พื้นฐานข้อมูล และสัญญาณ ( Fundamental of Data and Signals)

1. บทที่ 4 พื้นฐานข้อมูล และสัญญาณ(Fundamental of Data and Signals)

2. สัญญาณ(Signal) และข้อมูล(Data) การส่งข้อมูลต่างๆในการติดต่อสื่อสาร จะต้องแปลงข้อมูลเป็นสัญญาณ โดย สัญญาณที่ใช้ในระบบสื่อสารคือกระแสไฟฟ้า (Electric) หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wav) เช่น คลื่นวิทยุ คลื่นแสง เป็นต้น ตัวอย่างของสัญญาณ เช่น • การสนทนาผ่านระบบโทรศัพท์ • การสัมภาษณ์รายงานสดจากต่างประเทศ • การสั่งพิมพ์งาน • การดาวน์โหลดข้อมูลจากอินเตอร์เน็ต

3. สัญญาณ อนาล็อก(Analog) และดิจิตอล(Digital)

4. พื้นฐานข้อมูล และสัญญาณ(Fundamental of Data and Signals) สัญญาณอนาล็อกเป็น สัญญาณชนิดคาบ (Periodic)เพราะสัญญาณจะแกว่งขึ้นลง สลับกันไป รูปแบบต่อเนื่อง และแน่นอนตามความสัมพันธ์กับเวลา ดังนั้นจึงเกิดคาบเวลา (Periodic) สัญญาณดิจิตอลเป็น สัญญาณชนิดไม่มีคาบ (Nonperiodic)เพราะเป็นสัญญาณที่ สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา และไม่เป็นลูกคลื่น

5. ข้อมูล และสัญญาณ อนาล็อก(Analog) ลักษณะจะเป็นรูปคลื่นที่มีลักษณะต่อเนื่อง (Continuous Waveforms) ค่าระดับสัญญาณ อยู่ในช่วงระว่างค่าต่ำสุด และค่าสูงสุดของคลื่น โดยค่าต่ำสุด และสูงสุดจะแทนหน่วย แรงดัน(Voltage) เช่น เสียงพูดมนุษย์ เสียงดนตรี หรือเสียงอื่นๆ สัญญาณอนาล็อกที่พบเห็นได้ทั่วไป เช่น การสนทนาเพื่อสื่อสารกันผ่านระบบโทรศัพท์ สัญญาณอนาล็อกยังถูกรบกวนได้ง่ายจากสัญญาณที่ไม่พึ่งประสงค์ เรียกกว่า สัญญาณรวบกวน(Noise) ถ้ามีการการปะปนมากับสัญญาณรบกวนก็จะทำให้ยากต่อ การจำแนก หรือตัดสัญญาณรบกวนออกได้ ถ้าการส่งไกลๆระดับสัญญาณจะถูกลดถอนลงได้ เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ ที่เรียกกว่า แอมพลิไฟเออร์ (Amplifier) ช่วยเพิ่มกำลัง หรือความเข้มของสัญญาณให้ เพื่อจะทำให้ส่งสัญญาณได้ไกลออกไปอีก

6. เมื่อเกิดสัญญาณรบกวน ข้อมูล และสัญญาณ อนาล็อก(Analog)

7. เมื่อเกิดสัญญาณรบกวน ข้อมูล และสัญญาณ ดิจิตอล(Digital)

8. ข้อมูล และสัญญาณ ดิจิตอล(Digital) ลักษณะจะเป็นรูปแบบของระดับแรงดันไฟฟ้า สัญญาณจะไม่ต่อเนื่องกัน เป็นคลื่น สี่เหลี่ยม(Square Wave) สัญญาณจะเป็น 0 กับ 1 ข้อดีคือสามารถสร้างสัญญาณขึ้นได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าสัญญาณอนาล็อก และมีความความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า สามารถจำแนกข้อมูลกับสัญญาณรบกวนได้ง่ายกว่า แบบอนาล็อก ข้อเสียคือ สัญญาณจะถูกลดทอนลงเมื่อส่งระยะทางไกลๆ จึงจำเป็นจะต้องมีเครื่องที่ช่วยในการปรับแต่งสัญญาณให้มีความใกล้เคียงกับสัญญาณจากต้นทาง โดยเครื่องประเภทนี้เรียกว่า เครื่องทวนสัญญาณ (Repeater) หมายเหตุ ถ้าสัญญาณที่ส่งมาทั้งแบบอนาล็อก หรือแบบดิจิตอล ถ้าหากมีสัญญาณรบกวนที่สูงมาก ก็ย่อมส่งผลกระทบต่อความถูกต้องของข้อมูลได้ทั้งสิ้น

9. สัญญาณอนาล็อก(AnalogSignals) สัญญาณอนาล็อก ประกอบด้วยพื้นฐานหลักอยู่ 3 ประการคือ แอมพลิจูด, ความถี่, และเฟส • แอมพลิจูด (Amplitude) มีลักษณะรูปคลื่นสลับขึ้นลงสลับกัน หรือที่เรียกกว่า คลื่นซายน์(Sine Wave) ปกติ ค่าที่วัดจะแทนด้วยหน่วยเป็นโวลต์(Volt) โดยวัดจะระดับคลื่นสุงสุด(High Amplitude) และ ต่ำสุด(Low Amplitude) หรืออาจจะมีหน่วยเป็น แอมป์(Amp), หรือวัตต์(Watt)

10. สัญญาณอนาล็อก(AnalogSignals) • ความถี่ (Frequency) หมายถึงอัตราการขึ้นลงของคลื่น จำนวนกี่รอบใน 1 วินาที ใช้แทนหน่วยวัดเป็นเฮิรตซ์(Hert:Hz)

11. สัญญาณอนาล็อก(AnalogSignals) • เฟส(Phase) เป็นการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ วัดจากตำแหน่งองศาของสัญญาณ เมื่อเฟสมี การเปลี่ยนแปลง (Phase Shift) ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงตำแหน่งในลักษณะเลื่อนไป ข้างหน้าหรือว่าถอยหลังก็ได้

12. สัญญาณดิจิตอล(DigitalSignals) สัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณชนิดไม่มีคาบ มีคำที่เกี่ยวข้อง 2 คำ คือ Bit Interval :มีความหมายเดียวกันกับคาบ (Period)โดย Bit Interval คือเวลาที่ส่ง ข้อมูล 1 บิต Bit Rate :คือจำนวนของ Bit Interval ต่อ วินาทีมีหน่วยวัดเป็นบิตต่อวินาที (bps)

13. หน่วยวัดความเร็วในการส่งข้อมูลหน่วยวัดความเร็วในการส่งข้อมูล • อัตราบิต (Bit Rate/Data Rate) คือ จำนวนบิตที่สามารถส่งไปได้ภายในหนึ่ง หน่วยเวลา มีหน่วยเป็นบิตต่อวินาที (bit per second : bps) • อัตราบอด (baud per second) จำนวนของสัญญาที่สามารถส่งได้ต่อการ เปลี่ยนสัญญาณในหนึ่งหน่วยเวลา (baud per second) อัตราบอดจะมีค่าเท่ากับหรือน้อยกว่า อัตราบิตก็ได้ ถ้าเปรียบเทียบระหว่างอัตราบิต อัตราบอด กับการเดินทางด้วยรถยนต์ อัตราบอดจะเปรียบเสมือนรถยนต์ ส่วน อัตราบิตจะเปรียบเสมือนผู้โดยสาร ถ้ารถยนต์สามารถบรรทุกผู้โดยสารได้หลายคน การขนส่งก็จะได้มากตามไปด้วย

14. การแปลงข้อมูลให้เป็นสัญญาณ (Converting Data into Signals) การรับ-ส่งข้อมูลในระบบสื่อสาร จำเป็นต้องแปลงข้อมูลให้เป็น สัญญาณเพื่อส่งผ่านสื่อกลาง โดยรูปแบบการแปลงข้อมูลให้เป็น สัญญาณมีอยู่ 4 รูปแบบ • Analog Data to Analog Signal • Digital Data to Digital Signal • Digital Data to Analog Signal • Analog Data to Digital Signal

15. การแปลงข้อมูลอนาล็อกให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Analog Data to Analog Signal) จะประกอบด้วยคลื่นพาห์ (Carrier) เป็นคลื่นความถี่สูง และส่งได้ระยะทางไกล เมื่อจะทำการส่งก็นำ คลื่นพาห์(Carrier) ผมผสมกับคลื่นสัญญาณเสียงต้นฉบับ เรียกว่า การมอดูเลต(Modulate) รูปแบบที่ง่ายที่พบเห็น เช่น ระบบกระจายเสียง

16. การแปลงข้อมูลอนาล็อกให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Analog Data to Analog Signal) การมอดูเลตทางขนาด (Amplitude Modulation :AM)

17. การแปลงข้อมูลอนาล็อกให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Analog Data to Analog Signal) การมอดูเลตทางความถี่ (Frequency Modulation :FM)

18. การแปลงข้อมูลอนาล็อกให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Analog Data to Analog Signal)

19. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) มีเทคนิควิธีเข้ารหัสสัญญาณดิจิตอลหลายวิธีด้วยกัน ซึ่งแบบ NRZ-L เป็นแบบที่ ง่ายที่สุด โดยใช้ระดับแรงดันที่แตกต่างกันสองระดับ ส่วนสำหรับเครือข่าย LAN (Ethernet) จะใช้เทคนิค Manchester และเทคนิค Differential Manchester

20. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) ชนิดของการแปลงข้อมูลดิจิตอล เป็นสัญญาณดิจิตอล มีลำดับดังนี้

21. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) ชนิดของ Polar Encoding

22. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) Non Return to Zero(NRZ) • NRZ-L (Nonreturn to zero : Level) • ถ้าบิตข้อมูลมีค่าเป็น 1 จะแทนระดับแรงต่ำ ถ้าบิตมีค่าเป็น 0 จะแทนระดับแรงดันสูง • NRZ-I (Nonreturn to zero : Inverted) • ค่าระดับของสัญญาณจะเปลี่ยนตรงกันข้ามเมื่อบิตข้อมูลถัดไปมีค่าเป็น 1

23. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) Polar Encoding

24. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) ชนิดของ Bipolar

25. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital Data to Digital Signal) Bipolar AMI Encoding นอกจากนี้ยังมีการเข้ารหัสแบบ B8ZS Encoding และ แบบ HDB3 Encodingจากรูปแบบการเข้ารหัสทั้งหมดแบบ NRZจัดเป็นการเข้ารหัส ที่ง่ายที่สุด เพราะสัญญาณจะขึ้นอยู่กับสถานะของบิต ส่วนแบบ Manchesterและ Differentail Machesterจะใช้การการเข้ารหัสบนเครือข่าย LAN (Ethernet)

26. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Digital Data to Analog Signal) การแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก และแปลงจากอนาล็อกเป็นดิจิตอลนั้น เรียกว่า โมเด็ม(Modulator/Demodulator) Modulator การแปลงสัญญาณจากแบบดิจิตอลไปเป็นแบบอนาล็อก Demodulator การแปลงสัญญาณจากแบบอนาล็อกไปเป็นแบบดิจิตอล

27. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Digital Data to Analog Signal) ข้อมูลดิจิตอล จะต้องถูกแปลงเป็นรูปแบบอนาล็อกก่อนที่จะถูกส่งออกไปทาง สายสื่อสารแบบอนาลอก เช่น สายโทรศัพท์ เทคนิคการแปลงสัญญาณนี้ทำได้ โดยวิธีแปลงสัญญาณแบบ AM FM และPM คล้ายกับการแปลงข้อมูลอนาล็อก เป็นสัญญาณอนาล็อก แต่จะต่างกันที่ข้อมูลเป็นดิจิตอล โดยจะเรียกว่า • Amplitude ShiftKeying (ASK) • Frequency Shift Keying (FSK) • PhaseShift Keying (PSK)

28. การแปลงข้อมูลดิจิตอลให้เป็นสัญญาณอนาล็อก(Digital Data to Analog Signal)

29. การแปลงข้อมูลอนาล๊อกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล(Analog Data to Digital Signal) อุปกรณ์ที่เรียกว่า โคเดค (Coder/Decoder) เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงข้อมูล อนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล โดยใช้เทคนิค Voice Digitizationและยังสามารถแปลง กลับมาเป็นสัญญาณอนาล็อกได้ เช่น ซาวด์การ์ด สแกนเนอร์ วอยซ์เมล์ และวีดีโอคอน เฟอเรนซ์

30. ความสูญเสียของสัญญาณจากการส่งผ่านข้อมูล(Transmission Impairment) สัญญาณที่เดินผ่านสื่อกลาง คุณภาพของสัญญาณอาจถูกลดทอนลงไปได้ ทำให้สัญญาณเกิดการสูญเสีย อาจจะเกิดจากหลายปัจจัย เช่นความต้านทาน ของสายส่ง หรือจากสิ่งรบกวนภายนอก ความสูญเสียของสัญญาณเกิดขึ้นได้จาก 3 ปัจจัยคือ 1.การอ่อนกำลังของสัญญาณ 2. สัญญาณคลื่นที่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน 3. สัญญาณรบกวน

31. 1. การอ่อนกำลังของสัญญาณ (Attenuation) สัญญาณข้อมูลได้เดินทางผ่านสื่อกลางในระยะไกลๆ ไม่ว่าจะเป็นสายโคแอกเชียล สายคู่บิดเกลียว หรือสายไฟเบอร์ออฟติก ย่อมเกิดการสูญเสียพลังงาน ทำให้ความ เข้มสัญญาณลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ช่วย เช่น สัญญาณอนาล็อกจะต้องใช้อุปกรณ์เรียกว่า แอมพลิไฟเออร์(Amplifier) เพื่อ ขยายกำลังส่งของสัญญาณ สัญญาณดิจิตอลต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า รีพิตเตอร์(Repeater) เพื่อช่วย ซ่อมแซมสัญญาณให้คงรูปเดิมเหมือนกับต้นฉบับ Attenuation

32. 1. การอ่อนกำลังของสัญญาณ (Attenuation)(ต่อ) สัญญาณข้อมูลได้เดินทางผ่านสื่อกลางในระยะไกลๆ ไม่ว่าจะเป็นสายโคแอกเชียล สายคู่บิดเกลียว หรือสายไฟเบอร์ออฟติก ย่อมเกิดการสูญเสียพลังงาน ทำให้ความ เข้มสัญญาณลดลงดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ช่วย เช่น สัญญาณอนาล็อกจะต้องใช้อุปกรณ์เรียกว่า แอมพลิไฟเออร์(Amplifier) เพื่อ ขยายกำลังส่งของสัญญาณ สัญญาณดิจิตอลต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า รีพิตเตอร์(Repeater) เพื่อช่วย ซ่อมแซมสัญญาณให้คงรูปเดิมเหมือนกับต้นฉบับ

33. สัญญาณแต่ละความถี่ได้ถูกลดทอนลงในอัตราที่แตกต่างกันภายในสื่อกลาง และ เกิดการรวมกันของสัญญาณขึ้น ทำให้สัญญาณบิดเบี้ยวเพี้ยนไปจากเดิม ส่งผลให้ฝ่ายรับได้สัญญาณแต่ละความถี่ไม่พร้อมกัน โดยสามารถป้องกันได้โดย การเพิ่มวงจร Equalizesเพื่อตรวจสัญญาณที่เข้ามาและปรับความถี่ของแต่ละ สัญญาณให้มีความเร็วเท่ากัน 2. สัญญาณเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน (Distortion)

34. สัญญารบกวนมีหลายชนิด แต่หลักๆมี 1. เทอร์มัลนอยส์ (Thermal Noise) 2. อิมพัลส์นอยส์ (Impulse Noise) 3. ครอสทอล์ก (Crosstalk) 4. เอกโค (Echo) 5. จิตเตอร์ (Jitter) 3. สัญญาณรบกวน (Noise)

35. เทอร์มัลนอยส์มีชื่อเรียกหลายชื่อเช่น White Noiseหรือ Gaussian Noiseเป็น สัญญาณรบกวนที่เกิดจากความร้อน หรืออุณหภูมิ ซึ่งเป็นสิ่งที่หลีกยาก เพราะเป็น ผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนบนขดลวดตัวนำ โดยหากมีอุณหภูมิสูงขึ้น ระดับของสัญญาณรบกวนก็จะสูงขึ้นตาม สัญญาณไม่มีรูปแบบที่แน่นอน อาจจะป้องกันได้โดยใช้อุปกรณ์กรองสัญญาณ (Filters) สำหรับสัญญาณอนาล็อก หรืออุปกรณ์ปรับสัญญาณ (Regenerate) สำหรับสัญญาณดิจิตอล 3.1 เทอร์มัลนอยส์ (Thermal Noise)

36. เป็นเหตุการณ์ที่ทำให้คลื่นสัญญาณโด่ง(Spikes) ขึ้นอย่างผิดปกติอย่างรวดเร็ว จัดเป็นสัญญาณแบบไม่คงที่ตรวจสอบได้ยาก เนื่องจากเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ เช่น ฟ้าแลบ, ฟ้าผ่า หรือสายไฟฟ้ากำลังสูงที่อยู่ใกล้เคียง สัญญาณอิมพัลส์นอยส์อาจจะ ทำลายหรือทำการลบล้างสัญญาณต้นฉบับบางส่วนหายไป 3.2 อิมพัลส์นอยส์ (Impulse Noise)

37. เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เข้าไปรบกวนสัญญาณข้อมูลที่ ส่งไปในสายส่ง เช่น สายคู่บิดเกลียวที่ใช้กับสายโทรศัพท์ เพราะสายเหล่านี้มัดรวมกัน ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า เนื่องจากในระบบส่งสัญญาณมีสายส่งหลายเส้น เช่นเมื่อเราคุยโทรศัพท์ แต่กลับได้ยินเสียงพูดคุยจากคนอื่นอยู่เบื้องหลัง การ ป้องกันโดยใช้สายสัญญาณที่มีฉนวนหรือชีลด์เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน 3.3 ครอสทอล์ก (Crosstalk)

38. เป็นสัญญาณสะท้อนกลับ (Reflection) ซึ่งมีลักษณะเดียวกันกับการที่เราตะโกนใน ห้อง และเสียงที่ตะโกนสะท้อนกลับมาให้เราได้ยิน เมื่อสัญญาณที่ส่งไปบนสายโคแอก เชียลสัญญาณเดินไปสุดปลายสายและเกิดการสะท้อนกลับ โหนดข้างเคียงก็จะนึกว่า สายส่งสัญญาณในขณะนั้นไม่ว่าง ทำให้ต้องรอส่งข้อมูล ป้องกันโดยใช้ เทอร์มิเนเตอร์ (Terminator) ต่อปลายสายเพื่อลดการสะท้อนกลับ ของสัญญาณ 3.4 เอกโค (Echo)

39. เป็นเหตุการณ์ที่ความถี่สัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ก่อให้เกิดการ เลื่อนเฟสไปเป็นค่าอื่นอย่างต่อเนื่องด้วย การป้องกันอาจจะต้องเลือกใช้อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณภาพ หรืออาจจะใช้อุปกรณ์รีพิตเตอร์ 3.5 จิตเตอร์ (Jitter)

40. คำถาม • จงบอกว่าความแตกต่างระหว่างข้อมูลและสัญญาณ • ลักษณะของสัญญาณอนาล็อก และดิจิตอล เป็นอย่างไร • การมอดูเลต(Modulate) เป็นเทคนิควิธีที่มีไว้เพื่ออะไรจงอธิบาย • สัญญาณพาหะ(Carrier Signal) คืออะไร • จากบิต 01001110 จงเข้ารหัสด้วยวิธี - NRZ-L - Manchester - NRZ-I - Differential Manchester 6. สัญญาณรบกวนมีอะไรบ้าง และเกิดขึ้นได้อย่างไร 7. อธิบายความแตกต่างระหว่างอัตราบิต และ อัตราบอด และอัตราใดมีความสัมพันธ์กับแบนด์วิดธ์ 8. ความแตกต่างการมอดูเลตแบบ AM กับ ASK และ FM กับ FSK เป็นอย่างไร

41. The End