chapter5

Digital Analog

ความแตกตา่ งระหว่างข้อมูลและสัญญาณ ? การเคลื่อนย้ายข้อมูลที่อยูใ่ นรูปแบบของสัญญาณผ่านสือ่ กลาง ซึง่ ตามปกติ ข้อมูลที่ใช้งานอยู่ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นข้อมูลชนิดตัวเลข ตัวอักษร ภาพน่ิง รวมถึงภาพเคลื่อนไหวจะไม่สามารถส่งผ่านระบบสื่อสารได้โดยตรง ตัวอย่างเช่น ไฟล์ข้อมูลเงินเดือนพนักงาน ใช่ว่าจะสามารถนามาส่งผ่าน สื่อกลางหรือสายส่งข้อมูลได้ทันที แต่ไฟล์ข้อมูลดังกล่าวจาเป็นต้องแปลง เป็นสัญญาณ เพื่อพร้อมที่จะส่งผ่านสื่อกลางของระบบสื่อสารไปยัง ปลายทางที่ต้องการต่อไป จากข้อมูลข้างต้น ทาให้ทราบว่าข้อมูล (Data) และสัญญาณ (Signals) มีความหมายแตกต่างกัน โดยความหมายของ ขอ้ มูลก็คือ สิง่ ที่มีความหมายในตัว

ตัวอยา่ งของข้อมูลในระบบคอมพวิ เตอร์- ข้อมูลการขายสินค้าในรูปแบบของไฟล์คอมพิวเตอร์ ที่บันทึกอยู่ในฮาร์ดดิสก์- ภาพดิจิตอลที่สแกนจากเครือ่ งสแกนเนอร์ และจัดเกบ็ ลงในแฟลชไดรฟ์- เพลง ซึ่งประกอบดว้ ยขอ้ มูลไบนารี (0 และ 1) ทีบ่ ันทึกอยู่บนแผน่ ซีดี- ตัวเลข 0 ถงึ 9 ทีน่ ามาใชแ้ ทนรหัสสนิ ค้า หากมีความต้องการส่งผ่านข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังจุดหน่ึงผ่านสายสื่อสารหรือคลื่นวิทยุข้อมูลที่ต้องการส่งนั้น จะต้องได้รับการแปลงให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณที่เหมาะสมกับระบบสื่อสารนั้น ๆ เสียก่อน ดังนั้นความหมายของสัญญาณก็คือปริมาณใด ๆ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงและสัมพันธ์ไปกับเวลา โดยสัญญาณที่ใชใ้ นระบบสือ่ สารก็คือกระแสไฟฟ้า (Electric) หรือคลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) เชน่ คลืน่ วทิ ยุ คลืน่ แสง เปน็ ต้น

ตัวอย่างของสัญญาณ- การสนทนาผา่ นระบบโทรศัพท์- การสัมภาษณ์รายงานสดจากต่างประเทศ สง่ ผา่ นบนระบบสื่อสารดาวเทียม- การสั่งพิมพ์งาน ด้วยการสื่อสารผ่านสายเคเบิลที่เชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอรแ์ ละเครือ่ งพมิ พ์- การดาวน์โหลดข้อมูลจากอินเทอร์เน็ตที่ส่งผ่านสายโทรศัพท์ระหว่างบริษัทที่ให้บริการอินเทอร์เน็ตมายังคอมพิวเตอร์ของเรา

ขอ้ มูลแอนะล็อกและสัญญาณแอนะล็อก (Analog Data and Analog Signals)เป็นรูปคลื่นทีม่ ีลักษณะต่อเนื่อง (Continuous Waveforms) สัญญาณจะแกว่งขึ้นลงอยา่ งต่อเนื่องและราบเรียบตลอดเวลา ไม่มีการเปลี่ยนแปลงแบบทันทีทันใด ค่าสัญญาณสามารถอยู่ในชว่ งระหว่างค่าตา่ สุดและค่าสูงสุดของคลืน่ ได้ โดยค่าต่าสุดและค่าสูงสุดจะแทนหน่วยแรงดัน (Voltage) ตัวอย่างข้อมูลแอนะล็อก เช่น เสียงพูดของมนุษย์เสียงดนตรี หรือเสียงอื่น ๆ ที่ได้ยินตามธรรมชาติ ส่วนสัญญาณแอนะล็อกที่สามารถพบเห็นได้ทั่วไป เช่น การสนทนาเพื่อสื่อสารกันผ่านระบบโทรศัพท์ เป็นต้น นอกจากนี้ข้อมูลแอนะล็อกและสัญญาณแอนะล็อกสามารถถูกรบกวนได้ง่ายจากสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่เรียกว่า “สัญญาณรบกวน (Noise)” ซึ่งหากมีสัญญาณรบกวนปะปนมากับสัญญาณแอนะล็อกแลว้ นอกจากจะส่งผลให้การส่งข้อมูลช้าลง ยังทาให้การจาแนกหรือตัดสัญญาณรบกวนออกจากขอ้ มูลตน้ ฉบับนั้นเป็นไปไดย้ าก

ขอ้ มูลดิจิตอลและสัญญาณดิจิตอล (Digital Data and DigitalSignals)เป็นคลื่นแบบไม่ต่อเนื่อง มีรูปแบบของระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นคลื่นสีเ่ หลีย่ ม (Square Wave) สัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงจาก 0 ไป1 หรือจาก 1 ไป 0 ได้ทุกเมื่อ ซึ่งเปน็ การเปลี่ยนสัญญาณในลักษณะกา้ วกระโดด

ข้อดีและข้อเสียของสัญญาณแอนะล็อกและสัญญาณดจิ ติ อล1. การแสดงผลทาให้เข้าใจได้ง่าย เช่น การแสดงผลของแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวเลขจากเครือ่ งวัดแรงดันไฟฟ้า2. การควบคุมทาได้ง่าย เช่น ระบบควบคุมอุณหภูมิของเตาเผาที่มีระบบดิจิตอลเข้ามาเกี่ยวข้อง การทางานของระบบ มีตัวตรวจอุณหภูมิที่เปลี่ยนอุณหภูมิเป็นระดับแรงดันที่เป็นสัญญาณอนาลอก สัญญาณจะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณดิจิตอล ด้วยวงจรเปลี่ยนสัญญาณอนาลอกเป็นดจิ ิตอล แลว้ ป้อนเขา้ สูส่ ่วนประมวลผล (Central Processing Unit :CPU) ซี พี ยู จะทางานตามเงอื่ นไขที่กาหนดไว้ ถ้ามีอุณหภูมิสูงหรือตา่ กว่าที่กาหนด จะสง่สัญญาณออกที่เอาท์พุต เพื่อควบคุมการปิดเปิดเชื้อเพลิงใน เตาเผา การเปลี่ยนสัญญาณดิจิตอลให้กลับมาเป็นสัญญาณอนาลอกใช้วงจร D/A คอนเวอร์เตอร์ (Digital to AnalogConverter) สัญญาณอนาลอกจะไปควบคุมการปิดเปดิ การฉีดน้ามันเชือ้ เพลิงในเตาเผาเพื่อให้ได้อุณหภูมิตามที่ตัง้ ไว้ การเปลี่ยนอุณหภูมิสามารถปรับได้ โดยการเปลี่ยนค่าทีเ่ ก็บไวใ้ น ซี พี ยู

3. ความเที่ยงตรงวงจรอนาลอก ทาให้มีความเที่ยงตรงสูงได้ยาก เพราะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ที่มีค่าผิดพลาด และมีความไวต่อส่ิงแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ความชื้น จึงทาให้อุปกรณต์ า่ ง ๆ เช่น ตัวตา้ นทาน ตัวเกบ็ ประจุ มีคุณสมบัตเิ ปลี่ยนไป เหมือนกับว่าปัญหาที่เกิดข้ึนในวงจรอนาลอก เป็นเพราะแรงดันไฟฟ้า ส่วนอุปกรณ์ในวงจรดิจิตอลก็มีปัญหาเช่นเดียวกัน แต่วงจรสามารถควบคุมการทางานได้ ถึงแม้ว่าสัญญาณจะผิดเพี้ยนไปบ้างกไ็ ม่มีผลต่อการทางานของวงจรเพราะสภาวะ 1 กับ 0 กาหนดจากระดับแรงดัน4. ผลกระทบต่อการส่งในระยะไกล เมื่อมีการส่งสัญญาณออกไปในระยะไกล ๆ ตามสายสง่ หรือเป็นคลื่นวทิ ยุ จะมีการรบกวนเกดิ ข้นึ ได้งา่ ย เรียกว่า นอยส์ (noise) เช่น การส่งสัญญาณไปยังดาวเทียมจะมีการรบกวนเนื่องจากการแผ่รังสี จากฟ้าแลบ หรือจุดดับบนดวงอาทิตย์ทาให้สัญญาณผิดเพี้ยนได้ง่าย ถ้าเป็นวงจรอนาลอก ความเชื่อถือได้ขึ้นกับแรงดันที่ปลายทางว่าเบี่ยงเบนไปจากต้นทางมามากน้อยแค่ไหน เป็นปัญหาที่เกี่ยวกับความต่างศักย์ ถ้าส่งเป็นสัญญาณดิจิตอลจะไม่มีปัญหานี้ เพราะสัญญาณอาจผิดไป จากตน้ ทางได้บ้างแตย่ ังคงสภาวะ 1 หรือ 0

สว่ นประกอบพื้นฐานหลักๆ ของสัญญาณแอนะลอ็ ก1. แอมพลิจูด (Amplitude) สัญญาณแอนะล็อก ที่มีการเคลือ่ นที่ในลักษณะเปน็รูปคลื่นข้ึนลงสลับกัน และก้าวไปตามเวลาแบบสมบูรณ์นั้น เรียกว่า คลื่นซายน์ (Sine Wave) แอมพลิจูดจะเป็นค่าที่วัดจากแรงดันไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นระดับของคลื่นจุดสูงสุด (High Amplitude) หรือจุดต่าสุด (Low Amplitude)และแทนด้วยหนว่ ยวัดเป็นโวลต์ (Volt)2. ความถี่ (Frequency) หมายถึง อัตราการขึ้นลงของคลื่น ซึ่งเกิดขึ้นจานวนกี่รอบใน 1 วินาที โดยความถีน่ ั้น จะใช้แทนหนว่ ยวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hertz : Hz)

สว่ นประกอบพื้นฐานหลักๆ ของสัญญาณแอนะลอ็ ก3. คาบ (Period) เป็นระยะเวลาของสัญญาณที่เปลีย่ นแปลงไปจนครบรอบโดยจะมีรูปแบบซ้า ๆ กันในทุกชว่ งเวลา โดยหน่วยวัดของคาบเวลาจะใช้เป็นวนิ าที และเมื่อคลื่นสัญญาณทางานครบ 1 รอบ จะเรียกวา่ Cycle4. เฟส (Phase) เปน็ การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ ซ่ึงจะวัดจากตาแหน่งองศาของสัญญาณเมื่อเวลาผ่านไป โดยเฟสสามารถเปลี่ยนแปลงตาแหน่ง(Phase Shift) ในลักษณะเลื่อนไปข้างหน้าหรือถอยหลังก็ได้ การเลื่อนไปข้างหน้าจานวนครึ่งหนึ่งของลูกคลื่น จะถือวา่ เฟสเปลี่ยนแปลงไป 180 องศา

Bit Interval กับ Bit Rate Bit Interval มีความหมายเช่นเดียวกับคาบ โดย Bit Interval คือ เวลาที่สง่ ข้อมูล 1 บติ Bit Rate คือ จานวนของ Bit Interval ตอ่ วนิ าที โดยมีหน่วยวัดเป็นบติ ต่อวินาที (bps) Bit Rate และ Baud Rate อัตราบิต (Bit Rate/Data Rate) คือ จานวนบิตที่สามารถสง่ ไดภ้ ายในหนงึ่ หนว่ ยเวลา ซึง่ มีหน่วยเป็นบิตต่อวินาที (bps) อัตราบอด (Baud Rate) คือ จานวนของสัญญาณที่สามารถส่งไดต้ อ่ การเปลี่ยนสัญญาณในหน่งึ หน่วยเวลา (baud per second)

การมอดูเลต (Modulate)การมอดูเลตสัญญาณ คือ การจะส่งสัญญาณเสียงหรือข้อมูลผ่านช่องทางการสื่อสารจาเป็นอย่างย่ิงที่จะต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าช่วยพาสัญญาณเหล่านั้นให้เคลื่อนย้ายจากที่หน่ึงไปยังอีกที่หน่ึงขบวนการหรือขั้นต้อนในการเพิ่มพลังงานไฟฟา้ ดังกล่าวเราเรียกว่าการมอดูเลต(Modulation)สัญญาณพาหะ (Carrier Signal)สัญญาณพาหะ มีคุณสมบัติพิเศษคือ เป็นคล่ืนความถ่ีสูง และเป็นคลื่นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถส่งออกผ่านส่ือกลางได้บนระยะทางไกลๆ เมื่อมีการนาสัญญาณพาหะมารวมกับสัญญาณ จะเรียกว่า การมอดูเลต (Modulate) เม่ือสถานีส่งทาการส่งสัญญาณที่ผ่านการมอดูเลตไปแล้ว สถานีรับจะต้องมีวธิ ีในการแยกสัญญาณพาหะออกจากสัญญาณเสียง เรียกว่า การดีมอดูเลต(Demodulate)

การมอดูเลตทางขนาด(AM)และการมอดูเลตทางความถี่ (FM) การมอดูเลตทางแอมปลิจูด (AM) สัญญาณของคลื่นพาห์จะมีความถ่ีสูงกว่า ความถี่ของสัญญาณข้อมูล เพ่อื ให้สามารถพาสัญญาณข้อมูลไปได้ไกล ๆ สัญญาณ AM ที่มอดูเลตแล้วจะมีความถ่ีเท่ากับความถ่ีของสัญญาณคล่ืนพาห์ โดยมีขนาด หรือแอมปลิจูดของสัญญาณเปลี่ยนแปลงไปตามแอมปลิจูดของสัญญาณด้วย การมอดูเลตทางความถ่ี (FM) สัญญาณ FM ที่มอดูเลตแล้วจะมีแอมปลิจูดคงที่ แต่ความถ่ีของสัญญาณจะไม่คงที่เปลี่ยนแปลงไปตามแอมปลิจูดของสัญญาณ ข้อมูล

การมอดูเลตสัญญาณดิจิตอล การมอดูเลตแบบดิจิตอลทางแอมพลจิ ูด (ASK : Amplitude-Shift Keying) ความถี่ของคลื่นพาห์ (Carrir Wave) ซ่ึงทาหน้าที่นาสัญญาณอนาล็อกผ่าน ตัวกลางสื่อสารนั้นจะคงที่ ลักษณะของสัญญาณมอดูเลตเมื่อค่าของบิตของ สัญญาณข้อมูลดจิ ติ อลมีค่าเป็น 1 ขนาดของคลื่นพาหจ์ ะสูงข้ึนกว่าปกติ และเม่ือบิต มีค่าเป็น 0 ขนาดของคล่ืนพาหจ์ ะลงกว่าปกติ การมอดูเลต ASK มักจะไม่ค่อย ได้รับความนิยมเพราะจะถูกรบกวนจากสัญญาณอ่ืนได้ง่าย การมอดูเลตเชิงเลขทางความถี่ (Frequency-Shift Keying หรือ FSK) ใน การมอดูเลตแบบFSK ขนาดของคล่ืนพาห์จะไม่เปลี่ยนแปลงที่เปลี่ยนแปลงคือ ความถี่ของคลื่นพาหน์ ั่นคือ เม่ือบิตมีค่าเป็น 1 ความถี่ของคลื่นพาห์จะสูงกว่าปกติ และเมื่อบติ มีค่าเปน็ 0 ความถี่ของคลื่นพาหก์ ็จะต่ากว่าปกติ

 การมอดูเลตเชิงเลขทางเฟส (Phase-Shift Keying หรือ PSK) หลักการของ Phase Keying (PSK) คือ ค่าของขนาดและความถี่ของคลื่นพาห์จะไม่มีการ เปลี่ยนแปลงแต่ที่จะเปลี่ยนคือ เฟสของสัญญาณ กล่าวคอื เมื่อมีการเปลี่ยนแปลง สภาวะของบิตจาก 1 ไปเป็น 0 หรือเปลี่ยนจาก 0 ไปเป็น 1 เฟสของคล่ืนจะ เปลี่ยนไป หลักการPSK สามารถทาได้ทั้งแบบ 2 เฟส (0,90,180 และ 270 องศา) และแบบ 8 เฟส(0,45,90,135,180,225,270 และ 315องศา) ในการมอดูเลตเพื่อเปลี่ยนสัญญาณข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณอนาล็อกทัง้ 3 แบบ วิธีการแบบPSK จะมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นน้อยที่สดุ ได้สัญญาณที่มีคณุ ภาพดีที่สุดแต่วงจรการทางานจะยุ่งยากกว่าและราคาสูงกว่า

รหัสข้อมูล รหัสแทนข้อมูล หมายถึง รหัสที่ใช้แทนตัวอักขระ ซ่ึงประกอบด้วยตัวอักษร ตัวเลข หรือสัญลักษณ์พิเศษอื่น ๆ ที่ใช้ในโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพราะว่าข้อมูลที่เก็บไว้ในหน่วยความจาของคอมพิวเตอร์จะแทนด้วยรหัสเลขฐานสองท่มี ีเลข 0 กับ 1 วางเรียงกัน1. รหัสภายนอกเคร่ือง (External Code) หมายถึง รหัสที่ใช้สาหรับการบันทึกข้อมูลที่อย่ภู ายนอกเครื่องคอมพิวเตอร์ เช่น การบันทึกข้อมูลบนบัตรเจาะรู โดยใช้สัญลักษณก์ ารเจาะรูแต่ละแถวแทนข้อมูล 1 ตัวอักษร2. รหัสภายในเครื่อง (Internal Code) หมายถึง รหัสที่ใช้แทนข้อมูลที่ถูกอ่านและบันทึกอย่ใู นหน่วยความจาของเคร่ืองคอมพวิ เตอร์

ปัจจัยท่กี ่อให้เกิดความสูญเสียของสัญญาณจากการส่งผ่านข้อมูล 1. การอ่อนกาลังของสัญญาณ (Attenuation) 2. สัญญาณเคล่อื นที่ด้วยความเรว็ ต่างกัน (Distortion) 3. สัญญาณรบกวน (Noice)

สัญญาณรบกวน (Noice) เทอร์มัลนอยส์ (Thermal Noice) เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากความร้อน หรืออุณหภูมิ ซ่ึงเป็นส่ิงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เน่ืองจากเป็นผลมาจากการเคล่ือนที่ ของอิเล็กตรอนบนลวดตัวนา โดยหากอุณหภูมิสูงข้ึน ระดับของสัญญาณ รบกวนก็จะสูงข้ึนตาม สัญญาณรบกวนชนิดนี้ไม่มีรูปแบบที่แน่นอน และอาจมี การกระจายไปทั่วย่านความถี่ต่างๆ สาหรับการป้องกัน อาจทาด้วยการใช้อุปกรณ์กรองสัญญาณ (Filters) สาหรับสัญญาณแอนะล็อก หรอื อุปกรณป์ รับสัญญาณ (Regenerate)

สัญญาณรบกวน (Noice) อิมพัลส์นอยส์ (ImpluseNoice) เป็นเหตุการณ์ที่ทาให้คล่ืนสัญญาณโด่ง (Spikes) ข้ึนอย่างผิดปกติอย่างรวดเร็ว จัดเป็นสัญญาณรบกวนแบบไม่คงที่ ตรวจสอบได้ยาก เน่ืองจากอาจเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ แล้วหายไป ส่วนใหญ่ เกิดจากการรบกวนของส่ิงแวดล้อมภายนอกแบบทันทีทันใด เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า หรือสายไฟกาลังสูงที่ตั้งอยู่ใกล้ และหากสัญญาณรบกวนแบบอิมพัลส์ นอยส์เข้าแทรกแซงกับสัญญาณดิจิตอล จะทาให้สัญญาณต้นฉบับบางส่วนถูก ลบล้างหายไปจนหมด และไม่สามารถกู้กลับมาได้ การป้องกันสัญญาณรบกวนชนิดนี้ ทาได้ด้วยการใช้อุปกรณ์กรองสัญญาณ พิเศษที่ใช้สาหรับสัญญาณแอนะล็อก หรืออุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณดิจติ อลที่ ใช้สาหรับสัญญาณดิจติ อล

สัญญาณรบกวน (Noice) ครอสทอล์ก (Crosstalk) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดจากการเหนี่ยวนาของ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้าไปรบกวนสัญญาณข้อมูลที่ส่งผ่านเข้าไปในสายส่ือสาร เช่น สายคู่บิดเกลียวที่ใช้กับสายโทรศัพท์ มักก่อให้เกิดสัญญาณครอสทอล์กได้ ง่าย เนื่องจากในระบบส่งสัญญาณที่มีสายส่งหลายเส้น และติดตั้งบนระยะ ทางไกลๆ เมื่อมีการนาสายเหล่านี้มัดรวมกัน จะทาให้เกิดการเหนี่ยวนาทาง ไฟฟ้า มีโอกาสที่สัญญาณในแต่ละเส้นจะรบกวนซ่ึงกันและกัน เช่น การได้ยิน เสียงพูดคุยของคู่สายอ่นื ขณะที่เราพูดคุยโทรศัพท์ สาหรับการป้องกัน สามารถทาได้ด้วยการใช้สายสัญญาณที่มีฉนวนหรือมีชีลด์ เพ่ือปอ้ งกันสัญญาณรบกวน

สัญญาณรบกวน (Noice) เอกโค (Echo) เป็นสัญญาณที่ถูกสะท้อนกลับ (Reflection) โดยเม่ือ สัญญาณที่ส่งไปบนสายโคแอกเชียลเดินทางไปยังสุดปลายสาย และเกิดการ สะท้อนกลับ โหนดใกล้เคียงก็จะได้ยิน และนึกว่าสายส่งสัญญาณขณะนั้นไม่ว่าง ทาให้ต้องรอส่งข้อมูล แทนที่จะสามารถส่งข้อมูลได้ทันที สาหรับการป้องกัน ทาได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เทอร์มิเนเตอร์ (Terminator) เช่น ในระบบเครือข่ายท้องถ่ินที่ใช้สายโคแอกเชียลเป็นสาย สื่อสาร จะต้องใช้เทอร์มิเนเตอร์ปิดที่ปลายสายทั้งสองฝ่ัง เพื่อทาหน้าที่ดูดซับ สัญญาณไม่ให้สะท้อนกลับมา

สัญญาณรบกวน (Noice) จิตเตอร์ (Jitter) เป็นเหตุการณ์ที่ความถ่ีของสัญญาณได้มีการ เปลี่ยนแปลงไปอย่างต่อเนื่อง ซ่ึงก่อให้เกิดการเลื่อนเฟสไปเป็นค่าอื่น ๆ อย่างต่อเน่ืองด้วย สาหรับการป้องกันสามารถทาได้ด้วยการเลือกใช้ช่วงวงจรอิเล็กทรอนกิ สท์ ี่มี คณุ ภาพ หรืออาจใช้อุปกรณร์ ีพีตเตอร์