Ep. 15 อุปกรณ์รับสัญญาณวิทยุย่านแอล - NARIT ไม่ใช่แค่ซื้อแต่ร่วมผลิต หวังตอบโจทย์การทำงานกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ ยกระดับความสามารถของวิศวกรไทย สู่การพัฒนาอุปกรณ์รับสัญญาณขึ้นเอง

15 01

หัวใจสำคัญประการหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร สำหรับศึกษาด้านดาราศาสตร์วิทยุคือ “อุปกรณ์รับสัญญาณ (Receiver)” กล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาตินี้ สามารถรับสัญญาณคลื่นความถี่ได้ในช่วงตั้งแต่ 300 MHz ถึง 115 GHz ดังนั้น ภายในจึงประกอบด้วยอุปกรณ์รับสัญญาณหลายช่วงความถี่ และยังสามารถติดตั้งอุปกรณ์รับสัญญานได้มากถึง 8-12 ตัว  

ด้วยอุปกรณ์รับสัญญาณมีระบบการทำงานที่ซับซ้อนและเฉพาะเจาะจงกับคุณลักษณะของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแต่ละตัว ไม่สามารถหาซื้อได้ตามท้องตลาดทั่วไป NARIT จึงได้วางแผนพัฒนาอุปกรณ์และระบบรับสัญญาณวิทยุย่านแอล (L-band Receiver) ภายใต้ความร่วมมือกับสถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์แพลงค์  (Max Planck Institute for Radio Astronomy: MPIfR) ประเทศเยอรมนี  และในขณะเดียวกันก็ส่งวิศวกรไทยไปเรียนรู้และฝึกประสบการณ์  เพื่อพัฒนาทักษะ และองค์ความรู้ด้านเทคโนโลยีดาราศาสตร์วิทยุขั้นสูง  เพื่อประยุกต์ ต่อยอดในเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ ได้ ในอนาคต

 

พัฒนาอะไร อย่างไรและมีจุดเด่นที่แตกต่างอย่างไร?

ระบบรับสัญญาณแบบดั้งเดิมต้องแปลงสัญญาณความถี่สูง ระดับกิกกะเฮิร์ท (GHz) ลงมาเป็นความถี่ต่ำ ระดับเมกะเฮิร์ท (MHz) โดยใช้วงจรแปลงความถี่ (Down-converter) เพื่อให้อุปกรณ์ไอซีแปลงสัญญาณและอ่านค่าได้ ระบบนี้จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวน (Noise) ค่อนข้างมาก ปัจจุบัน อุปกรณ์ไอซีแปลงสัญญาณ ได้รับการพัฒนาจนสามารถแปลงสัญญาณความถี่สูงได้โดยตรง 

ทำไมต้องแปลงความถี่? สัญญาณความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ หรือความถี่ที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้น  มนุษย์สามารถรับรู้และวิเคราะห์ได้โดยตรง อาทิ คลื่นแสง สามารถใช้ดวงตารับรู้ได้หรือใช้กล้องในการบันทึกภาพ  คลื่นความร้อนอินฟาเรดผิวหนังเราสามารถรับรู้ได้  แต่สำหรับคลื่นวิทยุหรือคลื่นไมโครเวฟ เป็นคลื่นความถี่ที่เราไม่สามารถสัมผัสได้ เพื่อศึกษาคุณสมบัติของสัญญาณความถี่เหล่านี้ จะต้องเหนี่ยวนำสัญญาณให้อยู่ในรูปของความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือสัญญาณที่เกิดขึ้นต่อเนื่องแบบ Analog จากนั้นจึงแปลงสัญญาณให้เป็น Digital เพื่อให้คอมพิวเตอร์ประมวลผลและแสดงผลให้เรารับรู้และนำไปวิเคราะห์ผลได้ 

กระบวนการแปลงสัญญาณ Analog ให้เป็น Digital เรียกว่า Analog to  Digital  converter ใช้วงจรไอซีแปลงสัญญาณ โดยการสุ่มเก็บค่าสัญญาณในแต่ละช่วงคล็อกของคาบเวลาสัญญาณนาฬิกาแล้วนำระดับสัญญาณมาเรียงต่อกันตามช่วงเวลา ทำให้เห็นรูปร่างของสัญญาณได้ ปัจจุบันความสามารถของไอซีแปลงสัญญาณ มีอัตรตราการสุ่มสูงถึงระดับ 10.4 GSPS (Giga Samples per Second) รองรับการการแปลงสัญญาณได้ถึง 10GHz ได้เลยโดยไม่ต้องแปลงสัญญาณให้เป็นความถี่ต่ำก่อน อย่างไรก็ตามสัญญาณความถี่ที่นักดาราศาสตร์ใช้ศึกษาที่มีค่าความถี่สูงมาก ๆ จะต้องมีการแปลงความถี่ลงมาที่ความถี่ต่ำโดยใช้วงจร (Down-converter) 

สำหรับระบบรับสัญญาณความถี่ย่านแอล (L-band) มีช่วงความถี่ 1-1.8 GHz สามารถใช้ไอซีแปลงสัญญาณจาก Analog ให้เป็น Digital ที่ความถี่นี้ได้โดยตรง  และการนำส่งสัญญาณ Digital จากต้นทางไปยังระบบประมวลผลผ่านไฟเบอร์ออพติก ทำให้ลดปัญหาของสัญญาณรบกวนได้ดี

 

#จุดเด่นของอุปกรณ์รับสัญญาณวิทยุย่านแอลที่NARITพัฒนาร่วมกับมักซ์แพลงค์ ถือเป็นระบบรับสัญญาณที่พัฒนาขึ้นใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนการประมวลผล (Processing) มีการออกแบบชุดอุปกรณ์รับสัญญาณให้มีขนาดเล็กลง พร้อมกับพัฒนาวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้เป็น Direct digital คือ แปลงสัญญาณความถี่จาก Analog เป็น  Digital โดยตรงจากจุดโฟกัสได้เลย ไม่ต้องแปลงความถี่ ใช้ไอซีแปลงสัญญาณมีอัตรตราการสุ่มสูงถึงระดับ 4 GSPS ซึ่งเพียงพอต่อการแปลงสัญญาณความถี่ในย่าน 1-1.8 GHz ระบบนี้จะช่วยลดสัญญาณรบกวน (Noise) ได้มากยิ่งขึ้น ใช้นวัตกรรมแบบดิจิทัล ถอดแบบมาจากเครื่องรับสัญญาณวิทยุของเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ MeerKAT ซึ่งเป็นโครงการนำร่องของเครือข่าย SKA นอกจากนี้ยังเป็นอุปกรณ์รับสัญญาณวิทยุที่มีคุณภาพดีที่สุด ที่สถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์พลังค์เคยสร้างขึ้นมา โดยมีอุณหภูมิของระบบรับสัญญาณ( Rx receiver temperature ) ต่ำกว่า 10 เคลวิน  ทำให้มีความสามารถในการรับสัญญานในระดับดีมาก

 

ความท้าทาย และต้องใช้องค์ความรู้ เทคนิค เทคโนโลยีด้านไหนบ้าง 

- การออกแบบอุปกรณ์รับสัญญาณสำหรับศึกษาด้านดาราศาสตร์วิทยุให้อยู่ในระบบสุญญากาศที่ทำงานได้ในอุณหภูมิต่ำกว่า 20 เคลวิน เราเรียกระบบนี้ว่าระบบรับสัญญาณภายใต้สภาวะความเย็นยิ่งยวด (Cryogenic system ) เป็นระบบสุญญากาศและติดตั้ง ฟีดรับสัญญาน วงจรคลัปเลอร์ วงจรขยายสัญญานไว้ภายใน จากนั้นทำให้เย็นด้วยหัวทำความเย็น (Cold head) โดยมีฮีเลี่ยมเป็นสารทำความเย็น  ต้องอาศัยการออกแบบวงจรความถี่สูงควบคู่กับการออกแบบ งานด้านเมคาทรอนิกดีไซน์ รวมถึงการจำลองผลโครงสร้างภายใต้สภาวะอุณที่ต่ำมากๆ  เพื่อเลือกวัสดุที่เหมาะสมและทนทานในการผลิตชิ้นงานจริงขึ้นมา

- การแปลงสัญญาณความถี่สูงให้เป็นความถี่ที่ต่ำลง เข้าสู่ระบบอิเล็กทรอกนิกส์ แปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล เพื่อเก็บข้อมูลเข้าสู่ระบบประมวลผล  ปัจจุบันมีการพัฒนาชิปหรืออุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ที่รองรับการแปลงสัญญาณความถี่สู่ถึงระดับ 10 GHz ได้  ทำให้คลื่นความถี่วิทยุย่านแอล ที่มีช่วงความถี่ประมาน 1-2 GHz สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ไอซีแปลงสัญญาณที่มีอัตรตราการสุ่มสูงถึงระดับ 4 GSPS แปลงสัญญาณ Analog เป็น  Digital ได้โดยตรงทันที ไม่ต้องแปลงสัญญาณลงมาเป็นความถี่ต่ำ จึงสะดวกในการนำข้อมูลมาเก็บในระบบ เพื่อประมวลผลต่อไป

- การออกแบบวงจรแปลงสัญญาณ Analog เป็น  Digital และเขียนโปรแกรมการใช้งาน เพื่อจัดการข้อมูล นำไปวิเคราะห์และแสดงผล ส่วนใหญ่ใช้องค์ความรู้ที่อยู่บนพื้นฐานของฟิสิกส์ และวิศวกรรม อาทิ วิศกรรมอิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรรมเมคาทรอนิกส์ วิศวกรรมซอฟต์แวร์  วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

 

ปัจจุบันอยู่ในขั้นตอนไหน 

สำหรับอุปกรณ์รับสัญญาณย่านแอล ได้พัฒนาแล้วเสร็จและนำส่งจากมักซ์แพลงค์ มาถึงไทยเรียบร้อยแล้ว รอการติดตั้ง ตามกระบวนการต้องตรวจสอบประสิทธิภาพของจานรับสัญญาณกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติให้เรียบร้อยก่อน ด้วยวิธีการโฮโลกราฟีจากอุปกรณ์รับสัญญาณย่านเคยู (ที่ได้นำเสนอไปเมื่อ Ep. 13) ปรับพื้นผิวจานให้ราบเรียบและมีค่าความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด หากตรวจสอบแล้วมีประสิทธิภาพการรับสัญญาณที่ดีเป็นไปตามมาตรฐาน ก็จะนำอุปกรณ์รับสัญญาณย่านแอลไปติดตั้งเป็นตัวที่สอง เพื่อทดสอบและเปิดใช้งานอย่างเป็นทางการได้เลย

ตำแหน่งติดตั้งอยู่บริเวณจุดโฟกัส  ตำแหน่ง Sub reflector (M2) รับสัญญาณในช่วงคลื่นความถี่ (1-1.8GHz)   สำหรับใช้ศึกษาดาวนิวตรอน สเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจน (HI) และไฮดรอกซิล Hydroxyl radical (OH) เป็นต้น รับสัญญาณแบบโพลาไรเซชันเชิงเส้น (Linear polarization)   มีระบบแปลงสัญญาญจากอนาล็อกเป็นดิจิทัลด้วยแบนด์วิดท์ 800MHz ระดับ 12 bit  และ มีมุมมองสังเกตการณ์ประมาณ 22 ฟิลิปดา