วันนี้จะมาเล่าเรื่องเกี่ยวกับคำศัพท์คำหนึ่งที่นักวิทยุมักเคยได้ยิน แต่อาจจะไม่เข้าใจว่ามันคืออะไร คือคำว่า ฮาร์โมนิค (harmonic) หรือ ความถี่คู่ควบ ที่ไม่ได้หมายถึงลูก เราอาจจะต้องการหรือไม่ต้องการ ฮาร์โมนิค ก็ได้ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์และความต้องการของเรา
อาร์โมนิคคืออะไร
โดยทั่วไปแล้ว เมื่อเราสร้างคลื่น (หรือ มีคลื่นใดๆ ก็ตาม) และคลื่นนั้นเป็นรูปซายน์อย่างสมบูรณ์ คือ Pure Sinusoidal มันจะไม่มีฮาร์โมนิคปนอยู่ด้วย เมื่อมองในแกนความถี่ (ภาพล่าง) จะเห็นเพียงความถี่เดียวของสัญญาณคลื่น sine wave นั้น ดูรูปที่ 1
รูปที่ 1 คลื่นรูปซายน์ที่สมบูรณ์
จะไม่มีฮาร์โมนิคปนอยู่
แต่ ถ้าสัญญาณที่เราสร้างขึ้น หรือ มีอยู่ หรืออะไรก็ตาม มีความผิดเพี้ยนไปจาก pure sine จะเกิดความถี่คู่ควบ หรือเรียกว่า Harmonic ขึ้นเป็นความถี่ สอง สาม สี่ ห้า... เท่าของความถี่หลัก (f2, f3,...) เราเรียกว่าความเพี้ยนเชิงความถี่คู่ควบ (harmonic distortion) นั่นเอง คือเพี้ยนแล้วเกิดความถี่คู่ควบ ดูรูปที่ 2
รูปที่ 2 เมื่อคลื่นไม่เป็นรูปซายน์
อย่างสมบูรณ์ จะถูกแยกส่วน
ประกอบออกแล้วเห็นว่ามีความถี่
คู่ควบปนอยู่ด้วย
ในทางกลับกันถ้าเรา สร้าง f1 , f2 , f3 ... เหล่านี้ ได้ถูกความถี่ ถูกขนาด แล้วเอามาผสมกัน เราก็สามารถสร้างรูป sine เพี้ยนๆ นั่นกลับมาได้ด้วยนะ
รูปคลื่นเฉพาะ
ทีนี้ มันก็มี "รูปคลื่นเฉพาะ" บางแบบ ที่มี harmonic เฉพาะ เช่น รูปคลื่นสี่เหลี่ยม (squre wave) จะมี "harmonic คี่" เท่านั้น คือ มี f1 เรียกว่าความถี่ฐานหรือ fundamental frequency และ ความถี่ 3, 5, 7, 9,..... ไปไม่สิ้นสุด (ยิ่งความถี่ไกลออกไป มีขนาดเล็กลงๆ) ดูรูปที่ 3
รูปที่ 3 คลื่นรูปสี่เหลี่ยม
(square wave) มีองค์ประกอบ
ของคลื่นหลัก และความถี่คู่ควบ
ที่เป็นจำนวนคี่เท่า
ส่วนรูปคลื่นฟันเลื่อย มีฮาร์โมนิคครบเลยทั้งคู่และคี่ ด้วยสัดส่วนเฉพาะของมัน ดูรูปที่ 4
รูปที่ 4 คลื่นรูปฟันเลื่อย (sawtooth)
ประกอบไปด้วยความถี่หลัก
และความถี่คู่ควบ คู่และคี่
ฮาร์โมนิคเป็นปัญหาหรือไม่
คำถามนี้ขึ้นอยู่กับว่าเรากำลังต้องการทำอะไร ถ้าเรากำลังทำสถานีส่งคลื่นวิทยุ แต่คลื่นนั้นกลับมีฮาร์โมนิคของความถี่ที่เราต้องการออกอากาศปนออกมาด้วย ความถี่ฮาร์โมนิค (ที่สูงมาก เป็นเท่าตัวหรือหลายเท่าตัวของความถี่หลัก) จะรบกวนผู้อื่นหรืออุปกรณ์สื่อสารอื่นได้ แบบนี้ก็เป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ เรามัก "กรอง" มันออกด้วยวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low Pass Filter หรือ LPF) ทำให้ความถี่ฮาร์โมนิคที่สูงกว่ามากถูกกักเอาไว้ ไม่สามารถหลุดรอดไปได้และเหลือแต่ความถี่หลัก (fundamental frequency)
ถ้าเราสร้างคลื่นสี่เหลี่ยม (square wave) ซึ่งถือว่ามีฮาร์โมนิคปนอยู่มากมาย แต่เรากรองความถี่ 3, 5, 7, 9,..... ออกไป ก็จะเหลือแต่ f1 หรือ fundamental frequency คือ pure sine wave ดูรปที่ 5 เพียงแต่ส่วนใหญ่แล้ววงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF , Low Pass Filter) อาจจะไม่ได้มีประสิทธิภาพดีมากขนาดที่จะกรองเอาความถี่ อาจจะไม่ได้มีประสิทธิภาพดีมากขนาดที่จะกรองเอาความถี่ 3, 5, 7 ... เท่า ต่างๆ ออกไปได้หมด สัญญาณที่เหลือก็อาจจจะยังมีความเพี้ยนอยู่บ้าง
รูปที่ 5 วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน
ทำหน้าที่กำจัดฮาร์โมนิคออกไป
แต่บางที เราก็ต้องการเอาฮาร์โมนิคมาใช้งานโดยตั้งใจ เช่นเราอยากได้ความถี่ 144MHz ก็เอาความถี่คู่ควบที่ 3 ของ 46MHz มาใช้ (46 x 3 = 144) ถ้าเราออกแบบวงจรกำเนิดความถี่ดีมาก จนได้แต่สัญญาณคลื่นรูปซายน์ (pure sine) ออกมา เราก็ไม่มีฮาร์โมนิคใดๆ ออกมาให้เราใช้งาน
ตัวอย่างการผสมคลื่น
ลองดูรูปที่ 6 จะเห็นว่า พอเราเริ่มเอาความถี่คู่ควบที่ 3 ผสมเข้าไป คลื่นจากรูป sine จะเริ่มกลายเป็น สี่เหลี่ยม พอเอา ความถี่คู่ควบที่ 5 ผสมเข้าไปอีก ก็เหมือนสี่เหลี่ยมมากขึ้นไปอีก
รูปที่ 6 เมื่อเราค่อยๆ ผสมความถี่
ฮาร์โมนิคคี่ (3, 5, 7,..) เข้ากับ
ความถี่หลัก คลื่นที่ได้จะเริ่มเป็น
square wave มากขึ้น
แล้วไซด์แบนด์เป็นความถี่คู่ควบหรือไม่
เรื่องความถี่คู่ควบนี้ แตกต่างจาก sideband หรือที่เรียกว่า ความถี่แถบข้าง นะครับ อย่าสับสนปนกัน เป็นคนละเรื่องกัน เช่น เวลาเราผสมคลื่นแบบ AM จะได้ ความถี่แถบข้าง หรือ ไซด์แบนด์ ซึ่ง "ไม่ใช่" ความถี่คู่ควบ เป็นคนละอย่างกัน ดูรูปที่ 7
รูปที่ 7 ความถี่แถบข้าง ที่เกิดจาก
การผสมคลื่นในแบบต่างๆ (ตาม
ตัวอย่างด้านบน เป็นการผสมแบบ
Amplitude Modulation เป็น
คนละเรื่องกับความถี่คู่ควบ
ไว้คราวหน้า จะหาเรื่องดีๆ มาเล่าให้เพื่อนๆ ฟังกันต่อ คอยติดตามนะครับ ขอบคุณครับ
73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
