ระบบวิทยุ - อ่านสารานุกรมไทย

          ระบบวิทยุ หมายถึง ระบบที่มีการส่งสัญญาณจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือที่เรียกกันง่ายๆ ว่า คลื่นวิทยุ ระบบวิทยุที่รู้จักกันมากที่สุดเพราะเกือบทุกคนใช้หรือได้สัมผัสในชีวิตประจำวันก็คือ วิทยุกระจายเสียง ซึ่งประกอบด้วยสถานีวิทยุกระจายเสียงต่างๆ และเครื่องรับวิทยุที่มีตามบ้านเรือน หรือเครื่องขนาดเล็กๆ ที่พกติดตัวไปได้ นอกจากวิทยุกระจายเสียงแล้ว ระบบวิทยุยังใช้ในการสื่อสารต่างๆ อีกหลายประเภท ดังเช่น ระบบเรดาร์ที่ใช้สำหรับวัดความเร็วของรถยนต์ หรือใช้สำหรับหาตำแหน่งของเครื่องบิน ระบบสื่อสาร ระหว่างพื้นโลกกับยานอวกาศ ระบบสื่อสาร ระหว่างนักบินและสถานีควบคุมการบิน โทรศัพท์ไร้สายและโทรศัพท์มือถือ โทรศัพท์ระหว่างประเทศผ่านดาวเทียม สัญญาณของโทรทัศน์ก็ส่งด้วยคลื่นวิทยุเช่นกัน          ในคริสต์ศักราชที่ ๑๙ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ เจมส์ เคลิก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้ทำการศึกษาคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ตีพิมพ์บทความในปี ค.ศ. ๑๘๖๔ กล่าวถึง กฎพื้นฐานของคลื่นแม่เหล็ก-ไฟฟ้าอย่างกระทัดรัด โดยเขียนในรูปของสมการคณิตศาสตร์ สมการเหล่านี้เป็นพื้นฐานของวิชา ดังกล่าว และยังใช้กันตราบจนทุกวันนี้ ปัจจุบันสมการเหล่านี้ เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์อย่างไรก็ดี แมกซ์เวลล์ไม่ได้ทำการทดลองที่สนับสนุนทฤษฎีของเขา ต่อมาในปี ค.ศ. ๑๘๘๗ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ได้ทำการทดลองการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศ การทดลองมีเครื่องส่งและเครื่องรับเครื่องส่งประกอบด้วยแหล่งกำเนิดไฟฟ้าต่อผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ ไปยังลวดที่มีสองปลายติดกับทรงกลมที่มีช่องว่างห่างกันเล็กน้อย เมื่อป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปมากพอก็จะเกิดประกายไฟขึ้นตรงช่องว่าง ประกายไฟนี้ ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายออกไปรอบทิศ ส่วนเครื่องรับจะประกอบด้วยลวดวงกลมมีสองปลายติดกับทรงกลม ซึ่งมีช่องว่าง ระหว่างทรงกลมเล็กน้อยเช่นเดียวกับเครื่องส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตัดผ่านภายในขดลวดของเครื่องรับ จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหล ในขดลวดของเครื่องรับ เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแรงเพียงพอ ก็จะทำให้เกิดประกายไฟระหว่างทรงกลมทั้งสองของเครื่องรับ การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า เราสามารถส่งสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้โดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่ต้องใช้สายต่อเชื่อมระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับเลย
           ต่อมาในปี ค.ศ. ๑๘๙๔ นักวิทยาศาสตร์ ชาวอังกฤษชื่อ โอลิเวอร์ ลอดจ์ (Oliver Lodge)ได้แสดงการส่งสัญญาณโดยไม่ใช้สายเป็นระยะทาง ๑๕๐ หลา และในปี ค.ศ. ๑๘๙๕ กุกลิเอลโม มาร์โคนี (Guglielmo Marconi) ชาวอิตาเลียน ได้ส่งสัญญาณแบบไร้สายเป็นระยะทาง ๒ กิโลเมตร มาร์โคนี ได้ตั้งบริษัทขึ้นมา และได้ทำการทดลองส่งสัญญาณแบบไร้สายเป็นระยะทางเพิ่มขึ้นตามลำดับ จนถึงปี ค.ศ. ๑๙๐๑ เขาก็สามารถส่งสัญญาณคลื่นวิทยุข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกได้เป็นครั้งแรก
           การพัฒนาระบบวิทยุได้ก้าวหน้ามาเป็นลำดับ ควบคู่กับการพัฒนาอุปกรณ์และระบบให้มีคุณภาพและประสิทธิภาพมากขึ้น ดังเช่น การประดิษฐ์หลอดไดโอดสุญญากาศ โดยชาวอังกฤษ ชื่อ จอห์น เฟลมมิ่ง (John A. Fleming) และหลอดไตรโอดสุญญากาศโดยชาวอเมริกัน ชื่อ ลี เดอร์ฟอเรสต์ (Lee De Forest) หลอดสุญญากาศทั้งสองนี้เป็นชิ้นส่วนอันเป็นหัวใจของเครื่องรับส่งวิทยุ ต่อมาในปี ค.ศ. ๑๙๔๐ นักวิทยาศาสตร์ ชาวอเมริกันชื่อ รัสเซล โอล์ (RussellOhl) ได้ประดิษฐ์ไดโอดที่ใช้สารกึ่งตัวนำ และในปี ค.ศ. ๑๙๔๘ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ๓ คนคือวิลเลียม ช็อกเล่ (William B. Shockley) จอห์น บาร์ดีน (John Bardeen) และวอลเตอร์ แบรทเท็น (Walter H. Brattain) ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ขึ้นปัจจุบัน เครื่องรับส่งวิทยุส่วนมากใช้ไดโอดและทรานซิสเตอร์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ เพราะกินไฟน้อยและสามารถทำให้เล็กกระทัดรัดได้
           ระบบวิทยุในระยะแรกๆ นั้นใช้วิธีการส่งแบบเอเอ็ม (AM) ซึ่งจะได้กล่าวถึงเพิ่มเติมภายหลังต่อมา วิศวกรไฟฟ้าชาวอเมริกันชื่อ เอ็ดวิน อาร์มสตรอง (Edwin Armstrong) ได้คิดค้นวิธีส่งแบบเอฟเอ็ม (FM) ขึ้น ซึ่งเขาได้แสดงให้เห็นการทำงานของระบบนี้ในปี ค.ศ. ๑๙๓๓ ปัจจุบันวิทยุกระจายเสียงจะมีทั้งระบบเอเอ็มและระบบเอฟเอ็ม สัญญาณภาพของโทรทัศน์จะส่งโดยระบบเอฟเอ็ม และสัญญาณเสียงของโทรทัศน์จะใช้ระบบเอฟเอ็มเช่นกัน ระบบโทรทัศน์ขาวดำได้รับการพัฒนาขึ้นในต้นคริสต์ศตวรรษที่ ๒๐ โดยชาวรัสเซียที่อพยพไปประเทศสหรัฐอเมริกาชื่อวลาดิเมียร์ เค ซโวรีคิน (Vladimir K.Zworykin) ซึ่งได้ประดิษฐ์ระบบโทรทัศน์ที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. ๑๙๒๙ ต่อมาจึงมีการพัฒนาโทรทัศน์สีขึ้นอย่างที่ใช้กันในปัจจุบัน
           ในครึ่งศตวรรษหลังของคริสต์ศตวรรษที่ ๒๐ ได้มีการพัฒนาระบบการส่งสัญญาณที่มีการแปลงสัญญาณเป็นระบบตัวเลขหรือระบบดิจิทัล (digital) ก่อนที่จะส่งโดยใช้คลื่นวิทยุ ระบบดิจิทัลที่ใช้กันทั่วไปนั้นเป็นระบบฐานสองหรือไบนารี (binary) กล่าวคือ สัญญาณที่จะส่งนั้นจะมีรูปแบบเป็นศูนย์กับหนึ่ง (หรือปิดกับเปิด) อันที่จริงระบบไบนารีนั้นได้ใช้กันมานานแล้ว ดังเช่น ระบบโทรเลข ซึ่งได้รับการประดิษฐ์ขึ้น ในคริสต์ศตวรรษที่ ๑๙ การส่งโทรเลขจะส่งเป็นสัญญาณจุดและขีดแทนตัวเลขศูนย์และหนึ่ง (ดูเรื่องโทรคมนาคมภาคแรกเล่มที่ ๗) แต่การพัฒนาการส่งสัญญาแบบดิจิทัลในภายหลังนั้น จะพัฒนาด้านประสิทธิภาพ ความเร็วของการส่งการใช้รหัสเพื่อดักและแก้ตัวที่ผิดพลาดจากการส่งรวมทั้งการบีบอัดปริมาณของข้อมูลให้น้อยลง อาจกล่าวได้ว่า การพัฒนาการส่งสัญญาณแบบดิจิทัลเริ่มขึ้นจากบทความของวิศวกรชาวอเมริกันชื่อ แฮรี่ ไนควิสต์ (Harry Nyquist) ซึ่งตีพิมพ์บทความใน ค.ศ. ๑๙๒๘ ใจความสำคัญของบทความนั้นมีดังนี้ ถ้าเราสุ่มค่าของสัญญาณด้วยอัตราไม่ต่ำกว่าสองเท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณนั้น เราก็จะไม่สูญเสียข้อมูลใดๆ ของสัญญาณเดิมนั้นเลย กล่าวคือ เราสามารถสร้างสัญญาณเดิมนั้นได้จากค่าที่สุ่มไว้โดยที่ไม่ผิดเพี้ยนจากสัญญาณเดิม ยกตัวอย่างเช่น เสียงพูดมีความถี่สูงสุดประมาณ ๓.๕ กิโลเฮิรตซ์ ถ้าเราสุ่มค่าด้วยอัตราอย่างต่ำ ๗,๐๐๐ ค่า/วินาที (กล่าวคือสุ่มค่าทุกๆ ๑/๗,๐๐๐ วินาที หรือน้อยกว่า) สัญญาณสุ่มที่ได้จะแทนสัญญาณเสียงพูดเดิมได้อย่างสมบูรณ์ ต่อมานักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ คลอด อีแชนนอน (Claude E. Shannon) ได้ตีพิมพ์บทความ ในปี ค.ศ. ๑๙๔๘ แสดงถึง อัตราสูงสุดของการส่งสัญญาณดิจิทัลผ่านสื่อที่มีสัญญาณรบกวน โดยที่มีความผิดพลาดอยู่ภายในกำหนด ผลจากบทความของไนคริสต์และแชนนอน ได้ผลักดันให้มีการค้นคว้าวิจัยระบบส่งสัญญาณแบบดิจิทัลได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสัญญาณที่เกิดตามธรรมชาติ ดังเช่น เสียงพูด เสียงดนตรี อุณหภูมิ ความดัน สัญญาณจากการเต้นของหัวใจ เหล่านี้ล้วนเป็นสัญญาณแบบต่อเนื่อง หรือแอนะล็อก (analog) การส่งสัญญาณเหล่านี้โดยใช้วิธีส่งแบบดิจิทัลก็กระทำได้โดยการสุ่มสัญญาณแอนะล็อกก่อนแล้วจึงเปลี่ยนค่าที่สุ่มได้แต่ละค่าเป็นสัญญาณดิจิทัล หลังจากนั้นจึงส่งสัญญาณดิจิทัลผ่านตามสื่อไปยังเครื่องรับ (สื่ออาจจะเป็น อวกาศสายไฟ สายใยแก้ว เป็นต้น) เครื่องรับก็จะแปลงสัญญาณดิจิทัลกลับคืนเป็นสัญญาณแอนะล็อก
           ข้อดีของการส่งสัญญาณแบบดิจิทัลก็คือเราสามารถซักฟอกสัญญาณดิจิทัลให้สะอาด ปราศจากสัญญาณรบกวนได้ กรณีที่เห็นได้ชัดก็คือ กรณีไบนารีซึ่งมีค่าได้เพียง ๐ กับ ๑ เนื่องจากเครื่องรับทราบว่าจะต้องเป็นค่า ๐ หรือ  ๑ เท่านั้น เครื่องรับก็จะขจัดสัญญาณกวนไปได้ดังเช่น ถ้าเครื่องรับรับค่าเป็น ๐.๑๓ ก็จะถูกปัดเป็น ๐ เพราะถือว่าส่วนเกินคือสัญญาณรบกวน ด้วยเหตุผลนี้เอง การส่งสัญญาณแบบดิจิทัลจึงมีคุณภาพที่ดีกว่า นอกจากนี้ วงจรดิจิทัลยังสามารถสร้างให้มีขนาดเล็ก ทำให้สามารถรวมวงจรจำนวนมากเข้าด้วยกันอยู่บนแผงวงจรรวม (หรือที่รู้จักกันว่า ไอซี IC = Integrated Circuit) เดียวกัน ดังนั้นผลิตภัณฑ์จะมีขนาดเล็ก กินไฟน้อย ดังเช่น โทรศัพท์มือถือสมัยใหม่จะเล็กบางกระทัดรัดและเบา ทำให้สะดวกต่อการพกพา