Research

การทดสอบมาตรฐานเครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็ม (ตอนที่ 1)


อาจารย์โชคชัย แสงดาว  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม  
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
29 สิงหาคม 2556  

1. บทนำ
     
เครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มที่ใช้สำหรับการออกอากาศกระจายเสียงของประเทศไทยในปัจจุบันมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตัวอย่างเช่นสถานีวิทยุชุมชนต่างๆ ซึ่งการออกอากาศกระจายเสียงพร้อมๆกันอาจจะก่อให้เกิดปัญหาการรบกวนสัญญาณระหว่างสถานีวิทยุด้วยกันเองที่เครื่องรับของผู้รับฟัง และอาจจะรบกวนสัญญาณวิทยุการบินหรือเครื่องมือทางการแพทย์อีกด้วยหากอยู่ใกล้บริเวณที่มีกำลังเครื่องส่งสูงๆ การป้องกันปัญหาดังกล่าวนั้นเครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มที่จะสามารถใช้ได้กับการทดลองประกอบกิจการวิทยุกระจายเสียงทุกประเภทภายในประเทศไทยจะต้องมีคุณสมบัติเป็นไปตามข้อกำหนดและข้อบังคับของคณะกรรมการกิจการกระจายเสียง กิจการโทรทัศน์ และกิจการโทรคมนาคมแห่งชาติที่อ้างอิงจากมาตรฐานของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (International Telecommunication Union ; ITU), สถาบันมาตรฐานทางโทรคมนาคมยุโรป (European Telecommunication Standard Institute ; ETSI), คณะกรรมาธิการด้านเทคนิคไฟฟ้าสากล (International Electrotechnical Commission ; IEC) และสำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม กระทรวงอุตสาหกรรม โดยมาตรฐานต่างๆเหล่านี้ประกอบไปด้วยมาตรฐานด้านการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ มาตรฐานด้านความปลอดภัยทางไฟฟ้า (Electrical Safety Requirement) และมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.) ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งกับการใช้งานเครื่องส่งวิทยุกระจายเสียงโดยมีข้อความสำคัญดังนี้

     1.1) มาตรฐานด้านการแพร่กระจายคลื่นจากเครื่องส่งวิทยุ ประกอบด้วย
     กำลังคลื่นพาห์ที่กำหนด (Rated Carrier Power) หมายถึงกำลังคลื่นพาห์ของเครื่องส่งวิทยุกระจายเสียงตามผู้ผลิตแจ้งไว้ โดยกำลังคลื่นพาห์ หมายถึงกำลังเฉลี่ย (Average Power) ที่ส่งไปยังโหลดหุ่น (Dummy Load) ในสภาวะที่ไม่มีการมอดูเลต (Unmodulate) ซึ่งค่ากำลังคลื่นพาห์ที่ทดสอบจากการทดสอบจะต้องมีค่าไม่เกิน 0.5 dB ของกำลังคลื่นพาห์ที่กำหนด (ETSI EN 302 018-1 V1.2.1 (2006-03)) [1] สำหรับในประเทศไทยกำลังคลื่นพาห์กำหนดให้ไม่เกิน 500 วัตต์ ดังนั้นกำลังส่งคลื่นพาห์จะต้องอยู่ระหว่าง 445.5 วัตต์ ถึง 561 วัตต์ หรือระหว่าง 56.5 dBm ถึง 57.5 dBm โดยการวัดกำลังคลื่นพาห์ที่กำหนดสามารถกระทำได้ 2 วิธี จากการอาศัยอุปกรณ์ลดทอนสัญญาณ (Attenuator) อุปกรณ์เชื่อมต่อสัญญาณ (Coupling Device) โหลดหุ่น (Dummy Load) และเครื่องวิเคราะห์สเปคตรัม (Spectrum Analyzer) หรือมิเตอร์วัดกำลังงาน (Power Meter) ดังแสดงไดอะแกรมในรูปที่ 1 ก) และ ข) ตามลำดับ

ก)

ข)

รูปที่ 1 ไดอะแกรมการวัดกำลังคลื่นพาห์ที่กำหนด
ก) วิธีที่ 1     ข) วิธีที่ 2

     กำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำ (Conducted Spurious Emission) หมายถึงการแพร่ที่ขั้วต่อสายอากาศที่ความถี่วิทยุใดๆที่อยู่นอกเหนือความกว้างแถบความถี่ที่จำเป็น (Necessary Bandwidth) และหมายความรวมถึงการปล่อยฮาร์มอนิก (Harmonic Emission) ซึ่งเป็นความถี่ทวีคูณตั้งแต่สองเท่าขึ้นไปของความถี่หลักมูล (Fundamental Frequency)  การปล่อยพาราซิติก (Parasitic Emission) อันเกิดจากความไม่เที่ยงตรงของแหล่งกำเนิดความถี่ออสซิลเลเตอร์ประจำเครื่อง (Local Oscillator) ผลจากการมอดูเลตระหว่างกัน (Intermodulation Product) และผลจากการแปลงความถี่ (Frequency Conversion Product) แต่ไม่รวมถึงการปล่อยคลื่นนอกแถบ(ITU-R SM.329-11 (2011-01)) [2] กำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำนี้จึงมีค่าไม่เกิน 70 dBc หรือ 46+10 Log (P) เมื่อ P คือกำลังคลื่นพาห์ที่กำหนด (วัตต์) วิธีการวัดกำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำมี 2 วิธีเช่นเดียวกันซึ่งจะอาศัยอุปกรณ์ลดทอนสัญญาณ อุปกรณ์กรองหยุดแถบความถี่ (Band Pass Filter) อุปกรณ์เชื่อมต่อสัญญาณ โหลดหุ่น เครื่องวิเคราะห์สเปคตรัมหรือชุดทดสอบการสื่อสารความถี่วิทยุ (RF Communication Test Set) ดังแสดงในรูปที่ 2 ก) และ ข)

ก)

ข)

รูปที่ 2 ไดอะแกรมการวัดกำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำ
ก) วิธีที่ 1     ข) วิธีที่ 2

     การปล่อยคลื่นนอกแถบ (Out-of-Band Emission) หมายถึงการแพร่ที่ขั้วต่อสายอากาศที่ความถี่วิทยุใดๆที่อยู่นอกเหนือแถบความถี่จำเป็นในขณะที่มีการมอดูเลตความถี่เสียงตามที่กำหนด โดยไม่รวมถึงกำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำ(ETSI EN 302 018-1 V1.2.1 (2006-03)) [3] ซึ่งมาตรฐานการทดสอบการปล่อยคลื่นนอกแถบจะกำหนดให้ระดับสัญญาณเสียงช่องซ้าย (Ch L.) มีค่าน้อยกว่าระดับสัญญาณเสียงช่องขวา (Ch R.) 6 dB และก่อนการทดสอบจะต้องเปิดเครื่องส่งไว้อย่างน้อย 30 นาที เพื่อให้เครื่องส่งวิทยุมีอุณหภูมิคงที่

ก)

ข)

รูปที่ 3 การวัดการปล่อยคลื่นนอกแถบ
ก) วิธีที่ 1     ข) วิธีที่ 2

     การทดสอบสัญญาณจะวัดที่ตำแหน่งความถี่ต่ำสุด ความถี่กึ่งกลาง และความถี่สูงสุดของช่องสัญญาณที่ต้องการ โดยอาศัยมิเตอร์วัดสัญญาณรบกวน (Noise Meter) และเครื่องกำเนิดสัญญาณวิทยุ (AF Signal Generator) เป็นอุปกรณ์เสริมดังแสดงในรูปที่ 3 ก) และ ข)
     
ความผิดพลาดความถี่ (Frequency Error) หมายถึงค่าแตกต่างระหว่างความถี่คลื่นพาห์ในขณะที่ไม่มีการมอดูเลตกับความถี่ที่ระบุ (Nominal Frequency) ของภาคเครื่องส่งวิทยุกระจายเสียง (ETS 300 384) [4] โดยค่าความผิดพลาดความถี่จะต้องไม่เกิน 2 กิโลเฮิรตซ์ วิธีการวัดความผิดพลาดความถี่แสดงไดอะแกรมดังรูปที่ 4 ก) และ ข)
     
การเบี่ยงเบนความถี่ (Frequency Deviation) หมายถึงค่าแตกต่างที่มากที่สุดระหว่างความถี่ขณะใดขณะหนึ่ง (Instantaneous Frequency) เมื่อมีการมอดูเลตกับความถี่คลื่นพาห์ในขณะที่ไม่มีการมอดูเลต (ETSI EN 302 018-1 V1.2.1 (2006-03)) [3] ควรมีค่าไม่เกิน 75 กิโลเฮิรตซ์ สำหรับการวัดการเบี่ยงเบนความถี่จะอาศัยเครื่องกำเนิดสัญญาณวิทยุและเครื่องวิเคราะห์สเปคตรัมหรือชุดทดสอบการสื่อสารความถี่วิทยุเป็นอุปกรณ์หลักดังแสดงในรูปที่ 5 ก) และ ข)

ก)

ข)

รูปที่ 4 การวัดความผิดพลาดความถี่
ก) วิธีที่ 1     ข) วิธีที่ 2

ก)

ข)

รูปที่ 5 การวัดการเบี่ยงเบนความถี่
ก) วิธีที่ 1     ข) วิธีที่ 2

     1.2) มาตรฐานความปลอดภัยสำหรับสุขภาพจากการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์ต่างๆ ปัจจุบันมีทั้งมาตรฐานความปลอดภัยทางไฟฟ้า (IEC 60950-1 : Information Technology Equipment-Safety Part 1 : General Requirements) [5] มาตรฐานความปลอดภัยของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU-T K.70 : Mitigation Techniques to Limit Human Exposure to EMFs in the Vicinity of Radiocommunication Stations) [6] และมาตรฐานความปลอดภัยต่อสุขภาพของมนุษย์จากการใช้เครื่องวิทยุคมนาคม (กทช. มท. 5001-2550) ตามประกาศ กทช. เรื่อง “หลักเกณฑ์และมาตรการกำกับดูแลความปลอดภัยต่อสุขภาพมนุษย์จากการใช้เครื่องวิทยุโทรคมนาคม” กำหนดไว้ว่าแบ่งออกเป็น 3 ประเภทได้แก่ 1) เครื่องวิทยุโทรคมนาคมซึ่งส่วนประกอบที่สามารถแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ใกล้ชิดบริเวณศรีษะหรืออยู่ห่างจากร่างกายน้อยกว่า 20 เซนติเมตรในตำแหน่งใช้งานปกติ ตัวอย่างเช่นโทรศัพท์เคลื่อนที่ในระบบต่างๆ 2) เครื่องวิทยุโทรคมนาคมซึ่งส่วนประกอบที่สามารถแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ห่างจากร่างกายไม่น้อยกว่า 20 เซนติเมตร ในตำแหน่งใช้งานปกติตัวอย่างเช่น ระบบ RFID หรือระบบเรดาร์ติดรถยนต์ที่มีกำลังส่งเกิน 100 มิลลิวัตต์ และ 3) เครื่องวิทยุโทรคมนาคมซึ่งติดตั้งอยู่กับที่ถาวรและมีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าครอบคลุมบริเวณกว้างตัวอย่างเช่น สถานีฐานระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ทุกระบบ สถานีแม่ข่ายในกิจการวิทยุสมัครเล่น และสถานีฐานหรือสถานีประจำที่ในกิจการเคลื่อนที่ทางบกจะต้องมีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะความหนาแน่นกำลังงาน (Power Density) ไม่เกิน 2 วัตต์ต่อตารางเมตร สำหรับบุคคลทั่วไป และต้องไม่แผ่ความหนาแน่นกำลังงานเกิน 10 มิลลิวัตต์ต่อตารางเมตร สำหรับผู้ปฏิบัติงาน

     1.3) มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก. 1561-2548 : บริภัณฑ์เทคโนโลยีสารสนเทศเฉพาะด้านความปลอดภัย : ข้อกำหนดทั่วไป) ซึ่งประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 123 ตอนที่ 60 ง หน้า 8 (ท้ายประกาศ 226 หน้า) วันที่ 22 มิถุนายน พ.ศ. 2549 [7] ได้กำหนดหลักเกณฑ์ทั่วไปของอุปกรณ์ไฟฟ้าและโทรคมนาคมเกี่ยวกับการป้องกันอันตรายจากกระแสไฟฟ้า การใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้า ข้อกำหนดทางกายภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้า ข้อกำหนดทางไฟฟ้าและสภาวะผิดปกติจำลอง ตลอดจนวิธีการเชื่อมต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าเข้ากับโครงข่ายโทรคมนาคมเป็นต้น

2. เครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มสเตอริโอ
     
เครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มสเตอริโอเป็นหัวใจหลักของการทดลองประกอบกิจการวิทยุกระจายเสียง โดยหลักการพื้นฐานของเครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มสเตอริโอประกอบด้วยสัญญาณเสียงพูดด้านซ้าย (L) และด้านขวา (R) ที่ถูกนำมารวมกันเป็นสัญญาณ L+R และหักล้างกันเป็นสัญญาณ L-R หลังจากนั้นนำสัญญาณ L-R ไปมอดูเลตแบบเอเอ็มชนิดแอมปลิจูดแบบสัญญาณแถบข้างคู่ไร้คลื่นพาห์ (AM Double Sideband Suppressed Carrier ; AM DSB-SC) กับสัญญาณพาห์รอง (Subcarrier) ที่สร้างจากวงจรออสซิลเตอร์ (ณ ที่นี้กำหนดให้ความถี่ออสซิลเตอร์เท่ากับ 38 กิโลเฮิรตซ์) เพื่อไม่ให้เกิดการรบกวนกันเองระหว่างสัญญาณ L+R กับสัญญาณ L-R สัญญาณ L-R ที่ผ่านการมอดูเลตกับคลื่นพาห์รองจะไปรวมกับสัญญาณนำร่อง (Pilot Signal) จากการนำเอาคลื่นพาห์รองมาหารลงครึ่งหนึ่ง แล้วนำมารวมกับสัญญาณ L+R อีกครั้งหนึ่งจึงได้เป็นสัญญาณเสียงระบบสเตอริโอ (สัญญาณนำร่องที่ถูกส่งออกไปพร้อมกับสัญญาณเสียงมีไว้สำหรับการกู้สัญญาณพาห์รองที่เครื่องรับกลับคืน) หลังจากนั้นสัญญาณเสียงระบบสเตอริโอนี้จะถูกนำไปมอดูเลตแบบเอฟเอ็มกับสัญญาณพาห์หลัก (Main Carrier) ด้วยความถี่ระหว่าง 87.5 เมกะเฮิรตซ์ ถึง 107.75 เมกะเฮิรตซ์ (ขึ้นอยู่กับช่องสัญญาณที่ใช้) ภายในวงจรเอ็กซ์ไซเตอร์แบบเอฟเอ็ม (FM Exciter) ที่ประกอบด้วยวงจรออสซิลเตอร์ประจำเครื่อง และวงจรมอดูเลตแบบเอฟเอ็ม (FM Modulator) แล้วขยายสัญญาณให้แรงขึ้นด้วยวงจรขยายกำลัง (Power Amplifier) พร้อมทั้งกรองความถี่ที่ต้องการส่งด้วยวงจรกรองแบบผ่านต่ำ (Low Pass Filter) ก่อนส่งออกอากาศผ่านระบบสายอากาศ (Antenna) [8] ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 บล็อกไดอะแกรมเครื่องส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มสเตอริโอ

     เครื่องส่งที่ดีนอกจากจะมีกำลังส่งสูงอย่างเหมาะสมแล้วจะต้องไม่สร้างสัญญาณรบกวนแก่ผู้อื่นโดยเฉพาะการปล่อยคลื่นนอกแถบ กำลังปล่อยออกปลอมเทียมโดยการนำ ความผิดพลาดความถี่ และการเบี่ยงเบนความถี่ ตลอดจนสามารถออกแบบสร้างง่าย คุณภาพดี ทนทาน ค่าบำรุงรักษาต่ำ ดังนั้นการเลือกใช้เครื่องส่งควรตรวจสอบคุณสมบัติให้มีความสอดคล้องกับการใช้งานเพี่อไม่สร้างปัญหาในการออกอากาศวิทยุกระจายเสียง

     "ในตอนหน้าจะกล่าวถึงอุปกรณ์เครื่องมือและวิธีการทดสอบยังไงติดตามกันด้วยนะครับ"

<< ย้อนกลับ