บทที่ 1

ความรู้พื้นฐานของคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุ คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง สามารถเดินทางไปได้ทุกที่ ทุกตัวกลาง โดยสามารถเดินทางในสภาวะสุญญากาศได้ที่ความเร็ว 299,792,458 เมตร/วินาที (ประมาณ 300,000 กิโลเมตร/วินาที) ซึ่งเท่ากับความเร็วแสงอาทิตย์ ที่เดินทางในอวกาศ โดยคลื่นวิทยุนี้จะแบ่งได้เป็นสเปกตรัม(ย่านความถี่) ต่าง ๆ ตามความถี่ของลูกคลื่น

ความรู้พื้นฐานของคลื่นวิทยุ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็ก(สีฟ้า) และคลื่นไฟฟ้า(สีแดง) เดินทางไปพร้อมกันในทิศทางตั้งฉาก โดย λ คือความยาวคลื่น ของจำนวน 1 ลูกคลื่น ความถี่(f) คือจำนวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นต่อเวลา 1 วินาที หรือเรียกกันว่า เฮิตซ์ (Hertz : Hz) นั่นเอง เช่น จำนวนลูกคลื่น 1000 ลูกคลื่นต่อเวลา 1 วินาที หมายถึงมีความถี่ 1000 Hz หรือ 1 KHz และตัว c ในรูปก็คือความเร็วแสงในสุญญากาศประมาณ 300,000.000 m/s หรือ 300,000 km/s โดยทั้งสามค่านี้สามารถคำนวณกลับไปกลับมาได้จากสมการ

ย่านความถี่วิทยุ (spectrum)

ย่านความถี่วิทยุคือการแบ่งช่วงคลื่นความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าออกเป็นส่วนๆ เพื่อใช้ประโยชน์ด้านต่างๆ เช่น การสื่อสาร การกระจายเสียง มีการแบ่งตามมาตรฐานสากลและหน่วยงานกำกับดูแลเป็นชื่อเรียกย่อๆ เช่น VHF (Very High Frequency) (30-300 MHz) สำหรับวิทยุ FM, โทรทัศน์, และวิทยุสมัครเล่น หรือ UHF (Ultra High Frequency) (300-3,000 MHz) สำหรับโทรศัพท์มือถือ, GPS, และวิทยุสมัครเล่น และมีการใช้งานเฉพาะทาง เช่น ย่าน 245 MHz สำหรับประชาชนทั่วไป.

ประเภทของคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุแบ่งเป็นหลาย ย่านความถี่ (Frequency Bands) เช่น LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF ซึ่งแต่ละย่านใช้ประโยชน์ต่างกัน เช่น AM/FM วิทยุ (MF/VHF), โทรศัพท์มือถือ/Wi-Fi (UHF/SHF), สื่อสารเรือดำน้ำ (VLF/ELF) และมีการส่งสัญญาณหลักๆ 2 ระบบ คือ AM (Amplitude Modulation) และ FM (Frequency Modulation) โดย AM มีความถี่ต่ำกว่า, ความยาวคลื่นยาวกว่า, ทะลุสิ่งกีดขวางได้ดีกว่า แต่ FM คุณภาพเสียงดีกว่า.

แบ่งตามการ Modulation

AM (Amplitude Modulation)

เป็นเทคนิคการส่งสัญญาณที่ เปลี่ยนแปลงความแรง (แอมพลิจูด) ของคลื่นพาหะ ให้แปรผันตามสัญญาณข้อมูล (เช่น เสียงพูด) โดยที่ความถี่และเฟสของคลื่นพาหะยังคงเดิม เพื่อส่งข้อมูลไปในระยะทางไกลได้ดีกว่า FM แต่คุณภาพเสียงอาจมีเสียงรบกวนมากกว่า.

FM (Frequency Modulation)

คือ เทคนิคการส่งสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นพาหะ (Carrier Wave) ให้ผันแปรตามสัญญาณข้อมูล (เช่น เสียง) โดยที่แอมพลิจูดหรือความแรงของคลื่นคงที่ ซึ่งทำให้สัญญาณ FM มีคุณภาพเสียงที่ชัดเจนกว่า AM และทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า จึงนิยมใช้ใน การกระจายเสียงวิทยุ FM (88-108 MHz) เพื่อให้ได้เสียงที่คมชัดและมีระบบสเตอริโอได้.

การ Modulation แบบดิจิทัล

การมอดูเลตดิจิทัล (Digital Modulation) คือกระบวนการแปลงข้อมูลดิจิทัล (เลข 0-1) ให้อยู่ในรูปของสัญญาณอนาล็อก (เช่น คลื่นวิทยุ) โดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของคลื่นพาหะ (เช่น แอมพลิจูด, ความถี่, เฟส) เพื่อส่งข้อมูลผ่านสื่อกลางต่างๆ ทำให้สามารถส่งข้อมูลดิจิทัลไปได้ไกลขึ้นและมีประสิทธิภาพดีกว่า โดยวิธีที่นิยมเช่น BASK (เปลี่ยนแอมพลิจูด), BFSK (เปลี่ยนความถี่), BPSK (เปลี่ยนเฟส) และเทคนิคซับซ้อนอย่าง QAM ที่ใช้ร่วมหลายคุณสมบัติ.

Amplitude Shift Keying

Amplitude Shift Keying (ASK) คือเทคนิคการแปลงข้อมูลดิจิทัล (บิต 0, 1) ให้เป็นสัญญาณอนาล็อก โดยการ เปลี่ยนแปลง "ขนาด" (Amplitude) ของสัญญาณพาหะ (Carrier Wave) ให้สูงขึ้นหรือต่ำลงตามค่าบิตข้อมูลที่ต้องการส่ง ทำให้เกิดการ "เลื่อน" หรือ "เปลี่ยน" แอมพลิจูดเพื่อแทนค่าข้อมูล ทำให้ส่งข้อมูลไปในช่องทางการสื่อสารได้.

Frequency Shift Keying

Frequency Shift Keying (FSK) คือ เทคนิคการ มอดูเลตแบบดิจิทัล ที่ใช้ในการส่งข้อมูล โดยจะเปลี่ยนความถี่ของคลื่นพาห์ (Carrier Wave) ไปตามสัญญาณข้อมูลดิจิทัล (เลข 0 หรือ 1) เพื่อแปลงข้อมูลดิจิทัลให้เป็นสัญญาณแอนะล็อกที่สามารถส่งผ่านสื่อได้ โดยทั่วไปจะกำหนดความถี่หนึ่งแทนเลข 0 และอีกความถี่หนึ่งแทนเลข 1 เช่น 0 แทนด้วยความถี่ต่ำ (fc0) และ 1 แทนด้วยความถี่สูง (fc1) ทำให้การสื่อสารมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้ดีขึ้น.

Phase Shift Keying

Phase Shift Keying (PSK) คือ เทคนิคการมอดูเลต (Modulation) แบบดิจิทัลที่ส่งข้อมูลโดยการ เปลี่ยนเฟส (Phase) ของสัญญาณพาหะ (Carrier Wave) ให้สอดคล้องกับบิตข้อมูลดิจิทัล (เช่น 0 หรือ 1) โดยที่แอมพลิจูด (Amplitude) และความถี่ (Frequency) ของคลื่นพาหะคงที่. การเปลี่ยนเฟสนี้ทำให้เกิดการเข้ารหัสข้อมูล ทำให้สามารถส่งข้อมูลดิจิทัลผ่านสัญญาณอนาล็อกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) คือ เทคนิคการมอดูเลตที่ผสมการเปลี่ยนแปลงความเข้ม (amplitude) และเฟสของคลื่นวิทยุ 2 คลื่น (ที่ต่างกัน 90°) เพื่อส่งข้อมูลดิจิทัลจำนวนมากในคลื่นเดียว ทำให้ส่งข้อมูลได้หนาแน่นขึ้น และเพิ่มความเร็วอินเทอร์เน็ตอย่างมาก โดยเฉพาะในเทคโนโลยี Wi-Fi รุ่นใหม่ เช่น 4K-QAM ใน Wi-Fi 7 ที่ช่วยให้ส่งข้อมูลได้เร็วขึ้นหลายเท่าตัวเมื่อเทียบกับรุ่นเก่า

ย่านความถี่ Wi-Fi

ย่านความถี่หลักของ Wi-Fi คือ 2.4 GHz, 5 GHz และ 6 GHz สำหรับ (/Wi-Fi 6E) โดย 2.4 GHz ส่งได้ไกลแต่ช้ากว่าและสัญญาณรบกวนเยอะ, 5 GHz เร็วกว่าแต่ส่งได้ไม่ไกลมาก, ส่วน 6 GHz (Wi-Fi 6E) เร็วที่สุด, ความหน่วงต่ำสุด และมีช่องสัญญาณเยอะมากสำหรับอนาคต. เราเตอร์สมัยใหม่มักเป็น Dual-Band (2.4/5 GHz) หรือ Tri-Band (2.4/5/6 GHz) เพื่อรองรับอุปกรณ์และสถานการณ์ที่ต่างกัน.

ประเภทการสื่อสาร

Simplex

คือ การสื่อสารทางเดียว ส่งข้อมูลได้แค่ฝ่ายเดียว (เช่น วิทยุ, โทรทัศน์)

Half Duplex

Half-Duplex (ฮาล์ฟดูเพล็กซ์) คือ รูปแบบการสื่อสารที่ข้อมูลสามารถส่งได้ ทั้งสองทิศทาง แต่ไม่พร้อมกัน โดยต้องผลัดกันส่งและรับในแต่ละครั้ง เหมือนกับการใช้ วิทยุสื่อสาร (Walkie-Talkie) ที่ต้องกดปุ่มพูด เมื่ออีกฝ่ายพูดจบ อีกฝ่ายจึงจะสามารถพูดโต้ตอบกลับมาได้ ทำให้มีประสิทธิภาพดีกว่าการสื่อสารทางเดียว (Simplex) แต่ช้ากว่าแบบ Full-Duplex ที่สื่อสารพร้อมกันได้สองทาง.

Full Duplex

Full-Duplex (ฟูลดูเพล็กซ์) คือ รูปแบบการสื่อสารที่ให้อุปกรณ์สองฝ่าย สามารถส่งและรับข้อมูลได้พร้อมกันในเวลาเดียวกัน ผ่านช่องทางเดียว ทำให้การสนทนาหรือส่งข้อมูลเป็นไปอย่างราบรื่นและเป็นธรรมชาติ เหมือนการโทรศัพท์ที่พูดและฟังได้พร้อมกันโดยไม่ต้องรอให้อีกฝ่ายพูดจบก่อน ซึ่งต่างจาก Half-Duplex (รับ-ส่งสลับกัน) และ Simplex (รับ-ส่งทางเดียว).