Tuesday 1 January 2008

wsc10 สรุปเอกสารที่อ้อส่งมา เรื่องแรก อนาลอก จากบทที่ 5 ของ COMPUTER AND COMMUNICATIONS --ขอบคุณคร้าบบบบบ


เรื่อง การส่งผ่านข่าวสารอนาลอก (Analog Transmission)

การส่งผ่านข่าวสารอนาลอก เป็นวิธีส่งสารสนเทศโดยใช้สัญญาณต่อเนื่องที่มีหลายระดับเป็นคุณสมบัติสำคัญ

ข้อด้อยที่สำคัญของการส่งผ่านข้อมูลข่าวสารด้วยระบบดิจิตอล ได้แก่ ต้องใช้ตัวกลางประเภท Low – Pass ซึ่งมี Bandwidth กว้างมาก ซึ่งหาก Bandwidth มีจำกัด การส่งผ่านด้วยระบบอนาลอก ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นสัญญาณ Band – Pass เป็นทางเลือกที่น่าสนใจ กระบวนการแปลงสัญญาณดิจิตอล (Low – Pass) ให้เป็นอนาลอก (Band – Pass) เรียกว่า การผสมสัญญาณ (Modulation)

ในบทนี้จะกล่าวถึง
-วิธีการผสมสัญญาณของข้อมูลเลขฐานสอง
-อุปกรณ์ในการผสมสัญญาณ
-การผสมสัญญาณของสัญญาณอนาลอก ประเภท Low - Pass

Modulation of Digital Data
การผสมสัญญาณของข้อมูลเลขฐานสอง หรือ Digital-to-Analog Modulation คือการเปลี่ยนคุณสมบัติ ของสัญญาณอนาลอก ตามข่าวสารที่ปรากฏในสัญญาณดิจิตอล (ตามข้อมูลเลขฐานสอง)
เหตุผลที่ต้องมีการทำการผสมสัญญาณของข้อมูลเลขฐานสอง ที่สำคัญมีดังต่อไปนี้
•ส่วนของสัญญาณดิจิตอล ที่มีนัยสำคัญอยู่ในย่านความถี่ต่ำ มีพลังงานน้อย ไม่สามารถส่งได้ไกลเท่ากับสัญญาณอนาลอก ที่มีปริมาณข่าวสารเท่ากัน
•สัญญาณดิจิตอล มีแถบความถี่ช่วงกว้างมาก ไม่สามารถผ่านไปในตัวกลางได้ทั้งหมด อาจทำให้ด้านรับเกิดข้อผิดพลาดได้
•ออกแบบระบบทวนสัญญาณด้วยอนาลอกได้ง่ายกว่า
•ความถี่สัญญาณอนาลอก ที่ใช้ในการ Modulation ไม่มีเงื่อนไขขอบเขตบน ดังนั้น ยิ่งมีความถี่สูงมาก ก็ออกแบบสายอากาศที่มีขนาดเล็กลงได้มาก (ตามข้อจำกัดทางเทคโนโลยีของอุปกรณ์ครับท่าน)

จากนิยามของการผสมสัญญาณดังกล่าวข้างต้น เราเรียกสัญญาณอนาลอก ว่าสัญญาณพาหะ (Carrier Signal) นั้นต้องมี
-ความถี่สูงกว่า
-อัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อมูลเลขฐานสอง ในสัญญาณดิจิตอล จากสมการของ Simple Signal องค์ประกอบ (Characteristics) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ คือ ขนาด (A) ความถี่ (f) เฟส หรือ ทั้งขนาดและเฟส โดยเรียกการผสมสัญญาณเหล่านี้ว่า ASK FSK PSK หรือ QAM ตามลำดับ

นิยามของอัตราบิตและอัตราบอด
การผสมสัญญาณมักกล่าวถึงบิต (Bit) และบอด (Baud)

นิยามต่อไปนี้เปรียบเทียบให้เห็นความแตกต่างระหว่างตัวแปรทั้งสอง
-อัตราบิต (Bit Rate) คือ จำนวนของ Bits ข้อมูลที่ส่งได้ใน 1 หน่วยเวลา (1 วินาที)
-อัตราบอด (Baud Rate) คือ จำนวนของสัญลักษณ์ (Symbols หรือ Signal Units) ที่ส่งได้ใน 1 หน่วยเวลา (1 วินาที) โดยที่ สัญลักษณ์แต่ละหน่วย สามารถใช้นำเสนอข้อมูลได้ตั้งแต่ 1 บิตขึ้นไป ในการสื่อสารมักใช้ Baud Rate เป็นดัชนีชี้วัดประสิทธิภาพในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างจุดสองจุด และพิจารณา Bandwidth ที่จำเป็นในการส่งสัญญาณ ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรทั้งสองตัว ขึ้นอยู่กับจำนวนของบิตต่อสัญลักษณ์ ดังต่อไปนี้


ความสัมพันธ์ระหว่าง Bit Rate และ Baud Rate

Baud Rate = (Bit Rate) / (Number of Bits per Signal Unit) (Bauds)
Bit Rate = (Baud Rate) x (Number of Bits per Signal Unit) (Bits per Second)


เพื่อให้เข้าใจ จะเปรียบเทียบการสื่อสารกับการขนส่ง
สมมติให้ Baudคือรถโดยสาร
Bit คือผู้โดยสาร
เนื่องจากรถ 1 คันบรรทุกผู้โดยสารได้หลายคน เช่น ถ้ารถ 1 คันบรรทุกได้ 1 คน รถ 1000 คัน จะบรรทุกได้ 1000 คน
แต่ถ้ารถ 1 คันบรรทุกได้ 4 คน รถ 1000 คัน จะบรรทุกได้ 4000 คน
สังเกตว่าปริมาณการจราจรขึ้นอยู่กับ จำนวนรถ ไม่ใช่ จำนวนผู้โดยสาร ขนาดของถนนจึงขึ้นอยู่กับ จำนวนรถ เท่านั้น
ดังนั้น Bandwidth ของการสื่อสารจึงขึ้นอยู่กับ Baud Rate


Amplitude Shift Keying (ASK)
ASK คือการเปลี่ยนความสูง (ระดับ) ของสัญญาณ ตามบิตข้อมูล
เช่น ระดับ A0 เมื่อข้อมูลเป็น 0 (ถ้า A0 = 0 เรียกว่า On/Off Keying - OOK) และ ระดับ A1 เมื่อข้อมูลเป็น 1
จุดเด่นของ ASK คือสามารถออกแบบได้ง่าย เนื่องจากเป็นการคูณกันของฟังก์ชัน 2 ชนิด ดังสมการด้านล่าง ทำให้การคำนวณคุณสมบัติไม่ซับซ้อน
จุดด้อยของ ASK คือ มีภูมิต้านทานต่อสัญญาณรบกวนต่ำ อาจเกิดความผิดพลาดในการสื่อสารได้ง่าย

Frequency Shift Keying (FSK)
FSK คือการเปลี่ยน ความถี่ ของสัญญาณพาหะ ตามบิตข้อมูล

จุดเด่นของ FSK คือ มีภูมิต้านทานต่อสัญญาณรบกวนมากกว่าวิธี Modulation แบบ ASK เนื่องจากอุปกรณ์ด้านรับ มองหา ความถี่เฉพาะ ที่อยู่ในช่วงเวลาหนึ่งๆ โดยไม่สนใจ Noise กระชากระยะสั้น (Transient Noise)

จุดด้อยของ FSK คือ ต้องการ Bandwidth กว้างกว่าวิธี Modulation แบบ ASK เมื่อส่งข้อมูลที่มี Baud Rate เท่ากัน


Phase Shift Keying (PSK)
PSK คือการเปลี่ยน เฟส (ตำแหน่งเริ่มต้น) ของสัญญาณพาหะ ตามบิตข้อมูล

จุดเด่นของ PSK คือสามารถทนทานต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า ASK ในขณะที่ใช้แถบความถี่แคบกว่า FSK
นอกจากนี้ยังสามารถแทนสัญลักษณ์ได้มากกว่า 1 บิตต่อหน่วยสัญญาณ

จุดด้อยของ PSK คือ การออกแบบเครื่องรับ/ส่ง และวิเคราะห์ ทำได้ยากกว่า ASK และ FSK
PSK Characteristics (Constellation Diagram)

การผสมสัญญาณแบบ PSK ในรูปแบบต่างๆ สามารถแสดงโดยแผนผัง Constellation ซึ่งบอกตำแหน่ง Phase ของสัญลักษณ์ จากตัวอย่าง 1 Symbol = 1 Bit เรียกว่า Binary PSK

ในการออกแบบ หรือ วิเคราะห์ Modulation PSK มีขั้นตอนดังต่อไปนี้
1.กำหนดจำนวนของบิต (N) ต่อ 1 สัญลักษณ์ (2 = Dibit, 3 = Tribit …)
2.แบ่งเฟส (จากทั้งหมด 360˚) ออกเป็น 2N ช่วง เท่าๆ กัน
3.แทนค่าสัญลักษณ์แต่ละแบบด้วยค่าเฟสแต่ละช่วง
4.แสดงการจับคู่สัญลักษณ์และเฟส ด้วยตาราง หรือแผนผัง Constellation (วาดรูปเอาก็ด้าย)

ในที่สุดก็มาถึงพระเอกของตอนนี้แล้ว
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
จากข้อด้อยของ PSK ได้แก่ การออกแบบอุปกรณ์ที่สามารถจำแนกความแตกต่างของเฟสจำนวนมาก ทำได้ลำบาก ดังนั้นจึงเป็นการเหมาะสมที่จะมีการเสนอให้ใช้ วิธีการ Modulation หลายวิธีรวมกัน เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด อย่างไรก็ดี เนื่องจากเงื่อนไขข้อจำกัดทาง Bandwidth จึงทำให้ FSK ไม่สามารถใช้ร่วมกับ Modulation วิธีอื่นได้ วิธีที่เหมาะสม คือ การใช้ ASK ที่มีความแตกต่าง x กรณี ร่วมกับ PSK ที่มีความแตกต่าง y กรณี ดังนั้น ความแตกต่างทั้งหมดที่เป็นไปได้จึงเท่ากับ x คูณ y กรณี เรียกวิธีการ Modulation แบบนี้ว่า Quadrature Amplitude Modulation (QAM) ซึ่งทำให้ความแตกต่างระหว่าง Symbol มีมากที่สุด (ออกแบบอุปกรณ์แยกแยะได้ง่าย) ดังนั้นจำนวนบิตต่อสัญลักษณ์ที่เป็นไปได้เท่ากับ log2 (x * y) บิต การรวม PSK กับ ASK ด้วยวิธี QAM ทำได้หลายรูปแบบ แต่วิธีที่นิยมใช้ ได้แก่ QAM ที่มี จำนวน Amplitude Shift น้อยกว่า Phase Shift เนื่องจาก Phase มีความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า Amplitude

เนื่องจาก N – QAM กำหนดเพียงแค่จำนวนของการรวมกันของ Amplitude (A) และ Phase (P) ดังนั้นการปรับโครงสร้างของ A – P Shift เมื่อ N มีค่าเท่ากัน สามารถทำได้ตามความเหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภท ดังกรณี 16 – QAM สามารถจัดโครงสร้างของ A – P Shift ได้หลายรูปแบบดังนี้
•3A/12P ทนต่อสัญญาณรบกวนมากที่สุด เพราะอัตราส่วน P/A สูง (ITU-T)
•4A/ 8P จำแนกความแตกต่างระหว่างสัญญาณได้ดี การออกแบบอุปกรณ์จึงสามารถทำได้ง่าย เนื่องจากแต่ละค่า A มี P เพียง 4 รูปแบบ (OSI)
•2A/ 8P QAM พื้นฐาน


Telephone MODEM
MODEM หรือ Modulator – Demodulator ทำหน้าที่ 2 ประการ ได้แก่
• Modulation หมายถึง การสร้าง Band – Pass สัญญาณอนาลอกจากข้อมูลดิจิตอล
• Demodulation หมายถึง การกู้คืนข้อมูลดิจิตอลจากสัญญาณที่ผ่านการ Modulation

มาตรฐานของ MODEM
ตามข้อกำหนดของ ITU-T มาตรฐานของ MODEM อยู่บนพื้นฐานของ V-Series กล่าวคือ V.32 ใช้การเข้ารหัสแบบ Trellis Coded Modulation กล่าวคือ
• สัญลักษณ์มีขนาด 5 บิต ประกอบด้วยข้อมูล 4 บิต และ Redundant 1 บิต (Redundant Bit ใช้สำหรับลดความน่าจะเป็นในการถอดรหัสข้อมูลผิดพลาด)
• เข้ารหัสสัญลักษณ์ด้วย 32–QAM ด้วยความเร็ว 2 400 Baud (9 600 bps)

การผสมสัญญาณอนาลอก
จะกล่าวถึง กระบวนการในการผสมสัญญาณอนาลอกชนิด Low–Pass และ Band–Pass ดังกล่าว เพื่อแปลงให้เป็นสัญญาณอนาลอก ชนิด Band–Pass ในช่วงที่เหมาะสม

การผสมสัญญาณเชิงความสูง
การผสมสัญญาณเชิงความสูง (Amplitude Modulation: AM) คือการผสมสัญญาณโดยที่ความสูง (Amplitude) ของสัญญาณพาหะ (Carrier) เปลี่ยนตามความสูงของสัญญาณข่าวสาร (Modulating Signal) ทั้งนี้ ทั้งความถี่ และเฟสของสัญญาณพาหะมีค่าคงที่

Federal Communications Commission (FCC) ได้ระบุข้อกำหนดของการส่งคลื่นวิทยุ AM ให้มี Bandwidth ของสัญญาณ 5 kHz (คลอบคลุมย่านเสียงพูดของมนุษย์) แต่ละสถานีจึงมี Bandwidth เท่ากับ 2  5 = 10 kHz ดังนั้น ความถี่พาหะของแต่ละสถานีจะต้องเว้นช่วง 10 kHz เพื่อป้องกันการรบกวนกัน ตัวอย่างเช่น สัญญาณพาหะของระบบวิทยุ AM อยู่ในช่วง 530 – 1 700 kHz ดังนั้นถ้าสัญญาณพาหะของสถานีหนึ่งมีความถี่ 1 000 kHz สถานีข้างเคียงต้องมีความถี่ 990 และ 1 010 kHz

การผสมสัญญาณเชิงความถี่
การผสมสัญญาณเชิงความถี่ (Frequency Modulation: FM คือการผสมสัญญาณโดยที่ความถี่ ของสัญญาณพาหะ เปลี่ยนตามความสูงของสัญญาณข่าวสาร (Modulating Signal) ทั้งนี้ ทั้งความสูง และเฟสของสัญญาณพาหะมีค่าคงที่

FCC ได้ระบุข้อกำหนดของการส่งคลื่นวิทยุ FM ให้มี Bandwidth ของสัญญาณ 15 kHz (คลอบคลุมส่วนใหญ่ของเสียงที่มนุษย์ได้ยิน) และกำหนดให้มี Guard Band สถานีละ 50 kHz แต่ละสถานีจึงมี Bandwidth เท่ากับ 10  15 + 50 = 200 kHz ตัวอย่างเช่น สัญญาณพาหะของระบบวิทยุ FM อยู่ในช่วง 88 – 108 MHz ถ้า Carrier สถานีหนึ่ง มีความถี่ 106.5 MHz สถานีข้างเคียงต้องมีความถี่ 106.5 MHz  (อย่างน้อย) 200 kHz ซึ่งในทางปฏิบัติ ได้แก่ 106.25 และ 106.75 MHz ตามลำดับ นอกจากนี้ในบางบริเวณ FCC ได้มีการเผื่อโดย กำหนดให้มีสถานีว่าง (Bandwidth 200 kHz) คั่นระหว่างสถานีที่ติดกัน ซึ่งทำให้ระยะห่างระหว่างสถานีเพิ่มขึ้นเป็น 400 kHz

การผสมสัญญาณเชิงเฟส
การผสมสัญญาณเชิงเฟส (Phase Modulation: PM) คือการผสมสัญญาณโดยที่เฟสของสัญญาณพาหะ เปลี่ยนตามความสูงของสัญญาณข่าวสาร (Modulating Signal) ทั้งนี้ ทั้งความสูง และสัญญาณของสัญญาณพาหะมีค่าคงที่ เนื่องจากระบบรับ-ส่งสามารถออกแบบได้ง่ายกว่า จึงได้มีการนำ PM มาใช้แทน FM ในระบบการสื่อสารบางระบบ สำหรับกระบวนการวิเคราะห์ และผลของสัญญาณที่ผ่านการผสมแล้วของระบบ PM จะคล้ายคลึงกับระบบ FM