เมื่อการสื่อสารแบบอะนาลอก มีปัญหาเกิดขึ้นเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาที่เกิดจากสัญญาณรบกวน ก่อนที่จะเข้าสู่รายละเอียดของการสื่อสารแบบดิจิตอลนั้น ขอยกตัวอย่างการใช้งานสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ที่ทุกคนคุ้นเคย เพียงแต่ยังนึกไม่ถึงเท่านั้น นั่นก็คือการ copy โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ไม่ว่าแผ่นโปรแกรมที่เป็นต้นฉบับนั้นจะเป็นรุ่น F1 F2 F10 หรือ F50 ผลที่ได้นั้นโปรแกรมยังมีลักษณะเหมือนต้นฉบับทุกประการเพราะถ้าไม่เหมือนแม้แต่เพียงข้อมูลเดียว โปรแกรมก็ไม่สามารถทำงานได้ เราอาจกล่าวได้ว่าการ copy โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลนั้น แผ่นโปรแกรมเป็นรุ่น F1000 จะเหมือนกับรุ่น F1 เสมอ (การถ่ายทอดกรรมพันธุ์ทาง DNA หรือ ทาง chromosome ของสิ่งมีชีวิตนั้น จะคล้ายกับการถ่ายทอดแบบดิจิตอล โอกาสที่จะผิดพลาดมีน้อยมาก แต่ถ้าผิดขึ้นมาจะกลายเป็นเรื่องใหญ่ นั่นคือเกิดการกลายพันธุ์ (mutation) แล้วผู้เขียนอาจเขียนเรื่องฟิสิกส์กับชีววิทยา หรือคอมพิวเตอร์กับสิ่งมีชีวิต ในอนาคตอันใกล้)
ถึงตอนนี้ท่านผู้อ่านคงเข้าใจแล้วว่าการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลนั้น ดีกว่าการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอก อย่างไร และเข้าใจเหตุผลว่าทำไมการสื่อสารจึงเลือกใช้แบบดิจิตอล ต่อไปนี้ทุกท่านคงพร้อมแล้วที่จะเข้าสู่รายละเอียดของการสื่อสารแบบดิจิตอลในเชิงวิชาการ
บางคนอาจจะสงสัยว่าทำไมต้องมีสัญญาณรบกวนด้วย เราจะแยกหรือขจัดออกได้อย่างไร สัญญาณรบกวนนี้เกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ เช่น ผลของอุณหภูมิ (thermal noise) วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาเคลวินสามารถส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทั้งสิ้น ผลภายในอุปกรณ์เองเช่น ในตัวทรานซิสเตอร์ ไดโอด ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุไอซี (integrated circuit) แม้แต่สายไฟหรือลายทองแดงของแผ่นวงจรไฟฟ้า สามารถผลิตความถี่หรือรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากที่อื่น รวมทั้งคุณภาพของการออกแบบวงจรไฟฟ้าก็มีส่วนทำให้ปริมาณสัญญาณรบกวนมากน้อยต่างกัน โดยสรุปสัญญาณรบกวนมีอยู่ตลอดเวลา ขึ้นอยู่กับว่าเราสามารถกรองออกจากสัญญาณไฟฟ้าเดิมได้แค่ไหน ตัวอย่างที่สังเกตได้ชัดเจนคือการรับสัญญาณโทรทัศน์ ถ้าเสาอากาศคุณภาพดีและการติดตั้งหันไปทิศทางที่ถูกต้องภาพที่ได้จะชัดเจน มิฉะนั้นจะได้ภาพที่มีเม็ดสีปะปน เม็ดสีปนอยู่คือสัญญาณรบกวนนั่นเอง ยิ่งผู้รับอยู่ไกลจากสถานีส่งมากเท่าไร ขนาดของสัญญาณที่ต้องการจะลดลงส่วนสัญญาณรบกวนจะเพิ่มขึ้น ในบางท้องที่ไม่อาจรับสัญญาณโทรทัศน์ได้เลย เพราะมีแต่สัญญาณรบกวน
เมื่อเราใช้ออสซิลโลสโคป ดูรูปคลื่นของสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอก จะเป็นดังรูปที่ 4 และรูปที่ 5 ก., ข.


รูปที่ 5

เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 1 สัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 5 ก.
เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 2 สัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 5 ข.

เราจะเห็นได้ชัดเจนว่าการสื่อสารแบบอะนาลอกนั้นมีสัญญาณรบกวนแทรกอยู่มาก ต่อไปจะพิจารณาการสื่อสารแบบดิจิตอล สัญญาณแบบดิจิตอลนั้น จะมีค่าของความต่างศักย์ไฟฟ้าเพียง 2 ค่าเท่านั้น คือ HIGH (อาจใช้เลข 1 หมายถึง 5 โวลต์) และ LOW (อาจใช้เลข 0 หมายถึง 0 โวลต์) แต่ในทางปฏิบัติให้ 0-1.5 โวลต์ เป็น LOW และ 3.5-5 โวลต์ เป็น HIGH เพื่อประโยชน์ในการแยก noise ออกจาก signal เพราะถ้าขนาดสัญญาณของ noise นั้นไม่เกิน 1 โวลต์ เราก็ยังสามารถแยกออกจากสัญญาณเดิม
เมื่อเราใช้ออสซิลโลสโคป ดูรูปคลื่นของสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล จะเป็นดังรูปที่ 6


รูปที่ 6
มีสัญญาณรบกวนแทรก
แต่สามารถแยก 1 และ 0 ได้


รูปที่ 7

เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 1 และปรับแต่งสัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 7 ก.
เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 2 และปรับแต่งสัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 7 ข.

การขยายสัญญาณแบบดิจิตอลนั้นต้องรีบทำก่อนที่ขนาดของสัญญาณจะลดลงมากเกินไปจนแยก 1 และ 0 ไม่ได้ หมายความว่าสถานีขยายสัญญาณ repeater มีหน้าที่ขยายและปรับแต่งสัญญาณทำให้ได้รูปของสัญญาณที่เหมือนต้นฉบับทุกประการ ดังนั้นไม่ว่าการสื่อสารข้อมูลจะไกลเพียงใด สัญญาณที่ได้รับจะเหมือนต้นฉบับเสมอ ทำให้การสื่อสารในโลกปัจจุบันจึงเป็นการสื่อสารแบบดิจิตอลแทบทั้งสิ้น แม้แต่การทำงานของคอมพิวเตอร์ก็เป็นแบบดิจิตอลทำให้เราสามารถส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ไปได้ทั่วโลก (โดยใช้บริการของ internet)


รูปที่ 8

ผู้อ่านบางท่านอาจสงสัยว่า การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณเสียงที่กล่าวมาในตอนต้นเป็นแบบอะนาลอก แล้วเราจะส่งสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลได้อย่างไร เรื่องนี้อธิบายไม่ยากก็ใช้วงจรไฟฟ้าที่เรียกว่า ADC (Analog Digital Converter) เปลี่ยนสัญญาณแบบอะนาลอกให้กลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอล ตัวอย่างเช่น การอัดเสียงลง Compact Disc (CD) นั้นใช้ระบบดังที่กล่าวมานี้ การอัดภาพลง Laser disc ก็เช่นเดียวกัน เมื่อข้อมูลทั้งเสียงและภาพกลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอลแล้ว จะส่งไปไหนหรือทำอะไรต่อก็ง่ายแล้ว เวลาจะเล่นกลับ (playback) ก็ใช้วงจรไฟฟ้าที่เรียกว่า DAC (Digital Analog Converter) จัดการกับข้อมูลที่เป็นดิจิตอล ก็จะได้สัญญาณแบบอะนาลอก ที่ร่างกายมนุษย์คุ้นเคย
รายละเอียดของวงจรไฟฟ้า ADC (Analog Digital Converter) ที่เปลี่ยนสัญญาณแบบอะนาลอกให้กลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอล และ DAC (Digital Analog Converter) นั้นค่อนข้างยุ่งยากและเป็นวิชาการมาก แต่ผู้เขียนได้เขียนไว้แล้วสำหรับอาจารย์ฟิสิกส์ แต่ถ้ามีผู้สนใจมากพอก็อาจนำลงในโอกาสต่อไป

ที่มา : ไชยยันต์ ศิริโชติ
สาขาวิชาฟิสิกส์
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี