สารบัญ

ฮอบ (HOP)

        หน่วยที่ใช้บอกแทนหนึ่งช่วงของระบบการสื่อสาร เนื่องจากระยะในการสื่อสารระหว่างสถานีมีค่าจำกัด การเพิ่มระยะทางในการสื่อสารจึงจำเป็นต้อง
        เพิ่มสถานีทวนสัญญาณระหว่างกลาง เพื่อส่งต่อการสื่อสารไปให้ถึงปลายทาง เช่น สถานี ก. สื่อสารกับ สถานี ข. เรียกว่าเป็น ๑ ฮอบ
        หากสถานี ก. สื่อสารกับสถานี ง. ก็เรียกว่า ๓ ฮอบ เพราะต้องสื่อสารผ่านสถานี ข. และสถานี ค. ด้วย

ระยะเส้นสายตา (Line of Sight)

        ระยะระหว่างสถานีสื่อสาร ที่ผู้สังเกตุการณ์บนสถานีต้นทางสามารถมองเห็นสถานีปลายทางได้ โดยไม่มีขอบโลกหรือวัตถุใด ๆ
        บนพื้นโลก มาบดบังการมองเห็น ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในระบบสื่อสารนั้น ๆ เดินทางเป็นเส้นตรง จึงเปรียบได้
        กับการมองเห็นของมนุษย์

๒. บทคัดย่อ

การสื่อสารด้วยไมโครเวฟเป็นการสื่อสารไร้สายที่มีแถบความถี่ใช้งานกว้าง ครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ ๑จิกะเฮิร์ตซ์ ถึง ๓๐ จิกะเฮิร์ตซ์ เทียบได้กับความยาวคลื่นในช่วง ๓๐ เซนติเมตร ถึง ๑ เซนติเมตร มีลักษณะการใช้งานแบบจุดต่อจุดเพื่อเชื่อมโยงเครือข่ายการสื่อสารข้อมูลทั้งแบบทางเดียวและสองทางเข้าด้วยกัน เปรียบเป็นกระดูกสันหลังของระบบสื่อสาร การสื่อสาร เริ่มขึ้นที่สถานีต้นทางโดย เสียง ภาพเคลื่อนไหวหรือข้อมูลอื่นใดๆ จำนวนหลายช่องสัญญาณจะถูกเปลี่ยนมาอยู่ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัลที่เหมาะสม ก่อนทำการแปลงเป็นสัญญาณวิทยุและส่งไปยังสถานีปลายทางผ่านระบบสายอากาศแบบมีทิศทาง ดังนั้นจึงพบการใช้งานไมโครเวฟประกอบเป็นส่วนหนึ่ง ในระบบสื่อสารต่าง ๆ เช่น ระบบวิทยุกระจายเสียง ระบบโทรศัพท์พื้นฐาน ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ และระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ เป็นต้น

Abstract

Microwave communication is a kind of broadband wireless communication system utilized frequency band from 1Ghz to 30Ghz corresponded to 30 centimeter and 1 centimeter wavelength respectively. Its network is configured in one way or two ways point to point configuration linking two stations together. It serves as the backbone. Sound, video, and other kind of information are converted to appropriated-digital format before modulation with radio carrier and then transferred to another station via directional antenna system.
Basically, microwave communication is integrated to be a part with other communication system such as in radio broadcasting system, telephone network, mobile telephone network, and computer communication network.

๓. บทนำ

คลื่นไมโครเวฟ โดยอ้างอิงจากย่านความถี่ (๑ จิกะเฮิร์ตซ์ ถึง ๑๐๐ จิกะเฮิร์ตซ์) มีการประยุกต์ใช้หลากหลายรูปแบบ เช่น ระบบสื่อสารผ่าน
ดาวเทียม ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ระบบนำทาง ระบบตรวจสอบวัตถุต้องสงสัยหรือเรดาห์ (Radar) ตลอดจนใช้ในตู้อบไมโครเวฟเพื่อทำความร้อนให้กับอาหาร สำหรับระบบสื่อสารโทรคมนาคม คลื่นไมโครเวฟจะมีบทบาทหลักในการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูล ในรูปแบบของการสื่อสารไร้สาย (Microwave Link) ที่ใช้งานความถี่ตั้งแต่ ๒ จิกะเฮิร์ตซ์ขึ้นไป ดังแสดงในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ แถบความถี่ย่านไมโครเวฟ

จากรูปที่ ๒ แสดงภาพส่วนหนึ่งของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นตัวอย่างการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูลระหว่างสถานีฐานกับชุมสายโทรศัพท์เคลื่อนที่แบ่งได้เป็น ๔ รูปแบบ คือ ๑) แบบใช้สาย ผ่านคู่สายเช่าของเครือข่ายโทรศัพท์แบบดิจิทัล ๒) แบบไร้สาย ผ่านคลื่นวิทยุย่านความถี่ ๘๐๐
เมกะเฮิร์ตซ์ ๓) แบบไร้สาย ผ่านคลื่นไมโครเวฟ และ ๔) แบบใช้สายเส้นใยนำแสง

รูปที่ ๒ รูปแบบการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูลของเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่

ในการใช้งานจะมีการเลือกใช้รูปแบบการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูล ที่เหมาะสมกับสถานที่และลักษณะการใช้งาน กล่าวคือ หากมีความต้องการด้านความจุของระบบสื่อสาร (ข้อมูลปริมาณมาก) การสื่อสารผ่านคู่สายเช่า คลื่นไมโครเวฟและเส้นใยนำแสงจะเป็นทางเลือกที่เหมาะสม คู่สายเช่าและเส้นใยนำแสงจะเป็นทางเลือกที่ดีกว่าถ้ามีการจัดวางเครือข่ายในพื้นที่ใช้งานอยู่แล้ว แต่ถ้าไม่มีเครือข่ายดังกล่าวติดตั้งในพื้นที่ การสื่อสารผ่านอุปกรณ์ไมโครเวฟที่ติดตั้งบนเสาสูงก็เป็นทางเลือกที่ดี เพราะการติดตั้งทำได้รวดเร็วและต้นทุนต่ำ

๔. หลักการพื้นฐาน

การเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในย่านไมโครเวฟ (Microwave Propagation) จะมีการลักษณะเดินทางเป็นเส้นตรง ถูกจัดอยู่ในรูปแบบของคลื่นอวกาศ (Space Wave) ดังแสดงในรูปที่ ๓ การเดินทางของคลื่นผ่านชั้นบรรยากาศของโลกมีการหักเหทิศทางของสัญญาณน้อย ซึ่งเหมาะสมกับการเชื่อมโยงระบบสื่อสาร อย่างไรก็ตามหากคลื่นไมโครเวฟเดินทางผ่านจุดที่มีการสะสมของฝุ่นควัน อาจทำให้เกิดการลดทอนและการหักเหทิศทางของสัญญาณได้

รูปที่ ๓ รูปแบบการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูลโดยคลื่นไมโครเวฟ มีลักษณะการติดตั้งใช้งานแบบจุดต่อจุด (ฮอบ:Hop) ต่อเนื่องกันไปบนพื้นดิน
(Terrestrial Microwave) เพื่อส่งสัญญาณเสียง ภาพเคลื่อนไหว หรือข้อมูลใดๆ ที่ถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัล
จำนวนหลาย ๆ ช่องสัญญาณ จากสถานีต้นทางไปยังสถานีปลายทาง

รูปที่ ๔ รูปแบบการใช้งานคลื่นไมโครเวฟ

จากรูปที่ ๔ เป็นลักษณะการใช้งานคลื่นไมโครเวฟ โดยสายอากาศที่ใช้ เป็นแบบมีทิศทาง (Directional Antennas) ติดตั้งอยู่บนเสาสูง
และมีระยะห่างจากพื้นดิน ๑๐๐ ถึง ๒๐๐ ฟุต ระยะห่างระหว่างสถานีส่งและสถานีรับจะถูกจำกัดในช่วง ๓๐ ถึง ๕๐ กิโลเมตร หรือระยะเส้นสายตา
(Line-of-Sight) เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟเดินทางเป็นเส้นตรง แต่ผิวโลกมีลักษณะโค้ง ถ้าระยะห่างระหว่างสถานีมีค่ามากเกินระยะดังกล่าว
คลื่นไมโครเวฟจากสถานีต้นทางจะถูกหักเหโดยขอบโลกหรือวัตถุต่าง ๆ บนพื้นโลก ทำให้คลื่นไมโครเวฟไม่สามารถเดินทางไปถึงสถานีปลายทางได้
การติดตั้งอุปกรณ์บนเสาที่สูงขึ้น ก็จะสามารถเพิ่มระยะทางในการสื่อสารได้ไกลมาขึ้น ดังแสดงในรูปที่ ๕

รูปที่ ๕ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสูงกับระยะทางในการสื่อสาร

ตารางที่ ๑ แสดงถึงความถี่ใช้งานในการเชื่อมโยงระบบสื่อสารผ่านคลื่นไมโครเวฟ จะเห็นได้ว่าการใช้ความถี่สูงขึ้น ส่งผลให้แถบความถี่ใช้งานมีค่ามากขึ้น จำนวนช่องสัญญาณเพิ่มขึ้นหรือกล่าวได้ว่าสามารถส่งข้อมูลได้จำนวนมากขึ้น เมื่อเพิ่มความถี่ขึ้นไปถึงจุด ๆ หนึ่ง ระยะทางในการสื่อสารขั้นต่ำระหว่างสถานีจะลดลง ซึ่งเป็นผลจากคุณสมบัติของคลื่นไมโครเวฟความถี่สูง ซึ่งแม้ไม่มีผลกระทบจากเมฆหมอกหรือฝุ่นควัน แต่ในขณะที่ฝนตก ทั้งขนาดของเม็ดฝนและอัตราการตกของฝนจะมีผลกระทบต่อการลดทอนของสัญญาณ ดังนั้นการออกแบบติดตั้งระบบไมโครเวฟความถี่สูงจึงต้องมีการประมาณการฝนตกในพื้นที่นั้น ๆ ก่อน อาจจะต้องลดระยะทางลงเพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้ตลอด

ตารางที่ ๑ ความถี่สำหรับการเชื่อมต่อไมโครเวฟ [๒]

ความถี่ (GHz)	แถบกว้างความถี่ (MHz)	ระยะทางขั้นต่ำ (km)
๒	๓.๕	๕
๔	๒๐	๑๗
๖	๓๐	๑๗
๑๑	๔๐	๕
๑๘	๒๒๐	-
๒๓	๑๐๐	-

ในกรณีที่สถานีต้นทางและปลายทางมีระยะทางห่างกันมาก จะมีการเพิ่มสถานีทวนสัญญาณ (Relay Station) ระหว่างสถานีดังกล่าวดังรูปที่ ๖

รูปที่ ๖ การเพิ่มระยะทางในการสื่อสารโดยการเพิ่มสถานีทวนสัญญาณ

และในกรณีที่มีอุปสรรคในการติดตั้งระบบในพื้นที่ หรือต้องการรับส่งในพื้นที่กว้างหรือระยะทางไกล ก็สามารถใช้ดาวเทียมเป็น
สถานีทวนสัญญาณได้ (Satellite Microwave) แต่ต้องเพิ่มต้นทุนในการเช่าใช้ช่องสัญญาณดาวเทียม ระบบสื่อสารแสดงดังรูปที่ ๗

รูปที่ ๗ การสื่อสารไมโครเวฟผ่านดาวเทียม

๕. เทคโนโลยี

        เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นความถี่สูงและเดินทางเป็นเส้นตรง อุปกรณ์ที่ใช้ในระบบ เช่นเครื่องรับ-ส่งสัญญาณ สายส่งสัญญาณหรือสายอากาศ จะถูกออกแบบขึ้นเป็นพิเศษเพื่อความเหมาะสมในการใช้งาน โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

       ๕.๑ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการสื่อสารไมโครเวฟ
              ๕.๑.๑ หลอดสูญญากาศ (Vacuum Tube)
              หลอดสุญญากาศในการสื่อสารไมโครเวฟ ทำหน้าที่หลักในการขยายสัญญาณความถี่สูง (Amplifier) มีใช้ทั้งในภาคส่งและภาครับสัญญาณ มีหลายชนิดแต่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ ทราเวลลิ่งเวฟทิวบ์ (Traveling-wave Tube: TWT) ซึ่งแบ่งย่อยออกได้เป็นสี่ชนิด ตามลักษณะการใช้งาน
ดังแสดงในรูปที่ ๘

รูปที่ ๘ โครงสร้างของทราเวลลิ่งเวฟทิวบ์

๕.๑.๒ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
เนื่องจากหลอดสูญญากาศมีขนาดใหญ่ กำลังขยายสูง และมีความยุ่งยากในการใช้งาน อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีขนาดเล็ก สัญญาณรบกวนต่ำและกำลังขยายที่น้อยกว่า จึงถูกนำมาปรับใช้กับบางส่วนในระบบสื่อสาร เช่น ภาครับสัญญาณ วงจรสร้างสัญญาณความถี่สูง (Oscillator) รวมถึงภาคส่งสัญญาณที่มีกำลังส่งต่ำถึงปานกลาง ดังตัวอย่างในรูปที่ ๙

รูปที่ ๙ ลักษณะอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำในงานความถี่สูง

๕.๑.๓ แผ่นวงจรพิมพ์และการออกแบบ
แผ่นวงจรพิมพ์ที่ใช้ในงานย่านความถี่ไมโครเวฟ จะสร้างขึ้นโดนวัสดุที่แตกต่างออกไป และในการออกแบบเส้นลายวงจร จะต้องคำนึงถึงค่า
อิมพิแดนซ์ของเส้นลายวงจรเพราะถือว่าเป็นสายส่งสัญญาณ(Transmission Line) ชนิดหนึ่ง นอกจากนั้นวงจรบางส่วน เช่นวงจรกรองความถี่ ก็สามารถ
ออกเส้นลายวงจรเพื่อทำหน้าที่เป็นวงจรดังกล่าวได้

๕.๒ สายส่งสัญญาณ (Transmission Line)
สายส่งสัญญาณที่ใช้ในระบบสื่อสารไมโครเวฟ มีอยู่ สองลักษณะคือ สายโคแอค(Coaxial)และท่อนำคลื่น (Wave Guide) โดยทั่วไปสายโคแอคจะใช้งานในระบบสื่อสารที่ใช้ความถี่ไม่เกิน ๑๘ จิกะเฮิร์ตซ์ และมีกำลังส่งไม่เกิน ๑ กิโลวัตต์ ส่วนท่อนำคลื่นจะมีการใช้งานที่ความถี่ ๑ จิกะเฮิร์ตซ์ ขึ้นไป การลดทอนสัญญาณ (Attenuation) น้อยกว่าและสามารถรองรับกำลังส่งได้ในระดับเมกะวัตต์ [๑] แสดงตัวอย่างดังรูปที่ ๑๐

รูปที่ ๑๐ รูปแบบของสายส่งสัญญาณ

๕.๓ สายอากาศไมโครเวฟ

รูปที่ ๑๑ รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศแบบมีทิศทาง

       สายอากาศแบบมีทิศทาง (Directional) โดยทั่วไปจะมีรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นดังรูปที่ ๑๑ แต่สำหรับสายอากาศที่ใช้ในการสื่อสารไมโครเวฟจะมีลักษณะสำคัญคือ ๑) มีอัตราการขยายสูงหรือลำคลื่นหลักมีความยาวมาก (High Front to Back Ratio) เพื่อให้ระบบสามารถสื่อสารได้ในระยะทางไกล ๒) มีความกว้างของลำคลื่นแคบ (Narrow Beam width) เพื่อลดโอกาสของการแทรกสอด(Interference) ของลำคลื่นไมโครเวฟจากระบบสื่อสารข้างเคียง และลดการสูญเสียกำลัง แต่จะเพิ่มความยุ่งยากในการเล็งทิศทางของสายอากาศ (Alignment) ๓) ไม่มีลำคลื่นด้านข้างและลำคลื่นด้านหลัง เพื่อลดผลกระทบจากการสะท้อนกลับไปกลับมาของคลื่น จากวัสดุใด ๆ ที่ติดตั้งใกล้กับสายอากาศ อีกทั้งลดผลจากการเชื่อมโยง(coupling) ระหว่างสายอากาศที่ติดตั้งใกล้เคียงกัน

       สายอากาศที่ใช้ในระบบสื่อสารไมโครเวฟ โดยทั่วไปจะมีอยู่สามรูปแบบ คือ
              ๕.๒.๑ สายอากาศจานสะท้อนพาราโบลิค (Parabolic Reflector Antenna)
เนื่องจากรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศชนิดนี้มีลำคลื่นด้านข้างอยู่มาก ในระบบการสื่อสารไมโครเวฟ
จะใช้สายอากาศชนิดนี้ในระยะทางสั้น ๆ (Short-haul System) ลักษณะของสายอากาศแบบจานสะท้อนพาราโบลิคแสดงในรูปที่ ๑๒

รูปที่ ๑๒ ลักษณะสายอากาศจานสะท้อนพาราโบลิค

๕.๒.๑ สายอากาศฮอร์น (Horn Antenna)
สายอากาศชนิดนี้มีลำคลื่นด้านข้างเพียงเล็กน้อย และเมื่อติดตั้งให้เป็นสถานีทวนสัญญาณ(ด้านหลังของสายอากาศชนกัน) การเชื่อมโยง
ระหว่างสายอากาศมีน้อย อีกทั้งเป็นสายอากาศที่มีแถบความถี่กว้าง (Broadband) จึงมีความเหมาะสมกับการใช้งานในระบบสื่อสารไมโครเวฟ ลักษณะของสายอากาศฮอร์นแสดงในรูปที่ ๑๓

รูปที่ ๑๓ ลักษณะสายอากาศฮอร์น

๕.๒.๑ สายอากาศเลนส์ (Lens Antenna)
สายอากาศชนิดนี้ใช้หลักการทางแสง (Optical Principal) คล้ายกับหลักการรวมแสงของเลนส์ มีลักษณะการใช้งานสองแบบ คือ ๑) ทำหน้าที่เป็นเลนส์รวมสัญญาณให้กับสายอากาศแบบฮอร์น เพื่อแก้ไขหน้าคลื่นที่มีลักษณะโค้ง(Curve Wavefront) ให้หน้าคลื่นเป็นแนวราบ(Plane Wavefront) ทั้งนี้เพื่อลดการกระจายของลำคลื่นด้านข้างลง ๒) เป็นสายอากาศโดยจะมีตัวรับ-ส่งสัญญาณติดอยู่ด้านหลังเลนส์ ลักษณะของสายอากาศเลนส์แสดงในรูปที่ ๑๔

รูปที่ ๑๔ ลักษณะสายอากาศเลนส์

๖. จดหมายเหตุ (Milestone)

ตารางที่ ๒ การนำเสนอลำดับเหตุการณ์สำคัญ

ปี พ.ศ.	เหตุการณ์
๒๔๐๓ ถึง๒๔๑๔ (1860-1871)	James Clerk Maxwell ได้รวบรวมทฤษฏีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสมการสำคัญสี่สมการ เรียกว่า Maxwell's Equationซึ่งเป็นพื้นฐานในการออกแบบระบบสื่อสารไมโครเวฟในปัจจุบัน
๒๔๔๔ (1901)	มีการสื่อสารรหัสมอร์ส ผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกได้เป็นครั้งแรกโดยมาร์โคนี (Guglielmo Marconi)
๒๔๖๘ (1924)	Hidetsugu Yagi และ Shintaro Udaออกแบบสายอากาศแบบมีทิศทาง
๒๔๘๓ ถึง ๒๔๙๓ (1940-1950)	มีการพัฒนาและประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไมโครเวฟอย่างแพร่หลาย ในการสร้างระบบเรดาห์ ระบบควบคุมและนำทางระยะไกล และการสื่อสารผ่านดาวเทียม
๒๕๐๔ (1961)	เกิดความร่วมมือระหว่างประเทศสหรัฐอเมริกา อังกฤษ และฝรั่งเศส ในการพัฒนาโครงการระบบสื่อสารเคลื่อนที่ผ่านดาวเทียม
๒๕๐๕ (1962)	ส่งสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกเป็นครั้งแรก จากยุโรปไปยังสหรัฐอเมริกา
๒๕๒๑ (1978)	ส่งสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมในประเทศไทยเป็นครั้งแรก
๒๕๓๒ (1989)	องค์การโทรศัพท์แห่งประเทศไทยเริ่มใช้การสื่อสารไมโครเวฟเชื่อมต่อเครือข่ายของระบบโทรศัพท์พื้นฐาน

๗. บรรณานุกรม

[๑] George Kennedy and Bernard Davis, Electronic Communication Systems 4th Edition. Singapore: McGraw-Hill, 1993
[๒] William C.Y.Lee, Wireless and Cellular Telecommunication 3rd Edition. Singapore: MCGraw-Hill, 2006
[๓] บริษัท ทีโอที จำกัด, ประวัติการจัดตั้งองค์การโทรศัพท์ ฯ และการดำเนินงานตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน. www.tot.co.th: past to present 53.pdf, 2550
[๔] IEEE Global History Network, List of IEEE Milestones, ieeeghn.org, 2011

รับผิดชอบโดย สารานุกรมโทรคมนาคมไทย (Thai Telecommunications Encyclopedia) โทร.๐๒๕๖๔๖๙๐๐ # ๒๕๙๓
E-mail : admin.tte[AT]ecti.or.th หรือ ksripima[AT]ieee.org
สงวนลิขสิทธิ์โดย สมาคมวิชาการไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ โทรคมนาคมและสารสนเทศ พ.ร.บ.ลิขสิทธิ์ พ.ศ. ๒๕๓๗
สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร เลขที่ ๑๓๑ หมู่ที่ ๕ ถนนติวานนท์ ต.บางกะดี อ.เมือง จ.ปทุมธานี ๑๒๐๐๐
โทร. ๐๒ ๕๐๑ ๓๕๐๕ ต่อ ๑๑๑๒
Disclaimer :: Copyright ©

วิทยาการวางแผนและการสร้างแผนที่นำทางเทคโนโลยี โทรคมนาคม

เศรษฐศาสตร์โทรคมนาคม

วิทยาการวางแผนและการสร้างแผนที่นำทางเทคโนโลยี
โทรคมนาคม