วิศวกรรมไมโครเวฟ (Microwave Engineering)
ประวัติความเป็นมาของการสื่อสารผ่านดาวเทียม
1.1 วิทยุคลื่นสั้น ( High Frequency )
คุณสมบัติของคลื่นวิทยุในย่านนี้ (3-30 MHz) จะสามารถสะท้อนกับ ชั้นบรรยากาศ Ionosephere ได้ดี เราจึงนำ คุณ สมบัติในข้อนี้ มาใช้งาน กับวิทยุโทรศัพท์ทางไกลต่างประเทศ ในระยะแรกๆ แต่มีข้อเสีย คือชั้น บรรยากาศ Ionosephere นี้ มีความหนาแน่น และความสูงไม่คงที่ ทำให้การติดต่อ ไม่สามารถทำได้ตลอดเวลา บางครั้ง การติดต่อ ไม่สามารถ ทำได้เป็น เวลานานๆ
รูปที่ 1.1 ภาพแสดงการสะท้อนของคลื่นกับชั้นบรรยากาศ
1.2 ระบบไมโครเวฟ การสื่อสารภาคพื้นดิน
ในอดีตการสื่อสารไมโครเวฟภาคพื้นดินมีการใช้งานอย่างแพร่หลายทั้งในระบบแพร่สัญญาณโทรทัศน์และการรับ สัญญาณเสียงของระบบโทรศัพท์ทางไกลแต่หลังจากที่มีการพัฒนาของเส้นใยแก้วนำแสงเกิดขึ้น ในช่วง สองสาม ทศวรรษ ที่ผ่านมาทำให้บทบาทของระบบสื่อสารไมโครเวฟลดความสำคัญลงอย่างเห็น ได้ชัดแต่กระนั้น การใช้งาน ของระบบนี้ยังคงมีอยู่ในบางพื้นที่การติดตั้งหรือวางสายนำสัญญาณกระทำ ได้ค่อนข้างยาก หรือ มี ค่าใช้จ่ายแพง การสื่อสารไมโครเวฟภาคพื้นดินจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีเส้นสายตาที่มองถึงกัน ได้ระหว่างภาครับ และภาคส่งท่านั้น
รูปที่ 1.2 Microwave
ดังนั้นระยะการสื่อสารจึงถูกจำกัดโดยความโค้งของ ผิวโลก สภาพภูมิศาสตร์ของพื้นที่ที่สัญญาณส่งผ่าน และ ความสูง ของสายอากาศทั้งภาครับและภาคส่ง โดยทั่วไปสถานที่ภาครับและภาคส่งจะอยู่ห่างกันได้ประมาณ 42 กิโลเมตร แต่ถ้าสายอากาศถูกติดตั้งบนเนินเขาสูงระยะห่างระหว่างสถานที่ก็อาจจะ ไกลขึ้นได้ ในทางกลับกัน ถ้าหากเส้นสายตาการส่งสัญญาณมีสิ่งกีดขวาง เช่น ตึกสูงกั้นทางเดินของ สัญญาณก็จะทำให้การส่งสัญญาณ มีระยะทางสั้นลง
รูปที่ 1.3 ภาพระบบสื่อสารภาคพื้นดิน
สำหรับในประเทศสหรัฐอเมริกาองค์กร FCC ได้กำหนดย่านความถี่สำหรับการใช้งานระบบสื่อสารไมโครเวฟ ภาคพื้นดินไว้รายละเอียดดังตารางที่ 1.1 ในทางปฏิบัติความถี่ย่าน 4 และ 6 GHz ได้รับความนิยมและถูกนำมาใช้ งานอย่างกว้างขวางมากเป็นอันดับแรก ส่วนย่าน 2 GHz มีการใช้งานที่น้อยกว่าเนืองจากมีแบนด์วิดท์สำหรับใช้ งานค่อนข้างจำกัด จึงมักจะไม่คุ้มกับการลงทุนนักในขณะที่ความถี่ในย่าน 11 GHz มีปัญหาการลดทอนของ สัญญาณจากเม็ดฝน การใช้งานจึงจำกัดอยู่ในระบบสื่อสารระยะทางสั้น ๆ เท่านั้น
ตารางที่ 1.1 ย่านความถี่สำหรับระบบสื่อสารไมโครเวฟของประเทศสหรัฐอเมริกา
ย่านความถี่ ( MHz )
|
ขนาดของแบนด์วิดท์ ( MHz )
|
2,110 - 2,130
|
20
|
2,100 - 2,180
|
20
|
3,700 - 4,200
|
500
|
5,925 - 6,425
|
500
|
10,700 - 11,700
|
1000
|
1.3 ระบบไมโครเวฟสื่อสารผ่านดาวเทียม
ในปัจจุบันระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมนับว่ามีความสำคัญอย่างมากต่อการสื่อสารรูปแบบต่างๆตั้งแต่ระบบ โทรศัพท์ ทางไกลการแพร่สัญญาณของระบบโทรทัศน์การให้บริการข้อมูลพยากรณ์อากาศระบบสื่อสารการหา ข่าวของ วงการ ทหาร และ เมื่อไม่นานมานี้ก็มีการนำมาใช้งานกับระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่
รูปที่ 1.4 ภาพและคุณสมบัติพื้นฐานของดาวเทียม Sputnik
รูปที่ 1.5 การโคจรของดาวเทียมนอกโลก
การพัฒนาของระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม เริ่มแรกอย่างจริงจังเมื่อประเทศสหภาพโซเวียต ประสบความสำเร็จ ในการส่งดาวเทียมดวงแรกที่เรียกกว่า Sputnik เข้าสู่วงโคจรของโลกเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 4 ตุลาคม 1957 ที่ระยะ ทางประมาณ 900 กิโลเมตร จากผิวโลก ดูรูปที่ 2 ประกอบในช่วงเริ่มแรกของการพัฒนานั้น ดาวเทียม ยังมีขีด ความสามารถที่ไม่สูงเทียบเท่าปัจจุบันที่ความสูงในระดับนี้ดาวเทียมนี้จะโคจรรอบโลกได้ในเวลาที่สั้นกว่า 24 ชั่วโมง ดังนั้นจุดสังเกตบนพื้นผิวโลก จึงมองเห็นดาวเทียมโคจรเคลื่อนที่ผ่านของฟ้าในเวลาต่อมา เมื่อจรวดที่ใช้ส่ง ดาวเทียม มีสมรรถนะสูงขึ้นดาวเทียมจึงถูกส่งออกเข้าสู่วงโคจรที่ระยะสูงขึ้นที่ระบบ 36,000 กิโลเมตรเหนือเส้น ศูนย์สูตร ของโลก ที่วงโคจรระดับนี้ดาวเทียมจะใช้เวลาโคจรรอบโลกเท่ากับ 24 ชั่วโมงพอดี ทำให้จุดสังเกตบนพื้น ผิวโลกจะมองเห็นดาวเทียมลอยอยู่นิ่งที่ตำแหน่งเดิมตลอดเวลา วงโคจรนี้มีชื่อเรียกว่า วงโคจรค้างฟ้า ( geosynchronouse orbit )
การสื่อสารผ่านดาวเทียมแท้จริงมีความคล้ายคลึงกับระบบสื่อสารไมโครเวฟภาคพื้นดิน เพียงแต่สถานีรับส่ง ด้านหนึ่งเป็นดาวเทียมที่โคจรอยู่รอบโลกส่วนสถานีอีกด้านหนึ่งอยู่บนพื้นดิน โดยติดตั้งสายอากาศให้มีทิศทางเล็ง ไปบนท้องฟ้า ณ ตำแหน่งดาวเทียม แต่กระนั้นการสื่อสารผ่านดาวเทียมมีจุดเด่นสำคัญที่ต่างๆ จากการสื่อสาร ไมโครเวฟ ภาคพื้นดินคือ ความสามารถในการแพร่กระจายสัญญาณครอบคลุมบริเวณพื้นที่กว้างขวางมาก จึง เหมาะกับการใช้งานในการแพร่กระจ่ายสัญญาณ โทรทัศน์ได้เป็นอย่างดี จุดอ่อนสำคัญของระบบสื่อสาร ผ่าน ดาวเทียม คือ มีค่าเวลาการประวิงในการรับส่งสัญญาณค่อนข้างมาก
ตัวอย่างดาวเทียมของประเทศไทย ชื่อ THAICOM 3 มีคุณลักษณะดังข้อมูลใน ตารางที่ 1.2 ซึ่งแสดง คุณลักษณะ ทั่วไปของดาวเทียม สำหรับพื้นที่การครอบคลุมของดาวเทียมดวงนี้มีทั้งหมด 4 บริเวณ ดูรูปที่ 1.5 ประกอบอธิบายรายละเอียดได้ดังนี้ พื้นที่บริเวณ A เป็นส่วนที่ใช้ C– Band Global Beam พื้นที่บริเวณ B อาศัยC - Band Regional Beam ส่วนพื้นที่ C นั้นอยู่ภายใต้ Ku – Band Spot Beam ที่เน้นการให้บริการ ในพื้นที่ ของประเทศไทยเป็นหลักและพื้นที่ครอบคลุมท้ายสุดหรือพื้นที่ D นั้นอาศัย Ku – Band Steerable Beam
ตารางที่ 1.2 ตารางคุณลักษณะทั่วไปของดาวเทียม THAICOM 3
| แบบดาวเทียม | Aerospatiale SpaceBus 3000A. a Three-axis stabilized spacecraft |
| ระบบกำลัง | 5,300 Watts |
| น้ำหนักก่อนส่งเข้าวงโคจร | 2,652 Kg. |
| น้ำหนักหลังจากเข้าสู่วงโคจร | 1,560 Kg. ช่วงแรกและ 1,160 Kg. เมื่อถึงช่วงหมดอายุ |
| อายุการใช้งาน | 14 ปี |
| ความจุของทรานส์สปอนเดอร์ ( Transponde Capacity ) | C-Band global beam = 7 transponder. Regional beam = 18 transponder ( all with 36 MHz ) Ku-Band Thailand beam = 7 transponders ( two with 54 MHz and five with 36 MHz ). Steerable beam = 7 transponders with 36 MHz. ( 4 of which are switchable between the two beams ) |
| แบนด์วิดท์ | Standard C-Band = 500 MHz. Extended C-Band =300 MHz. Ku-Band 500 MHz |
| ตำแหน่ง | 78.5 องศาตะวันออก ( ตำแหน่งเดียวกับ THAICOM 2 ) |
| บริษัทที่ส่งดาวเทียม | บริษัท Arianespace แห่งประเทศฝรั่งเศส |
| วันที่ส่งเข้าสู่วงโคจร | 16 เมษายน 2540 |
| วันที่เริ่มให้บริการ | พฤษภาคม 2540 |
รูปที่ 1.5 พื้นที่การครอบคลุมของดาวเทียม THAICOM 3
การส่งสัญญาณไมโครเวฟผ่านดาวเทียม ( Satellite Microwave ) ประกอบด้วยดาวเทียมหนึ่งดวงซึ่งจะต้อง ทำงานร่วมกับสถานีพื้นดิน ตั้งแต่สองสถานีขึ้นไป สถานีพื้นดินถูกนำมาใช้เพื่อการรับ และ ส่งสัญญาณไปยัง ดาวเทียม ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ทวนสัญญาณซึ่งจะถูกส่งกลับมายังพื้นผิวโลกในตำแหน่งที่สถานีพื้นดิน แห่งที่สองตั้งอยู่ ดังแสดงในรูปที่ 1.6
รูปที่ 1.6 การสื่อสารผ่านดาวเทียมแบบวงโคจรสถิตย์
เนื่องจากสัญญาณดาวเทียมเดินทางเป็นเส้นตรงเท่านั้น ทำให้สัญญาณที่ถูกส่งกลับลงมาที่ผิวโลกมีพื้นที่เพียง บางส่วน ซึ่งเรียกว่าพื้นที่รับสัญญาณ (footprint ) เท่านั้น ดูรูปที่ 1.7 ประกอบที่สามารถรับสัญญาณได้ พื้นที่รับ สัญญาณของดาวเทียมอาจมีอาณาเขตกว้างขวางปกคลุมพื้นที่ของหลายประเทศ หรืออาจเป็นพื้นที่ที่มี เส้นผ่า ศูนย์กลาง เพียง 2-3 กิโลเมตร ซึ่งนับว่าเล็กมากเมื่อพิจารณาข้อเท็จจริงที่ว่าดาวเทียมนั้น อยู่ห่าง ออกไปมากกว่า 36,000 กิโลเมตร ดังนั้นการใช้ดาวเทียมวงโคจร สถิตเพียงสามดวงก็จะสามารถถ่ายทอด สัญญาณให้ครอบคลุม พื้นที่ทั่วโลก
รูปที่ 1.7 พื้นที่รับสัญญาณ ( footprint )
ดาวเทียมใช้เสาอากาศในการรับสัญญาณที่ส่งขึ้นไปจากพื้นโลกซึ่งเรียกว่าการอัพลิ้งค์ ( Uplink )จากนั้น จะทำการขยายสัญญาณที่รับได้ให้มีความชัดเจนมากขึ้นและเปลี่ยนขนาดของความถี่คลื่น และจึงใช้อุปกรณ์ ที่ทำหน้าที่ส่งสัญญาณ เรียกว่า ทรานสปอนเดอร์ ( transponder ) เพื่อส่งสัญญาณนั้นกลับลงมายังพื้นโลก เรียกว่าการดาวน์ลิ้งค์ ( Downlink )ทั้งนี้แยกความถี่ของคลื่นอัพลิ้งค์และดาวน์ลิ้งค์ออกจากกัน เพื่อไม่ให้รบกวน ซึ่งกันและกันนั่นเอง
รูปที่ 1.8 ภาพแสดงการสื่อสารแบบ Uplink และ Downlink
รูปที่ 1.9 Communication Satellite
เนื่องจากดาวเทียมมีระยะห่างจากพื้นโลกมาก การส่งสัญญาณจากพื้นโลกขึ้นไปหรือการส่งสัญญาณ กลับลงมา จะต้องใช้ ระยะเวลา ช่วงหนึ่ง เรียกว่าการหน่วงเวลา ( propagation delay ) ซึ่งนับตั้งแต่ระยะเวลา ที่เริ่มส่งสัญญาณ จากพื้นโลกขึ้นไปยังดาวเทียม ซึ่งจะทำการขยายความเข้มและการเปลี่ยนแปลงความถี่คลื่น จนกระทั่งสัญญาณ ถูกส่ง กลับมา ถึงพื้นผิวโลกอีกครั้งหนึ่งระยะเวลาการหน่วงเวลา ของดาวเทียม วงโคจรสถิตย์ จะมีตั้งแต่ครึ่งวินาทีสำหรับ การ ถ่ายทอดข้อมูลคอมพิวเตอร์ ไปจนถึงสามวินาทีสำหรับการถ่ายทอดสัญญาณเสียง และภาพโทรทัศน์ จะสังเกตได้ว่า เวลาที่มีการสัมภาษณ์สดผ่าน ดาวเทียมภายในประเทศหรือข้ามทวีปก็ตาม เมื่อ ผู้สัมภาษณ์ถามคำถามไปแล้ว จะต้อง ใช้เวลา หลายวินาทีก่อนที่ผู้ชมโทรทัศน์จะได้เห็นภาพ ผู้ถูกสัมภาษณ์ตอบ คำถาม หรือการโทรศัพท์ทางไกลผ่าน ดาวเทียมก็จะมีปรากฏการณ์หน่วงเวลานี้ด้วย เทคโนโลยีใหม่ ๆ ในปัจจุบันช่วยให้ระยะการหน่วงเวลาสั้นลง
ดาวเทียมยังได้เข้ามามีบทบาทที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือระบบชี้ตำแหน่ง ( GPRS ) ระบบนี้ใช้ดาวเทียมจำนวน 24 ดวง วิธีการคำนวณหาตำแหน่งจะใช้สัญญาณจากดาวเทียม 3 ดวงในการเปรียบเทียบ ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้นำอุปกรณ์บอกตำแหน่งจีพีเสไปใช้งานอย่างกว้างขวางทั้งในทางทหารและพลเรือน ในปัจจุบันอุปกรณ์ดังกล่าว มีขนาดเล็กพอที่จะพกพาติดตัวไปได้อย่างง่ายดาย
จำนวนดาวเทียม ( Satellites ) ในปัจจุบันมีมากจนอาจสร้างปัญหาในการใช้งานเนื่องจากการ ใช้สัญญาณ คลื่น ที่มีความถี่ใกล้เคียงกันของดาวเทียมที่อยู่ใกล้กันจะรบกวนกันเองจนไม่สามารถใช้งานได้ดีเพื่อป้องกันปัญหานี้ ดาวเทียม ประเภท โคจรสถิตย์ จะกำหนดให้มีตำแหน่งห่างกัน 4 องศาแม้ว่าดาวเทียมแต่ละดวงจะมีอายุการใช้งาน ที่จำกัดและ ค่อนข้างสั้น ( ประมาณ 10 ปี ) แต่เนื่องจากจำนวนดาวเทียมที่ใช้อยู่อย่างต่อเนื่อง ทำให้หลายประเทศ ทั่วโลก มีความกังวล ว่าพื้นที่บนบรรยากาศจะเต็ม และตนเองไม่สามารถมีดาวเทียมเป็นของตนเองได้
เทคโนโลยีใหม่ในการส่งสัญญาณโทรทัศน์ เรียกว่า เอชดีทีวี ( High-Definition television HDTV ) หรือ ทีวีดิจิตอล ( Digital television ) ซึ่งมีความสามารถในการแพร่สัญญาณโทรทัศน์ที่มีภาพคมชัด และเสียงคุณภาพ ดีมาก ในรูปแบบของสัญญาณดิจิตอล ในปัจจุบันระบบเอชดีทีวีได้รับอนุญาตให้นำมาใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ และ มี การทดลองแพร่ภาพในหลาย ๆ ประเทศทั่วโลก เช่น ประเทศญี่ปุ่น และประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นต้น ข้อจำกัดของ ระบบ ใหม่นี้คือเครื่องโทรทัศน์แบบที่ใช้ในปัจจุบันจะไม่สามารถรับสัญณาณเอชดีทีวีได้
รูปที่ 1.10 ภาพแสดงองค์ประกอบต่าง ๆ ของโทรทัศน์ระบบ HDTV
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น