ปัจจุบันไม่ว่าท่านจะอยู่ที่ไหน จะทำอะไร ตั้งแต่ตื่นจนเข้านอน ก็ต้องเกี่ยวข้องกับคำว่าดิจิตอล จนกล่าวได้ว่า โลกเราได้เปลี่ยนจากยุคอนาลอกเข้าสู่ยุคดิจิตอลแล้ว ดังจะสังเกตได้จากเครื่องไม้เครื่องมือ หรืออุปกรณ์เครื่องใช้ต่าง ๆ ที่อยู่รอบ ๆ ตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นเครื่องรับโทรทัศน์จากเดิมที่ใช้หลอดคาโธดเรย์ทิวบ์ (CRT) แสดงภาพเป็นเส้น ๆ กลายมาเป็น LED (Light Emitting Diode) ที่แสดงภาพเป็นจุด ๆ หรือพิกเซล (pixel) เทคโนโลยีดิจิตอล (Digital Technology) พลเรือตรี ด๊อกเตอร์ สหพงษ์ เครือเพ็ชรผู้อำนวยการศูนย์วิจัยและพัฒนาการทหาร กรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกลาโหมและเมื่อเร็ว ๆ นี้ระบบการส่งสัญญาณโทรทัศน์ของไทย ก็ได้เปลี่ยนจากระบบอนาลอกมาเป็นระบบดิจิตอล การเก็บข้อมูลต่าง ๆ เช่น การบันทึกเสียงหรือภาพยนตร์ เดิมใช้การบันทึกร่องที่มีความลึกต่าง ๆ ลงบนเทป (ความลึกของร่องขึ้นอยู่กับขนาดสัญญาณ) ก็กลายมาเป็นการบันทึกข้อมูลดิจิตอลหรือไบนารีคือมีแค่หลุม (Pit) แทนตัวเลข ๐ กับไม่มีหลุม(Land) แทนตัวเลข ๑ เท่านั้น ลงบนแผ่นซีดีหรือดีวีดีด้วยแสงเลเซอร์ ระบบโทรศัพท์ที่รับ-ส่งสัญญาณอนาลอกผ่านสายทองแดงก็เปลี่ยนมาเป็นการรับ-ส่งสัญญาณดิจิตอลผ่านสายไฟเบอร์ออปติก กล้องถ่ายภาพจากเดิมที่ใช้ฟิล์มบันทึกขนาดของแสงที่มาจากวัตถุก็เปลี่ยนมาใช้ซีซีดี (Charge Couple Device) บันทึกแทน นอกจากนั้นยังมีอีกมายมายที่จะกล่าวถึงเทคโนโลยีดิจิตอลทำให้การใช้ชีวิตประจำวัน และการทำงาน สะดวกสบายอย่างไม่เคยเป็นมาก่อน

ในฉบับนี้จะขอกล่าวถึงระบบดิจิตอลว่ามีหลักการทำงานอย่างไร การประยุกต์ใช้งานด้านต่าง ๆ ตลอดจนอนาคตของระบบดิจิตอล

ระบบดิจิตอลคืออะไร?

อันดับแรกเรามาทำความเข้าใจคำว่า ระบบหรือ system ในทางวิศวกรรมไฟฟ้าก่อนคือ การรวมอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนต่าง ๆ ทางอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ความต้านทาน ตัวเก็บประจุ ทรานซิสเตอร์ วงจรรวม (IC) เพื่อทำหน้าที่ประมวลสัญญาณที่เข้ามา (input) ให้มีคุณลักษณะตามที่เราต้องการ แล้วส่งออกไป(Output) เช่น ระบบขยายเสียง ระบบเครื่องรับวิทยุ ระบบควบคุม เป็นต้น ในทางวิศวกรรมไฟฟ้าแบ่งระบบได้เป็นสองชนิดคือ ระบบอนาลอก (Analog) และระบบดิจิตอล (Digital) ระบบดิจิตอลจริง ๆ แล้วก็ยังอยู่บนพื้นฐานของระบบอนาลอก คือมีเซนเซอร์รับสัญญาณจากภายนอกเข้ามาทำการประมวลสัญญาณ(เช่น เพิ่มขนาด หน่วงเวลา ดีมอดูเลท) แล้วก็ส่งสัญญาณที่ประมวลแล้วกลับออกไปตัวอย่างเช่น ระบบขยายเสียง (amplifier) มีไมโครโฟนเป็นเซนเซอร์ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณเสียง (อนาลอก) ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า (กระแส) ส่งเข้าไปในวงจรขยายเสียง(ประกอบด้วย ทรานซิสเตอร์ ตัวเก็บประจุความต้านทาน อื่น ๆ) เพื่อเพิ่มขนาดของสัญญาณกระแสให้สูงขึ้น (ประมวลผล) จากนั้นก็เปลี่ยนสัญญาณกระแสกลับเป็นสัญญาณเสียงด้วยลำโพงตามภาพ ทั้งนี้ก็เพื่อให้ได้เสียงที่มีคุณภาพดีขึ้น (ดังขึ้น)

ส่วนระบบดิจิตอล ต่างจากระบบอนาลอกตรงการประมวลสัญญาณ ที่ใช้ตัวเลข (digit) แทนขนาดของสัญญาณ (กระแส) โดยใช้เลขฐานสอง (๐ กับ ๑) ซึ่งเป็นตัวเลขที่คอมพิวเตอร์เข้าใจได้ ดังนั้นระบบจึงต้องมีตัวเปลี่ยนสัญญาณอนาลอกเป็นตัวเลขฐานสองเพิ่มขึ้นมา (Analog to Digital converter หรือ A/D) เพื่อให้คอมพิวเตอร์ทำการประมวลผลทางตัวเลข (digital) ได้ (นั่นคือที่มาของคำว่า Digital system) เมื่อประมวลผลทางเลขเสร็จ สัญญาณนี้จะถูกเปลี่ยนกลับเป็นสัญญาณอนาลอกอีกครั้ง เพื่อให้สู่โลกแห่งความเป็นจริงด้วยตัวเปลี่ยนเป็นอนาลอก (Digital to Analog converter หรือ D/A) ตามภาพ

ยุคแรก ๆ ของระบบดิจิตอล ระบบมีขนาดใหญ่มาก เนื่องจากใช้คอมพิวเตอร์ซึ่งมีขนาดใหญ่ในการประมวลผล ต่อมาวิวัฒนาการทางด้านการผลิตไอซี (Integrated circuit) หรือIC ได้พัฒนาไปอย่างรวดเร็วทำ ให้คอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลง กินกระแสไฟน้อยลง ประมวลผลได้รวดเร็วขึ้น และราคาถูกลง ทำให้ระบบดิจิตอลมีความนิยมมากขึ้น

นอกจากนั้นแล้วจากระบบดิจิตอลยังมีข้อดีกว่าระบบอนาลอกมากมายหลายประการ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องสัญญาณรบกวนที่น้อยกว่ามากเรื่องความผิดพลาดในการแปลงสัญญาณกลับมีน้อยมาก เรื่องความคมชัด เรื่องการเข้าถึงข้อมูลที่รวดเร็วกว่า เรื่องการเก็บรักษาที่สามารถอยู่ได้เป็นร้อยปี เรื่องการรักษาความปลอดภัยข้อมูลที่ยากต่อการถอดรหัส เรื่องการออกแบบและพัฒนาระบบที่ทำได้ง่ายและรวดเร็วกว่าด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เช่น MATLAB และที่สำคัญผลิตภัณฑ์สามารถผลิตคราวละจำนวนมาก ๆ โดยมีคุณภาพเหมือนกันทุกประการ ทำให้สินค้ามีราคาถูกอย่างไม่น่าเชื่อ และอีกมากมาย

มาถึงตรงนี้ผมหวังว่าท่านคงจะเข้าใจหลักการและที่มาที่ไปของระบบดิจิตอลบ้างไม่มากก็น้อย ต่อไปจะกล่าวถึงระบบดิจิตอลที่มีผลกระทบต่อชีวิตประจำวันและการทำงาน

ระบบดิจิตอล

จากที่กล่าวถึงความแพร่หลายและหลักการทำงานของระบบดิจิตอลพอสังเขปมาแล้วข้างต้น ในหัวข้อนี้จะขอกล่าวถึงรายละเอียดของระบบดิจิตอลบางตัวที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวัน

Compact Disk (CD)

การเก็บข้อมูลด้วยแผ่นซีดีเป็นการปฏิวัติการเก็บข้อมูลในอดีตอย่างไม่มียุคไหนทำมาก่อน ข้อมูลที่จะถูกเก็บ เช่น เสียงเพลง จะถูกเปลี่ยนเป็นดิจิตอลหรือไบนารี (๐ หรือ ๑) แล้วไปควบคุมลำแสงเลเซอร์ให้ทำการยิงหรือไม่ยิงแสงลงบนแผ่นซีดีที่ทำจากพลาสติกชนิดโพลีคาร์บอร์เนต ลำแสงเลเซอร์จะไปทำให้เกิดร่อง (pits) ร่องเหล่านี้มีขนาดเล็กมากกว้างประมาณ ๐.๕ ไมครอน (๑ ไมครอน = หนึ่งในล้านเมตร) ยาว ๐.๘๓ ไมครอน และลึก๑๒๕ นาโนเมตร (๑ นาโนเมตร = หนึ่งในพันล้านเมตร) โดยแต่ละร่องห่างกัน ๑.๖ ไมครอนในการอ่านข้อมูลจะใช้เลเซอร์ความยาวคลื่นเดียวกับที่เขียน โดยโฟกัสแสงเลเซอร์ไปบนแผ่นซีดี ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสจะมีขนาดเล็กใกล้เคียงกับร่องที่ถูกบันทึก เมื่อแสงเลเซอร์ตกกระทบร่องจะไม่มีการสะท้อนกลับออกมา(เพราะแสงที่สะท้อนภายในร่องมีเฟสต่างกับแสงที่ตกกระทบ ๑๘๐ องศาทำให้หักล้างกัน) ความหนาแน่นข้อมูลที่บันทึกขึ้นอยู่กับขนาดของร่อง (pit) หากใช้แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นก็จะทำให้ร่องมีขนาดเล็กลงส่งผลให้แผ่นซีดีบรรจุข้อมูลได้มากขึ้น แผ่นซีดีโดยทั่วไปมีความจุประมาณ ๗๐๐ MB (Megabytes) ส่วนดีวีดีที่ใช้สำหรับเก็บภาพยนตร์มีความจุ๔.๗ GB หรือ ๗ เท่าของแผ่นซีดี นอกจากนี้ยังมีแผ่นบลูเรย์ (Blue ray) ที่ใช้เลเซอร์ย่านสีน้ำเงิน (Blue laser) ในการบันทึก/อ่าน ซึ่งมีความจุประมาณ ๒๕ GB ต่อหนึ่งชั้น หรือจุเป็น ๕ เท่าของแผ่นดีวีดี

การเก็บข้อมูลให้มากขึ้นนอกจากจะใช้คุณสมบัติของแสงเลเซอร์และระบบออปติก(hardware) ช่วยแล้ว ยังใช้การประมวลสัญญาณดิจิตอลช่วยอีกด้วย โดยการบีบอัดข้อมูลในรูปแบต่าง ๆ เช่น MP3 format ใช้สำหรับเสียง สามารถบีบอัดสัญญาณลงได้ ๑๐ – ๑๔ เท่า ขณะที่สัญญาณไม่ผิดเพี้ยนมากนักและ MP4 format สำหรับภาพยนตร์ เป็นต้น

การสื่อสาร (Communication)

ระบบดิจิตอลได้ปฏิวัติการติดต่อสื่อสารของมวลมนุษย์โดยสิ้นเชิง ทั้งแบบใช้สาย (wired communication) เช่น ระบบโทรศัพท์บ้านระบบอินเตอร์เนท และแบบไร้สาย (wireless communication) เช่น ระบบโทรศัพท์ไร้สายหรือที่เราเรียกกันว่ามือถือ ระบบดิจิตอลช่วยให้การส่งข้อมูล (ไบนารี) ง่าย สะดวกและผิดพลาดน้อยมาก รวมถึงการรักษาความปลอดภัยของข้อมูลที่ระบบอนาลอกทำไม่ได้หากใช้แสงเลเซอร์ในการส่งจะทำให้สามารถมีความเร็วเป็นกิกะบิทต่อวินาที (กิกะ= พันล้าน) ระบบอินเตอร์เนทก็เป็นผลพวงของระบบดิจิตอล เป็นการรับ-ส่งข้อมูลดิจิตอลระหว่างคอมพิวเตอร์กับคอมพิวเตอร์ผ่านสายส่ง พัฒนาโดยหน่วยงานวิจัยชั้นสูงของสหรัฐอเมริกา หรือ Advanced Research Projects Agency (ARPA) เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลทางการวิจัยในกลุ่มหน่วยงานรัฐบาลและมหาวิทยาลัย ต่อมาได้ขยายความนิยมมากขึ้นจนแพร่กระจายไปทั่วโลก และถูกนำไปในวงการต่าง ๆ มากมายไม่ว่าจะเป็นด้านการค้า การธนาคาร ที่สามารถทำธุรกรรมทางการเงินในเวลาอันรวดเร็ว และปลอดภัย ด้านการวิจัยและพัฒนาที่สามารถสืบค้นข้อมูลต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นสิทธิบัตรต่าง ๆ เอกสารวิจัยหนังสือ ภายในเวลาอันรวดเร็ว ไม่ต้องออกไปยืมที่ห้องสมุด ด้านความบันเทิงท่านสามารถเลือกเพลงโปรดหรือดูตัวอย่างภาพยนตร์จากนั้นก็สั่งซื้อผ่านอินเตอร์เนทได้โดยไม่ต้องออกไปที่ธนาคาร

ทั้งหมดที่กล่าวมาเป็นเพียงบางส่วนของเทคโนโลยีดิจิตอลที่ได้เปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของมนุษย์ชาติ การพัฒนาระบบดิจิตอลและการประยุกต์ใช้งานยังคงมีต่อไปอย่างไม่มีขีดจำกัด ประเทศใดสร้างพื้นฐานทางด้านการศึกษาที่ดี และสามารถสนับสนุนให้คนเก่งได้ใช้ความรู้ความสามารถอย่างเต็มที่ประเทศนั้นย่อมได้เปรียบ อย่างเช่น ประเทศสหรัฐอเมริกาที่มี บิล เกท และ สตีฟ จอบ แค่เพียงสองคนก็สามารถนำรายได้มาสู่ประเทศอย่างมหาศาลหรือประเทศจีนที่มี แจ๊ค มา (Jack Ma) ผู้ก่อตั้งAlibaba ธุรกิจขายตรงผ่านอินเตอร์เนทที่นำรายได้สู่ประเทศหลายพันล้านบาท ศูนย์วิจัยและพัฒนาการทหารซึ่งเป็นหน่วยงานที่มีภารกิจในการวิจัยโดยตรง ได้ตระหนักในความสำคัญของเทคโนโลยีดิจิตอล ได้พัฒนาห้องปฏิบัติการทางด้านการประมวลสัญญาณดิจิตอล เพื่อสามารถรองรับเทคโนโลยีดิจิตอลที่จะมีบทบาทต่อกระทรวงกลาโหมในอนาคต

กระผมขอขอบพระคุณท่านปลัดกระทรวงกลาโหม (พลเอก ศิริชัย ดิษฐกุล) ที่กรุณาให้การตรวจเยี่ยมหัองปฏิบัติการดิจิตอล ที่ศูนย์วิจัยและพัฒนาการทหาร กรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกลาโหม พร้อมทั้งให้กำลังใจ และเห็นความสำคัญของงานวิจัยเสมอมา