อินเตอร์มอดดูเลชั่น (Intermodulation) คืออะไร



เพื่อนๆ ที่เป็นนักวิทยุสมัครเล่นมาได้สักระยะเวลาหนึ่ง อาจจะมีประสบการณ์ของการถูกรบกวนความถี่ในการใช้งานมาบ้าง ซึ่งมีทั้งตั้งใจและไม่ตั้งใจ ประเภทที่ตั้งใจเราคงไม่พูดถึงทางด้านวิชาการในที่นี้ แต่ข้ามไปในส่วนของการรบกวนที่ไม่ตั้งใจกันดีกว่า เช่น การใช้งานความถี่ใกล้เคียงกันมาก จนสัญญาณเบียดช่องข้างเคียง หรือ อยู่ดีๆ ก็มีเสียงจากสถานีวิทยุอื่นที่ไม่ได้อยู่ในช่วงของวิทยุสมัครเล่นด้วยซ้ำที่สามารถรับฟังได้อย่างชัดเจนในบางความถี่ของย่านสมัครเล่น เมื่อสอบถามเพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นรุ่นพี่ก็อาจจะได้คำตอบว่าเป็น “สัญญาณม้อด” แต่อาจจะไม่เข้าใจจริงๆ ว่ามันคืออะไร ในบทความนี้เราจะพูดถึงเรื่อง “สัญญาณม้อด” ที่ว่านี้กัน

ก่อนอื่นต้องบอกก่อนว่าชื่อเต็มๆ ของสัญญาณม้อดที่ว่าคือ “อินเตอร์มอดดูเลชั่น” (Intermodulation) ที่บางคนเรียกว่า อินเตอร์ม้อด นั่นเอง โดยศัพท์แล้วอินเตอร์มอดดูเลชั่นหมายถึงการผสมระหว่างกันของคลื่นหลายคลื่นนั่นเอง

ว่ากันเรื่องพื้นฐานสักนิด

เมื่อเขียนมาถึงตรงนี้แล้ว ก็อดไม่ได้ที่จะเล่าถึงพื้นฐานของการสื่อสารซึ่งเป็นที่มาของคำศัพท์ของคำว่า intermodulation ซึ่งถ้าไม่เข้าใจอย่างแท้จริงแล้วก็อาจจะทำให้สับสนหรือเกิดความไม่เข้าใจได้ เนื่องจากคำที่เราใช้ในภาษาไทยว่า "ผสม" หรือ "ผสมสัญญาณ" เพียงคำเดียวนั้น ในความเป็นจริงแล้วมีรายละเอียดต่างกันไป ที่เราจะพูดกันในที่นี้คือการมอดดูเลท และการมิกซ์ (ที่จริง อย่าว่าแต่ภาษาไทยที่มีคำศัพท์น้อยกว่าภาษาอังกฤษราว 4 เท่าตัวเลย แม้เต่วงการวิศวกรรม วงการวิทยุสมัครเล่น เอง บางครั้งยังเลือกใช้คำที่ซ้ำซ้อน ไม่ถูกต้อง และ/หรือ ไม่ถูกความหมายก็มีมาก ตัวอย่างเช่น diplexer, duplexer เป็นต้น เอาไว้จะเขียนเล่าให้ฟังในโอกาสต่อไปนะครับ)

การมอดดูเลท (Modulation)

การผสมคลื่นแบบแรกที่เราจะพูดกันคือ การมอดดูเลท ในระบบสื่อสารด้วยวิทยุ (ที่จริง ก็รวมถึงด้วยวิธีอื่นด้วย เช่น ใยแก้วนำแสง ระบบดิจิตอล เป็นต้น) เราสามารถนำพาข่าวสาร เช่นเสียงพูด มอดดูเลท ลงในคลื่นความถี่และส่งไปในระยะไกลๆ ได้ก็ด้วยกรรมวิธีการผสมคลื่น ซึ่งเป็นคำเรียกแบบไทยๆ ที่จริงแล้วคือ “มอดดูเลชั่น” นั่นคือความถี่ขาออก (ผลที่ได้) ของวงจรมอดดูเลเตอร์จะขึ้นกับความถี่ขาเข้าที่ 1, ความถี่ขาเข้าที่ 2 และรูปแบบการมอดดูเลทนั้นๆ ว่าเป็นแบบใด  การผสมตามขนาดหรือ Amplitude Modulation (AM) ก็ให้สัญญาณขาออกอย่างหนึ่ง ในขณะที่การผสมตามความถี่หรือ Frequency Modulation (FM) ก็ให้สัญญาณขาออกอีกอย่างหนึ่ง การผสมตามแบบอื่นก็ให้ความถี่ขาออกต่างๆ กันไปตามแบบของมัน ดูภาพที่ 1

ภาพที่ 1 การมอดดูเลทแบบ AM และ FM

ระหว่างความถี่พาหะ (รูปซ้ายบนสุด) และ

ความถี่เสียงพูด (รูปซ้าย ที่สองจากบนสุด)

เมื่อมองในมุมมองของความถี่ จะเกิดความถี่

แถบข้าง (sideband) ซึ่งเป็นส่วนที่เก็บ

ข้อมูลข่าวสารเช่นเสียงพูดเอาไว้



สรุปง่ายๆ ว่า ในการมอดดูเลท จะต้องมีความถี่ขาเข้าอย่างน้อยสองความถี่ และมีวิธีการมอดดูเลทว่าเป็นแบบใด ผสมตามอะไร เพื่อให้ได้สัญญาณขาออกไปใช้งานตามต้องการ

การมิกซ์ (Mixing)

นอกจากการมอดดูเลท (Modulation) แล้ว ยังมีการผสมคลื่นอีกรูปแบบหนึ่งที่มีวงจรแบบไม่เป็นเชิงเส้นเป็นผู้ทำการผสมคลื่น ที่เรียกว่าการมิกซ์ เมื่อเรานำคลื่นจำนวนสองคลื่น (เช่น ความถี่ f1 และ f2) เข้า มิกซ์ กันผ่านวงจรนี้ จะได้ผลออกมา 4 คลื่นคือ f1, f2, f1+f2, และ f1-f2 บางครั้งเราอาจจะใส่วงจรกรองความถี่เพื่อกำจัดบางความถี่ออกไปก่อนเอาไปใช้ก็ได้ ดูภาพที่ 2 ประกอบ

ภาพที่ 2 การผสมคลื่นแบบ มิกซ์ (mix)

ระหว่างความถี่ f1 และ f2 จะได้ผลเป็น

f1, f2, f1+f2, f1-f2



ถ้าเราดูภาพที่ 2 ให้ดี  ถ้าเราสมมติว่า f1 เป็นคลื่นพาหะความถี่สูง (f1) และ f2 เป็นเสียงพูดที่ความถี่ต่ำกว่า แล้วนำมามาผสมกัน ผลลัพธ์จะเป็นคลื่นความถี่ f1, f2, f1+f2, f1-f2 ตามภาพ ซึ่งหากเราคัดกรองความถี่ต่ำ (เสียงพูด) f2 ทิ้งไป ผลที่ได้จะเหมือนกับการมอดดูเลทแบบ AM (Amplitude Modulation) ทุกประการเลย หรือพูดอีกทีได้ว่าเราสามารถดัดแปลง (กรณีนี้ คือโดยการกรองความถี่ต่ำทิ้งไป) ผลที่ได้จากการผสมคลื่น (mix) ก็จะได้/กลายเป็นวงจรมอดดูเลท (กรณีนี้คือเป็นแบบ AM) ไป  อย่างไรก็ตามตัวอย่างที่ยกมานี้เป็นกรณ๊เฉพาะหนึ่งเท่านั้น  ซึ่งโดยกรณีทั่วๆ ไปเราอาจจะพูดได้ว่า วงจรผสมคลื่น (mixer) อาจจะเป็นหรือไม่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรมอดดูเลเตอร์ (modulator) ก็ได้

กลับมาเรื่องสัญญาณอินเตอร์มอดดูเลชั่น

เพื่อนๆ อาจจะสงสัยว่าทำไมผมต้องพาออกนอกเรื่องไปถึงการ modulation และ mixing ด้วย ก็เพราะการ “อินเตอร์มอดดูเลชั่น” ที่เรากำลังพูดถึงนั้นคือ “mixing” ต่างหาก เพราะถ้าดูแล้วเราจะเห็นว่ามันไม่ใช่การผสมตามความถี่ (frequency modulation) อย่างแน่นอน (จะได้เห็นต่อไป)

หรือสรุปง่ายๆ อีกทีก็คือ

• mixing ทำได้ด้วยวงจรที่มีอุปกรณ์แบบไม่เชิงเส้น ไม่ต้องบอกรูปแบบว่าตามอะไร ในความหมายทางวิศวกรรมการสื่อสาร การ mix หรือวงจร mixer มักหมายถึงการหรือวงจรที่ทำหน้าที่คูณกันของความถี่ตั้งแต่สองความถี่ขึ้นไป
• modulation ต้องบอกรูปแบบด้วย ว่าผสมตามอะไร modulation แต่การผสมคลื่นอาจจะใช้วงจร mixer เข้ามาร่วมด้วย
• เราอาจจะเรียก mixing ว่าเป็น intermodulation ในกรณีที่ได้ผลลัพธ์ที่ไม่ประสงค์ 

แล้วอะไรเป็นตัว mix ให้เราล่ะ 

การจะเกิดการ mix (คือการคูณกัน) ของคลื่น ไม่ได้เกิดเองในอากาศ (free space) ได้ ตัวอย่างเช่นคลื่นความถี่ 100 และ 107MHz จะผสมกันออกลูกมาเป็นผลรวมและผลต่างคือ 7 และ 207MHz ได้นั้น ต้องผ่านอุปกรณ์/สิ่งที่ไม่เป็นเชิงเส้นไม่ว่าโดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจก็ตาม

ถ้าตั้งใจก็เป็นวงจร modulator ต่างๆ ในวิทยุ (หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นที่เราออกแบบขึ้นใช้) แต่นี่คือไม่ได้ตั้งใจก็อาจจะมาจากอุปกรณ์ที่บังเอิญมีอยู่ในสภาพแวดล้อม เช่น ประดาจุดเชื่อมต่อของโลหะ หรือรั้วที่เป็นสนิม รางน้ำฝนที่โลหะสองชนิดต่อกันหรือด้านหนึ่งเสื่อมสภาพ ฯลฯ    ของที่มีบนภาคพื้นเหล่านี้ล้วนทำตัวเป็น "อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้น" เช่น ประกอบร่างกันเป็นอุปกรณ์เรียงกระแส (rectifier) ที่ไม่เป็นเชิงเส้น จากนั้นพวกมันเหล่านั้นก็ Re-propagate คลื่นความถี่ intermodulation ส่งออกอากาศกลับออกมา

นั่นคือถ้า เรา ส่งคลื่น 100 กับ 107MHz ใน "อวกาศ" ที่ไม่มีอะไรอยู่ใกล้เลย ไม่มี รางน้ำฝน รั้วสนิม โลหะประกบ หรืออะไรก็ตามที่บังเอิญทำตัวเป็นอุปกรณ์ Nonlinear (ไม่เป็นเชิงเส้น) แบบนี้ "จะไม่เกิด intermodulation"

(ในอากาศ, ใน free space ที่ไม่มีอะไรอยู่เลย คลื่นแต่ละความถี่ รวมทั้ง ฮาร์มอนิกส์ ของมันจะ "ต่างคนต่าง propagate" ไม่สามารถผสมอะไรกันได้ การจะผสมกันต้องมี "ตัวช่วย" คือบรรดาอุปกรณ์และ/หรือ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็น nonlinear-time variant ทั้งหลาย)

มาดูอินเตอร์มอดดูเลชั่นกันต่อ

เอาล่ะครับ จำได้แล้วนะครับว่า intermodulation ก็คือ mix คราวนี้มาเข้าเรื่องจริงๆ เสียทีว่าเจ้าสัญญาณแปลกปลอมที่มาเข้าเครื่องวิทยุเป็นเสียงเพลงบ้างอะไรบ้างนั้นมีที่มาอย่างไร สิ่งแรกที่เราควรต้องรู้ก่อนก็คือความถี่คลื่นวิทยุที่เราใช้ติดต่อสื่อสารกันนั้นมักมีความถี่คู่ควบออกมาด้วย นั่นคือผลจากการผสม (ดูข้อ 3. ด้านล่างนี้) จะได้ผลออกมามากมายทีเดียว และกลไกที่เกิดขึ้นคือ

1. สัญญาณตั้งต้นมีสองความถี่  ที่จริงมีมากกว่าก็ได้ แต่มันจะผสม (mix) กันทีละคู่ 
2. สัญญาณตั้งต้นทั้งสองความถี่นั้นมีความถี่คู่ควบ (harmonics) ของแต่ละอัน
3. ทั้งความถี่หลัก และความถี่คู่ควบแต่ละคู่จะผสมกัน ได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นความถี่จำนวนมาก ในรูปแบบ f1 ผสม f2 => f1, f2, f1+f2, f1-f2
4. เมื่อผลจากการผสมกัน ไม่ว่าจากความถี่หลักกับหลัก ความถี่หลักกับความถี่คู่ควบ หรือ ความถี่คู่ควบกับความถี่คู่ควบ เกิดไปตรงกับความถี่ที่เรากำลังรับฟังอยู่พอดี เราก็จะรับฟังได้ชัดเจน

ภาพที่ 3 แสดงผลที่เกิดขึ้นเมื่อมีคลื่นความถี่ f1 (และความถี่คู่ควบของมัน) และความถี่ f2 (และความถี่คู่ควบของมัน) อยู่ในอากาศ จะเกิดการผสมกัน (mix หรือ intermodulation) และได้ความถี่ลูกหลานออกมาหลายความถี่ ความถี่เหล่านี้ถ้าไปตรงกับความถี่ของเครื่องรับทำงานอยู่ เครื่องรับจะสามารถรับได้และไม่สามารถป้องกันได้ (ที่ภาครับ) เพราะความถี่มันถูกต้องตรงกัน

ภาพที่ 3 แสดงผลลัพธ์ของการ 

mix/intermodulation

ทำให้เกิดความถี่ส่วนที่เป็นแรเงาทั้งหลาย

ถ้าความถี่เหล่านั้นไปตรงกับความถี่ภาครับ

ของเครื่องรับ ภาครับก็จะรับความถี่นั้นได้



ตัวช่วย

มีเจ้าของเว็บไซต์หลายเว็บที่ใจดี และทำเครื่องคำนวณแบบออนไลน์ในการหาความถี่ผลลัพธ์จากการ mix/intermodulation เอาไว้ ทำให้เราไม่ต้องค่อยๆ จิ้มเครื่องคิดเลขเอาเอง เราอาจจะทดลองพิมพ์คำว่า intermodulation calculator ลงในช่องค้นหาของ Google <คลิกที่นี่> ก็จะมีหลายเว็บให้ใช้ ตัวอย่างเช่นเว็บของ LA8OKA Martin <คลิกที่นี่> ซึ่งถ้าเราลองป้อนตัวเลขความถี่คำนวณดู จะได้ผลตามตัวอย่างดังภาพที่ 4

ภาพที่ 4 ถ้ามีเครื่องส่งที่มีความถี่คู่ควบต่างๆ

ค่อนข้างรุนแรง ส่งออกอากาศที่ความถี่

148 และ 151 MHz จะทำให้เกิด

ความถี่ intermodulation มากมาย

รวมทั้งที่ความถี่ 145MHz ด้วย



เราทำอะไรได้บ้าง

จะว่าไปแล้วกรณีที่เราถูกผู้อื่นรบกวนเราคงไม่สามารถทำอะไรได้มากนัก แต่ในทางกลับกันเราสามารถระวังส่วนของเราได้ คือ ลดความแรงของความถี่คู่ควบของความถี่ที่เรากำลังใช้งานให้มีขนาดเล็กที่สุดเพื่อไม่ให้ไปผสมกับความถี่อื่นใดและสร้างปัญหาให้กับผู้อื่น วิธีการก็คือ

• ไม่ปรับแต่งเครื่องให้มีกำลังส่งสูงเกินกว่าที่ออกแบบไว้ เพราะเมื่อเครื่องส่งต้องทำงานด้วยกำลังสูงกว่าปกติก็จะกำเนิดความถี่คู่ควบออกมามากกว่าปกติ เราอาจจะวัดกำลังส่งได้สูงขึ้นแต่กำลังนั้นไปอยู่ในความถี่ส่วนอื่นที่ไม่ใช่ความถี่ที่เราใช้งานจึงไม่เกิดประโยชน์ในการสื่อสารของเรา
• ดูแลวิทยุสื่อสารให้อยู่ในสภาพสมบูรณ์
• ใส่วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (LPF: Low Pass Filter) เพื่อป้องกันไม่ให้ความถี่สูงซึ่งเป็นความถี่คู่ควบถูกส่งไปออกอากาศได้

สรูป

1. การมิกซ์ (mix) และการมอดดูเลท (modulate) เป็นคนละอย่างกัน แต่ภาษาไทยไม่มีคำเรียกแยก เลยเรียกรวมๆ กันว่า "ผสม" 
2. การมิกซ์ (mix) ในการสื่อสารมักหมายถึงการคูณกันของความถี่ตั้งแต่สองความถี่ขึ้นไป  วงจรคูณกันของความถี่นี้อาจจะเป็นส่วนหนึ่งของวงจร modulate ได้
3. ผลที่ได้จากการมิกซ์คลื่นสองคลื่น f1 และ f2 คือ f1, f2, f1+f2, f1-f2
4. ในทางตรงกันข้าม การมอดดูเลท (modulate) มีได้หลายแบบ เวลาจะมอดดูเลท ต้องบอกด้วยว่ามอดดูเลทแบบไหน
5. คำว่า อินเตอร์มอดดูเลชั่น (intermodulation) เป็นคำเฉพาะ ที่จริงแล้วหมายถึงการมิกซ์ (mix)
6. เมื่อเครื่องส่งวิทยุ ส่งความถี่สองความถี่ออกมา ที่จริงแล้วมันไม่ได้มีแค่สองความถี่ แต่มีความถี่คู่ควบ (harmonics) ออกมาอีกเป็นจำนวนมาก ความถี่คู่ควบเหล่านี้ก็สามารถ mix/intermod กันเองได้โดยวัสดุที่ไม่เป็นเชิงเส้นในสิ่งแวดล้อม และได้ผล (ลูกหลาน) ออกมารบกวนเราได้

คราวนี้เพื่อนๆ ก็คงเข้าใจเกี่ยวกับการผสมของคลื่นและทำให้เกิดการรบกวนที่เรียกว่า intermodulation แล้วนะครับ แล้วพบกันในบทความหน้านะครับ สำหรับคราวนี้ต้องกล่าวคำว่า

QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)