พื้นฐานข้อมูลและสัญญาณ

พื้นฐานข้อมูลและสัญญาณ (Fundamental of Data and Signals)

     ความสำคัญของชั้นสื่อสารฟิสิคัลก็คือ การเคลื่อนย้ายข้อมูลที่อยู่ในรูปแบบของสัญญาณผ่านสื่อกลาง ซึ่งตามปกติข้อมูลที่ใช้งานอยู่ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นข้อมูลชนิดตัวเลข ตัวอักษร ภาพนิ่ง รวมถึงภาพเคลื่อนไหวจะไม่สามารถส่งผ่านระบบสื่อสารได้โดยตรง ตัวอย่างเช่น ไฟล์ข้อมูลเงินเดือนพนักงาน ใช่ว่าจะสามารถนำมาส่งผ่านสื่อกลางหรือสายส่งข้อมูลได้ทันที แต่ไฟล์ข้อมูลดังกล่าวจำเป็นต้องแปลงเป็นสัญญาณ เพื่อพร้อมที่จะส่งผ่านสื่อกลางของระบบสื่อสารไปยังปลายทางที่ต้องการต่อไป

       จากข้อมูลข้างต้น ทำให้ทราบว่าข้อมูล (Data) และสัญญาณ (Signals) มีความหมายแตกต่างกัน โดยความหมายของข้อมูลก็คือ สิ่งที่มีความหมายในตัว และต่อไปนี้จะเป็นตัวอย่างของข้อมูลในระบบคอมพิวเตอร์

-          ข้อมูลการขายสินค้าในรูปแบบของไฟล์คอมพิวเตอร์ ที่บันทึกอยู่ในฮาร์ดดิสก์

-          ภาพดิจิตอลที่สแกนจากเครื่องสแกนเนอร์ และจัดเก็บลงในแฟลชไดรฟ์

-          เพลง ซึ่งประกอบด้วยข้อมูลไบนารี (0 และ 1) ที่บันทึกอยู่บนแผ่นซีดี

-          ตัวเลข 0 ถึง 9 ที่นำมาใช้แทนรหัสสินค้า

    และหากมีความต้องการส่งผ่านข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่งผ่านสายสื่อสารหรือคลื่นวิทยุข้อมูลที่ต้องการส่งนั้น จะต้องได้รับการแปลงให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณที่เหมาะสมกับระบบสื่อสารนั้น ๆ เสียก่อน ดังนั้นความหมายของสัญญาณก็คือปริมาณใด ๆ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงและสัมพันธ์ไปกับเวลา โดยสัญญาณที่ใช้ในระบบสื่อสารก็คือกระแสไฟฟ้า (Electric) หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) เช่น คลื่นวิทยุ คลื่นแสง เป็นต้น และต่อไปนี้จะเป็นตัวอย่างของสัญญาณ

-          การสนทนาผ่านระบบโทรศัพท์

-          การสัมภาษณ์รายงานสดจากต่างประเทศ ส่งผ่านบนระบบสื่อสารดาวเทียม

-          การสั่งพิมพ์งาน ด้วยการสื่อสารผ่านสายเคเบิลที่เชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์และเครื่องพิมพ์

-        การดาวน์โหลดข้อมูลจากอินเทอร์เน็ตที่ส่งผ่านสายโทรศัพท์ระหว่างบริษัทที่ให้บริการอินเทอร์เน็ตมายังคอมพิวเตอร์ของเรา

แอนะล็อกและดิจิตอล (Analog Versus Digital)

ข้อมูลแอนะล็อกและสัญญาณแอนะล็อก (Analog Data and Analog Signals)

       ข้อมูลแอนะล็อกและสัญญาณแอนะล็อกจะเป็นรูปคลื่นที่มีลักษณะต่อเนื่อง (Continuous Waveforms) ความต่อเนื่องในที่นี้หมายถึงสัญญาณจะแกว่งขึ้นลงอย่างต่อเนื่องและราบเรียบตลอดเวลา ไม่มีการเปลี่ยนแปลงแบบทันทีทันใด ค่าสัญญาณสามารถอยู่ในช่วงระหว่างค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดของคลื่นได้ โดยค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดจะแทนหน่วยแรงดัน (Voltage) พิจารณาจากรูป ค่า X แทนช่วงสูงสุดของสัญญาณ ส่วนค่า Y แทนช่วงต่ำสุดของสัญญาณ ซึ่งช่วงเวลาหนึ่ง ๆ รูปคลื่นสามารถอยู่ในตำแหน่งใดก็ได้ภายใต้ช่วงระหว่าง X ถึง Y ตัวอย่างข้อมูลแอนะล็อก เช่น เสียงพูดของมนุษย์ เสียงดนตรี หรือเสียงอื่น ๆ ที่ได้ยินตามธรรมชาติ ส่วนสัญญาณแอนะล็อกที่สามารถพบเห็นได้ทั่วไป เช่น การสนทนาเพื่อสื่อสารกันผ่านระบบโทรศัพท์ เป็นต้น

    นอกจากนี้ ข้อมูลแอนะล็อกและสัญญาณแอนะล็อกสามารถถูกรบกวนได้ง่ายจากสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่เรียกว่า “สัญญาณรบกวน (Noise)” ซึ่งหากมีสัญญาณรบกวนปะปนมากับสัญญาณแอนะล็อกแล้ว นอกจากจะส่งผลให้การส่งข้อมูลช้าลง ยังทำให้การจำแนกหรือตัดสัญญาณรบกวนออกจากข้อมูลต้นฉบับนั้นเป็นไปได้ยาก

      เมื่อสัญญาณแอนะล็อกถูกส่งบนระยะทางที่ไกลออกไป ระดับสัญญาณจะถูกลดทอนลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า แอมพลิไฟเออร์ (Amplifier) ซึ่งเป็นอุปกรณ์เพิ่มกำลังหรือความเข้มให้แก่สัญญาณ ทำให้สามารถส่งสัญญาณในระยะทางที่ไกลออกไปได้อีก แต่อย่างไรก็ตาม การเพิ่มกำลังของสัญญาณด้วยแอมพลิไฟเออร์นี้จะส่งผลต่อสัญญาณรบกวนขยายเพิ่มขึ้นด้วย

ข้อมูลดิจิตอลและสัญญาณดิจิตอล (Digital Data and Digital Signals)

     ข้อมูลดิจิตอลและสัญญาณดิจิตอลเป็นคลื่นแบบไม่ต่อเนื่อง มีรูปแบบของระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม (Square Wave) ความไม่ต่อเนื่องในที่นี้หมายความว่า สัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงจาก 0 ไป 1 หรือจาก 1 ไป 0 ได้ทุกเมื่อ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนสัญญาณในลักษณะก้าวกระโดด พิจารณาจากรูปช่วงสูงสุดของสัญญาณในที่นี้แทนค่าด้วย X และช่วงต่ำสุดของสัญญาณในที่นี้แทนค่าด้วย Y ก็จะพบว่ารูปแบบของคลื่นสัญญาณดิจิตอลนั้น จะถูกจำกัดค่าเพียงหนึ่งในสองค่า หรือ X หรือ Y เท่านั้น

   ข้อดีของสัญญาณดิจิตอลก็คือ สามารถสร้างสัญญาณขึ้นได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าสัญญาณแอนะล็อกและมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า อีกทั้งยังสามารถจำแนกระหว่างข้อมูลกับสัญญาณรบกวนได้ง่ายกว่าแบบแอนะล็อก กรณีที่มีสัญญาณรบกวนปะปนมาไม่มาก ก็ยังคงรูปสัญญาณเดิมได้ พิจารณาจากรูปที่แสดงถึงสัญญาณรบกวนที่ปะปนมาพร้อมกับข้อมูล จะพบว่าสัญญาณดังกล่าวยังคงรูปที่สามารถจำแนกความเป็น 0 หรือ 1 ได้

   ข้อเสียของสัญญาณดิจิตอลก็คือ สัญญาณแอนะล็อกจะทำได้ดีกว่า สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ยืดระยะทางในการส่งข้อมูลดิจิตอลจะเรียกว่า เครื่องทวนสัญญาณ (Repeater) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ Regenerate สัญญาณที่ถูกลดทอนลงให้คงรูปเดิมเหมือนต้นฉบับ ทำให้สามารถส่งทอดสัญญาณออกไปบนระยะทางที่ไกลขึ้นได้

หน่วยวัดความเร็วในการส่งข้อมูล

          หน่วยวัดความเร็วคือ อัตราบิต (Bit Rate/Data Rate) และอัตราบอด (Baud Rate) โดยที่อัตราบิตคือ จำนวนที่บิตที่สามารถส่งได้ภายในหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งมีหน่วยเป็นบิตต่อวินาที (bit per second: bps) ในขณะที่อัตราบอดคือ จำนวนของสัญญาณที่สามารถส่งได้ต่อการเปลี่ยนสัญญาณในหนึ่งหน่วยเวลา (baud per second)

      ปกติอัตราบอดอาจมีค่าน้อยกว่าหรือเท่ากับอัตราบิตก็ได้ และหากว่ากันไปแล้ว แบนด์วิดธ์ในระบบสื่อสารนั้นจะขึ้นอยู่กับอัตราบอด มิใช่อัตราบิต ซึ่งสามารถอธิบายเชิงเปรียบเทียบได้จากระบบขนส่งต่อไปนี้ อัตราบอดคือรถโดยสาร ในขณะที่อัตราบิตคือผู้โดยสาร รถโดยสารสามารถบรรทุกผู้โดยสารได้ครั้งละหนึ่งคนหรือมากกว่า และหากมีจำนวนรถโดยสาร 1000 คัน บรรทุกผู้โดยสารคันละหนึ่งคน ก็จะขนถ่ายผู้โดยสารจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่งได้จำนวน 1000 คน อย่างไรก็ตาม หากรถโดยสารแต่ละคันบรรทุกผู้โดยสารได้คันละ 4 คน การขนถ่ายผู้โดยสารจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่งก็สามารถมีมากถึง 4000 คน ในทำนองเดียวกัน การจราจรที่คล่องตัวย่อมขึ้นอยู่กับจำนวนรถโดยสารที่สัมพันธ์กับช่องทางการจราจร ดังนั้นแบนด์วิดธ์ในระบบสื่อสารจึงขึ้นอยู่กับระบบบอดนั่นเอง

การแปลงข้อมูลให้เป็นสัญญาณ(Converting Data into Signals)

     ในทำนองเดียวกับสัญญาณ ข้อมูลก็สามารถเป็นได้ทั้งแอนะล็อกหรือสัญญาณ ปกติแล้วสัญญาณดิจิตอลจะรับส่งข้อมูลดิจิตอล และสัญญาณแอนะล็อกก็จะรับส่งข้อมูลแอนะล็อก อย่างไรก็ตาม เราสามารถาณแอนะล็อกเพื่อรับส่งข้อมูลดิจิตอล และสัญญาณดิจิตอลรับส่งข้อมูลแอนะล็อก ทั้งนี้การส่งผ่านข้อมูลด้วยสัญญาณแอนะล็อกหรือดิจิตอลจะขึ้นอยู่กับสื่อกลางที่ใช้ในระบบสื่อสาร ดังนั้นไม่ว่าข้อมูลที่ต้องการสื่อสารจะอยู่ในรูปแบบของแอนะล็อกหรือดิจิตอลก็ตาม ก็สามารถส่งผ่านสื่อกลางไปยังระบบสื่อสารได้ทั้งสิ้น เพียงแต่จำเป็นต้องมีการแปลงรูปหรือเข้ารหัสข้อมูลเหล่านั้น ให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณที่เหมาะสมกับสื่อกลางประเภทนั้น ๆ เสียก่อน และต่อไปนี้จะเป็นรายละเอียดของการแปลงข้อมูลหรือเข้ารหัสข้อมูลไปมาระหว่างแอนะล็อกหรือดิจิตอล ซึ่งประกอบด้วย

การแปลงข้อมูลแอนะล็อกเป็นสัญญาณแอนะล็อก (Analog Data to Analog Signal)

การแปลงข้อมูลดิจิตอลเป็นสัญญาณดิจิตอล (Digital Data to Digital Signal)

การแปลงข้อมูลดิจิตอลเป็นสัญญารแอนะล็อก (Digital Data to Analog Signal)

การแปลงข้อมูลแอนะล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล (Analog Data to Digital Signal)

ความสูญเสียของสัญญาณจากการส่งผ่านข้อมูล (Transmission Impairment)

1.  Attenuation คือ การอ่อนกำลังของสัญญาณ เกิดจากความเข้มของสัญญาณได้เบาบางลง เมื่อได้เดินทางบนระยะทางไกล ๆ

2.Distortion คือ สัญญาณประเภท Composite Signal เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน ทำให้เกิดการรวมกันของสัญญาณขึ้น ส่งผลให้สัญญาณบิดเบี้ยวเพี้ยนไปจากเดิม

3.  สัญญาณรบกวน (Noise)

-  Thermal Noise เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากความร้อน เนื่องจากสัญญาณที่วิ่งผ่านสื่อกลางจะมีความต้านทานในตัวเอง ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น

-  Impulse Noise เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นแบบทันทีทันใด ซึ่งอาจเกิดจากฟ้าแลบ ฟ้าผ่า สัญญาณรบกวนชนิดนี้สามารถลบล้างสัญญาณต้นฉบับ ทำให้ไม่สามารถแยกแยะเพื่อการกู้คืนได้

-  Crosstalk เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะสายสัญญาณที่มีการนำมามัดรวมกัน ซึ่งหากไม่มีฉนวนป้องกัน จะทำให้เกิดการรบกวนซึ่งกันและกันได้

-  Echo เป็นสัญญาณสะท้อนกลับ ทำให้โหนดใกล้เคียงได้ยิน และพลันนึกว่าสายส่งข้อมูลในขณะนั้นไม่ว่าง แทนที่จะสามารถส่งข้อมูลได้ ก็นึกว่ามีโหนดอื่นใช้งานอยู่

-  Jitter ส่งผลให้ความถี่ของสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง สัญญาณถูกเลื่อนเฟสไปเป็นค่าอื่น ๆ

การป้องกันสัญญาณรบกวน

    สัญญาณรบกวน เป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่ทำให้ฝั่งรับได้รับสัญญาณข้อมูลที่ผิดเพี้ยนไปจากเดิม ไม่เหมือนกับข้อมูลที่ส่งมาจากผู้ส่ง และเมื่อมีสัญญาณรบกวนชนิดต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในข้อมูล ระบบการส่งผ่านข้อมูลแทบทุกระบบจึงจำเป็นต้องมีการป้องกันสัญญาณรบกวน อย่างไรก็ตาม แนวทางที่ดีก็คือ หากสามารถลดสัญญาณรบกวนก่อนที่จะส่งไปยังระบบสื่อสาร โดยเทคนิคต่อไปนี้จะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ ซึ่งประกอบด้วย

   ใช้สายเคเบิลชนิดที่มีฉนวนป้องกันสัญญาณรบกวน ซึ่งเป็นเทคนิคหนึ่งที่ช่วยลดการแทรกแซงจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และครอสทอร์กได้เป็นอย่างดี

สายโทรศัพท์ควรอยู่ในสภาวะที่เหมาะสม เช่น มีอุปกรณ์กรองสัญญาณที่ช่วยลดสัญญาณที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทางองค์การโทรศัพท์หรือบริษัทที่รับผิดชอบโครงข่ายโทรศัพท์สามารถจัดหามาให้ได้ แต่นั่นหมายถึง อาจจำเป็นต้องมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นในส่วนนี้ แต่อย่างไรก็ตาม สายเช่าความเร็วสูง (Leased Line) ก็เป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ ที่จะช่วยลดข้อผิดพลาดจากการส่งผ่านข้อมูลระยะไกลได้

ใช้อุปกรณ์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพและทันสมัยกว่า เพื่อทดแทนอุปกรณ์เดิมที่หมดอายุการใช้งานหรือมีประสิทธิภาพต่ำ ถึงแม้อุปกรณ์ใหม่นั้นจะมีราคาแพง แต่เมื่อเทียบกับผลที่ได้กับการส่งผ่านข้อมูลที่ดีขึ้น ก็น่าจะเป็นทางเลือกที่ดี

เมื่อต้องการเพิ่มระยะทางในการส่งข้อมูล ให้ใช้อุปกรณ์รีพีตเตอร์ กรณีส่งสัญญาณดิจิตอล หรือแอมพลิไฟเออร์ กรณีส่งสัญญาณแบบแอนะล็อก ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวนอกจากช่วยเพิ่มระยะทางแล้ว ยังมีส่วนช่วยลดข้อผิดพลาดของสัญญาณลงได้

พิจารณาข้อกำหนดและข้อจำกัดของสายสัญญาณแต่ละจิด ตัวอย่างเช่น สาย UTP สามารถเชื่อมโยงในระยะทางไม่เกินกว่า 100 เมตร ในการส่งผ่านข้อมูลที่อัตราความเร็วสูงสุดที่ 100 เมกะบิตต่อวินาที เป็นต้น