การออกแบบระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ DAB+
การออกแบบระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ DAB+
การตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณของเขตพื้นที่ให้บริการสัญญาณวิทยุกระจายเสียงเป็นสิ่งจำเป็น ที่จะทำให้ทราบถึงประสิทธิภาพระบบการกระจายสัญญาณวิทยุของสถานี ซึ่งมาตรฐานการรับฟังวิทยุกระจายเสียงค่าความเข้มของสัญญาณวิทยุต่ำสุดที่เครื่องรับวิทยุกระจายเสียงของผู้ฟังทั่วไปสามารถรับฟังได้อย่างชัดเจนมีความต่อเนื่อง ไม่มีสัญญาณรบกวน ถูกกำหนดโดยมาตรฐาน ITU-R BS.412 ซึ่งกำหนดการวัดสัญญาณที่ระดับความสูงของสายอากาศระยะประมาณ ๑๐ เมตร เหนือระดับพื้นดิน มีรายละเอียดดังต่อไปนี้
- สัญญาณวิทยุกระจายเสียงที่รับฟังได้ดีในเขตเมืองใหญ่ต้องมีขนาดไม่ต่ำกว่า ๗๐ dB uV/m. เนื่องจากมีสัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อมเยอะมาก
- ส่วนนอกเมืองหรือชนบทที่ไม่แออัดขนาดสัญญาณประมาณ ๔๘ dB uV/m. ก็สามารถรับฟังได้อย่างชัดเจน
- กรณีที่ปราศจากสัญญาณรบกวนจากเครื่องมือวัดอุตสาหกรรมและเครื่องใช้ภายในบ้าน ความเข้มของสัญญาณต่ำสุดขนาด ๕๐ uV/m. ถือได้ว่าให้ผลการรับฟังระดับดี
คลื่นวิทยุที่แพร่กระจายออกจากสายอากาศนั้น จะมีการแพร่กระจายออกไปในทุกทิศทาง เพราะฉะนั้น การลงพื้นที่ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณเขตพื้นที่บริการสม่ำเสมอจะทำให้ทราบถึงประสิทธิภาพ ระบบการแพร่กระจายสัญญาณวิทยุของสถานีได้เป็นอย่างดี ถึงอย่างไรการลงพื้นที่เพื่อตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุมีข้อเสียดังต่อไปนี้
ข้อเสียของการลงพื้นที่ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณ
- ใช้งบประมาณค่าใช้จ่าย
- เวลาและบุคลากรที่ใช้ดำเนินงาน
- สภาพอากาศไม่เอื้ออำนวยทำให้เกิดความยากลำบากในการตรวจวัดสัญญาณ
- การจัดเก็บรายละเอียดข้อมูลไม่อยู่ในระบบฐานข้อมูลทำให้การสืบค้นข้อมูลย้อนหลังทำได้ยาก
- การตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณไม่สามารถทำได้ในลักษณะเรียลไทม์ ทำให้ใช้เป็นแนวทาง ในการประเมินค่าประสิทธิภาพการทำงานของระบบวิทยุกระจายเสียงได้อย่างถูกต้องเป็นไปได้ยาก
บทความนี้จะกล่าวถึงการออกแบบระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ ซึ่งสามารถแก้ปัญหาข้อเสียดังกล่าวข้างต้นได้ ซึ่งแต่ละส่วนการทำงานมีรายละเอียดดังต่อไปนี้
- ส่วนเซนเซอร์ตรวจวัดค่าความเข้มของสัญญาณวิทยุ ประกอบด้วย
- เซนเซอร์สำหรับวัดสัญญาณวิทยุย่านความถี่ VHF Band 2-3 ที่สามารถถอดรหัสสัญญาณวิทยุดิจิทัล DAB+ และสายอากาศไดโพล
- อุปกรณ์ GPS สำหรับบอกพิกัดตำแหน่งสถานที่ที่ตรวจวัดสัญญาณ
- เซนเซอร์สำหรับวัดสภาพอากาศ
- ไมโครคอนโทรลเลอร์
- โมดูล 3G/4G/Wireless LAN
- โมดูล Sound Record
- ส่วน DB Server (เก็บข้อมูล)
- ส่วน Dynamic DNS Server (แปลงชื่อเป็นไอพีแอดเดรสแบบไดนามิกส์)
- ส่วน โซล่าเซลล์ (แหล่งจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์)
ข้อดีของการใช้ระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุย่านความถี่ VHF Band 2-3
- ประหยัดงบประมาณ บุคลากร เวลาการลงพื้นที่ตรวจวัด
- มีการจัดเก็บค่าความเข้มสัญญาณวิทยุเป็นระบบฐานข้อมูล หรือระบบไฟล์ส่งผ่านเครือข่าย 3G/4G หรือ LAN หรือ Wireless LAN สามารถนำมาใช้วิเคราะห์ข้อมูลย้อนหลัง เพื่อใช้เป็นแนวทาง ในการประเมินค่าประสิทธิภาพการทำงานของระบบวิทยุกระจายเสียงแบบเรียลไทม์
- แก้ปัญหาข้อจำกัดในเรื่องของเวลาและสภาพอากาศในการลงพื้นที่ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ
- สามารถแสดงผลจากการตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุผ่านทางเว็บแอพพลิเคชั่น ทำให้เกิด ความสะดวกในการตรวจสอบค่าความเข้มสัญญาณวิทยุเป็นปัจจุบันทันด่วน
หลักการทำงานพื้นฐานของระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ
อุปกรณ์เซนเซอร์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุนอกจากจะสามารถตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุแปลงเป็นค่าแรงดันไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถตรวจวัดสภาพอากาศซึ่งถูกวัดโดยเซนเซอร์วัดสภาพอากาศ สาเหตุที่ต้องมีการตรวจวัดสภาพอากาศด้วยเพราะสภาพอากาศจะมีผลต่อค่าความเข้มของสัญญาณวิทยุ กรณีที่มีฝนตกค่าความเข้มของสัญญาณวิทยุจะถูกลดทอน แต่กรณีท้องฝ้าแจ่มใสค่าความเข้มของสัญญาณวิทยุจะไม่ถูกลดทอน เซนเซอร์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุยังสามารถบันทึกสัญญาณเสียงย่านความถี่ VHF Band 2-3
ที่ตรวจวัดได้อีกด้วย ซึ่งตัวอุปกรณ์จะทำการบันทึกสัญญาณเสียงแล้วส่งไปเก็บที่ DB Server ในส่วนของ Dynamic DNS Server จะถูกใช้ในการอัพเดทค่าของไอพีแอดเดรสที่มีการเปลี่ยนแปลงโดยผ่านสื่อ 3G/4G/Wireless LAN ดังนั้น การติดต่อระหว่าง DB Server และ SNMP Server กับเซนเซอร์ตรวจวัดค่า ความเข้มสัญญาณวิทยุจะติดต่อโดยใช้ Dynamic DNS Server ที่มีหน้าที่แปลงไอพีแอดเดรสให้เป็นชื่อภายใต้โดเมนใดโดเมนหนึ่ง ซึ่งอาจเป็น x.sensor.prd.go.th เป็นต้น ส่วน DB Server มีหน้าที่ในการเก็บข้อมูลต่างๆ เช่น ค่าความเข้มสัญญาณวิทยุค่าพิกัดตำแหน่งสถานที่ที่ตรวจวัดสัญญาณ ค่าสภาพอากาศ ค่าของสัญญาณเสียง ที่ทำการบันทึก และในส่วนของ SNMP Server มีหน้าที่ในการตรวจเช็คการทำงานของอุปกรณ์เซนเซอร์ ว่ามีการทำงานเป็นอย่างไร เช่น ค่าของอุณหภูมิ ค่าหน่วยความจำ การประมวลผลของ CPU หรือแม้กระทั่งแบนด์วิธ ประเด็นหนึ่งที่ต้องใช้คือการสอบวัดเทียบเคียงกับอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุซึ่งการสอบเทียบจะทำให้ได้ค่ามาคำนวณปรับเทียบที่หน่วยประมวลผลนั่นเอง เพราะการวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ ที่ความถี่ย่าน VHF Band 2-3 ความยาวของสายอากาศไดโพลที่ใช้จะมีค่าไม่เท่ากัน ซึ่งในการลงพื้นที่เพื่อตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุอาจมีการวัดหลายความถี่ เพราะฉะนั้นเพื่อความคุ้มค่ามากที่สุดอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุย่านความถี่ VHF Band 2-3 จะต้องสามารถวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ ย่านความถี่ VHF Band 2-3 ได้หลายค่าโดยใช้สายอากาศชนิดไดโพลที่มีค่าความยาวคงที่ แต่มีการชดเชย ที่มีการคำนวณทางซอฟต์แวร์แทนนั่นเอง
ภาพแสดงโมดูลเซนเซอร์ตรวจวัดค่าความเข้มของสัญญาณ
ทฤษฎีเบื้องต้น
– SNMP (Simple Network Management Protocol) เป็นโพรโทคอลที่อยู่ในระดับชั้นการประยุกต์ (Application Layer) เป็นส่วนหนึ่งของชุดโพรโทคอล TCP/IP ซึ่งในเครือข่ายอินทราเน็ต/อินเตอร์เน็ตที่ใช้ โพรโทคอล TCP/IP จะมีอุปกรณ์เครือข่าย เครื่องคอมพิวเตอร์แม่ข่าย เครื่องคอมพิวเตอร์ลูกข่าย มากมายหลายแบบหลากชนิดและหลายยี่ห้อ มาตรฐานการจัดการอุปกรณ์เครือข่ายที่กล่าวข้างต้นที่ใช้งานได้ผลดีคือ SNMP ซึ่งมีหลายเวอร์ชั่น แต่เวอร์ชั่นล่าสุด SNMPv3 จะมีความปลอดภัยผนวกรวมเข้ามาด้วย SNMP ใช้ในการติดต่อกับอุปกรณ์ เพื่อตรวจเช็คการทำงานของอุปกรณ์ เช่น ค่าของอุณหภูมิ ค่าหน่วยความจำ การประมวลผล ของ CPU แบนด์วิธ หรือแม้กระทั่งโปรเซสการทำงานของระบบปฏิบัติการ เป็นต้น ซึ่งในที่นี้เราจะใช้ SNMPv3 โพรโทคอล ในการตรวจเช็คการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์
ภาพแสดงระดับชั้นการประยุกต์การทำงานของโพรโทคอล SNMP
– IoT (Internet of Things หรือ Internet of Everything) การเชื่อมโยงทุกสิ่งทุกอย่างสู่โลกอินเตอร์เน็ต ทำให้มนุษย์สามารถสั่งการควบคุมการใช้งานอุปกรณ์ต่างๆ ผ่านทางเครือข่ายอินเตอร์เน็ต หรือการควบคุมสั่งการติดต่อสื่อสารกันระหว่างอุปกรณ์กับอุปกรณ์ ระบบหนึ่งกับอีกระบบหนึ่งได้ เช่น การเปิด-ปิดอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์เครื่องมือทางการแพทย์ ระบบทางสาธารณสุข ระบบเตือนภัยพิบัติ สภาพอากาศ โทรศัพท์มือถือ เครื่องมือสื่อสาร เครื่องมือทางการเกษตร อาคารบ้านเรือน สำนักงาน เครื่องใช้ในชีวิตประจำวันผ่านทางเครือข่ายอินเตอร์เน็ต เป็นต้น IoT มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า M2M ถูกย่อมาจาก Machine to Machine คือเทคโนโลยีอินเตอร์เน็ตที่ใช้เชื่อมต่ออุปกรณ์กับเครื่องมือต่างๆ เข้าไว้ด้วยกัน
ภาพแสดงแนวความคิดการเชื่อมโยงทุกสิ่งทุกอย่างสู่โลกอินเตอร์เน็ต
– ระบบการตั้งชื่อโดเมน หรือ ดีเอ็นเอส (Domain Name System : DNS) เป็นระบบที่ใช้เก็บข้อมูล ของชื่อโดเมนทำงานในระดับชั้นการประยุกต์ (Application Layer) เป็นส่วนหนึ่งของชุดโพรโทคอล TCP/IP ซึ่งใช้ในเครือข่ายขนาดใหญ่อย่างอินเทอร์เน็ต โดยข้อมูลที่เก็บมีหลายอย่าง แต่สิ่งสำคัญคือ ความสัมพันธ์ระหว่างชื่อโดเมนนั้นๆ กับหมายเลขไอพีที่ใช้งานอยู่ คำว่าดีเอ็นเอส สามารถหมายถึง บริการชื่อโดเมน (Domain Name Service) ก็ได้ ส่วนเครื่องบริการจะเรียกว่า เครื่องบริการชื่อ หรือเนมเซิร์ฟเวอร์ (name server) ทั้งนี้ ไอพีแอดเดรสที่ใช้งานอยู่ในเครือข่ายอินเตอร์เน็ตมีจำกัด ดังนั้น การติดต่อสื่อสารกันในเครือข่ายอินเตอร์เน็ตจึงมีการหมุนเวียนหมายเลขไอพีแอดเดรสสลับกันใช้งานโดยอาศัยบริการแจกจ่ายไอพีแอดเดรสอัตโนมัติ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) ในการแจกจ่ายไอพีแอดเดรสนั่นเอง ซึ่งทำให้การติดต่อสื่อสารกันในงานการออกแบบระบบตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุย่านความถี่ VHF Band 2-3 ต้องใช้บริการ Dynamic DNS เพื่อติดต่อสื่อสารกันโดยใช้ชื่อโดเมนในการแปลงเป็นไอพีแอดเดรส
ภาพแสดงโครงสร้างของระบบดีเอ็นเอส
การแพร่กระจายคลื่น
ความเข้มของสนามไฟฟ้า E ที่ระยะห่าง r จากเครื่องส่งวิทยุย่านความถี่ VHF Band 2-3 ในเบื้องต้นสามารถคำนวณได้โดยสมการแมกซ์เวล (Maxwell’s Equation) ที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
โดย Pt คือ กำลังส่ง หน่วยเป็น W
นอกจากนี้ ความหนาแน่นกำลัง (Power density : P) ซึ่งมีค่าความสัมพันธ์กับค่าความเข้มสนามไฟฟ้าและค่าลักษณะเฉพาะอิมพีแดนซ์ของอวกาศว่าง (Characteristic Impedance of Free Space : Z) ดังสมการ
โดยที่ความหนาแน่นกำลังสามารถคำนวณได้จากสมการด้านล่าง ซึ่งแปรผันตามค่ากำลังส่งและแปรผกผัน กับระยะทางกำลังสอง
ค่าลักษณะเฉพาะอิมพีแดนซ์ของอวกาศว่างคำนวณหาได้จาก
การแพร่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศว่างซึ่งอยู่ในภาวะสุญญากาศ หรือในที่ที่ไม่มีสิ่งหนึ่งสิ่งใดอยู่ร่วมด้วยหรือไม่มีสิ่งกีดขวางการแพร่ของคลื่นไม่ว่าทิศทางใด การแพร่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศว่างจึงไม่มีผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมต่างๆ ทั้งการสะท้อนคลื่น (reflection) การหักเหของคลื่น (refraction) และการเลี้ยวเบนของคลื่น (diffraction) เป็นต้น แต่การแพร่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวนำคลื่นใดๆ ที่ไม่ใช่อวกาศว่าง จะได้รับผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมต่าง ซึ่งจะส่งผลต่อการรับพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรรับสัญญาณ
การสะท้อนคลื่น (reflection) คล้ายกับการสะท้อนภาพของกระจกเงา โดยคลื่นความถี่วิทยุถูกสะท้อนโดยตัวกลางที่มีความนำกระแส เช่น พื้นผิวโลหะ หรือพื้นผิวโลก เป็นต้น มุมพุ่งกระทบ (incident angle) จะเท่ากับมุมสะท้อน (reflection angle) โดยในการสะท้อนจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสซึ่งจะสามารถเห็นได้จากทิศทางโพลาไลซ์เซชั่นของคลื่นที่พุ่งกระทบจะแตกต่างจากโพลาไลซ์เซชั่นของคลื่นสะท้อน โดยจะมีเฟสแตกต่างกัน 180 องศา
ภาพแสดงการสะท้อนของคลื่น
การหักเหของคลื่น (refraction) เกิดขึ้นเมื่อคลื่นความถี่วิทยุแพร่สู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน โดยมุมของคลื่นพุ่งกระทบ และมุมหักเหของคลื่น มีความสัมพันธ์กันตามกฎของสเนล (Snell’s law) ดัชนีหักเหของสุญญากาศมีค่าเท่ากับ 1 ตัวกลางที่เป็นน้ำมีค่าดัชนีการหักเหประมาณ 1.33 และแก้วมีดัชนี การหักเหประมาณ 1.5 เป็นต้น
ภาพแสดงการหักเหของคลื่น
การเลี้ยวเบนของคลื่น (diffraction) เป็นปรากฏการณ์ที่คลื่นเดินทางในแนวเส้นตรงแล้วเกิดการโค้ง เมื่อกระทบสิ่งกีดขวาง ซึ่งคลื่นเมื่อกระทบกับสิ่งกีดขวาง เช่น อาคารสิ่งปลูกสร้าง หรือภูเขา คลื่นจะเลี้ยวเบนออกส่งผลให้คลื่นสามารถส่งผ่านไปยังสถานีรับที่อยู่ด้านหลังสิ่งกีดขวางได้ แต่บางพื้นที่ที่อยู่ด้านหลังสิ่งกีดขวาง การรับสัญญาณก็อาจไม่สามารถทำได้ โดยพื้นที่ดังกล่าวเรียกว่า พื้นที่เงา (shadow zone) เมื่อคลื่นจากสถานีส่งส่งผ่านมากระทบกับยอดภูเขาคลื่นโดยตรงจะไม่สามารถผ่านแนวกำบังของภูเขาได้ เสมือนกับคลื่นถูกสร้างขึ้นมาใหม่ตามการเลี้ยวเบนของคลื่นที่ยอดภูเขา คลื่นเลี้ยวเบนตัวใหม่นี้เองที่สามารถส่งผ่านมาถึงสถานีรับสัญญาณได้ โดยมีการเกิดพื้นที่เงาที่ไม่สามารถรับคลื่นเลี้ยวเบนนี้ได้บางส่วน ซึ่งขนาดพื้นที่เงานี้แปรผันตามความถี่ หากความถี่ต่ำจะมีการเกิดพื้นที่เงาน้อยกว่าความถี่สูง
ภาพแสดงการเลี้ยวเบนของคลื่น
การแพร่คลื่นอากาศ (Space Wave Propagation) แบ่งได้สองประเภท คือ การแพร่คลื่นโดยตรง (direct wave) และการแพร่คลื่นสะท้อน (reflected wave) การแพร่คลื่นอากาศในลักษณะการแพร่คลื่นโดยตรงได้รับความนิยมในการใช้งานมาก ทำการแพร่คลื่นผ่านสายอากาศจากวงจรส่งมายังวงจรรับ โดยเป็น การแพร่คลื่นเหนือพื้นดิน ดังนั้นจึงไม่เกิดการลดทอนพลังงานจากพื้นโลก การแพร่คลื่นอากาศในลักษณะ การแพร่คลื่นโดยตรงมีข้อจำกัดที่สำคัญประการหนึ่งคือ ระยะห่างการสื่อสารในแนวสายตา (line-of-sight transmission distances) ที่มีตัวแปรหลักคือ ความสูงของสายอากาศและความโค้งของเปลือกโลก
ระยะทางการแพร่คลื่นวิทยุจะแตกต่างจากระยะห่างการสื่อสารในแนวสายตาจริง โดยมีค่ามากกว่า 4/3 ของระยะห่างการสื่อสารในแนวสายตาจริงเนื่องจากผลของการเลี้ยวเบนของคลื่น ซึ่งสามารถประมาณ การได้ดังสมการข้างล่าง
ตารางแสดงรายละเอียดพารามิเตอร์ที่ต้องการเก็บข้อมูล
การสอบเทียบวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ ในเบื้องต้นเราจะใช้ซอฟต์แวร์ Radio Mobile ในการจำลองเขตพื้นที่ให้บริการที่ความถี่และโปรแกรมต่างๆ กัน ก่อนที่เราจะลงพื้นที่ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุจริง เพื่อใช้เป็นแนวทางในการวิเคราะห์ค่าที่ใช้เครื่องมือวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุจริงกับค่าที่วัดจากอุปกรณ์ ที่ออกแบบขึ้นมานั่นเอง ซึ่งแบบจำลองเขตพื้นที่บริการถูกแสดงดังภาพด้านล่าง ซึ่งเป็นเขตพื้นที่บริการ บอกถึงพิกัดตำแหน่งและค่าความเข้มสัญญาณวิทยุที่ตำแหน่งต่างๆ กัน
ภาพแสดงซอฟต์แวร์จำลองเขตพื้นที่บริการเบื้องต้น
เมื่อรู้ค่าความเข้มสัญญาณวิทยุในเบื้องต้นจากโปรแกรมจำลองเขตพื้นที่บริการแล้ว จึงลงพื้นที่เพื่อวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ ณ ตำแหน่งต่างๆ กัน โดยใช้เครื่องมือตรวจวัดสัญญาณความถี่ย่าน VHF Band 2-3 ที่รองรับการถอดรหัสสัญญาณความถี่วิทยุดิจิทัล DAB+ และวัดเทียบกับอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ DAB+ หลังจากนั้น นำค่าที่ได้มาเปรียบเทียบแล้วปรับเทียบให้ค่าที่วัดได้จากอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความเข้มสัญญาณวิทยุ DAB+ มีค่าใกล้เคียงกับเครื่องมือตรวจวัดสัญญาณความถี่ย่าน VHF Band 2-3 โดยปรับเทียบ ทางซอฟต์แวร์
อัครเดช แย้มคลี่
ม.ค. ๖๐
