การมอดูเลตแบบต่างๆ



นักวิทยุสมัครเล่นทุกท่านคงจะทราบเป็นอย่างดีแล้วว่าลำพังคลื่นความถี่ที่เราสร้างขึ้นในทางไฟฟ้าแล้วป้อนให้กับสายอากาศเพื่อแปลงเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วแพร่กระจายออกไปในอากาศนั้นคงไม่สามารถทำให้เกิดการติดต่อสื่อสารได้เนื่องจากคลื่นที่สร้างขึ้นไม่ได้นำพาเอาข่าวสารไปด้วย  ถ้าเปรียบให้เห็นภาพก็คือถ้าเรานำส้อมเสียงมากเคาะหนึ่งทีก็จะเกิดความถี่เสียงของพี่ที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งอยู่อย่างนั้นและไม่สามารถส่งข้อมูลอะไรได้นั่นเอง 

การที่เราจะสามารถส่งข้อมูลข่าวสารไปกับคลื่นได้เราจึงต้องดัดแปลงคลื่นพื้นฐานนั้นเสียก่อน การดัดแปลงก็มีหลายประเภทยกตัวอย่างที่ง่ายที่สุดก็คือการเคาะส้อมเสียงบ้าง หยุดเคาะบ้าง เป็นจังหวะ สมมุติว่าเราเคาะให้เกิดเสียงสั้นหรือเสียงยาวได้ แล้วนำเสียงเหล่านั้นมาต่อกันเป็นจังหวะก็จะกลายเป็นรหัส ถ้าเราสร้างรูปแบบของรหัสขึ้นจำนวนมากพอที่จะแทนตัวอักษรต่างๆ ได้ เราก็สามารถสื่อสารได้ กลายเป็นการดัดแปลงคลื่นพื้นฐาน ที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่ง ถ้านึกตามตัวอย่างนี้ให้ดีก็คือการส่งรหัสมอร์สนั่นเอง

นอกจากการดัดแปลงคลื่นพื้นฐานอย่างง่ายที่สุดตามตัวอย่างที่ผ่านมาแล้ว  ยังมีวิธีดัดแปลงคลื่นพื้นฐาน อีกมากมายหลายแบบซึ่งแน่นอนนักวิทยุหลายท่านอาจจะคุ้นเคยหรือไม่คุ้นเคยก็ได้แต่ในบทความนี้นอกจากเราจะเล่าให้รู้จักวิธีดัดแปลงต่างๆ แล้ว เรายังจะคุยถึงลักษณะคลื่นที่เกิดจากการดัดแปลงนี้ในแกนเวลาและความถี่ด้วย

การผสมคลื่นและการมอดูเลต

ในทางวิศวกรรมแล้วการดัดแปลงคลื่นพื้นฐานเพื่อที่สามารถนำพาเอาข่าวสารไปกับมันได้นั้นเรียกว่าการ "การมอดูเลต" หรือ modulate ซึ่งไม่เหมือนกับการผสมที่เรียกว่า "mix" สาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดความสับสนกับเราคนไทยได้ก็เพราะเรามีคำศัพท์น้อย เราจึงเรียกทั้งการผสมแบบ mix กับการการมอดูเลต (modulate) รวมๆ กันว่าการผสมคลื่น ซึ่งไม่ถูกต้องและทำให้เกิดการสับสนได้  พูดง่ายๆ คือ mix กับ modulate นั้นเป็นของคนละอย่างกัน ได้ผลลัพธ์ต่างกัน อ่านเรื่อง การมิกซ์ (Mixing) ในบทความเรื่องอินเตอร์การมอดูเลชั่น (Intermodulation) คืออะไร คลิกที่นี่

การผสมหรือมิกซ์ (mix) นั้นมีแบบเดียว ในขณะที่การการมอดูเลต (modulation) มีหลายแบบ แต่ละแบบก็ทำให้คลื่นพื้นฐานถูกเปลี่ยนแปลงได้ผลลัพธ์ออกมาต่างกัน  ดังนั้นในบทความนี้ผมจะใช้คำว่า "การมอดูเลต" เพื่อแยกออกให้เห็นชัดว่าต่างจากการผสม (mix) ได้ชัดเจน เรามาดูไปทีละอย่างพร้อมๆ กันเลยนะครับ

1) CW (Continuous Wave)

หรือเรียกว่า Continuous Wave เป็นการการมอดูเลตแบบพื้นฐานที่สุด จะว่าไปแล้วจะเรียกว่าการการมอดูเลตก็ไม่ถูกต้องเท่าไรนัก เพราะตัวคลื่นที่ถูกส่งออกไปนั้นยังคงเดิมทุกประการ เพียงแต่มัน "ส่งบ้าง หยุดบ้าง เป็นจังหวะ" ทำให้ผู้ที่รับคลื่นนั้นก็เห็น (ที่จริง ในทางวิทยุสื่อสารคือ ได้ยิน) และตีความออกเป็นตัวอักษรหรือเครื่องหมายอื่นๆ ได้ ซึ่งมาตรฐานหนึ่งที่เป็นที่ทราบกันมานานก็คือ "รหัสมอร์ส" ที่มีการกำหนดเป็นมาตรฐาน เช่น รหัสมอร์สสากล ว่าเสียงแบบไหนเป็นตัวหนังสือภาษาอังกฤษอะไร เป็นต้น (ที่ต้องเน้นว่าเป็น รหัสมอร์สมาตรฐาน ก็เพราะยังมีรหัสมอร์สอีกมากมายที่ใช้การได้จริง แต่ไม่เป็นมาตรฐานรู้จักกันทั้งโลก เช่น รหัสมอร์สภาษาไทย ซึ่งมีและใช้งานได้จริง เช่นกัน)



ภาพที่ 1 คลื่นจากเครื่องส่งในแกนเวลา

 

ภาพที่ 2 คลื่นจากเครื่องส่งในแกนความถี่

ลักษณะคลื่นที่ถูกส่งออกจากเครื่องส่งวิทยุเมื่อเป็นรหัสมอร์ส จะมีลักษณะตามภาพที่ 1 และ 2 จะเห็นว่า การสื่อสารด้วย CW (เราเรียกว่า "โหมด") นี้แทบจะไม่มี Sideband หรือความถี่แถบข้าง ออกมาเลย ทำให้ในช่วงความถี่หนึ่งๆ เราสามารถมีการสื่อสารแบบ CW นี้ได้หลายคู่มาก เช่น ในช่วงความถี่เพียง 0.01MHz หรือ 10KHz อาจจะใช้งานในโหมด CW ได้ถึง 5 คู่สถานีโดยที่ไม่รบกวนกัน เป็นต้น

2) AM (Amplitude Modulation)

จะเห็นว่า การใช้งานคลื่นในโหมด CW นั้น เป็นไปไม่ได้ (ในทางปฏิบัติ) ที่จะส่ง "เสียงพูด" หรือเสียงดนตรี หรือเสียงอื่นๆ ที่มีลักษณะเฉพาะของคนหนึ่งๆ หรือของเครื่องดนตรีชนิดนั้นๆ ออกไปได้ เมื่อเราต้องการส่งข้อมูลที่ซับซ้อนขึ้น เราจึงจำเป็นต้องอาศัยการการมอดูเลตที่ซับซ้อนขึ้นไปด้วย และที่ง่ายที่สุดที่ได้รับการคิดค้นขึ้นก่อนก็คือการ "การมอดูเลตตามขนาด" หรือ Amplitude Modulation (AM) โดยหลักการก็คือ เราจะเปลี่ยนขนาดของคลื่นพื้นฐานความถี่สูงของเรา (เรียกว่า carrier หรือคลื่นพาหะ หรือคลื่นพาห์ เรียกได้หลายชื่อ) ให้แรงขึ้น หรือเบาลง ไปตามระดับของสัญญาณลูกคลื่นความถี่ของข้อมูลข่าวสาร (เช่นเสียงพูด) ที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ของคลื่นพาหะมาก เช่น 50-100 เท่าขึ้นไป ทำให้หลังจากการการมอดูเลตแล้ว ได้ผลลัพธ์เป็นคลื่นสัญญาณที่ "อุ้ม" หรือ "พา" ิ เอาลักษณะของสัญญาณที่เข้าไปมอดูเลต (เช่่น เสียงพูด) ที่เราต้องการส่งผ่านออกไปได้ ลองดูภาพประกอบ 3 และ 4



ภาพที่ 3 การการมอดูเลตแบบ AM

 (DSB มี carrier) คลื่นพาหะ เสียงพูด
และผลลัพธ์จากการการมอดูเลตในแกนเวลา

 

ภาพที่ 4 ส่วนประกอบของความถี่

จากการการมอดูเลตแบบ AM
(คือ DSB มี carrier)

จะเห็นว่า ผลจากการการมอดูเลตแบบ amplitude modulation นั้น จะทำให้เกิดความถี่แถบข้าง (sideband) ขึ้นทั้งสองด้านของความถี่หลัก (คลื่นพาหะ) และความถี่แถบข้างนี้ห่างออกจากความถี่พาหะเท่ากับความถี่ของเสียงพูด (ถือเป็น ข้อมูล) ที่เข้าไปการมอดูเลต แปลว่า ยิ่งเอาเสียงพูดที่ความถี่สูงขึ้นเข้าไปการมอดูเลต ก็จะกินความกว้างของแถบความถี่ขึ้นไปอีก นอกจากนั้น ขนาด (ไม่ใช่ความถี่แล้วนะ) ของคลื่นแถบข้าง ยังขึ้นกับขนาดของคลื่นเสียงพูดที่เข้าไปการมอดูเลตด้วย ยิ่งพูดดัง ขนาดของคลื่นความถี่แถบข้างก็ใหญ่โตขึ้นด้วย นอกจากนี้ในการมอดูเลตแบบ AM ธรรมดาซึ่งไม่ได้ suppress carrier (คือ ไม่ได้กำจัด carrier ออกไป) แม้ไม่มีสัญญาณ (เข่นเสียงพูด) เข้ามามอดูเลต ก็จะมีความถี่ carrier หรือคลื่นพาห์ส่งออกไป ทำให้เครื่องส่งทำงานหนักตลอด และกินกำลังไฟฟ้า ซึ่งทั้งหมดคือ "ธรรมชาติ" ของการการมอดูเลตตามขนาด หรือ amplitude modulation (แบบธรรมดา คือแบบมี carrier) นั่นเอง

3) SSB (Single Side Band)

จากภาพที่ 4 จะเห็นว่า ความถี่แถบข้างที่เกิดขึ้นในการการมอดูเลตแบบตามขนาด (AM) นั้น มีลักษณะเหมือนกันทั้งสองด้าน แถมยังมีความถี่พาหะออกไปด้วย ซึ่งความถี่พื้นฐานนี้ถือว่าไม่ได้จำเป็นเลยจริงๆ เพราะเครื่องรับก็รู้อยู่แล้วว่ากำลังพยายามรับความถี่อะไรอยู่ จึงมีแนวคิดว่าเราสามารถกำจัดความถี่พาหะออกไป จะทำให้เครื่องส่งมีภาระน้อยลง

3.1) DSBSC (Double Sideband Suppress Carrier)

ในการการมอดูเลตแบบ AM และเรากำจัดความถี่พาหะหรือ carrier ออกไป จะได้รูปคลื่นในแกนเวลาและความถี่ตามภาพที่ 5 และ 6 ซึ่งเรียกว่าการการมอดูเลตตามขนาดแบบมีความถี่แถบข้างสองด้านแต่กำจัดความถี่พาหะออกไป หรือ DSBSC (Double Sideband Suppress Carrier)



ภาพที่ 5 การการมอดูเลตตามขนาดแล้ว

กำจัดความถี่พาหะออก DSBSC
(เส้นสีม่วง) ในแกนเวลา

ภาพที่ 6 ส่วนประกอบความถี่

จากการการมอดูเลตแบบ DSBSC

ในกรณีของ DSBSC นี้ องค์ประกอบของสัญญาณ carrier หรือคลื่นพาหะจะถูกกำจัดออกไป ทั้งเมื่อมีและไม่มีสัญญาณเข้ามามอดูเลต และถ้าสัญญาณที่เข้าไปการมอดูเลต (input) หายไป จะไม่มีสัญญาณ output เลย เนื่องจากความถี่พาหะถูกกำจัดออกไป จะต่างจากกรณี AM ธรรมดา (ซึ่งคือ DSB แบบมี carrier) ที่หากสัญญาณที่เข้าไปการมอดูเลต (input) หายไป ก็ยังมีสัญญาณพาหะหรือ carrier เป็น output อยู่

3.2) SSBSC (Single Sideband Suppress Carrier)

เท่านั้นยังไม่พอ วิศวกรก็คิดต่อว่า ความถี่แถบข้างเพียงด้านเดียวก็เพียงพอแล้วในการส่งผ่านลักษณะเฉพาะของสัญญาณที่เข้ามาการมอดูเลต แล้วเราจะส่งของที่เหมือนกันออกไปพร้อมกันทำไมให้เหนื่อย เราส่งเพียงอย่างเดียวออกไปก็พอไม่ใช่หรือ จึงเกิดความคิดว่า เราจะ "กำจัด" ความถี่แถบข้างออกไปเสียด้านหนึ่งเป็นการประหยัดพลังงานขึ้นไปอีก จึงกลายเป็นการการมอดูเลตตามขนาดแบบมีความถี่แถบข้างเพียงด้านเดียวและกำจัดความถี่พาหะออกไป หรือ SSBSC (Single Sideband Suppress Carrier) ตามภาพที่ 7 และ 8



ภาพที่ 7 การการมอดูเลตตามขนาด

และกำจัดความถี่พาหะและความถี่

แถบข้างด้านหนึ่งออก (SSBSC)

ในแกนเวลา 

ภาพที่ 8 ส่วนประกอบความถี่

จากการการมอดูเลตแบบ SSBSC

ในทางวิศวกรรมแล้วเรามีทางเลือกที่จะเหลือคลื่นความถี่แถบข้างด้านที่ความถี่สูงกว่าหรือต่ำกว่าความถี่พาหะเอาไว้ก็ได้ ถ้าเราเหลือด้านที่สูงกว่าเอาไว้ใช้งานก็เรียกว่าเป็นคลื่นจากการการมอดูเลตแบบ Upper Sideband (USB) ในทางตรงกันข้ามถ้าเราเหลือด้านที่ต่ำกว่าเอาไว้ใช้งานก็เรียกว่าเป็นคลื่นจากการการมอดูเลตแบบ Lower Sideband (LSB)

สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นแล้ว โหมดการรับส่งแบบ SSB จะหมายถึง SSBSC (Single Sideband Suppress Carrier) และเราใช้ทั้งแบบ Lower และ Upper sideband แต่ที่เรานิยมกันคือจะใช้ตามแถบความถี่ (band) ด้วยเช่น เราใช้ LSB กับความถี่ 160, 80, 40 เมตร (1.8, 3.6, 7 MHz) และใช้ USB กับความถี่ 20, 17, 15, 12, 10 เมตร (14, 18, 21, 28 MHz)

4) FM (Frequency Modulation)

การการมอดูเลตแบบ AM นั้นง่าย วงจรอิเล็กทรอนิกส์ยุ่งยากน้อยที่สุด วงจรทางภาครับก็ทำได้ง่าย ที่ยุ่งยากขึ้นมาก็คือวงจรการมอดูเลตแบบ Single sideband ต่างๆ ทั้งภาคส่งและรับก็ยากและซับซ้อนขึ้น อย่างไรก็ตาม ทุกอย่างนั้นก็มีข้อเสียคือ ถูกรบกวนได้ง่าย เนื่องจากข้อมูล (เช่น เสียงพูด) ถูกการมอดูเลตเข้าไปกับ "ขนาด" ของคลื่นหลัก เมื่อใดก็ตามที่ขนาดของคลื่นหลักถูกรบกวน ซึ่งเป็นไปได้ง่ายจากทั้งธรรมชาติ (QRN) และมนุษย์ (QRM) เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า ประจุไฟฟ้าในอากาศ การทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าบางอย่างเช่น มอเตอร์ไฟฟ้า หน้าสัมผัสสวิทช์ไฟฟ้า ทั้งหมดนี้มักสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแถบความถี่กว้าง ทำให้รบกวนขนาดของคลื่นหลักได้ และเกิดเสียงรบกวนในการสื่อสารได้

จึงมีการประดิษฐ์การการมอดูเลตขึ้นใหม่ โดยให้ข้อมูลเช่นเสียงพูด เสียงดนตรี ที่ต้องการส่งไปแฝงอยู่กับ "ความถี่" แทนที่จะเป็นขนาด นั่นคือทำให้ความถี่ของคลื่นพาหะ (carrier) เปลี่ยนแปลงไปนิดๆ หน่อยๆ ตามขนาดของคลื่นเสียงพูดหรือเสียงดนตรีที่เข้าไปการมอดูเลต กลายเป็นการการมอดูเลตตามความถี่ หรือ Frequency Modulation (FM) ความถี่รบกวนที่มาจากจากฟ้าแลบ ฟ้าผ่า ประจุไฟฟ้าในอากาศ และอื่นๆ จะรบกวนได้ยาก เพราะมันรบกวนกับ "ขนาด" ไม่ได้ทำให้ความถี่ของอะไรเปลี่ยนไปได้ จึงไม่สามารถรบกวนคลื่นที่การมอดูเลตแบบ FM ได้นั่นเอง

จากหลักการทำงานของการการมอดูเลตแบบ FM ซึ่งคลื่นพาหะถูกเปลี่ยนความถี่ตลอดเวลา (ไม่ได้เปลี่ยนขนาดแบบใน AM, SSB) ไปตามขนาดของสัญญาณข้อมูล (เช่นเสียงพูด หรือดนตรี) และเมื่อขนาดของสัญญาณข้อมูลเปลี่ยนตลอดเวลา คงทำให้เราพอวาดภาพออกในใจได้ว่า คลื่นผลลัพธ์จากการการมอดูเลตที่ได้จะต้องมี sideband หรือความถี่แถบข้าง กว้าง เกะกะ มาก เลยทีเดียว ซึ่งเป็นธรรมชาติของการการมอดูเลตแบบ FM หรือ Frequency Modulation นั่นเอง  ดูภาพที่ 9 และ 10



ภาพที่ 9 ลักษณะสัญญาณต่างๆ จาก

การมอดูเลตแบบ FM ในแกนเวลา

ภาพที่ 10 แถบความถี่ข้าง (sidebands)

ที่เกิดขึ้นจากการการมอดูเลตแบบ FM



ภาพที่ 11 Bessel Function ที่ช่วย

คำนวณขนาดของ Sideband แต่ละ

ตำแหน่งากการการมอดูเลตแบบ FM

โดยหลักการแล้ว sideband ที่เกิดจากการการมอดูเลตแบบ FM จะกว้างไกลไปเรื่อยๆ (!) แต่จากการทดลองแล้วถ้าเรารวมเอา sideband เข้ามาถึงระดับหนึ่ง (ไม่มาก และพลังงานส่วนใหญ่เช่น 98% ก็อยู่ในส่วนนี้) จะสามารถถอด (demodulate) สัญญาณกลับมาได้โดยมีความเพี้ยนต่ำ และใช้การได้ดี

วิดีโอ แสดงการรับส่งด้วยการ

การมอดูเลตสัญญาณแบบต่างๆ

 



ในความเป็นจริง ยังมีการการมอดูเลตมากกว่านี้เช่น Phase Modulation รวมไปถึง Digital Mode ต่างๆ  และในอนาคตก็อาจจะมีมากขึ้นกว่านี้ไปอีก ซึ่งไว้จะนำมาคุยให้ฟังในโอกาสต่อๆ ไป สำหรับวันนี้ต้องขอกล่าวคำว่า

QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)