Chapter 3 สัญญาณและการสื่อสาร

1. Chapter 3สัญญาณและการสื่อสาร

2. 1. Data and Signals • Data คือ ข้อมูลหรืออะไรต่างๆที่เข้ามาและมีความหมาย เช่น ไฟล์ในคอมพิวเตอร์ เพลงในแผ่น CD • Signals คือ รูปแบบสัญญาณไฟฟ้า หรือแม่เหล็กที่แทนข้อมูล เช่น สัญญาณเสียงของโทรศัพท์ สัญญาณแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ Analog signals , Digital signal

3. การแปลงจาก Data to Signal

4. สัญญาณแบบอะนาล็อก (Analog Data) • สัญญานไฟฟ้าในแบบต่อเนื่อง (continuous signal) • ลักษณะสัญญาณมีพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความถี่ (frequency) ในแบบแกว่งขึ้นลง (oscillation) เช่น เดียวกับรูปแบบ sine wave • ตัวอย่างสัญญานอะนาล็อก เช่นที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์เครื่องเล่นเสียง เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงอย่างไมโครโฟน มีรูปของสัญญานเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่องในลักษณะ ขึ้น-ลงแบบ sine wave ตลอดช่วงหนึ่งของเวลา

5. 1 cycle amplitude (volts) time (sec) frequency (hertz) = cycles per second ตัวอย่าง สัญญาณ sine , cosine wave

6. อุปกรณ์แปลงข้อมูลเป็นสัญญาณ Analog

7. ดิจิตอล (Digital Signal) • สร้างจากข้อมูลดิจิตอลด้วยการใช้สัญลักษณ์ เช่น(1 หรือ 0) ใช้การเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณทางไฟฟ้า • อัตราและความสามารถในการส่งผ่านช่องทางสื่อสาร(channel) วัดอยู่ในหน่วย บิท ต่อ วินาที (bit per second) เช่น โมเด็ม มีอัตราการส่งผ่านข้อมูล 56 Kbit / sec. (56 * 1000 bps) • ข้อมูล 0, 1 แทนที่ด้วย ระดับแรงไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่ง 0 ด้วย low voltage, 1 แทนด้วย high voltage • = 0101101

9. คำศัพท์เกี่ยวกับดิจิตอล (Digital Terms) • Bit: มาจาก Binary Digit คือ เลขฐานสองหนึ่งตัว 1 คือค่า 1 ในระบบเลขฐานสิบ 10 คือค่า 2 ในระบบเลขฐานสิบ 10011001 คือค่า 153 ในระบบเลขฐานสิบ • Byte ประกอบด้วย 8 บิท

10. จำนวนบิต และจำนวนค่าที่สามาถแทนได้

11. การเทียบหน่วยข้อมูลดิจิตอลการเทียบหน่วยข้อมูลดิจิตอล • หน่วยข้อมูลคอมพิวเตอร์ ที่เล็กที่สุด เรียกว่า บิต (bit) • ซึ่งเมื่อข้อมูลรวมกันถึงขนาด 8 บิต เราจะเรียกว่า 1 ไบต์ (Byte) • เมื่อข้อมูลรวมกันถึงขนาด 1024 ไบต์ เราจะเรียกว่า 1 กิโลไบต์ • (KiloByte-KB) • เมื่อข้อมูลรวมกันถึงขนาด 1024 กิโลไบต์ เราจะเรียกว่า 1 กิกะไบต์ • (GigaByte-GB) • เมื่อข้อมูลรวมกันถึงขนาด 1024 กิกะไบต์ เราจะเรียกว่า 1 เทราไบต์ • (TeraByte-TB) • และข้อมูลล่าสุดนี้ น้อยคนนักที่จะทราบ คือ เมื่อข้อมูลรวมกันมากถึง • ขนาด 1024 เทราไบต์ เราจะเรียกว่า 1 เอกซ์ตร้าไบต์ (ExtraByte-EB)

12. Periodic และ Aperiodic signal • Periodic signal คือสัญญาณมีลักษณะซ้ำเมื่อถึงช่วงเวลาหนึ่งหรือเมื่อครบรอบเวลาหนึ่ง • Aperiodic signal คือสัญญาณที่ไม่มีรูปแบบซ้ำ เหมือนการ random สัญญาณ • ทั้งสัญญาณ analog และ digital สามารถเป็นทั้ง Periodic และ Aperiodic

13. องค์ประกอบสัญญาณ Analog

14. องค์ประกอบสัญญาณ Analogue • แอมปลิจูด (Amplitude): วัดจากค่าแรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็น (volt) • ความถี่ (Frequency): จำนวนของไซเคิลต่อวินาที มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz) • คาบ (Period): ระยะเวลาที่สัญญาณเปลี่ยนแปลงครบหนึ่งรอบมีหน่วยเป็น วินาที , T=1/f • เฟส (Phase): มุมองศาของสัญญาณเมื่อเวลาเปลี่ยนไป มีหน่วยเป็น องศา, เรเดียน

15. Phase ของสัญญาณ

16. ลองเปลี่ยนหน่วยเฟสสัญญาณลองเปลี่ยนหน่วยเฟสสัญญาณ • คลื่น sine ที่ 1 ส่วน 6 ของรอบคลื่นมีมุมกี่องศา,กี่ radian ตอบ = 360 x 1 / 6 = 60 องศา = 2¶x60 /360 rad

17. Amplitude Change Frequency Change

18. Phase Change

19. Composite signal • คลื่น sine wave หนึ่งมีความถี่เดียว • คลื่นซับซ้อนประกอบด้วยหลายความถี่ • สัญญาณสามารถสร้างได้จากสัญญาณ wave แบบง่ายมารวมกัน เช่น sine wave • การแยกคลื่นเหล่านี้ออกมา โดยการใช้ Fourier Analysis

20. Composite signal

21. Time และ Frequency domain • ปกติเรามองสัญญาณใน time-domain • แต่เราสามารถ plot เป็น frequency-domain ได้

22. Spectrum & Bandwidth • Spectrum คือ ช่วงความถี่ของคลื่น • Bandwidth คือ ค่าความแตกต่างระหว่างช่วงของความถี่สูงที่สุด ถึงช่วงความถี่ต่ำสุด BW = fmax – fmin

23. สัญญาณหนึ่งประกอบด้วย sine wave ความถี่ 100 ,300 , 500 , 700 ,900 Hz จงหา bandwidth และวาด frequency spectrum ถ้าความสูงสัญญาณ = 10 V ตอบ

24. ตัวอย่าง bandwidth,spectrum • เช่นเสียงคนมี bandwidth ในช่วง 300-3100 Hz เท่ากับ 2800 Hz • Electronic spectrum

25. ปริมาณการส่งข้อมูลของช่องทางการสื่อสาร (Channel Capacity) • อัตราในการส่งข้อมูลของช่องทางการสื่อสาร อยู่ภายใต้ข้อจำกัดในการสื่อสารต่างๆ • ปริมาณในการส่งข้อมูลขึ้นอยู่กับ • Data rate อัตราในการส่งข้อมูล มีหน่วยเป็น บิตต่อวินาที (bps) • Bandwidth ความกว้างของช่องทางในการส่งข้อมูล ซึ่งขึ้นอยู่กับตัวส่งข้อมูล และตัวกลางในการส่งข้อมูล มีหน่วยเป็น Hertz • Noise คลื่นสัญญาณรบกวน • Error rate อัตราความผิดพลาดในการส่งข้อมูล

26. การคำนวณ Channel Capacity • ในหน่วย bps กรณีไม่มีสัญญาณรบกวน (Noise) หาโดยใช้สูตร Nyquist • ให้ B คือ bandwidth, M คือระดับสัญญาณต่อ element

27. กรณีไม่มีสัญญาณรบกวน • Noise ทำให้ความสามารถในการเคลื่อนย้ายข้อมูลลดลง • Signal-to-noise ratio อธิบายระดับของการรบกวน • S=กำลังส่งสัญญาณ (watts) , N=กำลัง noise (watts) • SNR วัดเท่าของกำลังสัญญาณส่งกับกำลัง noise SNR สูงสัญญาณคุณภาพดี SNR ต่ำสัญญาณคุณภาพไม่ดี • Data rate สูงสุดถ้ามี noise หาจากสูตร shannon

28. Example: สายโทรศัพท์มี Bandwidth 3000 HZ (300 Hz to 3300 Hz), SNR = 3162 (35 dB) สายนี้มีอัตรการส่ง ข้อมูลเท่าไร? = 3000 log2 (3163) = 3000 * 11.62 = 34,860 bps

29. ความผิดเพี้ยนในการสื่อสารข้อมูล เกิดจาก • Attenuation พลังงานของสัญญาณลดลง เมื่อระยะทางเพิ่มมากขึ้น (Amplitude ลดลง) แก้ไขโดยใช้ Amplifier • Distortion สัญญาณเปลี่ยนรูปร่าง หรือรูปแบบไปเนื่องจาก ความเร็วในการเดินทางของแต่ละความถี่ต่างกัน • Noise สัญญาณรบกวน • Impedence Mismatch เกิดจากอุปกรณ์ทำงานไม่สมบูรณ์ ผิดพลาดที่จุดปลาย cable เกิดเนื่องจากสัญญาณสะท้อนกลับมารบกวนสัญญาณที่ส่ง ต้องใช้ echo canceller ช่วย

30. Attenuation กำลังการสูญเสียในหน่วย dB เมื่อส่งสัญญาณกำลัง Pin w. และผู้รับได้รับสัญญาณ Pout w. หาได้จาก

31. Distortion

32. ประเภทของสัญญาณรบกวน • Thermal: “white noise” สัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนมีลักษณะการแผ่กระจายคลื่นความร้อนรบกวน ในแบบคงที่ยากต่อการป้องกัน • Induced Noise สัญญาณรบกวนเกิดจากการอุปกรณ์ที่สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ • Crosstalk สัญญาณคลอสทอกส์ เกิดจากการส่งสัญญาณไปในสายส่งที่อยู่ใกล้ชิดกัน • Impulse noise สัญญาณเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของระดับแรงดันกระแสไฟฟ้าอย่างกระทันหัน เช่น ฟ้าผ่า, อุปกรณ์มอเตอร์ไฟฟ้า • Intermodulational สัญญาณความถี่ข้างเคียงมารบกวนเช่น สถานีวิทยุข้างเคียง

33. Line Noise • แม้ว่าไม่มีสัญญาณใดๆถูกส่งแต่สายส่งก็จะมีสัญญาณรบกวน noise เกิดขึ้นมีลักษณะไม่แน่นอน เป็น line noise level • ถ้ามีสัญญาณส่งสัญญาณจะรวมกับ noise

34. Propagation และ Transmission velocity • Propagation delay (Tp) เวลาสัญญาณเดินทางถึงเป้าหมาย • Transmission delay (Tx) เวลาที่ใช้ในการส่งข้อมูลไปในสายส่งข้อมูล • เวลาในการส่งทั้งหมด = Tp + Tx • Round trip (a) = Tp / Tx

35. จบบท