เครื่องรับ-ส่งวิทยุ AM

เครื่องรับวิทยุ AM แบบ Superheterodyne 
วิทยุกระจายเสียงแบบ AM จะ มีช่วงความถี่อยู่ที่ประมาณ 535 KHz - 1,605 KHz แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHz ความถี่ IF เท่ากับ 455 KHz

AM radio is broadcast on several frequency bands 
วิทยุกระจายเสียงระบบ AM ส่งออกอากาศ ด้วยหลายช่วงความถี่

• วิทยุคลื่นยาว หรือ Long wave ,LW ออกอากาศที่ความถี่ 153 kHz–279 kHz สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 9 KHz
• วิทยุคลื่น ปานกลาง หรือ Medium wave , MW ออกอากาศที่ความถี่ 535 kHz–1,605 kHz. แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 10 KHz
• วิทยุคลื่นสั้น หรือ Short wave , SW ออกอากาศที่ความถี่ 2.3 MHz – 26.1 MHz โดยจะแบ่งออกเป็น 15 ช่วงความถี่ย่อย แต่ละ สถานีจะมี Bandwidth ประมาณ 5 KHz ช่วงความถี่นี้จะเดินทางได้ไกล ที่สุด

ตัวอย่างเครื่องรับ วิทยุคลื่นสั้น

RF Amplifier ทำหน้าที่ขยายสัญญาณวิทยุที่รับเข้ามาจากสายอากาศ ในส่วนนี้จะมีวงจร Tune เลือกรับมาเฉพาะ ความถี่ช่วง 535 KHz - 1,605 KHz

สายอากาศของเครื่องรับวิทยุแบบ AM

วงจร Mixer 
ทำหน้าที่ผสมคลื่น จากภาค RF amp. และ Local Oscillator สัญญาณที่ออกมาทั้งหมด มี 4 ส่วนคือ

1. ความถี่ RF ที่รับเข้ามา 
2. ความถี่ OSC ที่ส่งมาจาก Local Oscillator 
3. ความถี่ผลต่างระหว่าง OSC กับ RF (OSC - RF) = IF = 455 KHz 
4. ความถี่ผลบวกระหว่าง OSC กับ RF (OSC + RF)

ความถี่ที่ส่งไปยัง ภาค IF มีความถี่เดียวคือ ความถี่ ผลต่าง 455 KHz ชึ่งไม่ว่า RF จะรับความถี่ใดเข้ามา IF ก็ยังคงเท่าเดิม

วงจร Local Oscillator หรือวงจร OSC. ทำหน้าที่ผลิดความถี่ขึ้นมา มีความแรงคงที่ ส่วนความถี่จะเปลี่ยนแปลงได้ ตาม RF ที่รับเข้ามา ซึ่งภาค OSC จะผลิดความถี่ขึ้นมาสูงกว่า RF เท่ากับ IF คือ 455 KHz เสมอ เช่น รับสัญญาณ AM จากสถานี ความถี่ 600 KHz ความถี่ของวงจร OSC

FOSC = fRF + fIF 
= 600 KHz + 455 KHz 
= 1,055 KHz

ในวิทยุ AM บางรุ่น อาจจะรวม ภาค Mixer กับ OSC เข้าด้วยกัน เรียกว่า Converter ถ้ารวม 3 วงจรเข้าด้วยกัน คือ RF Amp + Mixer + OSC. เราจะเรียกว่า ภาค Front End

รูปความถี่ Local OSC. ที่ความถี่ต่ำสุดของวิทยุ AM

รูปความถี่ Local OSC. ที่ความถี่สูงสุดของวิทยุ AM

Superheterodyne AM radio front end with improved front end filtering จากรูป ตัวอย่าง เป็นวงจรวิทยุ AM แบบ Superheterodyne ที่เพิ่มวงจรกรองสัญญาณเข้าไป วงจรกรอง เป็น L และ C ก่อนที่จะเข้าวงจร Mixer สมมุติว่าเราต้องการรับสัญญาณที่ความถี่ 1,490 KHz วงจร OSC จะผลิตความถี่ขึ้นมา 1,945 KHz และความถี่ IF ก็เป็น 455 KHz จากรูป การเปลี่ยนความถี่ ของ RF และ OSC เราจะทำพร้อมกันโดย เปลียนค่าของ C

dual ganged-variable capacitor

วงจร IF Amp คำว่า IF ก็คือ Intermediate Frequency คือความถี่ปานกลาง เกิดจากผลต่างของ วงจร OSC กับ RF ที่รับเข้ามา จะได้ความถี่ IF 455 KHz วงจรนี้จะขยายสัญญาณ 455 KHz เพื่อให้แรงขึ้นก่อนส่งไปยัง วงจร Detector ต่อไป

วงจร AM detector

ทำหน้าที่ตัดสัญญาณ IF ออกครึ่งหนึ่งและกรองเอาความถี่ IF ออก เหลือเฉพาะความถี่เสียง (AF) ส่งต่อไปยัง ภาคขยายเสียง มีสัญญาณบางส่วนจะถูก กรองเป็นไฟ DC ส่งย้อนกลับไปยังภาคขยาย IF เป็นแรงไฟ AGC (Automatic Gain Control) ทำให้ความแรงของสัญญาณที่รับได้มีขนาดใกล้เคียงกัน

การมอดูเลตทางแอมพลิจูด

การมอดูเลตแบบ AM นั้น เราใช้สัญญาณข่าวสาร สมมติว่าให้สัญญาณเสียงมอดูเลตลงบนสัญญาณพาหะ เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางแอมพลิจูด (หรือขนาด)ของพาหะ ในรูปที่ 1.8 เราใช้สัญญาณพาหะ (ก) ผสมกับสัญญาณเสียง (ข) ลงในวงจรนอนลิเนียร์ (nonlinear) เช่น ใช้ไดโอดหรือทรานซิสเตอร์โดยให้มีจุดทำงานอยู่ในบริเวณที่ไม่เป็นลิเนียร์ ในอุปกรณ์แบบนอนลิเนียร์จะทำให้เกิดสัญญาณ AM ดังรูปที่ 1.8 (ค) ขึ้น จะสังเกตว่าสัญญาณพาหะซึ่งถูกมอดูเลตแล้วจะมีแอมพลิจูด (ขนาด) เปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง สัญญาณเสียงที่ปนอยู่ในสัญญาณ AM จะเป็นกรอบคลื่น (envelope) บนและล่าง ดังเช่นรูปที่1.9 (ก) เป็นสัญญาณเสียงที่มีแอมพลิจูดขนาดหนึ่ง โดยรูปที่ 1.9 (ข) คือสัญญาณ AM ที่มีสัญญาณเสียงแอมพลิจูดเล็กลงดังรูปที่ 1.9 (ค) สัญญาณ AM ที่เกิดขึ้นก็จะมีกรอบ (การเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูด) เล็กลงด้วย ดังรูปที่ 1.9 (ง)

Click for full-size image

รูปที่1.8 การมอดูเลตทางแอมพลิจูดโดยใช้อุปกรณ์นอนลิเนียร์

Click for full-size image

รูปที่1.9 การใช้สัญญาณเสียงที่มีขนาดมากและน้อยเพื่อมดดูเลตบนคลื่นพาหนะ

เปอร์เซ็นต์ของการมอดูเลต

ในรูปที่ 1.9 จะเห็นว่าปริมาณการมอดูเลตของสัญญาณเสียงลงบนพาหะไม่เท่ากัน สังเกตได้ว่า แอมพลิจูดของพาหะเปลี่ยนแปลงในรูปที่ 1.9 (ข) และเปลี่ยนแปลงน้อยในรูปที่ 1.9 (ง) ปริมาณการมอดูเลตนี้นิยมวัดเปอร์เซ็นต์การมอดูเลตเท่ากับศูนย์ (0 เปอร์เซ็นต์) ในรูปที่ 1.10 (ก) สมมติว่า พาหะมีแอมพลิจูดจากยอดบวกถึงยอดลบเท่ากับ 40 Vp-p

ในรูปที่ 1.10 (ข) พาหะถูกมอดูเลตด้วยสัญญาณเสียงเต็มที่ 100 เปอร์เซ็นต์ แอมพลิจูดของพาหะจะตกลงมาถึงศูนย์และแอมพลิจูดยอดบวกถึงยอดลบของพาหะจะให้สูงสุด 80 V p-p อย่างไรก็ตาม ค่าแอมพลิจูดโดยเฉลี่ยของพาหะยังคงเป็น 40 Vp-p เท่าเดิม

ในรูปที่ 1.10 (ค) พาหะถูกมอดูเลตเพียง 50 เปอร์เซ็นต์ แอมพลิจูดของคลื่นพาหะสูง 60 V p-p และต่ำสุด 20 Vp-p แอมพลิจูดของพาหะเท่ากับ 40 Vp-pเช่นเดิม เราสามารถใช้สูตรคำนวณได้ดังสมการต่อไปนี้

เปอร์เซ็นต์การมอดูเลต =

ดูตัวอย่างการคำนวณของรูปที่ 1.10 (ค)

รูปที่1.10 การวัดเปอร์เซ็นต์การมอดูเลต

ปกติเราต้องการให้เปอร์เซ็นต์การมอดูเลตมีค่าสูงสุด เพื่อว่า สัญญาณเสียงที่รับได้ที่เครื่องรับจะมีกำลังแรง (เสียงดัง) ดูรูปที่ 1.11 เนื่องจากเครื่องรับ AMจะเปลี่ยนคลื่น AM เป็นสัญญาณเสียง โดยการแยกเอาแต่เฉพาะสัญญาณที่เข้าไปมอดูเลตลงบนพาหะกลับคืนจากคลื่น AM คือดีมอดนั่นเอง สัญญาณเสียงที่รับได้ในกรณีที่ว่ามอดูเลตมาแรง (เปอร์เซ็นต์มอดูเลตมีค่าสูง) จะได้เสียงดังกว่า นั่นคือ ในที่นี้รูปที่ 1.11 (ข) จะให้สัญญาณเสียงดังกว่ารูปที่ 1.1 (ก)เพราะเปอร์เซ็นต์การมอดูเลตมากกว่า

อย่างไรก็ตามการมอดูเลตต้องไม่สูงเกินไป (ไม่เกิน 100 เปอร์เซ็นต์) เพราะจะทำให้สัญญาณเสียงที่ได้รับที่ได้ที่เครื่องรับเกิดความเพี้ยน การมอดูเลตมากเกินไปนี้เรียกว่าการมอดูเลตเกิน (overmodulation) หรือเรียกย่อ ๆ ว่า โอเวอร์มอด จะเห็นว่าแอมพลิจูดสัญญาณ AM ลดลงได้ไม่ต่ำกว่าศูนย์ ไม่ว่าจะมอดูเลต

Click for full-size image

รูปที่11 แอมพลิจูดของสัญญาณเสียงที่ดีมอดคืนมาได้ที่เครื่องรับจะมีความแรงมากน้อยขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของมอดูเลต

คลื่นวิทยุ (Radio waves) หรือ เรียกได้อีกชื่อหนึ่งว่า คลื่นพาหะ Carier Wave เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในช่วงความถี่วิทยุบนเส้นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นวิทยุไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ใช้ในการสื่อสารมี 2 ระบบคือ A.M. และ F.M. ความถี่ของคลื่น หมายถึง จำนวนรอบของการเปลี่ยนแปลงของคลื่น ในเวลา 1 นาที คลื่นเสียงมีความถี่ช่วงที่หูของคนรับฟังได้ คือ ตั้งแต่ 20 เฮิร์ตถึง 20 กิโลเฮิรตรซ์ (1 KHz =1,000 Hz) ส่วนคลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง อาจมีตั้งแต่ 3 KHz ไปจนถึง 300 GHz (1 GHz = พันล้าน Hz) คลื่นวิทยุแต่ละช่วงความถี่จะถูกกำหนดให้ใช้งานด้านต่างๆ ตามความเหมาะสม
ประวัติและความเป็นมา   
      James Clerk Maxwell เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้ค้นพบระหว่างการตรวจสอบทางคณิตศาสตร์ เมื่อ ปี ค.ศ. 1865 จากการสังเกตคุณสมบัติของแสงบางประการที่คล้ายคลึงกับคลื่น และคล้ายคลึงกับผลการเฝ้าสังเกตกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็ก เขาจึงนำเสนอสมการที่อธิบายคลื่นแสงและคลื่นวิทยุในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางในอวกาศ ปี ค.ศ. 1887 เฮนริค เฮิร์ตซ ได้สาธิตสมการของแมกซ์เวลล์ว่าเป็นความจริงโดยจำลองการสร้างคลื่นวิทยุขึ้นในห้องทดลองของเขา หลังจากนั้นก็มีสิ่งประดิษฐ์ต่างๆ เกิดขึ้นมากมาย และทำให้เราสามารถนำคลื่นวิทยุมาใช้ในการส่งข้อมูลผ่านห้วงอวกาศได้
     เมื่อ พ.ศ. 2431 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเชื้อสายยิวผู้หนึ่งชื่อ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ ได้ค้นพบ คลื่นเเม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่เกิดจากการสปาร์ก การค้นพบครั้งนี้ถือได้ว่าเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญที่สุดครั้งหนึ่ง เพราะต่อมาได้มีการนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เฮิรตซ์ค้นพบ (ซึ่งในสมัยนั้นเรียกว่า คลื่นเฮิรตซ์ (Hertzian waves) โดยใน พ.ศ. 2441 มาร์โคนี นักประดิษฐ์ชาวอิตาเลียน สามารถสร้างระบบส่งและรับโทรเลขโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เป็นผลสำเร็จถัดมาอีก 3 ปี คือ ใน พ.ศ. 2444 มาร์โคนี ประสบความสำเร็จครั้งใหญ่เมื่อสามารถส่งคลื่นเฮิรตซ์ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก จากประเทศอังกฤษไปยังนิวฟาวน์แลนด์ ประเทศคานาดา ความสำเร็จของมาร์โคนีเป็นการเปิดโฉมหน้าใหม่ของการติดต่อสื่อสารระยะไกลโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นครั้งแรก มีผลทำให้การสื่อสารเป็นไปอย่างสะดวกและรวดเร็ว ต่อมาเมื่อมีการผสมสัญญาณเสียง สัญญาณภาพเข้ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ก็ทำให้เกิดวิทยุกระจายเสียง และวิทยุโทรทัศน์