RZ กับ NRZ คืออะไร ? เปรียบเทียบความแตกต่างของสัญญาณดิจิตอลทั้งสอง ใครดีกว่ากัน ?

RZ กับ NRZ คืออะไร ? เปรียบเทียบความแตกต่างของสัญญาณดิจิทัลทั้งสอง ใครดีกว่ากัน ?

ในโลกของการสื่อสารแบบดิจิทัล และเทคโนโลยีการส่งข้อมูล สัญญาณที่มีความสำคัญทั้งสองรูปแบบได้แก่ สัญญาณ RZ (Return to Zero) และ NRZ (Non-Return to Zero) ซึ่งทั้งสองรูปแบบเป็นหนึ่งในวิธีการของ Line Coding ที่ใช้เพื่อถ่ายทอดข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ซึ่งในแต่ละแบบก็มีลักษณะเฉพาะตัวที่แตกต่างกัน อีกทั้งยังมีข้อดี และข้อเสีย ที่ส่งผลต่อความเร็ว, ความแม่นยำ และความคุ้มค่าในการส่งข้อมูล ที่ต่างกัน

ดังนั้น ในบทความนี้จะพาทุกคนไปรู้จักกับสัญญาณ RZ และ NRZ อย่างละเอียด ทั้งความหมาย, รูปแบบสัญญาณ, ประโยชน์, เปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างสัญญาณทั้งสองรูปแบบ รวมไปถึงความหมายของ Line Coding เพื่อช่วยให้ทุกคนเข้าใจว่า สัญญาณรูปแบบใดเหมาะสมกับการใช้งานในสถานการณ์ไหน ? ถ้าพร้อมแล้วเรามาร่วมกันหาคำตอบเลย

ความหมายของ RZ และ NRZ (Definitions of RZ and NRZ)

ก่อนที่เราจะเข้าใจความแตกต่างของสัญญาณทั้งสองชนิด เราจะต้องมาทำความรู้จักกับสัญญาณทั้งสองแบบนี้ก่อน ซึ่งจะมีดังนี้เลย

ความหมายของ NRZ (Non-Return-to-Zero)

เรามาเริ่มต้นกันที่ความหมายของ NRZ หรือ Non-Return-to-Zero (สัญญาณแบบไม่คืนศูนย์) เป็นรูปแบบย่อยของการเข้ารหัสสัญญาณในระบบสื่อสารดิจิทัลแบบ Line-Coding ที่ใช้การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเพื่อแสดงค่าบิต "1" และ "0" โดยไม่มีสถานะพัก (Neutral State) แทรกอยู่ระหว่างบิต

สัญญาณในรูปแบบนี้ใช้พลังงานในการส่งข้อมูลสูง แต่มันก็สามารถประหยัดแบนด์วิดท์ได้มากกว่า เมื่อเทียบกับรูปแบบอื่น เช่น Manchester Code แต่เนื่องจาก NRZ ไม่สามารถจับเวลาในตัวเองได้ (Non-self-clocking) จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการซิงโครไนซ์อื่น เช่น ใช้สัญญาณซิงโครไนซ์เพิ่มเติม เพื่อป้องกันการสูญเสียข้อมูล (Bit Slips)

ความหมายของ RZ (Return-to-Zero)

ในทางกลับกัน RZ หรือ Return-to-Zero (สัญญาณแบบคืนศูนย์) นั้นเป็นรูปแบบการเข้ารหัสสัญญาณที่สัญญาณจะกลับไปที่ค่า “0” หรือสถานะพัก (Neutral State) ระหว่างแต่ละบิต ไม่ว่าจะเป็นบิต “1” หรือ “0” ซึ่งรูปแบบนี้สามารถซิงโครไนซ์ได้ในตัว (Self-Clocking) โดยไม่ต้องใช้สัญญาณนาฬิกาแยก แต่ต้องใช้แบนด์วิดท์มากกว่า NRZ ถึงสองเท่า เพื่อให้สามารถส่งข้อมูลในอัตราเดียวกัน

และ RZ มักประสบปัญหาเรื่องการเปลี่ยนแปลงฐาน (Baseline Wander) เมื่อมีการส่งบิต “0” หรือ “1” เป็นระยะเวลานาน อาจทำให้ตัวรับสัญญาณสับสนระหว่างบิต “0” และ “1”ส่งผลกระทบต่อความแม่นยำของการถอดรหัสข้อมูลในระบบที่ต้องการความเสถียรสูง

สัญญาณ RZ และ NRZ กับ Line Coding (RZ and NRZ in Line Coding)

จากที่ผ่านมาเราทำความเข้าใจเกี่ยวกับสัญญาณ RZ และ NRZ แล้ว ซึ่งจะเห็นได้ว่าสัญญาณทั้งสองรูปแบบ เป็นวิธีหนึ่งของการเข้ารหัสข้อมูลในระบบสื่อสารดิจิทัล ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่ม Line Coding หรือการเข้ารหัสสายสัญญาณ (Line Coding Techniques)

Line Coding คือเทคนิคที่ใช้ในการแปลงข้อมูลดิจิทัลให้อยู่ในรูปของสัญญาณดิจิทัล โดยมีจุดประสงค์เพื่อให้สัญญาณที่ได้สามารถส่งผ่านช่องทางสื่อสารได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดนั้นเอง

โดยในกระบวนการนี้ Line Encoder จะทำหน้าที่แปลงข้อมูลดิจิทัลให้กลายเป็นสัญญาณดิจิทัลที่เหมาะสมสำหรับการส่งข้อมูล ในขณะที่ Line Decoder จะทำการถอดรหัสสัญญาณดิจิทัลกลับมาเป็นข้อมูลดิจิทัลที่ปลายทาง เราลองไปดูกันต่อว่า Line Coding นั้นมีประโยชน์อย่างไรบ้างในหัวข้อต่อไปเลย

ภาพจาก : https://slideplayer.com/slide/10658209/

ประโยชน์ของ Line Coding

1. ลดแบนด์วิดท์ และเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งข้อมูล

หนึ่งในประโยชน์ที่สำคัญของ Line Coding คือการช่วยลดแบนด์วิดท์ที่ต้องใช้ในการส่งข้อมูล โดยสามารถถ่ายทอดข้อมูลหลายบิต ผ่านการส่งสัญญาณเพียงครั้งเดียว ซึ่งช่วยประหยัดทรัพยากรในช่องทางสื่อสาร และเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูลอีกด้วย นอกจากนี้ Line Coding ยังช่วยลดปัญหาการรบกวนระหว่างสัญญาณ (Inter-Symbol Interference) ซึ่งเป็นปัญหาที่พบบ่อยในระบบสื่อสารที่ต้องส่งข้อมูลในความเร็วสูง

ภาพจาก : https://www.geeksforgeeks.org/line-coding/

2. เพิ่มความแม่นยำ และลดข้อผิดพลาดในการสื่อสาร

อีกประโยชน์หนึ่งของ Line Coding คือการเพิ่มความเสถียร และความแม่นยำในการส่งข้อมูลผ่านช่องทางสื่อสารที่หลากหลาย เทคนิคบางประเภท เช่น Bipolar Coding มีความสามารถในการตรวจจับ และแก้ไขข้อผิดพลาดในตัว ทำให้ข้อมูลที่รับปลายทางมีความถูกต้องมากขึ้น นอกจากนี้ Line Coding ยังช่วยให้สัญญาณสามารถซิงโครไนซ์ได้ดี แม้ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณนาฬิกาส่งแยกไป ซึ่งช่วยป้องกันการสูญเสียข้อมูล หรือเกิดความคลาดเคลื่อนระหว่างการถอดรหัส

เปรียบเทียบรูปแบบสัญญาณ NRZ และ RZ (Comparison of NRZ and RZ Signal Formats)

1. ลักษณะของสัญญาณ (Pulse Shape)

สัญญาณ NRZ (Non-Return to Zero)

สัญญาณ NRZ เป็นรูปแบบที่ไม่มีการคืนสู่ศูนย์ในช่วงเวลาของบิต ซึ่งมีลักษณะสำคัญดังนี้

Unipolar NRZ

บิต "1" แสดงด้วยแรงดันบวกบิต "0" ไม่มีแรงดัน (ศูนย์แรงดัน)

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

จุดเด่นของสัญญาณ Unipolar NRZ คือโครงสร้างที่เรียบง่าย และใช้พลังงานต่ำ เนื่องจากมีการใช้แรงดันเพียงทิศทางเดียว (บวก หรือไม่มีแรงดันเลย) เหมาะสำหรับระบบพื้นฐานที่ไม่ต้องการความซับซ้อน เช่น ส่งข้อมูลในระบบดิจิทัลระยะสั้น หรือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ต้องการประหยัดพลังงาน

Polar NRZ

บิต "1" แสดงด้วยแรงดันบวก บิต "0" แสดงด้วยแรงดันลบ

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

สัญญาณ Polar NRZ มีจุดเด่นที่สามารถลดปัญหา DC Bias (การสะสมของแรงกันกระแสตรงในสัญญาณ) ได้ดี เนื่องจากมีการใช้แรงดันทั้งบวก และลบ จึงช่วยลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวน (Noise) และทำให้สัญญาณมีความสมดุลมากขึ้น เหมาะสำหรับการใช้งานในระบบสื่อสารที่ใช้สายคู่แบบสมมาตร เช่น ระบบโทรคมนาคม หรือเครือข่ายสื่อสารที่ต้องการสัญญาณที่เสถียรนั่นเอง

Bipolar NRZ

บิต "1" สลับระหว่างแรงดันบวก และลบในแต่ละบิต บิต "0" มีแรงดันเป็นศูนย์

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

จุดเด่นสำคัญของ Bipolar NRZ คือการลดผลกระทบจาก DC Bias ได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน ทำให้เหมาะสำหรับการส่งข้อมูลในระบบดิจิทัลระยะไกล เช่น ส่งข้อมูลผ่านสายโทรศัพท์ หรือในระบบเครือข่ายที่ต้องการความสมดุลของแรงดัน และความแม่นยำที่สูง

สัญญาณ RZ

สัญญาณ RZ มีการคืนสู่ศูนย์ในครึ่งหลังของช่วงเวลาบิต ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

Unipolar RZ

บิต "1" แสดงด้วยแรงดันบวกในครึ่งแรก และกลับสู่ศูนย์ในครึ่งหลัง บิต "0" ไม่มีพัลส์ หรือแรงดันใด ๆ

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

จุดเด่นของสัญญาณ Unipolar RZ คือการคืนสู่ศูนย์ในครึ่งหลังของแต่ละบิต ทำให้การซิงโครไนซ์ระหว่างผู้ส่ง และผู้รับทำได้ง่ายยิ่งขึ้น อีกทั้งโครงสร้างของสัญญาณยังไม่ซับซ้อน เหมาะสำหรับการใช้งานในระบบตรวจจับสัญญาณพื้นฐาน เช่น อุปกรณ์เซนเซอร์ หรือระบบส่งข้อมูลที่ต้องการความเข้าใจง่าย

Polar RZ

บิต "1" แสดงด้วยแรงดันบวกในครึ่งแรก และแรงดันลบในครึ่งหลัง บิต "0" ไม่มีแรงดัน

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

Polar RZ มีจุดเด่นที่สามารถลด DC Bias ได้พอสมควร เนื่องจากมีการใช้แรงดันบวกในครึ่งแรก และแรงดันลบในครึ่งหลังของช่วงเวลาบิต ทำให้การส่งข้อมูลมีความเสถียร และสามารถต้านทานผลกระทบจากสัญญาณรบกวนได้ดี เหมาะสำหรับระบบที่ต้องการความสมดุลของสัญญาณ

Bipolar RZ

บิต "1" สลับระหว่างแรงดันบวก และลบในแต่ละช่วงบิต โดยมีจุดศูนย์กลางเป็นสถานะพัก บิต "0" ไม่มีพัลส์ (ไม่มีแรงดัน)

ภาพจาก : https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Comparison-between-RZ-and-NRZ-Pulse-Shapes.html

Bipolar RZ มีจุดเด่นที่สามารถลด DC Bias ได้ดีที่สุด ด้วยการสลับแรงดันบวก และลบในแต่ละช่วงเวลาบิตของสัญญาณ "1" พร้อมทั้งคืนสู่ศูนย์ ทำให้เหมาะสำหรับการส่งข้อมูลในระบบที่ต้องการการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ และความเสถียรสูง

2. การใช้พลังงาน และแบนด์วิดท์ (Energy and Bandwidth Efficiency)

สัญญาณ NRZ ใช้พลังงานน้อยกว่าเนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนสถานะบ่อย ๆ และประหยัดแบนด์วิดท์เนื่องจากพัลส์ครอบคลุมทั้งหมดทุกช่วงเวลาบิต ในทางตรงกันข้าม RZ ต้องการพลังงานมากกว่าเพราะสัญญาณต้องกลับสู่ศูนย์ในทุกบิต ซึ่งส่งผลให้มีการเปลี่ยนสถานะบ่อยครั้ง นอกจากนี้ RZ ยังต้องการแบนด์วิดท์มากกว่า NRZ เพราะความถี่ของการเปลี่ยนสถานะที่สูงขึ้น

3. ความสามารถในการซิงโครไนซ์ (Synchronization Capability)

NRZ ไม่สามารถซิงโครไนซ์ได้ด้วยตัวเอง เพราะไม่มีสัญญาณที่แน่นอนในทุกบิต ซึ่งทำให้เกิดปัญหาการสูญเสียการจับเวลา (Bit slip) เมื่อมีบิต "1" หรือ "0" ต่อเนื่องกันนาน ในทางกลับกัน RZ มีความสามารถในการซิงโครไนซ์ในตัว เพราะเนื่องจากสัญญาณกลับสู่ศูนย์ในทุกบิต ซึ่งช่วยลดโอกาสของการสูญเสียการจับเวลา และทำให้การรับส่งข้อมูลมีความเสถียรมากขึ้นนั่นเอง

ข้อดี และข้อเสียของ NRZ และ RZ (Advantages and Disadvantages of NRZ and RZ)

ข้อดี และข้อเสียของ NRZ Line Coding

ข้อดี และข้อเสียของ RZ Line Coding

ตัวอย่างการนำไปใช้งาน (Example of Usage)

NRZ ใช้ส่งข้อมูลผ่านสาย LAN ระยะสั้น

ระบบเครือข่ายที่อยู่ในอาคารใช้ สาย LAN มักจะใช้สัญญาณแบบ NRZ เนื่องจากไม่ต้องการแบนด์วิดท์สูง และระยะการส่งข้อมูลสั้นพอที่จะไม่เกิดปัญหาสูญเสียการซิงโครไนซ์

ภาพจาก : https://www.businesstechweekly.com/operational-efficiency/computer-networking/what-is-a-lan-understanding-local-area-networks/

RZ ใช้ในการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายไฟเบอร์ออปติก

สำหรับเครือข่ายที่ต้องส่งข้อมูลในระยะไกล เช่น เชื่อมต่อระหว่างเมือง หรือประเทศ ซึ่งใช้ไฟเบอร์ออปติก สัญญาณ RZ ถือเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า เพราะสามารถซิงโครไนซ์ได้ง่าย และแม่นยำ แม้จะต้องใช้แบนด์วิดท์มากกว่า แต่ระบบนี้มีข้อได้เปรียบในเรื่องข้อผิดพลาดระหว่างการส่งข้อมูลที่ต่ำกว่ามาก

ภาพจาก : https://www.nai-group.com/optical-fiber-technology-how-it-works/

RZ ในการสื่อสารผ่านระบบดาวเทียม

การส่งข้อมูลระหว่างสถานีภาคพื้นดิน และดาวเทียมต้องการความเสถียรสูง และการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ สัญญาณ RZ ช่วยลดความคลาดเคลื่อนของสัญญาณ และรับประกันการส่งข้อมูลที่ถูกต้องแม่นยำ แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานมากกว่าสัญญาณ NRZ เป็นสิ่งที่ต้องยอมแลกนั่นเอง

ภาพจาก : https://www.satnow.com/community/what-is-satellite-uplink

โดยรวมแล้ว หากระบบมีข้อจำกัดด้านแบนด์วิดท์ หรือพลังงาน NRZ ก็จะเป็นทางเลือกที่เหมาะสม แต่หากต้องการความแม่นยำ และเสถียรภาพในการส่งข้อมูล RZ เองก็จะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า ดังนั้น ความเหมาะสมของสัญญาณ แต่ละชนิดนี้จึงขึ้นอยู่กับบริบทของการใช้งาน และความต้องการของระบบนั่นเอง

บทสรุป : สัญญาณชนิดไหนดีกว่ากัน (Conclusion : Which Signal is Better?)

สัญญาณทั้ง RZ และ NRZ ต่างมีข้อดี และข้อเสียแตกต่างกัน ซึ่งการเลือกใช้งานขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบ และสภาพแวดล้อมที่นำไปใช้งาน โดย NRZ เหมาะสำหรับระบบที่ต้องการประหยัดแบนด์วิดท์ เช่น ส่งข้อมูลผ่านสายเคเบิลระยะสั้น หรือระบบที่มีข้อจำกัดด้านทรัพยากร ในขณะที่ RZ เหมาะกับการสื่อสารที่ต้องการการซิงโครไนซ์ที่ หรือการเชื่อมต่อที่แม่นยำ เช่น ส่งข้อมูลระยะไกล หรือเครือข่ายที่ใช้ไฟเบอร์ออปติก