูป ดีเทคเตอร์ (Phase Lock Loop Detector) เป็นต้น จะแตกต่างจากของ AM โดยสิ้นเชิง
7.ภาคขยายเสียง (Audio Frequency Amplifier) ใช้งานร่วมกับของเครื่องรับวิทยุ AM ได้ เพราะทำหน้าที่ขยายเสียงที่ส่งมาจากภาคดีเทคเตอร์ ให้มีระดับความแรงมากขึ้นแบบไม่ผิดเพี้ยนพอที่จะไปขับลำโพงให้เปล่งเสียงออกมา โดยในเครื่องรับวิทยุบางแบบอาจมีภาคขยายเสียงในตัว แต่บางแบบอาจจะไม่มีเครื่องขยายเสียงในตัว แต่จะมีอยู่ต่างหาก เครื่องรับวิทยุที่มีเครื่องขยายเสียงภายนอกเรียกว่า จูนเนอร์ (Tunner)
8.ภาคจ่ายกำลังไฟ (Power Supply) ทำหน้าที่จ่ายแรงดันไฟ DC เลี้ยงวงจรของเครื่องรับวิทยุ FM ซึ่งจะต้องใช้วงจรเรกกูเลเตอร์ (Regulator) ควบคุมแรงดันไฟ DC ให้คงที่เพื่อเลี้ยงวงจร ทำให้คุณภาพของเครื่องรับวิทยุ FM ดีขึ้น หลักการทำงานคือ หลังจากที่ได้รับตัวสัญญาณเสียงจากไมโครโฟนหรือแหล่งเสียงอื่นๆแล้ว สัญญาณเสียงจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นสัญญาณไฟฟ้า สัญญาณไฟฟ้านั้นจะถูกนำไปเข้าระบบAmplifier เพื่อขยายกำลังของสัญญาณเสียงที่ได้ หลังจากขยายแล้ว ก็จะนำส่งต่อไปยังภาคของModulation โดยสัญญาณที่จะนำมาModulation ด้วยนั้นคือสัญญาณจากตัวOscillator ซึ่งจะผลิตความถี่ได้ในช่วง 88 - 108 MHz โดยจะต้องมีการเลือกสร้างคลื่นที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งในช่วงความถี่ดังกล่าว ซึ่งจะสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นคลื่นนำพา โดยหลักการModulation ของ FMคือ จะนำคลื่นนำพาที่ได้มาปรับความถี่ตามแอมปลิจูดและความถี่ของคลื่นเสียง โดยที่เฟสและแอมปลิจูดของคลื่นนำพายังคงคงที่ จะเปลี่ยนแปลงเฉพาะความถี่เท่านั้น (ส่วนของModulation จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป) หลังจากนั้น สัญญาณที่ได้จากการModulation (เรียกว่าสัญญาณ RF) จะถูกนำไปขยายสัญญาณความถี่วิทยุให้แรงขึ้น เพื่อที่จะให้เพียงพอต่อการส่งสัญญาณไปในอากาศ จากนั้นจึงส่งออกไปทางเสาอากาศ
Modulation
หลักการ Modulationคือ ความถี่ของคลื่น RFที่ได้จะแปรผันไปตามความถี่และแอมพลิจูดของคลื่นเสียง เช่น ถ้ามีคลื่นนำพาที่มีความถี่100kHz นำมาModulation กับคลื่นเสียงที่มีความถี่อยู่ที่ 40 Hz แล้ว คลื่น RF ที่ได้หลังการ Modulation ก็จะมีลักษณะของความถี่ที่เปลี่ยนไปตามค่าแรงดัน (แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดเป็นบวก ความถี่ของ RF ก็จะมีค่าสูงขึ้น ในซีกบวกของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงจึงก่อให้เกิดความถี่ของRF ในช่วงตั้งแต่ 100ถึง 100 + 0.04 kHzในทางกลับกัน ถ้าหากแอมปลิจูดเป็นลบ ความถี่ของ RF ก็จะมีค่าต่ำลง ในซีกลบของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงจึงก่อให้เกิดความถี่ของRF ในช่วงตั้งแต่ 100 - 0.04 ถึง 100 kHz กรณีแอมพลิจูดเป็นศูนย์ความถี่ของ RF จะีมีค่าเท่าเดิม เพราะฉะนั้นช่วงห่างความถี่รวมของคลื่นRF รวมนี้ก็จะมีค่าตั้งแต่99.96 ถึง 100.04 kHz โดยหากในส่วนของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงนี้มีค่าสูงขึ้น ก็จะทำให้ช่วงหางของความถี่ของRF นั้นมีค่าเปลี่ยนไปด้วย เช่นจากตัวอย่างที่แล้ว คลื่นเสียงที่มีความถี่เป็น 40 Hz แต่ีเมื่อมีแอมพลิจูดที่สูงขึ้นก็จะทำให้ช่วงห่างของความถี่ยาวขึ้นก็คือทำให้ช่วงห่างของความถี่ของRF ที่เกิดขึ้นก็จะเท่ากับ99.92 ถึง 100.08 kHz
(ในทางกลับกันถ้าแอมพลิจูดของคลื่นเสียงที่ความถี่40Hz ต่ำลงก็อาจทำให้ช่วงห่างของความถี่แคบเข้า เช่น อาจเหลือความถี่เป็นช่วงแค่ 99.99 ถึง100.01 ก็ได้)
Sideband
Sideband คือ กลุ่มของย่านความถี่ที่ใกล้เคียงกับความถี่ของคลื่นนำพา ซึ่งเป็นผลจากการทำModulation สัญญาณ เช่น เมื่อนำคลื่นพาหะที่ความถี่ 100 kHz มาผสมกับคลื่นเสียงที่ีมีความถี่40 Hz เมื่อทำModulation แล้วจะมีSideband ที่100.04kHz - 99.06kHzซึ่งจำนวนที่อยู่ระหว่างความถี่นี้จะมีจำนวนไม่จำกัด Spectrum ที่เห็นจึงเป็นตัวแทนของความถี่บริเวณใกล้เคียง ในความเป็นจริงนั้น Spectrum ที่อยู่ไกลจากความถี่คลื่นนำพาจะมีค่าพลังงานและความสำคัญที่น้อยมากจนแทบไม่มีผลในการวิเคราะห์
การ Modulationสัญญาณคลื่นเสียงกับคลื่นนำพานั้น จะได้ผลลัพท์เป็นสัญญาณที่มีความถี่ใกล้เคียงกับค่าความถี่เฉพาะที่สถานีนั้นครอบครองอยู่ เช่นสถานีหนึ่งส่งกระจายเสียงที่ความถี่ 100MHz จะมีแบนด์วิธที่ครอบคลุมSideband สัญญาณที่ส่งออกไป โดย FCC ได้กำหนดไว้ว่าการส่งวิืทยุFM นั้นมี Bandwidth ได้สูงสุด 150kHz ดังรูปด้านกรอบบน แต่เพื่อไม่ให้มีการชนกันของคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันจึงมีการเพิ่มส่วนกันชนกันของคลื่นทำให้ในคลื่นนึงจะมีความถี่รวมกับส่วนกันชนแล้ว 200 kHz ดังรูปที่กรอบด้านล่างคือการลำลองสถานีที่ีมีการกระจายเสียงย่านความถี่ใกล้กัน จะเห็นว่าสัญญาณที่ทั้งสองส่งมาจะไม่ทับซ้อนกัน เนื่องจากช่องว่างระหว่างแบนด์วิธของทั้งสองสถานี จะถูกละเอาไว้เพื่อใช้แบ่งแยกกันระหว่างสถานี
การส่งสัญญาณ FM นั้นในแต่ละสถานีจะใช้Bandwidth 200 kHzซึ่ง Bandwidth ที่้ใช้ในการส่งสัญญาณจริงๆนั้นคือ 150 kHz แต่จะมีช่องว่างภายในแบนด์วิธในช่วงที่เหลือคือที่ความถี่ +25 kHz และ -25 kHz เช่น ถ้าส่งที่ความถี่ 100 MHzจะใช้คลื่นความถี่ในช่วง99.925-100.075 MHzในการส่งข้อมูลสัญญาณและเว้นเป็นช่องว่างกันชนในช่วง 99.900 - 99.925และ 100.075 - 100.100 รวมเป็น 200 kHz เพื่อให้การส่งสัญญาณออกอากาศทำได้พร้อมๆกันหลายสถานี แม้จะมีสถานีอยู่ใกล้ๆกัน ในคลื่นวิทยุภายในหนึ่งช่วงเวลาจึงนำพาข้อมูล (carry information)ของแต่ละสถานีที่ออกอากาศได้พร้อมๆ กันซึ่งไม่เป็นปัญหาเมื่อผู้ฟังต้องการฟังเฉพาะบางรายการ ส่วนวิธีการที่ทำให้สามารถเลือกรับฟังได้นั้น อยู่ที่หัวข้อต่อไป ในการส่งวิทยุ FM นั้นจะอยู่ในความถี่ช่วง 88-108 MHzซึ่งมี Bandwidth รวม 20 MHz ดังนั้นจะมีสถานีวิทยุที่ส่งได้โดยไม่กวนกันคือ20MHz / 200 kHz หรือประมาณ 100 สถานี ซึ่งในปัจจุบันนี้ในเมืองไทยโดยเฉพาะในกรุงเทพมีการใช้ Bandwidth ของFM ค่อนข้างเต็มแล้ว คือ มีคลื่นวิทยุตั้งแต่ 88.00, 88.25, 88.5, 88.75, 90.00 ไล่ไปเรื่อยๆ ซึ่งมีประมาณ 80 สถานี ซึ่งถ้าจะให้มีสถานีเพิ่มขึ้นอีกให้ครบ 100 สถานีคงจะไม่ได้เพราะในทางปฎิบัติจริงอาจมีการใช้ Bandwidthที่เกินไปบ้าง จะเห็นได้จากแม้ในกรุงเทพจะมีสถานีแค่ 80 สถานี ก็เริ่มมีีการกวนของสัญญาณกันแล้ว เหตุผลที่มี Bandwidthเกินอาจเนื่องจากอุปกรณ์ที่ไม่ได้มาตรฐาน เช่น สถานีวิทยุชุมชนมักใช้เครื่องส่งราคาถูกที่ไม่ีีมีคุณภาพทำให้มีการฟุ้งกระจายของคลื่น คือใช้ Bandwidthที่สูงเกินไปทำให้มีความถี่บางส่วนถูกส่งไปในย่านของความถี่ของสถานีอื่นทำให้เกิดการกวนกับสัญญาณในคลื่นหลักอื่นๆได้
ข้อดีและข้อเสียของสัญญาณวิทยุ FM
ข้อดีของสัญญาณวิทยุFM
การส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM ทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า จากสองปัจจัย คือสัญญาณรบกวนส่วนใหญ่จะเป็นสัญญาณที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดซึ่ง FM ใช้วิธีการในการเปลี่ยนแปลงทางความถี่ของคลื่นพาหะโดยไม่เปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดทำเกิดผลกระทบเมื่อมีสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดน้อยมาก แต่ AM จะส่งโดยการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดของคลื่นพาหะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดนั้นจะมีผลต่อสัญญาณมากกว่าทำให้มีคลื่นรบกวนได้ง่ายกว่า FMคลื่นเอฟเอ็มนั้นมีความถี่สูงซึ่งเป็นความถี่ที่แตกต่างจากความถี่ที่เกิดในธรรมชาติมากกว่าคลื่นเอเอ็มซึ่งมีความถี่ต่ำกว่าทำให้คลื่นเอเอ็มนั้นจะถูกรบกวนได้ง่ายจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆในธรรมชาติที่มีความถี่ต่ำใกล้เคียงกับคลื่นเอเอ็ม เช่น ฟ้าแลบ, ฟ้าผ่า,ประกายไฟฟ้าในอากาศ เป็นต้นการส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะมีความถี่สูงจึงมีพลังงานสูงทำให้สามารถส่งทะลุผ่านบรรยากาศในชั้นไอโอโนสเฟียร์ได้จึงสามารถใช้ในการติดต่อสื่อสารกับอุปกรณ์ต่างๆที่อยู่นอกโลกได้ เช่น ยานอวกาศการส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะมีคุณภาพเสียงดีกว่าเพราะมี Bandwidthที่ส่งกว้างมากกว่าแบบ AMคลื่นวิทยุนั้นสามารถเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นได้
ข้อเสียของสัญญาณวิทยุFM
เมื่ออยู่ในจุดอับสัญญาณเช่น ในชั้นใต้ดิน หรือในตัวอาคารใหญ่ๆ จะทำให้สัญญาณไม่ชัดหรืออาจจะรับสัญญาณนั้นไม่ได้เลยการส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะส่งได้ระยะน้อยกว่าAM เพราะการส่งแบบ FM มีความถี่สูงจึงมีพลังงานสูงทำให้มีการสะท้อนที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์น้อยมากดังนั้นทำให้เครื่องรับบนพื้นโลกนั้นจะรับได้เฉพาะสัญญาณที่ส่งมาจากเครื่องส่งโดยตรง ตรงกันข้ามกับการส่งแบบ AM ที่มีความถี่ไม่สูงมากจึงมีพลังงานต่ำจึงสามารถสะท้อนกลับลงมาจากบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์กลับสู่ผิวโลกอีกครั้งทำให้ส่งได้ไกลกว่าเนื่องจากบนพื้นโลกอาจได้รับสัญญาณจากเครื่องส่งโดยตรงหรือได้รับสัญญาณจากการสะท้อนก็ได้เนื่องจากโลหะมีสมบัติสะท้อนและดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ทำให้คลื่นวิทยุผ่านเข้าไปในโลหะได้ยาก ซึ่งอาจมีวัตถุบางอย่างที่มีผลต่อการรับสัญญาณวิทยุFM เช่น ฟิล์มกรองแสงชนิดผสมโลหะในการทำเครื่องรับและเครื่องส่งของวิทยุ FM นั้นมีความซับซ้อนทำได้ยากกว่าเครื่องรับส่งวิทยุAM
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น