หลักการเครื่องส่ง เครื่องรับ FM

เนื่องจากการสื่อสารวิทยุระบบเอเอ็มนั้นจะถูกรบกวนด้วยสัญญาณรบกวน (Noise) ที่เกิดขึ้นจากธรรมชาติ (Natural statics noise) หรือจากที่มนุษย์สร้างขึ้น (Man-made noise) ทำให้มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดของคลื่นพาหะ ดังนั้นในงานด้านการติดต่อสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุได้พยายามปรับปรุงและค้นคว้าให้การรับ - ส่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยง หรือป้องกันสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นจึงได้มีผู้คิดค้นการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็มขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาการรบกวนของสัญญาณทางแอมพลิจูดได้เป็นผลสำเร็จ การส่งวิทยุระบบเอฟเอ็มเริ่มต้นคิดค้นโดย พันตรี เอ็ดวิน เอช อาร์มสตรอง (Major Edwin H. Armstrong) แห่ง มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย สหรัฐอเมริกา ในป ค.ศ. 1934 (พ.ศ. 2477) โดยที่อาร์มสตรองเชื่อว์าสัญญาณรบกวนต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับวิทยุนั้นเป็นการรบกวนทาง แอมพลิจูดของคลื่นวิทยุ ดังนั้นถ้าระบบการผสมคลื่น (Modulation) และระบบการรับเป็นอิสระจากการเปลี่ยนแปลงทางแอมพลิจูดของคลื่นวิทยุแล้วการรบกวนในลักษณะดังกลาวยอมจะไมมีผลตอการติดตอสื่อสาร ซึ่งจะทำใหประสิทธิภาพในการรับ-ส่งสัญญาณข่าวสารสูงขึ้นกว่าระบบเอเอ็มซึ่งใช้กันอยู่ในขณะนั้นได้มาก

ในปี ค.ศ. 1936 (พ.ศ. 2479) อาร์มสตรองได้ทำการทดลองจริง ๆ ในภาคสนามและได้ค้นพบว่าระบบเอฟเอ็มสามารถที่เอาชนะสัญญาณรบกวนต่าง ๆ ได้จริง และใช้งานได้ดีในรถยนต์ซึ่งในขณะนั้นระบบเอเอ็มจะมีปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนจากไฟฟ้าสถิตและสัญญาณรบกวนจากระบบจุดระเบิดของรถยนต์ ซึ่งทำให้คุณภาพของสัญญาณเลวลงมากและมีระยะทางในการติดต่อสื่อสารได้ไม่ไกลเท่าที่ควร โดยปกติแล้วค่าสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นจะเป็น สัดส่วนโดยตรงกับแบนด์วิดท์ของเครื่องส่งและเครื่องรับแต่สามารถทำให้ลดลงได้โดยการทำให้แบนด์วิดที่ลดลงมากที่สุดเท่าที่จะทำได้

ดังนั้นในระบบเอฟเอ็มสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นได้โดยใช้วงจรจำกัดแอมปลิจูด (Amplitude Limiter หรือ Noise Limiter) ที่เครื่องรับวิทยุจึงทำให้มีการนำระบบเอฟเอ็มมาใช้ในการติดต่อสื่อสารทางวิทยุที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบเอเอ็ม และในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1939 (พ.ศ. 2482) อาร์มสตรองได้เริ่มมีรายการเปิดการกระจายเสียงวิทยุระบบเอฟเอ็มขึ้นในเมืองแอลไพน์ มลรัฐนิวเจอร์ซี สหรัฐอเมริกา

การนำเอาระบบเอฟเอ็มมาใช้กับวิทยุกระจายเสียงเนื่องจากมีข้อดีในด้านสัญญาณรบกวนต่ำ จึงทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งกับการกระจายเสียงด้านบันเทิงและยังไม่มีระบบการผสมคลื่นแบบใดที่ให้คุณภาพทัดเทียมกันด้วยราคาที่ประหยัดกว่า เวลาต่อมาได้มีการพัฒนาระบบเอฟเอ็มแบนด์แคบ (Narrow Band FM) เพื่อการสื่อสารขึ้นที่ส่ง ออกอากาศไปทำให้มีแถบความถี่แคบ ๆ ในย่านความถี่ที่กำหนดช่วงหนึ่ง ๆ ซึ่งจะสามารถบรรจุข้อมูลข่าวสารได้หลาย ๆ ช่องนั่นเอง และในปัจจุบันระบบเอฟเอ็มแบนด์แคบได้มีการนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายใน ย่านความถี่ VHF, UHF และ SHF ในการสื่อสารด้านต่างๆ เช่น ทหาร ตำรวจ รัฐวิสาหกิจ องค์การต่าง ๆ และวิทยุสมัครเล่น เป็นต้น

หลักการของเครื่องรับวิทยุ FM

สำหรับหลักการทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM นั้นจะคล้ายกับเครื่องรับวิทยุ AM ในปัจจุบันเครื่องรับวิทยุ FM จะเป็นแบบ Superheterodyne การทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM จะมีความซับซ้อนไม่มากเพื่อความเข้าใจในการทำงานของเครื่องรับวิทยุ FM จะแสดง Block Diagram ดังต่อไปนี้

Block Diagram ของ FM Receiver

1. Antenna สำหรับ Antenna จะเป็นเสาอากาศสำหรับรับคลื่นวิทยุต่างๆ(RF signal)โดยคลื่นหรือสัญญาณวิทยุที่รับเข้ามานั้นจะรับเข้ามาทุกๆคลื่นความถี่และความถี่ที่รับเข้ามานั้นจะมีสัญญาณค่อนข้างอ่อนต้องทำการขยายสัญญาณให้มีแรงขึ้นเพื่อใช้ในการแปลงเป็นคลื่นเสียงในภายหลัง 
2. RF Amplifier จะทำการขยายสัญญาณที่ได้รับจากข้อ 1 ให้สูงขึ้น ซึ่งจะทำการขยายสัญญาณทุกๆความถี่ให้สูงขึ้น โดยในส่วนนี้จะมีตัว Tuner ด้วยเพื่อกรองให้เหลือเฉพาะความถี่ที่เราต้องการฟังซึ่งความถี่นี้จะเปลี่ยนไปตามที่เราหมุนที่เครื่องวิทยุ(Tuner มีลักษณะคล้าย Band-pass filter คือกรองให้เฉพาะความถี่ที่เราต้องการผ่านไปได้โดยการที่เราหมุนเครื่องวิทยุเป็นการปรับค่าตัวเก็บประจุของวงจร Tuner เพื่อปรับให้วงจรยอมให้คลื่นที่มีความถี่เท่ากับความถี่ที่เราต้องการผ่านออกไปไ้ด้และการหมุนนี้ก็จะไปทำการปรับค่าของตัวเก็บประจุที่ใช้ในวงจร Oscillator ด้วยเพื่อปรับความถี่ที่ Oscillator จะสร้างขึ้ันมาซึ่งจะกล่าวในส่วนต่อไปด้วย)โดยเมื่อได้ความถี่ในช่วงความถี่ที่เราเลือกผ่าน Tuner มาแล้ว ก็จะทำส่งสัญญาณที่ความถี่นั้นไปยัง Mixer ต่อไป 
3. Mixer มีหน้าที่รวมสัญญาณ 2 สัญญาณโดยสัญญาณแรกคือสัญญาณ RF ที่ได้จากข้อ 2 และสัญญาณที่ได้จาก Oscillator มาผสมกันเพื่อให้ได้สัญญาณ Intermediate Frequency (IF) ซึ่งเป็นสัญญาณที่มีความถี่กลางที่จะใช้ในการแปลงเป็นสัญญาณเสียงต่อไปโดยทั่วไปแล้ว IF นี้จะมีความถี่ 10.7 MHz โดยตัว Oscillator นั้นต้องสร้างความถี่ที่สูงกว่าความถี่ของ RF 10.7 MHz เช่น ความถี่ของ RF คือ 90 MHz ตัว Oscillator ต้องสร้างความถี่ 100.7 MHz เพื่อทำให้เมื่อสัญญาณออกจาก Mixer แล้ว ความถี่ของ Oscillator จะหักกับความถี่ของสัญญาณ RF ได้ความถี่ของ IF ที่ 10.7 MHz

Block Diagram ของ Mixer

อธิบายรูปภาพ ในขึ้นตอนแรกรับความถี่ RF และความถี่จาก Oscillator เข้ามาจากนั้นเมื่อสัญญาณผ่านตัว Mixer จะได้ค่าสัญญาณออกมาคือสัญญาณที่ความถี่เป็นผลต่างระหว่างความถี่ของสัญญาณจาก Oscillator กับ RF (OSC-RF)

4. IF Amplifier(IF) ในวงจรนี้จะทำการขยายสัญญาณ IF ให้แรงขึ้นเพื่อส่งต่อไปยัง Detector 
5. Detector or DEMODULATOR จะทำหน้าที่กรองความถี่ของคลื่นวิทยุออกจากสัญญาณ IF ให้เหลือแต่ความถี่เสียงโดย Detector ของระบบ FM นั้นมีหลายรูปแบบเช่น แบบ Travis Discriminator ,แบบ Foster-Seeley Discriminator,แบบ Ratio detector เป็นต้น

รูปตัวอย่างวงจรและการทำงานของ Detector แบบ Travis Discriminator และ Foster-Seeley ตามลำดับ
การทำงานของ Detector นั้นส่วนใหญ่จะคล้ายๆกันในที่นี้จะพูดรวมๆคือ เืมื่อคลื่น IF ที่ส่งเข้ามายัง Detector มีความถี่เท่ากับความถี่ Resonance ที่ตั้งไว้ ในที่นี้คือ ความถี่ 10.7 MHz ก็จะไม่มีสัญญาณใดๆส่งออก แต่เมื่อได้สัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ Resonance ก็จะได้สัญญาณด้่านบวกที่สูงกว่าความถี่ Resonance ส่งออกมา และเื่มื่อได้สัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ Resonance ก็จะได้สัญญาณด้านลบที่ต่ำกว่าความถี่ Resonance ส่งออกมา ซึ่งความถี่ที่ได้นี้เป็นความถี่เสียง (Audio Frequency (AF)) ซึ่งจะนำความถี่เสียงนี้ไปขยายต่อในข้อ 6 
6. AF Amplifier ทำหน้าที่ขยายสัญญาณเสียงให้มีความแรงและชัดพอที่จะส่งสัญญาณออกไปขับเคลื่อนลำโพงให้มีเสียงออกมาจนกลายเป็นคลื่นเสียงเหมือนที่ได้รับจากสถานีต้นทาง