Summarize Sound Lecture Chapter 2

Data Communication
(Summarize Sound Lecture ของอาจารย์นพพร)

Chapter 2 : Fundamentals of Data and Signals

บทนี้จะเป็นบทแรกที่จะมี summarize lecture ซึ่งจะเป็นบันทึกการบรรยายฉบับย่อ ที่จะมีการตัดเนื้อหาบางหัวข้อออกไป เพื่อให้การศึกษาเอกสารการบรรยายสามารถทำได้โดยไม่นานนัก โดยเนื้อหาบางหัวข้อที่อยู่ใน handout อาจจะไม่ปรากฏอยู่ใน summarize lecture

สำหรับในบทที่ 2 เราจะมาพูดถึงพื้นฐานการส่งข้อมูลด้วย data โดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าสัญญาณ หรือ signal รวมถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในการแปลงข้อมูลเป็นสัญญาณต่างๆ เพื่อให้เหมาะสมสำหรับการส่งไปในช่องการสื่อสารในรูปแบบต่างๆ

นี่จะเป็นสรุปหัวข้อต่างๆ ที่จะพูดถึงใน summarize lecture โดยจะประกอบด้วย
1. อธิบายความหมายของ data และ signal
2. ประเภทและความแตกต่างของสัญญาณ analog และ digital
3. หลักในการจัดเก็บข้อมูลตัวอักษรในระบบคอมพิวเตอร์ โดยอาศัย character code
4. กระบวนการที่เกิดขึ้นในการแปลงข้อมูลให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณที่เหมาะสมเพื่อส่งไปในช่องสัญญาณที่ใช้กันอยู่ทั่วไป

ลำดับแรก จะมาดูความหมายของคำว่า data และคำว่า signal

คำว่า data (ข้อมูล) หมายถึง รูปแบบของสารสนเทศที่สามารถนำมาจัดเก็บได้ในระบบคอมพิวเตอร์ โดยจะเป็นข้อมูลที่อยู่ในรูปแบบของดิจิตอล ทั้งข้อมูลที่เป็นตัวเลข ข้อความ ภาพและเสียง เช่น ไฟล์ที่จัดเก็บในคอมพิวเตอร์ ทั้งไฟล์ข้อมูล ไฟล์ excel, word, ข้อมูลเสียง, ไฟล์รูปภาพ รวมไปถึงข้อมูลที่จัดเก็บอยู่ในสื่อประเภทอื่นๆ เช่น ซีดี และข้อมูลที่ได้จากถ่ายภาพจากกล้องดิจิตอล

คำว่า signal (สัญญาณ) หมายถึง ปริมาณบางอย่างที่อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาได้ โดยสัญญาณที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา จะไม่มีความหมายในการนำพา หรือส่งข้อมูลหรือสารสนเทศ โดยข้อมูลหรือข่าวสารจะเกิดขึ้นได้เมื่อสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาเปลี่ยนแปลงไป

สัญญาณในระบบของการสื่อสารที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน อาศัยสัญญาณใน 3 รูปแบบด้วยกัน
1. สัญญาณไฟฟ้า โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของระดับของกระแสไฟฟ้าในการส่งสัญญาณ
2. สัญญาณคลื่นวิทยุ
3. สัญญาณแสง โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสงที่ใช้เป็นตัวส่งข้อมูลข่าวสารไป

สัญญาณในรูปแบบต่างๆ มีความจำเป็นในระบบการสื่อสาร เพื่อใช้เป็นตัวนำข่าวสาร หรือข้อมูลจากเครื่องคอมพิวเตอร์ หรือจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่ง ผ่านทางระบบสื่อสารและเครือข่ายคอมพิวเตอร์ ซึ่งถ้าปราศจากสัญญาณแล้วข้อมูลต่างๆ จะไม่สามารถส่งไปได้ในระยะไกล

สัญญาณในระบบการสื่อสารข้อมูล สามารถจำแนกออกได้เป็น 2 ประเภท คือ อนาล็อก และดิจิตอล
ในสไลด์จะเป็นการสรุปข้อมูล และสัญญาณในรูปแบบต่างๆ ซึ่งในทีนี้ในส่วนของข้อมูลจะเน้นไปที่ข้อมูลดิจิตอล

ความแตกต่างของสัญญาณ อนาล็อก และดิจิตอล

อนาล็อก (analog) จะเป็นสัญญาณที่ลักษณะที่เรียกว่า continous waveform โดยจะเป็นสัญญาณอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลานั้น โดยมีปริมาณการเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป ไม่ว่าจะเป็นระดับของสัญญาณไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า จะเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ไม่มีการก้าวกระโดด เช่น สัญญาณเสียง อุณหภูมิ เป็นต้น

ดิจิตอล (digital) จะเป็นสัญญาณที่ไม่ต่อเนื่อง (discrete waveform) โดยปริมาณที่เป็นคุณลักษณะสำคัญนั้น มีการเปลี่ยนแปลงแบบก้าวกระโดด ไม่ต่อเนื่องเมื่อเวลาเปลี่ยนแปลงไป โดยที่ระดับของปริมาณ หรือคาบของปริมาณ หรือระดับของสัญญาณนั้นๆ ที่ระดับที่เป็นไปได้ จะมีค่าที่จำกัด เช่น อาจจะมีเพียง 2 ระดับ สูงหรือต่ำ หรืออาจจะมี 3 ระดับ เป็นต้น

ในการส่งสัญญาณ ไม่ว่าจะเป็นอนาล็อก หรือดิจิตอล ปัจจัยที่มีผลทำให้ เป็นตัวจำกัดความถูกต้อง ตลอดจนระยะทางที่จะส่งสัญญาณไปได้ คือ สัญญาณรบกวน หรือ noise ซึ่งก็คือสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ โดยเป็นสัญญาณที่จะเกิดขึ้นมาจากแหล่งกำเนิดสัญญาณต่างๆ ที่เข้ามารบกวนสัญญาณนำพาข้อมูลสารสนเทศจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

เมื่อสัญญาณรบกวน หรือ noise ถูกนำเข้าไปผสมกับสัญญาณที่จะใช้ส่งข้อมูล หรือที่เรียกว่า useful in signal จะมีผลทำให้ความถูกต้องในการรับข้อมูลลดลงไปได้

สัญญาณอนาล็อก เมื่อถูกสัญญาณรบกวนผสมเข้าไป จะทำการแยก หรือกำจัดสัญญาณรบกวนออกจากสัญญาณที่ใช้ส่งข้อมูลได้ยากกว่าสัญญาณดิจิตอล หรืออีกนัยหนึ่งคือ ถ้าปริมาณสัญญาณรบกวนไม่มากเกินไป ในทางเทคนิคแล้วเราสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนออกไปได้

ปัจจัยอีกประการหนึ่งที่มีผลกับความถูกต้อง และระยะทาง ในการส่งสัญญาณ ทั้งในรูปแบบของสัญญาณ อนาล็อก และดิจิตอล คือ กำลังของสัญญาณ หรือ signal strength

ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณในรูปแบบใด กำลังงานของสัญญาณจะลดลงเมื่อถูกส่งไปในระยะไกลมากขึ้น โดยกำลังงาน หรือ signal strength ที่ลดลงนั้นเกิดขึ้นจากสิ่งที่เรียกว่า Attenuation หรือ การลดทอนสัญญาณ ซึ่งจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อระยะทางไกลมากขึ้น โดยจะมีหน่วยวัดเป็น เดซิเบล (dB) เช่นเดียวกับหน่วยวัดความดังของเสียง

สัญญาณในหน่วยเดซิเบล กับกำลังของสัญญาณมีความสัมพันธ์กันตามสมการนี้
dB = 10 log10 (P2/P1)
โดยสามารถนำมาใช้คำนวณอัตราการลดทอนสัญญาณได้

ลักษณะของการจัดเก็บข้อมูลตัวอักษร (Character code)

ข้อมูลตัวอักษรในคอมพิวเตอร์จะถูกแปลงให้เป็นชุดข้อมูลของเลขฐาน 2 ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า character encoding โดยจากตัวอักษรต่างๆ แต่ละตัวจะถูกแปลงให้เป็นตัวเลขไบนารี่ (binary) ซึ่งจะมีแค่เลข 0 และ 1 ซึ่งมาตรฐานในการแปลงให้เป็นชุดไบนารี่ ได้แก่ ASCII, EBCDIC และ UNICODE ที่นิยมใช้งานกันมากขึ้น

คุณสมบัติพื้นฐานของสัญญาณอนาล็อก มีอยู่ 3 ประการด้วยกัน คือ
1. Amplitude คือระดับสูงสุดของคลื่น หรือสัญญาณ โดยทั่วไปจะวัดระดับสูงสุดหรือต่ำสุดก็ได้
2. Frequency คือ ความถี่ในการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ ซึ่งในระยะเวลาที่เท่ากัน สัญญาณที่มีความถี่ต่ำ จะมีอัตราการเปลี่ยนสัญญาณที่ช้ากว่าสัญญาณที่มีความถี่สูง โดยมีหน่วยที่เรียกว่า Hz (ความถี่ = จำนวนของรอบคลื่น โดยเมื่อคลื่นครบ 1 รอบ จะเรียกว่า 1 Hz)

ทั้งนี้จะมีคำที่เกี่ยวข้องกับความถี่ ซึ่งจะเกี่ยวพันธ์กับความสามารถในการรับส่งข้อมูลของระบบสื่อสารหนึ่งๆ นั่นคือ spectrum และ bandwidth

Spectrum เป็นช่วงความถี่ โดยในระบบการสื่อสาร หรือช่องการสื่อสารหนึ่งๆ นั้นจะยอมให้คลื่นความถี่ใดส่งผ่านเข้าไปได้บ้าง ซึ่ง spectrum จะเป็นตัวกำหนดสัญญาณความถี่ต่ำสุด และสูงสุด โดยย่านความถี่ที่อยู่ระหว่างนั้น จะเป็นช่วงคลื่นที่ให้ส่งสัญญาณผ่านไปได้

Bandwidth เป็นผลต่าง ระหว่างความถี่ต่ำสุด และความถี่สูงสุดที่ช่องสัญญาณนั้นๆ จะส่งสัญญาณไปได้ ถ้าใช้คำว่า แบนด์วิธกว้าง จะหมายถึงช่วงระหว่างความถี่ต่ำสุด และความถี่สูงสุด หรือเป็นช่วงที่ความถี่ที่ช่องสัญญาณนั้นๆ สามารถรองรับได้ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว ช่องสัญญาณที่มีแบนด์วิธกว้าง จะมีความสามารถในการรับส่งสัญญาณได้เร็วกว่าช่องสัญญาณที่มีแบนด์วิธแคบ

3. Phase คือตัวเลขที่ใช้อ้างอิงว่าระดับสัญญาณขึ้นถึงจุดไหน หรือส่วนไหน หรือช่วงไหนของตัวสัญญาณ

กระบวนการส่งข้อมูล

ข้อมูลที่อยู่ในรูปแบบดิจิตอลแล้ว สามารถใช้การส่งข้อมูลได้ทั้งผ่านสัญญาณอนาล็อก และดิจิตอล โดยรูปแบบเบื้องต้นที่สามารถส่งสัญญาณดิจิตอลโดยอาศัยสัญญาณดิจิตอล คือ NRZ-L (Non Return to Zero) โดยการส่งด้วยวิธีนี้จะต้องใช้สัญญาณต่ำ และระดับสัญญาณจะแปรเปลี่ยนไปตามข้อมูลที่จะส่ง

ตัวอย่างระบบที่ใช้การส่งสัญญาณดิจิตอล ได้แก่ การสื่อสารในระบบ LAN, USB, DV port เป็นต้น

ในขณะเดียวกันก็ต้องอาศัยสัญญาณแบบอนาล็อกด้วย เช่น การใช้วิธี Amplitude Modulation ซึ่งวิธีนี้จะใช้การเปลี่ยนแปลงระดับ Amplitude เพื่อใช้แทนข้อมูล 0 หรือ 1 แล้วแต่กรณีไป

ที่ผ่านมาทั้งหมด เป็นการพูดถึงข้อมูลที่เป็นดิจิตอล แต่ในบางกรณี source ของข้อมูลเป็นข้อมูลที่เป็นอนาล็อก เช่น เสียงพูด ซึ่งจะต้องแปลงข้อมูลเหล่านี้ให้เป็นดิจิตอลก่อน ถึงจะส่งข้อมูลต่อไปได้ โดยอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงข้อมูลจากอนาล็อกให้เป็นดิจิตอล เรียกว่า Codec –coder/Decoder เช่น sound card, microphone, video conference ที่จะต้องแปลงสัญญาณเสียง และภาพ ให้เป็นข้อมูลไบนารี่ ก่อนถึงจะส่งข้อมูลออกไปได้

แม้แต่ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ จะมี chip ที่ทำหน้าที่เป็น coder/decoder ฝังอยู่ภายใน เพื่อแปลงข้อมูลจากอนาล็อกให้เป็นดิจิตอล เพื่อส่งข้อมูลออกไป