เครื่องรับส่งวิทยุ fm

หลักการทำงานของวิทยุ FM

หลักการทำงานคือ หลังจากที่ได้รับตัวสัญญาณเสียงจากไมโครโฟนหรือแหล่งเสียงอื่นๆแล้ว สัญญาณเสียงจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นสัญญาณไฟฟ้า สัญญาณไฟฟ้านั้นจะถูกนำไปเข้าระบบ Amplifier เพื่อขยายกำลังของสัญญาณเสียงที่ได้ หลังจากขยายแล้ว ก็จะนำส่งต่อไปยังภาคของ Modulation โดยสัญญาณที่จะนำมา Modulation ด้วยนั้นคือสัญญาณจากตัว Oscillator ซึ่งจะผลิตความถี่ได้ในช่วง 88 - 108 MHz โดยจะต้องมีการเลือกสร้างคลื่นที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งในช่วงความถี่ดังกล่าว ซึ่งจะสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นคลื่นนำพา โดยหลักการ Modulation ของ FM คือ จะนำคลื่นนำพาที่ได้มาปรับความถี่ตามแอมปลิจูดและความถี่ของคลื่นเสียง โดยที่เฟสและแอมปลิจูดของคลื่นนำพายังคงคงที่ จะเปลี่ยนแปลงเฉพาะความถี่เท่านั้น (ส่วนของ Modulation จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป) หลังจากนั้น สัญญาณที่ได้จากการ Modulation (เรียกว่าสัญญาณ RF) จะถูกนำไปขยายสัญญาณความถี่วิทยุให้แรงขึ้น เพื่อที่จะให้เพียงพอต่อการส่งสัญญาณไปในอากาศ จากนั้นจึงส่งออกไปทางเสาอากาศ

Modulation

หลักการ Modulation คือ ความถี่ของคลื่น RF ที่ได้จะแปรผันไปตามความถี่และแอมพลิจูดของคลื่นเสียง เช่น ถ้ามีคลื่นนำพาที่มีความถี่ 100kHz นำมา Modulation กับคลื่นเสียงที่มีความถี่อยู่ที่ 40 Hz แล้ว คลื่น RF ที่ได้หลังการ Modulation ก็จะมีลักษณะของความถี่ที่เปลี่ยนไปตามค่าแรงดัน (แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดเป็นบวก ความถี่ของ RF ก็จะมีค่าสูงขึ้น ในซีกบวกของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงจึงก่อให้เกิดความถี่ของ RF ในช่วงตั้งแต่ 100 ถึง 100 + 0.04 kHz ในทางกลับกัน ถ้าหากแอมปลิจูดเป็นลบ ความถี่ของ RF ก็จะมีค่าต่ำลง ในซีกลบของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงจึงก่อให้เกิดความถี่ของ RF ในช่วงตั้งแต่ 100 - 0.04 ถึง 100 kHz กรณีแอมพลิจูดเป็นศูนย์ความถี่ของ RF จะีมีค่าเท่าเดิม เพราะฉะนั้นช่วงห่างความถี่รวมของคลื่น RF รวมนี้ก็จะมีค่าตั้งแต่ 99.96 ถึง 100.04 kHz ดังรูปด้านล่าง

โดยหากในส่วนของแอมปลิจูดของคลื่นเสียงนี้มีค่าสูงขึ้น ก็จะทำให้ช่วงหางของความถี่ของ RF นั้นมีค่าเปลี่ยนไปด้วย เช่นจากตัวอย่างที่แล้ว คลื่นเสียงที่มีความถี่เป็น 40 Hz แต่ีเมื่อมีแอมพลิจูดที่สูงขึ้นก็จะทำให้ช่วงห่างของความถี่ยาวขึ้นก็คือทำให้ช่วงห่างของความถี่ของ RF ที่เกิดขึ้นก็จะเท่ากับ 99.92 ถึง 100.08 kHz ได้ ดังรูปด้านล่าง

(ในทางกลับกันถ้าแอมพลิจูดของคลื่นเสียงที่ความถี่ 40Hz ต่ำลงก็อาจทำให้ช่วงห่างของความถี่แคบเข้า เช่น อาจเหลือความถี่เป็นช่วงแค่ 99.99 ถึง 100.01 ก็ได้)

Sideband

Sideband คือ กลุ่มของย่านความถี่ที่ใกล้เคียงกับความถี่ของคลื่นนำพา ซึ่งเป็นผลจากการทำ Modulation สัญญาณ เช่น เมื่อนำคลื่นพาหะที่ความถี่ 100 kHz มาผสมกับคลื่นเสียงที่ีมีความถี่ 40 Hz เมื่อทำ Modulation แล้วจะมี Sideband ที่ 100.04kHz - 99.06kHz ซึ่งจำนวนที่อยู่ระหว่างความถี่นี้จะมีจำนวนไม่จำกัด Spectrum ที่เห็นจึงเป็นตัวแทนของความถี่บริเวณใกล้เคียง ในความเป็นจริงนั้น Spectrum ที่อยู่ไกลจากความถี่คลื่นนำพาจะมีค่าพลังงานและความสำคัญที่น้อยมากจนแทบไม่มีผลในการวิเคราะห์

การ Modulation สัญญาณคลื่นเสียงกับคลื่นนำพานั้น จะได้ผลลัพท์เป็นสัญญาณที่มีความถี่ใกล้เคียงกับค่าความถี่เฉพาะที่สถานีนั้นครอบครองอยู่ เช่นสถานีหนึ่งส่งกระจายเสียงที่ความถี่ 100MHz จะมีแบนด์วิธที่ครอบคลุม Sideband สัญญาณที่ส่งออกไป โดย FCC ได้กำหนดไว้ว่าการส่งวิืทยุ FM นั้นมี Bandwidth ได้สูงสุด 150kHz ดังรูปด้านกรอบบน แต่เพื่อไม่ให้มีการชนกันของคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันจึงมีการเพิ่มส่วนกันชนกันของคลื่นทำให้ในคลื่นนึงจะมีความถี่รวมกับส่วนกันชนแล้ว 200 kHz ดังรูปที่กรอบด้านล่างคือการลำลองสถานีที่ีมีการกระจายเสียงย่านความถี่ใกล้กัน จะเห็นว่าสัญญาณที่ทั้งสองส่งมาจะไม่ทับซ้อนกัน เนื่องจากช่องว่างระหว่างแบนด์วิธของทั้งสองสถานี จะถูกละเอาไว้เพื่อใช้แบ่งแยกกันระหว่างสถานี

(ช่องสัญญาณ

การส่งสัญญาณ FM นั้นในแต่ละสถานีจะใช้ Bandwidth 200 kHz ซึ่ง Bandwidth ที่้ใช้ในการส่งสัญญาณจริงๆนั้นคือ 150 kHz แต่จะมีช่องว่างภายในแบนด์วิธในช่วงที่เหลือคือที่ความถี่ +25 kHz และ -25 kHz เช่น ถ้าส่งที่ความถี่ 100 MHz จะใช้คลื่นความถี่ในช่วง 99.925-100.075 MHz ในการส่งข้อมูลสัญญาณและเว้นเป็นช่องว่างกันชนในช่วง 99.900 - 99.925 และ 100.075 - 100.100 รวมเป็น 200 kHz เพื่อให้การส่งสัญญาณออกอากาศทำได้พร้อมๆกันหลายสถานี แม้จะมีสถานีอยู่ใกล้ๆกัน ในคลื่นวิทยุภายในหนึ่งช่วงเวลาจึงนำพาข้อมูล (carry information) ของแต่ละสถานีที่ออกอากาศได้พร้อมๆ กันซึ่งไม่เป็นปัญหาเมื่อผู้ฟังต้องการฟังเฉพาะบางรายการ ส่วนวิธีการที่ทำให้สามารถเลือกรับฟังได้นั้น อยู่ที่หัวข้อต่อไป ในการส่งวิทยุ FM นั้นจะอยู่ในความถี่ช่วง 88-108 MHz ซึ่งมี Bandwidth รวม 20 MHz ดังนั้นจะมีสถานีวิทยุที่ส่งได้โดยไม่กวนกันคือ 20MHz / 200 kHz หรือประมาณ 100 สถานี ซึ่งในปัจจุบันนี้ในเมืองไทยโดยเฉพาะในกรุงเทพมีการใช้ Bandwidth ของ FM ค่อนข้างเต็มแล้ว คือ มีคลื่นวิทยุตั้งแต่ 88.00, 88.25, 88.5, 88.75, 90.00 ไล่ไปเรื่อยๆ ซึ่งมีประมาณ 80 สถานี ซึ่งถ้าจะให้มีสถานีเพิ่มขึ้นอีกให้ครบ 100 สถานีคงจะไม่ได้เพราะในทางปฎิบัติจริงอาจมีการใช้ Bandwidth ที่เกินไปบ้าง จะเห็นได้จากแม้ในกรุงเทพจะมีสถานีแค่ 80 สถานี ก็เริ่มมีีการกวนของสัญญาณกันแล้ว เหตุผลที่มี Bandwidth เกินอาจเนื่องจากอุปกรณ์ที่ไม่ได้มาตรฐาน เช่น สถานีวิทยุชุมชนมักใช้เครื่องส่งราคาถูกที่ไม่ีีมีคุณภาพทำให้มีการฟุ้งกระจายของคลื่น คือใช้ Bandwidth ที่สูงเกินไปทำให้มีความถี่บางส่วนถูกส่งไปในย่านของความถี่ของสถานีอื่นทำให้เกิดการกวนกับสัญญาณในคลื่นหลักอื่นๆได้

หลักการทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM

สำหรับหลักการทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM นั้นจะคล้ายกับเครื่องรับวิทยุ AM ในปัจจุบันเครื่องรับวิทยุ FM จะเป็นแบบ Superheterodyne การทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM จะมีความซับซ้อนไม่มากเพื่อความเข้าใจในการทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM จะแสดง Block Diagram ดังต่อไปนี้

Block Diagram ของ FM Receiver

1. Antenna สำหรับ Antenna จะเป็นเสาอากาศสำหรับรับคลื่นวิทยุต่างๆ(RF signal)โดยคลื่นหรือสัญญาณวิทยุที่รับเข้ามานั้นจะรับเข้ามาทุกๆคลื่นความถี่และความถี่ที่รับเข้ามานั้นจะมีสัญญาณค่อนข้างอ่อนต้องทำการขยายสัญญาณให้มีแรงขึ้นเพื่อใช้ในการแปลงเป็นคลื่นเสียงในภายหลัง 
2. RF Amplifier จะทำการขยายสัญญาณที่ได้รับจากข้อ 1 ให้สูงขึ้น ซึ่งจะทำการขยายสัญญาณทุกๆความถี่ให้สูงขึ้น โดยในส่วนนี้จะมีตัว Tuner ด้วยเพื่อกรองให้เหลือเฉพาะความถี่ที่เราต้องการฟังซึ่งความถี่นี้จะเปลี่ยนไปตามที่เราหมุนที่เครื่องวิทยุ(Tuner มีลักษณะคล้าย Band-pass filter คือกรองให้เฉพาะความถี่ที่เราต้องการผ่านไปได้โดยการที่เราหมุนเครื่องวิทยุเป็นการปรับค่าตัวเก็บประจุของวงจร Tuner เพื่อปรับให้วงจรยอมให้คลื่นที่มีความถี่เท่ากับความถี่ที่เราต้องการผ่านออกไปไ้ด้และการหมุนนี้ก็จะไปทำการปรับค่าของตัวเก็บประจุที่ใช้ในวงจร Oscillator ด้วยเพื่อปรับความถี่ที่ Oscillator จะสร้างขึ้ันมาซึ่งจะกล่าวในส่วนต่อไปด้วย)โดยเมื่อได้ความถี่ในช่วงความถี่ที่เราเลือกผ่าน Tuner มาแล้ว ก็จะทำส่งสัญญาณที่ความถี่นั้นไปยัง Mixer ต่อไป 
3. Mixer มีหน้าที่รวมสัญญาณ 2 สัญญาณโดยสัญญาณแรกคือสัญญาณ RF ที่ได้จากข้อ 2 และสัญญาณที่ได้จาก Oscillator มาผสมกันเพื่อให้ได้สัญญาณ Intermediate Frequency (IF) ซึ่งเป็นสัญญาณที่มีความถี่กลางที่จะใช้ในการแปลงเป็นสัญญาณเสียงต่อไปโดยทั่วไปแล้ว IF นี้จะมีความถี่ 10.7 MHz โดยตัว Oscillator นั้นต้องสร้างความถี่ที่สูงกว่าความถี่ของ RF 10.7 MHz เช่น ความถี่ของ RF คือ 90 MHz ตัว Oscillator ต้องสร้างความถี่ 100.7 MHz เพื่อทำให้เมื่อสัญญาณออกจาก Mixer แล้ว ความถี่ของ Oscillator จะหักกับความถี่ของสัญญาณ RF ได้ความถี่ของ IF ที่ 10.7 MHz

Block Diagram ของ Mixer

อธิบายรูปภาพ ในขึ้นตอนแรกรับความถี่ RF และความถี่จาก Oscillator เข้ามาจากนั้นเมื่อสัญญาณผ่านตัว Mixer จะได้ค่าสัญญาณออกมาคือสัญญาณที่ความถี่เป็นผลต่างระหว่างความถี่ของสัญญาณจาก Oscillator กับ RF (OSC-RF)

4. IF Amplifier(IF) ในวงจรนี้จะทำการขยายสัญญาณ IF ให้แรงขึ้นเพื่อส่งต่อไปยัง Detector 
5. Detector or DEMODULATOR จะทำหน้าที่กรองความถี่ของคลื่นวิทยุออกจากสัญญาณ IF ให้เหลือแต่ความถี่เสียงโดย Detector ของระบบ FM นั้นมีหลายรูปแบบเช่น แบบ Travis Discriminator ,แบบ Foster-Seeley Discriminator,แบบ Ratio detector เป็นต้น

รูปตัวอย่างวงจรและการทำงานของ Detector แบบ Travis Discriminator และ Foster-Seeley ตามลำดับ
การทำงานของ Detector นั้นส่วนใหญ่จะคล้ายๆกันในที่นี้จะพูดรวมๆคือ เืมื่อคลื่น IF ที่ส่งเข้ามายัง Detector มีความถี่เท่ากับความถี่ Resonance ที่ตั้งไว้ ในที่นี้คือ ความถี่ 10.7 MHz ก็จะไม่มีสัญญาณใดๆส่งออก แต่เมื่อได้สัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ Resonance ก็จะได้สัญญาณด้่านบวกที่สูงกว่าความถี่ Resonance ส่งออกมา และเื่มื่อได้สัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ Resonance ก็จะได้สัญญาณด้านลบที่ต่ำกว่าความถี่ Resonance ส่งออกมา ซึ่งความถี่ที่ได้นี้เป็นความถี่เสียง (Audio Frequency (AF)) ซึ่งจะนำความถี่เสียงนี้ไปขยายต่อในข้อ 6 
6. AF Amplifier ทำหน้าที่ขยายสัญญาณเสียงให้มีความแรงและชัดพอที่จะส่งสัญญาณออกไปขับเคลื่อนลำโพงให้มีเสียงออกมาจนกลายเป็นคลื่นเสียงเหมือนที่ได้รับจากสถานีต้นทาง

ข้อดีและข้อเสียของสัญญาณวิทยุ FM

ข้อดีของสัญญาณวิทยุ FM

1. การส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM ทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า จากสองปัจจัย คือ
• สัญญาณรบกวนส่วนใหญ่จะเป็นสัญญาณที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดซึ่ง FM ใช้วิธีการในการเปลี่ยนแปลงทางความถี่ของคลื่นพาหะโดยไม่เปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดทำเกิดผลกระทบเมื่อมีสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดน้อยมาก แต่ AM จะส่งโดยการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดของคลื่นพาหะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดนั้นจะมีผลต่อสัญญาณมากกว่าทำให้มีคลื่นรบกวนได้ง่ายกว่า FM
• คลื่นเอฟเอ็มนั้นมีความถี่สูงซึ่งเป็นความถี่ที่แตกต่างจากความถี่ที่เกิดในธรรมชาติมากกว่าคลื่นเอเอ็มซึ่งมีความถี่ต่ำกว่าทำให้คลื่นเอเอ็มนั้นจะถูกรบกวนได้ง่ายจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆในธรรมชาติที่มีความถี่ต่ำใกล้เคียงกับคลื่นเอเอ็ม เช่น ฟ้าแลบ, ฟ้าผ่า, ประกายไฟฟ้าในอากาศ เป็นต้น
2. การส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะมีความถี่สูงจึงมีพลังงานสูงทำให้สามารถส่งทะลุผ่านบรรยากาศในชั้นไอโอโนสเฟียร์ได้จึงสามารถใช้ในการติดต่อสื่อสารกับอุปกรณ์ต่างๆที่อยู่นอกโลกได้ เช่น ยานอวกาศ
3. การส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะมีคุณภาพเสียงดีกว่าเพราะมี Bandwidth ที่ส่งกว้างมากกว่าแบบ AM
4. คลื่นวิทยุนั้นสามารถเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นได้

ข้อเสียของสัญญาณวิทยุ FM

1. เมื่ออยู่ในจุดอับสัญญาณเช่น ในชั้นใต้ดิน หรือในตัวอาคารใหญ่ๆ จะทำให้สัญญาณไม่ชัดหรืออาจจะรับสัญญาณนั้นไม่ได้เลย
2. การส่งสัญญาณวิทยุแบบ FM จะส่งได้ระยะน้อยกว่า AM เพราะการส่งแบบ FM มีความถี่สูงจึงมีพลังงานสูงทำให้มีการสะท้อนที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์น้อยมากดังนั้นทำให้เครื่องรับบนพื้นโลกนั้นจะรับได้เฉพาะสัญญาณที่ส่งมาจากเครื่องส่งโดยตรง ตรงกันข้ามกับการส่งแบบ AM ที่มีความถี่ไม่สูงมากจึงมีพลังงานต่ำจึงสามารถสะท้อนกลับลงมาจากบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์กลับสู่ผิวโลกอีกครั้งทำให้ส่งได้ไกลกว่าเนื่องจากบนพื้นโลกอาจได้รับสัญญาณจากเครื่องส่งโดยตรงหรือได้รับสัญญาณจากการสะท้อนก็ได้
3. เนื่องจากโลหะมีสมบัติสะท้อนและดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ทำให้คลื่นวิทยุผ่านเข้าไปในโลหะได้ยาก ซึ่งอาจมีวัตถุบางอย่างที่มีผลต่อการรับสัญญาณวิทยุ FM เช่น ฟิล์มกรองแสงชนิดผสมโลหะ

ในการทำเครื่องรับและเครื่องส่งของวิทยุ FM นั้นมีความซับซ้อนทำได้ยากกว่าเครื่องรับส่งวิทยุ AM

หลักการของเครื่องส่งและเครื่องรับ FM

ระบบของเครื่องส่งวิทยุ FM

ในการส่งข้อมูลข่าวสารระหว่างจุดสองจุดจะต้องผ่านสื่อกลางหรือตัวกลาง (Media) เพื่อเป็นตัวเชื่อมต่อในการส่งข้อมูลข่าวสาร สามารถแบ่งออกเป็นหลายรูปแบบด้วยกัน ดังนี้

1. ระบบที่ใช้สัญญาณไฟฟ้าเป็นพาหะ (Electrical Base Systems) ได้แก่ ระบบโทรศัพท์สาธารณะ ระบบโทรศัพท์บ้านทั่วไป ระบบสื่อสารข้อมูลแบบใช้สาย ระบบโทรเลขในอดีต เป็นต้น

2. ระบบที่ใช้คลื่นวิทยุเป็นพาหะ (Radio Base Systems) ได้แก่ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ระบบวิทยุติดตามตัว ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม ระบบวิทยุกระจายเสียง และระบบไมโครเวฟ เป็นต้น

3. ระบบที่ใช้คลื่นแสงเป็นพาหะ (Light Base Systems) ได้แก่ ระบบสื่อสารข้อมูลผ่านแสงอินฟราเรดที่นำไปประยุกต์ใช้ เช่น ระบบเครือข่าย LAN ไร้สาย บลูทูธ (Bluetooth) เส้นใยนำแสง (Fiber Optic) รีโมทคอลโทรล (Remote Control) คอมพิวเตอร์แบบพกพา (Notebook) เลเซอร์ (Laser) เป็นต้น

สำหรับระบบการสื่อสารไร้สายอยู่หลายรูปแบบ เช่น วิทยุกระจายเสียง โทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือ และสาเหตุสำคัญที่ทำให้การสื่อสารแบบไร้สายเข้ามามีบทบาทในปัจจุบัน เนื่องจากการวางสายสื่อสารแบบที่ต้องเดินสายสัญญาณในบางพื้นที่นั้นไม่สามารถทำได้ หรืออาจทำได้แต่ไม่คุ้มค่าทั้งในแง่การลงทุน การดูแลรักษาและซ่อมบำรุง เป็นต้น ในการสื่อสารระบบไร้สายสื่อตัวกลางจะมีคุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีความถี่ในระดับต่าง ๆ ดังนั้นในการจัดสรรการใช้ความถี่จึงเป็นสิ่งที่สำคัญ

การประยุกต์ใช้งานสำหรับด้านการสื่อสารต่าง ๆ มีดังนี้

· - ระบบวิทยุสื่อสารในแบบสองทิศทาง

· - ระบบวิทยุติดตามตัว

· - ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่

· - ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม

· - ระบบสื่อสารด้วยระบบแสงอินฟราเรด

· - ระบบการสื่อสารส่วนบุคคล PCS/PCN

· - ระบบวิทยุกระจายเสียงและโทรทัศน์

4.1 ระบบวิทยุกระจายเสียง

4.1.1 การส่งวิทยุกระจายเสียง (Radio Broadcasting)

วันวิทยุกระจายเสียงแห่งชาติ ตรงกับวันที่ 25 กุมภาพันธ์ของทุกปี เป็นวันที่กำหนดขึ้นเพื่อรำลึกถึงสถานีวิทยุกระจายเสียงอย่างเป็นทางการแห่งแรกของไทย โดยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 7) ได้โปรดเกล้าฯ ให้มีพิธีเปิด “สถานีวิทยุกรุงเทพฯ ที่พญาไท” ณ วังพญาไท เมื่อวันที่ 25 กุมภาพันธ์ 2473 ซึ่งตรงกับวันพระราชพิธีฉัตรมงคลในสมัยนั้น

พร้อมทั้งอัญเชิญกระแสพระราชดำรัสของพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว จากพระที่นั่งอมรินทรวินิจฉัย ถ่ายทอดสดผ่านสายเข้าเครื่องส่งกระจายเสียงสู่พสกนิกรด้วยกำลังส่ง 2.5 กิโลวัตต์ โดยมีใจความตอนหนึ่งว่า "การวิทยุกระจายเสียงที่ได้ริเริ่มจัดตั้งขึ้นและทำการทดลองตลอดมานั้นก็ด้วยความมุ่งหมายที่จะส่งเสริมการศึกษา การค้าขาย และการบันเทิงแก่พ่อค้าประชาชน" และได้มีพัฒนาการแพร่หลายเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน

ระบบการส่งวิทยุกระจายเสียงที่ผ่านมาในอดีตเริ่มจากการเปลี่ยนเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าในระบบอนาล็อก (Analog) แล้วนำสัญญาณเสียงผสมกับคลื่นความถี่วิทยุทำการส่งออกอากาศ การส่งวิทยุกระจายเสียงยุคแรกเป็นการส่งระบบ AM (Amplitude Modulation) ซึ่งส่งกระจายเสียงในย่านความถี่ MW (Medium Wave) อุปกรณ์ที่ใช้งานในการส่งวิทยุกระจายเสียง คือ เครื่องเล่นแผ่นเสียง เทปบันทึกเสียง ฯลฯ เป็นอุปกรณ์ระบบอนาล็อก ต่อมามีการพัฒนาการส่งวิทยุกระจายเสียงในระบบ FM (Frequency Modulation) เป็นการผสมสัญญาณเสียงกับคลื่นวิทยุโดยใช้เทคนิคเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นวิทยุทำให้คุณภาพเสียงดีในการรับฟังจากเครื่องรับวิทยุดีขึ้นกว่าการรับฟังในระบบ AM ส่งกระจายเสียงในย่านความถี่ VHF (88-108 MHz) และในปัจจุบันได้มีการเปลี่ยนการส่งวิทยุกระจายเสียงเป็นระบบดิจิตอล (Digital) สัญญาณเสียงจะถูกเข้ารหัสเป็นสัญญาณระบบดิจิตอลและผสมกับคลื่นวิทยุทำการส่งออกอากาศ ส่วนอุปกรณ์การส่งวิทยุกระจายเสียง เช่นอุปกรณ์ห้องส่งจะมีการเปลี่ยนจากระบบอนาล็อกเป็นระบบดิจิตอล คือจะใช้คอมพิวเตอร์มาทดแทนอุปกรณ์เครื่องเล่นแผ่นเสียง เครื่องเล่นซีดี เทปบันทึกเสียง ฯลฯ รูปแบบการทำงานของเจ้าหน้าที่ช่างเทคนิค ผู้จัดรายการวิทยุจะเปลี่ยนไปจะต้องทำงานด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ในการทำผังรายการวิทยุ การผลิตรายการวิทยุ การควบคุมการทำงานออกอากาศ การสั่งงานด้วยระบบ Remote Control อีกด้วย

การส่งวิทยุกระจายเสียง FM ความถี่ 88-108 MHz คลื่นวิทยุที่มีความถี่ย่านนี้จะแพร่กระจายคลื่นเป็นแนวเส้นตรง ดังนั้นถ้าให้คลื่นวิทยุแพร่กระจายไปบนพื้นโลกสามารถไปได้ไกลประมาณ 60 – 70 กิโลเมตรจากสถานีส่ง เนื่องจากคลื่นวิทยุจะเดินทางไปพบกับส่วนโค้งของโลกทำให้บริเวณที่อยู่เลยถัดไปไม่อาจรับคลื่นวิทยุนี้ได้ ดังนั้นบริเวณพื้นโลกที่จะได้รับฟังคลื่นวิทยุกระจายเสียงจึงอยู่ไกลไม่เกิน 60- 70 กิโลเมตร จากสถานีส่ง แต่ก็เป็นคลื่นวิทยุที่มีแรงคงที่ตลอดเวลา เช่นเดียวกับคลื่นพื้นดินของคลื่นวิทยุแบบคลื่น AM

คลื่นตรงมีลักษณะการแพร่กระจายคลื่นวิทยุเหมือนกับการเดินทางของแสง คือพุ่งเป็นเส้นตรง และการกระจายคลื่นชนิดนี้จะอยู่ในระดับสายตา (Line of Sight) และหากบังคับให้คลื่นวิทยุย่าน VHF พุ่งขึ้นไปบนฟ้าก็จะทะลุชั้นบรรยากาศที่หุ้มห่อโลกไปไม่สะท้อนหรือโค้งตกลงมาสู่พื้นโลก เป็นประโยชน์สำหรับการติดต่อกับดาวเทียมสื่อสารซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดสัญญาณโทรเลข โทรศัพท์ และโทรทัศน์ กลับลงมาสู่พื้นโลกได้อีก

 เครื่องส่งวิทยุสื่อสาร

จะใช้งานในย่านความถี่ 3-30MHz (High Frequency: HF) ย่านความถี่ 144MHz (Very High Frequency: VHF) และย่านความถี่ 450MHz (Upper High Frequency: UHF)

โดยทั่วไป เครื่องส่งวิทยุสื่อสารที่ใช้งานกันอยู่ในปัจจุบันจะรวมเอาเครื่องรับกับเครื่องส่งไว้ในเครื่องเดียวกันซึ่งมีทั้งแบบติดตั้งประจำที่และแบบเคลื่อนที่หรือวิทยุมือถือ

หลักการทำงานของเครื่องส่งวิทยุสื่อสารเอฟเอ็ม

เมื่อมีสัญญาณเสียงผ่านไมโครโฟนก็จะเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งมายังภาค Pre-Amplifier เพื่อทำการขยายสัญญาณให้มีความแรงที่เหมาะสม และนำสัญญาณเสียงไปทำการมอดูเลตกับสัญญาณคลื่นพาห์ส่งต่อไปยังภาคทวีคูณความถี่ (Multiplier) ขเพื่อทวีคูณความถี่ให้สูงขึ้นตามความต้องการของระบบและส่งต่อไปยังภาคขยายกำลังความถี่วิทยุเพื่อขยายกำลังให้มีความแรงสูงขึ้น ก่อนส่งไปยังสายอากาศให้แพร่กระจายคลื่นออกไปในอากาศ

4.2.2 เครื่องส่งวิทยุกระจายเสียง FM STEREO MULTIPLEX

การส่งกระจายเสียงวิทยุระบบ FM STEREO MULTIPLEX เป็นระบบที่คิดค้นภายหลังจากการกระจายเสียงแบบอื่นๆ โดยในปี พ.ศ. 2460 อาร์มสตรองได้คิดค้นการกระจายเสียงระบบ FM ได้เป็นผลสำเร็จ ต่อมาปี พ.ศ. 2490 มีผู้ทดลองส่งกระจายเสียงระบบสเตอริโอโดยใช้ความถี่เสียงหนึ่งส่งกระจายเสียงซีกขวา และใช้อีกความถี่หนึ่งส่งสัญญาณเสียงซีกซ้ายซึ่งทำให้เกิดความสิ้นเปลือง เพราะจะต้องมีเครื่องรับสองเครื่อง กล่าวคือ เครื่องรับเครื่องแรกจะรับสัญญาณเสียงซีกซ้ายไปขยายออกลำโพง ส่วนเครื่องรับเครื่องที่สองจะรับสัญญาณเสียงซีกขวาไปขยายออกลำโพงเช่นกัน

เวลาต่อมาจึงได้มีการพัฒนาการส่งวิทยุระบบ FM โดยใช้เครื่องส่งเพียงเครื่องเดียวที่สามารถส่งทั้งสัญญาณเสียงด้านซ้าย (L) และสัญญาณเสียงด้านขวา (R) ไปพร้อมๆกัน โดยการติดตั้งอุปกรณ์พิเศษเข้าไปที่เครื่องส่งเรียกว่า เครื่องกำเนิดสัญญาณสเตอริโอหรือมัลติเพล็กซ์เอนโคเดอร์ (Multiplex encoder) และผู้ฟังก็มีเครื่องรับ FM เพียงเครื่องเดียว ซึ่งจะติดตั้งอุปกรณ์พิเศษเพิ่มเติมเข้าไปที่เครื่องรับเรียกว่า สเตอริโอดีมอดูเลเตอร์ (Stereo demodulator) หรือมัลติเพลกซ์ดีโคเดอร์ (Multiplex decoder) ก็สามารถทำให้รับฟังเสียงเป็นแบบสเตอริโอจากเครื่องขยายเสียงสองชุดได้

จากนั้นอาร์มสตรองและคณาจารย์มหาวิทยาลัยโคลัมเปีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้คิดค้นระบบการส่งกระจายเสียงที่พัฒนาขึ้นเรียกระบบนี้ว่า สเตอริโอมัลติเพล็กซ์ โดยมีหลักการคือการนำเอาสัญญาณเสียงซีกซ้าย (L) และสัญญาณเสียงซีกขวา (R) มามัลติเพล็กซ์หรือรวมกันแล้วผสมกับคลื่นพาห์ก่อนส่งออกไปยังเครื่องรับหลังจากนั้นที่เครื่องรับก็จะมีกระบวนการในการแยกเอาสัญญาณเสียงซีกซ้าย (L) และสัญญาณเสียงซีกขวา (R) ออกจากคลื่นพาห์อีกครั้ง

(ก) การกำเนิดสัญญาณเอฟเอ็มสเตอริโอ (FM Stereo Generation)

สัญญาณเสียงจากไมโครโฟนด้านซ้าย (L) และด้านขวา (R) จะผ่านวงจรขยายเสียงแล้วป้อนให้กับวงจรพรีเอมฟาซิส (Preemphasis) เพื่อยกระดับแอมปลิจูดของความถี่สูงให้มีระดับสูงขึ้นแล้วส่งไปยังวงจรเมตริกซ์เน็ตเวิร์ค (Matrix Network) หรือบางครั้งเรียกว่า Multiplex Encoder ก็ได้จะทำการบวกและลบสัญญาณทั้งสองจึงทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุตเป็น L+R และ L-R ที่มีความถี่เสียงอยู่ระหว่าง 30Hz - 15 kHz ทั้งสองสัญญาณ

สัญญาณผลบวก (L+R) จะส่งเข้าวงจรดีเลย์เน็ตเวิร์ค (Delay Network) เพื่อหน่วงเวลาให้สัญญาณไปถึงที่อินพุตของวงจรรีแอกแตนซ์มอดูเลเตอร์ (Reactance Stage Modulator) พร้อมกับสัญญาณ (L-R) แบบ DSB ที่ได้จากเอาต์พุตของวงจรบาลานซ์มอดูเลเตอร์เพื่อจัดเฟสให้ตรงกันก่อนที่จะส่งไปยังอินพุตของวงจรรีแอกแตนซ์มอดูเลเตอร์

สัญญาณผลต่าง (L-R) จะส่งไปมอดูเลตกับคลื่นพาห์ย่อยความถี่ 38 kHz แบบ AM ที่วงจรบาลานซ์มอดูเลเตอร์ (Balanced Modulator) ทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุต AM แบบ DSB-SC ที่กำจัดคลื่นพาห์ย่อยความถี่ 38 kHz ออกไปโดยสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะมีเฉพาะไซด์แบนด้านต่ำ (LSB) และไซด์แบนด้านสูง (USB) เท่านั้น ซึ่งมีความถี่ต่ำกว่าและสูงกว่าความถี่คลื่นพาห์ย่อย 38 kHz คือความถี่ 23 kHz (38 kHz – 15 kHz) และ 53 kHz (38 kHz + 15 kHz) ตามลำดับ

สัญญาณไพลอตความถี่ 19 kHz จะส่งไปยังอินพุตของภาครีแอกแตนซ์มอดูเลเตอร์โดยตรงและนำไปผ่านวงจรทวีคูณความถี่ 2 เท่าเพื่อทำเป็นความถี่คลื่นพาห์ย่อย 38 kHz แล้วป้อนให้แก่ภาคบาลานซ์มอดูเลเตอร์

ดังนั้นที่อินพุตของภาครีแอกแตนซ์มอดูเลเตอร์ จะประกอบด้วยความถี่ 3 ความถี่คือ

1. สัญญาณไซด์แบนด์ L+R ความถี่ 30Hz - 15kHz จากภาค Adder L+R

2. สัญญาณไซด์แบนด์ L-R ความถี่ 23–53 kHz จากภาค Balance Modulator

3. สัญญาณไพลอต (Pilot Carrier) ความถี่ 19kHz จากภาค Master Oscillator

ซึ่งสัญญาณทั้งหมด เรียกว่าสัญญาณรวม(Composite Signal) ที่จะถูกมัลติเพล็กซ์ (Multiplex) เข้าด้วยกัน จากนั้นก็ทำการมอดูเลตกับความถี่วิทยุหลักความถี่ 88-108MHz ที่ ภาครีแอกแตนซ์มอดูเลเตอร์ (หรือภาคเอฟเอ็มมอดูเลเตอร์) และทำการขยายสัญญาณให้แรงขึ้นอีกครั้งหนึ่งเพื่อส่งออกอากาศต่อไป

เหตุผลและความจำเป็นที่ต้องส่งสัญญาณทั้งสามออกไปยังเครื่องรับ คือ

1. สัญญาณผลบวก (L+R) เป็นผลรวมของสัญญาณเสียงซีกซ้ายและซีกขวา ซึ่งเป็นสัญญาณเสียงแบบโมโน ทั้งนี้เพื่อทำให้เครื่องรับวิทยุแบบโมโนสามารถจะรับสัญญาณที่ส่งไปแบบสเตอริโอมัลติเพล็กซ์ได้โดยเสียงที่ขับออกลำโพงมีครบทั้งซีกซ้ายและซีกขวา แต่ไม่มีการแยกทิศทางและคุณภาพเสียงเหมือนการฟังจากสถานีวิทยุโดยทั่วไป

2. สัญญาณผลต่าง (L-R) เหตุผลที่ต้องนำสัญญาณ L–R ไปมอดูเลตกับคลื่นพาห์ย่อย 38 kHz ก่อนก็เพราะต้องการส่งสัญญาณ L–R รวมไปพร้อม ๆ กับสัญญาณ L+R โดยไม่ต้องการให้สัญญาณทั้งสองสอดแทรกกันซึ่งเรียกว่า การมัลติเพล็กซ์สัญญาณเข้าด้วยกันนั่นเอง

ส่วนทางด้านเครื่องรับวิทยุจะมีวิธีการแยกเสียงออกจากกัน สามารถอธิบายได้โดยพิจารณาสมการทางคณิตศาสตร์คือ

เมื่อนำเอาสัญญาณ (L+R) และ (L–R) มาบวกกัน จะได้

(L+R) + (L–R) = 2L คือสัญญาณเสียงซีกซ้าย = 2L

และเมื่อนำสัญญาณ (L+R) และ (L–R) มาลบกัน จะได้

(L+R) - (L–R) = 2R คือสัญญาณเสียงซีกขวา = 2R

3. สัญญาณไพลอต 19 kHz เนื่องจากสัญญาณเสียง (L–R) ที่ส่งมายังเครื่องรับเป็นสัญญาณเสียงที่มอดูเลตกับคลื่นพาห์ย่อย 38 kHz ดังนั้นในการนำมาเสริมหรือหักล้างกับสัญญาณ (L+R) ในวงจรแยกสัญญาณสเตอริโอเพื่อให้เกิดเป็นสัญญาณเสียงซีกซ้ายและซีกขวานั้นจำเป็นจะต้องมีสัญญาณ 38 kHz ที่มีเฟสสัมพันธ์กับคลื่นพาห์ย่อยที่มอดูเลตมากับสัญญาณ (L–R) เพื่อช่วยให้วงจรดีโคดเดอร์ทำการแยกสัญญาณได้จึงต้องมีการส่งสัญญาณไพลอทโทน 19 kHz มาด้วย เพราะความถี่ 19 kHz เมื่อมาถึงเครื่องรับก็สามารถทำให้เป็นความถี่ 38 kHz ได้โดยง่ายด้วยการใช้วงจรทวีคูณความถี่ 2 เท่า และความถี่ 19 kHz ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของสัญญาณคลื่นพาห์ย่อยทางด้านเครื่องส่งความถี่ 38 kHz ที่ได้จึงมีเฟสที่สัมพันธ์กับสัญญาณคลื่นพาห์ (L–R)

พิจารณาไซด์แบนด์ของสัญญาณรวม (Composite Signal) จะได้

สัญญาณเสียง (L+R) = 15 kHz

สัญญาณไซด์แบนด์ด้านต่ำ (LSB)

LSB = 38 kHz – 15 kHz

= 23 kHz

สัญญาณไซด์แบนด์ด้านสูง (USB)

USB = 38 kHz + 15 kHz

= 53 kHz

สัญญาณแชนแนลย่อย SCA (Subsidiary Communication Authorization) หรือ Subsidiary Carrier Authorization บางครั้งอาจเรียกว่า “Storecast” ก็ได้ หมายถึงการส่งกระจายเสียงในระบบ FM ซึ่งทำการสอดแทรกสัญญาณข่าวสารหรือรายการที่นอกเหนือจากรายการปกติพร้อมกับการส่งกระจายเสียงของระบบ FM โดยไม่ก่อให้เกิดการรบกวนกันระหว่างสัญญาณข่าวสารหรือรายการ สัญญาณนี้ประกอบด้วยความถี่คลื่นพาห์ย่อยความถี่ 67 kHz ที่มอดูเลตแบบเอฟเอ็มแบนด์แคบ (Narrow band FM) โดยมีการเบี่ยงเบนทางความถี่ ( ) เท่ากับ kHz (มีความถี่อยู่ระหว่าง 59.5-74.5 kHz) ซึ่งสัญญาณนี้จะนำไปใช้ในการส่งเสียงเพลงสำหรับร้านค้า ร้านอาหาร หรือการโฆษณาอื่นๆ

สำหรับระบบ SCA ในประเทศไทย (โดยเฉพาะกรุงเทพฯ) ทางองค์การขนส่งมวลชนกรุงทพ (ขสมก.) ได้นำมาใช้ในการกระจายเสียงสำหรับรถเมล์ ที่เรียกกันว่า FM.SCA โดยใช้ความถี่คลื่นพาห์หลักร่วมกับสถานีวิทยุของ ขส.ทบ. ซึ่งส่งกระจายเสียงในความถี่ 102.00MHz ถ้าหากต้องการรับฟังสัญญาณเสียงระบบ FM.SCA ก็จะต้องติดตั้งอุปกรณ์ SCA Decoder เพิ่มไปในเครื่องรับจึงทำให้สามารถรับฟังได้

- การส่งวิทยุกระจายเสียงระบบ FM Mono กำหนด Bandwidth ของคลื่นเท่ากับ 180 kHz

- การส่งวิทยุกระจายเสียงระบบ FM Stereo Multiplex กำหนด Bandwidth ของคลื่นเท่ากับ 256 kHz

- การส่งวิทยุกระจายเสียงระบบ FM Stereo Multiplex with SCA กำหนด Bandwidth ของคลื่นเท่ากับ 300 kHz