การสื่อสารในระบบดิจิตอล

การสื่อสารในระบบดิจิตอล (Digital communications)

• สัญญาณดิจิตอลมีข้อดีหลายประการเหนือกว่าสัญญาณอนาลอก รวมถึงความทนทานต่อสัญญาณรบกวนที่ดีกว่า
• สัญญาณดิจิตอลมีการจัดการที่ง่ายกว่าสัญญาณอนาลอก เช่น การเข้ารหัส
• โดยทั่วไปการส่งสัญญาณดิจิตอลต้องการแบนด์วิดท์ที่สูงกว่าสัญญาณอนาลอก
• การ Synchronize ระหว่างด้านส่งและด้านรับเป็นสิ่งจำเป็นในการสื่อสารแบบดิจิตอล
• ข่าวสารที่ต้องการส่งจะต้องแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลก่อนส่ง
• เมื่อถึงด้านรับ ก็ต้องแปลงสัญญาณดิจิตอลกลับเป็นสัญญาณเดิมถ้าต้องการ

ระบบการส่งและรับสัญญาณดิจิตอล

• Source encoder แปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล หรือรวมสัญญาณจากหลายแหล่ง
• Encryptor จัดการสัญญาณเพื่อความปลอดภัย ขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบ
• Channel encoder เปลี่ยนสัญญาณดิจิตอลให้อยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมกับช่องสัญญาณที่จะส่ง
• การเข้ารหัสช่องสัญญาณเป็นการลดจำนวนข้อมูลเพื่อให้ส่งสัญญาณได้รวดเร็วขึ้น รวมไปถึงการตรวจสอบความผิดพลาด
• สัญญาณดิจิตอลที่ได้จากการเข้ารหัสช่องสัญญาณประกอบด้วยสัญลักษณ์ต่างๆ
• การแทน '0' ,'1' ด้วยระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกัน เป็นการส่งสัญญาณไฟฟ้าแทนข้อมูลในช่องสัญญาณในลักษณะขบวนพัลส์ เรียกว่า การส่งสัญญาณดิจิตอลแบบเบสแบนด์
• การแทนข้อมูลดิจิตอลด้วยสัญญาณอนาลอก เช่น ช่องสัญญาณเสียง เรียกว่า การมอดูเลตสัญญาณกับสัญญาณพาหะ
• เครื่องรับต้องมีขบวนการย้อนกลับที่สอดคล้องกับทางด้านส่ง โดยการ demodulate, Decode ขึ้นอยู่กับด้านส่ง

การเข้ารหัสแหล่งกำเนิด (Source encoding)

• ถ้าสัญญาณที่ต้องการส่งไม่ได้อยู่ในรูปสัญญาณดิจิตอล ต้องทำการเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณดิจิตอลด้วยขบวนการแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล(Analog-to-Digital conversion, ADC,A/D)

การสุ่มตัวอย่าง (Sampling)

• การสุ่มตัวอย่างเป็นการตัดสุ่มสัญญาณอนาลอกออกเป็นช่วง ๆ ด้วยความถี่ของการสุ่ม (sampling frequency,fs)
• สัญญาณเดิมจะถูกเปลี่ยนกลับคืนมาได้อย่างครบถ้วนเมื่อความถี่ของการสุ่มตัวอย่างจะต้องสูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณที่ต้องการสุ่มนี้สองเท่าขึ้นไป(f≥2fm)
• สัญญาณที่เปลี่ยนกลับจึงไม่เกิดการผิดเพี้ยน เรียก อัตราการสุ่มตัวอย่างนี้ ว่า Nyquist rate

สัญญาณ PCM (Pulse Coded Modulation)

• สัญญาณอนาลอกเมื่อถูกสุ่มตัวอย่างเป็นพัลส์ ที่มีขนาดความสูงเท่ากับสัญญาณอนาลอก ณ เวลาที่ถูกสุ่ม เรียกพัลส์นี้ว่าสัญญาณ Pulse Amplitude Modulation,PAM
• จากนั้นจึงทำการปรับระดับขนาดของพัลส์นี้ ให้อยู่ในระดับที่กำหนดไว้ เรียกขบวนการนี้ว่า quantization
• การที่พัลส์มีขนาดต่าง ๆ เมื่อถูกจัดเข้ากับระดับที่กำหนดไว้ จะทำให้เกิดความผิดพลาด (ความแตกต่าง ) จากการปรับระดับนี้ เรียก quantization noise เพื่อลด noise ที่เกิดขึ้นลง ทำได้ โดยการ quantize แบบ non-linear
• การเข้ารหัสสัญญาณ PAM ที่สุ่มได้ นั้นขึ้นอยู่กับจำนวนระดับสัญญาณที่กำหนดไว้
• การสร้างสัญญาณ PCM คือ วิธีการเปลี่ยนสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล(Analog to Digital Conersion;ADC)
• ในการ quantize สัญญาณนี้ โดยทั่วไปมี 3 วิธี คือ Counter quantizer, Serial quantizer, Parallel quantizer

Counter quantizer

• สัญญาณอนาลอกจะถูกวงจร sampling and hold สุ่มสัญญาณและค้างไว้
• วงจรนับจะนับเพิ่มค่าไปเรื่อย ๆ จนกว่าสัญญาณ ramp จะเท่ากับสัญญาณอนาลอกที่สุ่มและค้างไว้ วงจรนับจะหยุดและค่าที่ได้ก็จะเป็นค่าดิจิตอลแทนค่าอนาลอกที่สุ่มได้

Serial quantizer

• สัญญาณที่ sampling ได้ จะถูกตรวจสอบว่าสูงกว่าครึ่งหนึ่งของสัญญาณสูงสุดหรือไม่ โดยการเปรียบเทียบ
• ถ้าสูงกว่าครึ่งให้ ผลลัพธ์ บิตแรกเป็น 1 ถ้าต่ำกว่าครึ่งจะให้ผลลัพธ์ บิตแรกนี้ เป็น 0 แล้วจึงพิจารณาแบ่งครึ่งของส่วนที่เกินครึ่งหรือส่วนที่เหลือไม่ถึงครึ่งแรกนั้น คือเปรียบเทียบกับหนึ่งในสี่ของสัญญาณสูงสุด

Parallel quantizer

• สัญญาณที่สุ่มตัวอย่างได้ จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับ comparator มีจำนวนเท่ากับจำนวนระดับที่ต้องการแยก โดย comparator แต่ละตัวจะถูกกำหนดระดับสำหรับการเปรียบเทียบไว้ด้วยระดับต่าง ๆ

Quantization noise

• ความสำคัญของการแปลงสัญญาณอยู่ ที่ การได้ สัญญาณดิจิตอลที่ แทนสัญญาณอนาลอกได้ ใกล้ เคียงมากที่ สุด และใช้ เวลาในการ

Nonuniform quantization

• ทำได้ โดยการแปลงสัญญาณที่ เข้ามาให้ มี ค่าเปลี่ยนไปในลักษณะ nonlinear คือที่ สัญญาณต่ำ ๆ ให้ มี การขยายสัญญาณออก ในขณะที่ สัญญาณที่ สูงอยู่ แล้วก็ ขยายน้อย เรียก ขั้นตอนนี้ ว่าการ compacting สัญญาณจากนั้นจึงผ่านเข้า uniform quantizer เพื่อเปลี่ยนเป็นสัญญาณดิจิตอล
• ในทางกลับกัน เมื่อแปลงกลับเป็นสัญญาณอนาลอกแล้วต้องแปลงสัญญาณโดยการขยายที่ ตรงข้ามกับตอนแรก เรียก ขั้นตอนนี้ ว่าการ expandingวมเรียก ขบวนการเพื่อทำ nonuniform quantization แบบนี้ ว่า compacting

สัญญาณ DM (Delta Modulation)

• ข้อดีคือ จำนวนบิตของข้อมูลลดลง และไม่ ขึ้นอยู่ กับช่วงการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ และยังได้ จำนวนบิตที่ น้อยกว่าที่ quatization noise เท่ากัน
• Delta Modulation จะทำ quantize โดยการแทนความแตกต่าง ของค่าที่ สุ่มได้ ด้วยจำนวนบิตเดียวเช่น แทนบิต '1' สำหรับค่าแตกต่าง ที่ เป็นบวกและ แทนบิต '0' สำหรับค่าที่ เป็นลบเป็นต้น
• การเข้ารหัสเพื่อบอกการเปลี่ยนเพิ่มระดับสัญญาณหนึ่งระดับหรือลดลงหนึ่งระดับทุก ๆ ค่าของการสุ่ม เท่ากับเป็นการพยามสร้างสัญญาณขั้นบันไดที่ เข้ากับสัญญาณอนาลอกนั้น โดยการเพิ่มขั้นหรือลดขั้นที ละขั้นที่ เท่ากับ A เท่านั้น
• เมื่อกำหนดอัตราการสุ่มและขนาดของ A ก็ จะทำ ให้ ได้ สัญญาณขั้นบันไดที่ ใกล้ เคียงกับสัญญาณอนาลอกนั้น มี ปรากฏการณ์ slope overload และ Granular noise

Adaptiเมื่อe Delta Modulation

• จากผลของ step size ที่ เลือกใช้ มี ผลต่อสัญญาณที่ ประมาณจากสัญญาณขั้นบันได ซึ่งทำให้ เกิด slope o เมื่อerload เมื่อ step size เล็ กไป และเกิด Granular noise เมื่อ step size มากไป จึงมี การปรับปรุงโดยให้ มี การเปลี่ยน step size ตามการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ

Delta Pulse Code Modulation;(DPCM), Differential PCM และ ADPCM

• เป็นการนำค่าแตกต่าง ของสัญญาณที่ สุ่มได้ กับสัญญาณ ที่ สุ่มได้ ก่อนหน้ามาเข้ารหัสแบบ PCM
• เนื่องจากเป็นการเข้ารหัสของส่วนที่ แตกต่าง เท่านั้นปกติ ก็ จะมี ค่าน้อยกว่าขนาดของสัญญาณ จึงทำให้ การเข้ารหัสนี้ ละเอียดขึ้นความผิดพลาดลดลงได้

Delta Pulse Code Modulation;DPCM

• เป็นการเข้ารหัสของส่วนที่ แตกต่าง เท่านั้นปกติ ก็ จะมี ค่าน้อยกว่าขนาดของสัญญาณ จึงทำให้ การเข้ารหัสนี้ ละเอียดขึ้นความผิดพลาดลดลงได้

Differential PCM

• แทนการเปรียบเทียบสัญญาณกับค่าที่ สุ่มได้ ก่อนหน้า การเข้ารหัสแบบ Differential PCM นี้ จะเปรียบเทียบสัญญาณกับค่าที่ คาดเดา(Predict Value)ไว้ ก่อนทำให้ค่าความแตกต่าง ของ

Adaptive differential PCM

• เช่นเดียวกับ Differential PCM ต่าง กันที่ ค่า A ของ ADPCM เปลี่ยนไป ตามสถานการณ์ ของสัญญาณ ไม่ ได้ กำหนดคงที่ ทุก ๆ ช่วงเวลาหนึ่งจะมี การเปลี่ยนค่า A ไป โดยการคำนวนค่า A จาก covariance matrix [Rij]

Voice Technique

• ยังมีการแปลงสัญญาณอนาลอกที่ มี ลักษณะเฉพาะ เช่น สัญญาณเสียง สัญญาณเสียงพูด แบ่งเป็น 2 แบบ คือ linear predictiเมื่อe coding ;LPC และ Adaptiเมื่อe predictive coding ;APC

Linear predictiเมื่อe coding ;LPC

• เป็นเทคนิคที่ ใช้ ในการแปลงสัญญาณโดยการวิเคราะห์สัญญาณเสียงแล้ว ส่ง ข้อมูลที่ จำเป็นของสัญญาณที่ สามารถสังเคราะห์ สัญญาณเสียงนั้นกลับคืนมาได้เริ่มต้นสัญญาณจะถูก digitize โดยใช้ วงจร A/D ก่อนแล้วจึงคำนวณหาค่าทางสถิติ ของสัญญาณนี้ โดยใช้การวิ เคราะห์ autocorelation หาส่วนประกอบความถี่