Radio Frequency Communications

คลื่นวิทยุ เป็นตัวกลางที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการส่งข้อมูลแบบไร้สาย ส่วนประกอบต่าง ๆ ที่จำเป็นในการการสร้างแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้มีคลื่นวิทยุแผ่กระจายออกไปนั้น จำเป็นต้องมี 4 องค์ประกอบพื้นฐานดังนี้

1. ตัวกรอง (Filter)
2. ตัวผสม (Mixers)
3. ตัวขยายสัญญาณ (Amplifier)
4. เสาอากาศ (Antenna)

ตัวกรองความถี่
ตัวกรองความถี่ ทำหน้าที่ในการกรองความถี่ ที่ไม่ต้องการออกไป โดยใช้หลักการของ ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และ ตัวเก็บประจุ (RLC) ที่มีการตอบสนองต่อความถี่ต่างกัน ในการกำหนดความถี่ที่เราต้องการ เช่น L มีค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสไฟฟ้าสลับ (เป็นค่าเฉพาะของตัวอุปกรณ์)  = 2ϖfL  ซึ่งหมายถึง ถ้ามีความถี่สูง ความต้านทานจะมีค่ามาก นั่นคือ L สามารถนำมาใช้ทำวงจร กรองความถี่สูง (เพราะ f มาก ความต้านทานมาก)  ในขณะเดียวกัน  C มีค่าความต้านทานในการเก็บประจุ (เป็นค่าเฉพาะของตัวอุปกรณ์) =  1/(2ϖfC) ซึ่งหมายถึง ถ้ามีความถี่สูง ความต้านทานจะมีค่าน้อย นั่นคือ C สามารถนำมาใช้ทำวงจร กรองความถี่ความถี่ต่ำ (เพราะ f มาก ความต้านทานน้อย) ทำให้สามารถกรองความถี่ต่ำผ่านไปไม่ได้ ความถี่สูงผ่านง่าย (High Pass) ความถี่ที่ถูกกรองจะโดนลดกำลังขยายลง ส่วนความถี่ที่ปล่อยผ่านก็จะปล่อยผ่าน (x 1 กำลังขยาย) วงจรกรองความถี่แบ่งออกเป็น 4 แบบ คือ

• Low-pass filter คือกรองให้ความถี่ต่ำที่เกินค่า Threshold ที่กำหนดผ่านได้ ความถี่สูงถูกกรองทิ้งไป
• High-pass filter คือกรองให้ความถี่สูงที่เกินค่า Threshold ที่กำหนดผ่านได้ ความถี่ต่ำถูกกรองทิ้งไป
• Band-pass filter คือกรองความที่ ที่อยู่ในช่วงที่กำหนดผ่านได้ ความถี่ ที่ต่ำกว่าในช่วง หรือ สูงกว่าในช่วงจะถูกกรองทิ้งไป

นอกจากนี้ตัวกรองยังสามารถใช้กรองความถี่ฮาโมนิค ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อมีการส่งข้อมูลโดยใช้คลื่นวิทยุ โดยความถี่ฮาโมนิคจะมีค่าเป็นจำนวนเท่าของความถี่ที่ใช้ส่ง แต่จะมีกำลังส่งลดลง ซึ่งกรองทิ้งไปโดยใช้ตัวกรองความถี่

ตัวผสม
การส่งข้อมูลแบบไร้สายด้วยคลื่นวิทยุ Input signal (ข้อมูลที่ต้องการส่ง) จะต้องถูกนำมารวมกับ Local Oscillator (หรือเป็นคลื่นพาหะ carrier signal) เพื่อใช้ส่งข้อมูลไป โดยตัวผสมทำหน้าที่รวมสัญญาณข้อมูลไว้ด้วยกัน

(Ref: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/05/IdealMixer.svg/350px-IdealMixer.svg.png)

ผลลัพธ์ที่ผ่านตัวผสม จะเกิดเป็นสัญญาณใหม่ที่มีความถี่ที่เกิดจาก ผลต่างและผลรวมของความถี่ของคลื่นทั้งสองที่รับเข้ามา (เรียกว่า heterodynes) เช่น มี สัญญาณเข้าความถี่ (f1) 0.75 MHz ผสมรวมกับ ความถี่ (f2) 1 MHz จะได้ผลลัพธ์ของสัญญาณ 2 ความถี่ คือ 0.25 MHz และ 1.75 MHz

 

(Ref: http://www.electronics-radio.com/articles/radio/rf-mixer/rf-mixing-basics.php)

ตัวผสมสามารถเปลี่ยน (Shift) ความถี่ของสัญญาณจากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่งตามที่กำหนดไว้ โดยส่วนมาก ความถี่ผลลัพธ์ที่ส่งออกไปจะถูกกำหนดไว้แล้ว เช่น หากต้องการส่งข้อมูลกระจายเสียงที่ความถี่ 88 MHz ผลรวม หรือผลต่างของความถี่ที่ผ่านตัวผสมสุดท้ายจะต้องมาตรงกับที่ 88 MHz ความถี่ ที่ไม่ต้องการก็ใช้ตัวกรอง กรองความถี่ออกไป ความถี่ของข้อมูลที่นำเข้ามา โดยส่วนมากจะเป็นความถี่ต่ำเพื่อให้ประมวลผลได้ง่าย จากนั้นนำมารวมเข้ากับคลื่นพาหะ เพื่อให้สะดวกต่อการส่งข้อมูล ซึ่งเป็นความถี่ที่สูงกว่าความถี่ของข้อมูล โดยความถี่ที่จะนำมาผสมจะต้องกำหนดไว้ให้เหมาะสมกับความถี่ที่ต้องการให้เป็นความถี่ผลลัพธ์ที่จะส่งออกไปยังฝั่งผู้รับ

การผสมสัญญาณ (Mixer) และ การทำมอดูเลชั่น (Modulation) ต่างก็เป็นการรวมคลื่น แต่มีวัตถุประสงค์ต่างกัน การมอดูเลชั่นเป็นการเข้ารหัสข้อมูลโดยการนำคลื่นพาหะมาเปลี่ยนแปลงตามข้อมูลที่ต้องการจะฝังลงไป แต่การผสมสัญญาณ (Mixer) นั้นเป็นการนำคลื่นมารวมกัน (ไม่จำเป็นต้องเป็นคลื่นพาหะ) เพื่อ เพื่อเปลี่ยนระดับความถี่ 

ตัวขยายสัญญาณ
เนื่องจากคลื่นวิทยุที่ถูกส่งออกไปยังตัวรับ ผ่านวงจรส่ง ผ่านอากาศ สัญญาณจะมีการลดทอนลง หรือแม้แต่คลื่นวิทยุที่ผลิตโดยแหล่งกำเนิดมีกำลังไม่มากพอ จำเป็นจะต้องมีตัวขยายสัญญาณ ตัวขยายสัญญาณทำหน้าที่ขยายสัญญาณของคลื่นวิทยุให้มีความแรงมากขึ้น ซึ่งตัวขยายสัญญาณจะเป็นส่วนประกอบสุดท้าย ที่รับสัญญาณมาจากตัวกรอง และ ขยายสัญญาณก่อนจะถูกส่งออกไปโดยเสาอากาศเคลื่อนที่ไปยังผู้รับสัญญาณ

ตัวขยายสัญญาณ จัดเป็นอุปกรณ์แบบแอคทีฟ จำเป็นต้องมีแบตเตอรี่เพื่อช่วยในการเพิ่มกำลังส่ง ที่มีคุณสมบัติเหมือนเดิมยกเว้นความแรงของสัญญาณ

เสาอากาศ
เป็นอุปกรณ์ทำจากโลหะ ต่อเข้ากับวงจรที่ใช้ในการรับ/ส่งคลื่นวิทยุ มีหลายชนิด และการรูปแบบ (ดูเพิ่มเติมในบทถัดไป)

ระบบการส่งด้วยคลื่นวิทยุที่จำเป็นประกอบด้วย ตัวกรอง ตัวผสม ตัวขยายสัญญาณและเสาอากาศ แต่ผู้ออกแบบระบบจำเป็นต้องพิจารณาการนำไปใช้งานถึงปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อการออกแบบระบบในการกระจายสัญญาณ เช่น ขนาด และ ตำแหน่ง ของเสาอากาศ พื้นที่ครอบคลุมการให้บริการ และการเข้าถึงช่องสัญญาณหลายหลายผู้ใช้, ทิศทางการส่งข้อมูล, และ ความแรงของสัญญาณ

Multiple Access
เนื่องจากช่วงความถี่ของคลื่นวิทยุมีจำกัด การแบ่งช่วงความถี่ เพื่อให้ผู้ใช้สามารถใช้งานได้พร้อมกันหลายคนเป็นเรื่องสำคัญ ในการติดต่อสื่อสารไร้สาย ได้แบ่งวิธีการเข้าใช้งานช่วงความถี่พื้นฐานออกเป็น 3 วิธีดังนี้

• FDMA - ใช้การแบ่งความถี่ ในการส่งข้อมูล โดยที่ผู้ใช้แต่ละคน สามารถใช้งานได้เฉพาะความถี่แคบ ที่กำหนดไว้
• TDMA - ใช้การแบ่งเวลาในการส่งข้อมูล โดยที่ผู้ใช้แต่ละคน สามารถใช้งานได้ทั้งช่วงความถี่ ในช่วงเวลาที่กำหนด
• CDMA - ใช้รหัสของแต่ละผู้ใช้ในการส่งข้อมูล โดยที่ผู้ใช้แต่ละคนสามารถใช้งานได้ทั้งช่วงความถี่และเวลาที่มีทั้งหมด แต่ข้อมูลที่จะส่งไปจะต้องมีการผสมรหัสเข้าก่อน (รายละเอียดเพิ่มเติม)

(Ref: http://www.umtsworld.com/technology/images/freqs.jpg)

Transmission Direction
ทิศทางการส่งข้อมูล แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือ

• Simplex  เป็นการส่งข้อมูลแบบทางเดียว ผู้รับไม่สามารถตอบกลับได้ เช่น ระบบวิทยุกระจายเสียง ระบบโทรศัพท์
• Half duplex เป็นการส่งข้อมูลแบบสองทาง แต่จะไม่สามารถส่งได้พร้อมกัน เช่น ระบบ Walkie-Talkie 
• Full duplex เป็นการส่งข้อมูลแบบสองทางในเวลาเดียวกัน สามารถส่งพร้อมกันได้ ซึ่งระบบการสื่อสารไร้สายปัจจุบัน เป็นการส่งแบบสองทางโดยใช้ ช่วงความถี่ที่รับ และ ส่ง คนละช่วงกันโดยมีตัวกรองสัญญาณช่วยในการแยกสัญญาณรับและส่ง

Switching
เป็นการสลับสัญญาณจากสายเส้นหนึ่ง (หรือความถี่หนึ่ง) ไปยังเส้นอื่น แบ่งการสลับการเชื่อมต่อเป็น 2 แบบคือ  Circuit switching ที่ใช้การสลับการเชื่อมต่อวงจร และ Packet switching ที่ใช้การห่อข้อมูลเป็นแพ็คเก็จก่อนส่งไปให้ตัวอุปกรณ์เป็นตัวสลับการส่งข้อมูล ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบบ Circuit switching


Signal strength
ความแรงของสัญญาณที่สามารถส่งไปถึงผู้รับ ซึ่งในการส่งข้อมูลแบบไร้สายจะมีความซับซ้อนมากกว่าแบบใช้สาย เนื่องจากปัจจัยที่สามารถรบกวนคลื่นวิทยุมีมากกว่า เช่น การกระจายของสัญญาณโดยรอบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า Electromagnetic interference (EMI) เกิดการเหนี่ยวนำขึ้น ตามสายไฟหรือสายสัญญาณซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการทำงานของระบบแบบคลื่นวิทยุ นอกจากนี้ ยังมีแสงอาทิตย์ เสาไฟฟ้าแรงสูง วัตถุต่าง ๆ ที่สะท้อน และ ลดทอนสัญญาณ (attenuation) ฯลฯ  ค่า Signal-to-Noise-Ratio (SNR) เป็นค่าที่ช่วยแสดงอัตราส่วนระหว่างสัญญาณข้อมูลกับสัญญาณรบกวน ยิ่งมีค่าสูง ยิ่งมีประสิทธิภาพดี เนื่องจากสัญญาณรบกวนมีผลต่อสัญญาณข้อมูลน้อยกว่า SNR ที่มีค่าต่ำ

Multipath distortion
ปัญหาการรบกวนที่เกิดจากคลื่นวิทยุกระจายไปหลายเส้นทาง แต่ละเส้นทางใช้เวลาในการเดินทางไม่เท่ากับ เมื่อผู้รับ ได้รับสัญญาณที่เกิดจากการรวมคลื่นที่ได้รับจากหลายเส้นทางก็จะทำให้สัญญาณที่รับได้นั้น ผิดเพี้ยนไปจากสัญญาณต้นฉบับที่ส่งไป

(Ref: http://www.cisco.com/c/dam/en/us/support/docs/wireless-mobility/wireless-lan-wlan/27147-multipath-1.gif)

วิธีแก้ไขปัญหานี้ คือการใช้เสาอากาศแบบทางตรง (Directional antenna) เพื่อลดการกระจายของเส้นทางของสัญญาณ ให้สัญญาณส่งไปในทิศทางเดียว, ติดตั้งตัวขยายสัญญาณที่ฝั่งรับเพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณ (เพิ่ม SNR) หรือ ให้ฝั่งส่ง ส่งสัญญาณเหมือนกัน แต่ส่งที่ความถี่อื่น เพื่อใช้ตรวจสอบข้อมูลที่ได้รับ

อย่างไรก็ดี ในมาตรฐานการรับส่งคลื่นวิทยุแบบใหม่ ที่ใช้เสาอากาศหลายเสา ใช้ความได้เปรียบในจุดนี้ ช่วยในการตรวจสอบสัญญาณที่ได้รับเพื่อปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณให้ดีขึ้น


Standard
มาตรฐานเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อให้อุปกรณ์ที่ผลิตขึ้นมาสามารถทำงานร่วมกันได้ และบริษัทผู้ผลิตก็สามารถแข่งขันการผลิตกัน ทำให้ผู้บริโภคมีตัวเลือกในการเลือกสินค้าที่มีราคาคุ้มค่ากว่า มาตรฐานแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

• De Facto (เดอแฟคโต) เป็นมาตรฐานแบบไม่ได้เป็นทางการ  เสมือนเป็นข้อตกลงที่ผู้ใช้รับทราบร่วมกัน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล มักจะติดตั้งไมโครซอฟต์วินโดส์ (De facto standard)
• De jure (เดอจูเร่) เป็นมาตรฐานแบบเป็นทางการ ที่กำหนดโดยองค์กรกำหนดมาตรฐาน เช่น Request For Comments (RFC) ที่ออกมาตรฐานเกี่ยวกับอินเทอร์เน็ต ซึ่งจะมีกระบวนการพัฒนามาตรฐาน ตรวจสอบ และควบคุมก่อนจะ ออกประกาศใช้งาน

เนื่องจากการกำหนดมาตรฐานบางอย่าง กินเวลานาน ในขณะที่สินค้าจำเป็นต้องวางจำหน่ายแล้ว ทำให้เกิดการรวมกลุ่มอุตสาหกรรม หรือองค์กรต่าง ๆ ที่มีวัตถุประสงค์ในการใช้งานทรัพยากรบางอย่างร่วมกัน เรียกว่า Consortia

Book ref: J. L. Llenewa, Guide to wireless Communications, 3rd edition ISBN: 978-1-111-54569-7