Ứng dụng laser trong ghi đọc tín hiệu quang

Lịch sử lưu trữ dữ liệu Từ thời kì sơ khai cho tới kỉ nguyên kĩ thuật số như ngày nay, con người đã trải qua hàng ngàn năm lịch sử, cùng với đó là sự ra đời của biết bao phát minh, được

Nhóm 4

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Nhóm 4 Trang 4

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

1 Lịch sử lưu trữ dữ liệu 7

1.1 Bia đá khắc chữ tượng hình 7

1.2 Giấy 8

1.3 Máy in Gutenberg 9

1.4 Bộ nhớ mạch trễ 9

1.5 Bảng đục lỗ 10

1.6 Cuộn băng giấy 11

1.7 Băng từ 12

1.8 Trống từ 13

1.9 Ổ đĩa cứng 14

2 Ứng dụng laser bán dẫn trong ghi đọc đĩa quang 14

2.1 Sơ lược về đĩa quang 14

2.2 Nguyên lí hoạt động 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

Trang 5

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CD: Compact Disc

DVD: Digital Versatile Disc

LASER: Light Amplification by Stimulated Emisson

Nhóm 4 Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU

Laser là một loại công nghệ hiện đại mang lại nhiều lợi ích trong cuộc sống hiện nay Laser ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như y học, thông tin cáp quang, quân sự…

Một trong những ứng dụng của laser là ghi và đọc tín hiệu quang học Trong bài tiểu luận này, chúng tôi sẽ làm rõ nguyên tắc ghi đọc tín hiệu quang

Tiểu luận này được hoàn thành trong thời gian ngắn nên không thể tránh khỏi gặp nhiều sai sót Mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn

TP.HCM, ngày 2 tháng 4 năm 2016

Trang 7

NỘI DUNG

1 Lịch sử lưu trữ dữ liệu

Từ thời kì sơ khai cho tới kỉ nguyên kĩ thuật số như ngày nay, con người đã trải qua hàng ngàn năm lịch sử, cùng với đó là sự ra đời của biết bao phát minh, được coi là bước nhảy vọt về văn hóa, khoa học kỹ thuật

1.1 Bia đá khắc chữ tượng hình

Chữ tượng hình (hieroglyph) là công cụ lưu trữ dữ liệu đầu tiên của loài người Khoảng 3300 năm trước Công nguyên, người Sumer đã phát minh ra nó để ghi lại lịch sử phát triển của mình lên vách đá Hệ thống chữ viết rất sơ khai, bao gồm các

kí tự đơn giản như hình chim muông, các tư thế của con người

Hình 1: Bia đá khắc chữ tượng hình TCN Sau này, người Ai Cập cổ đại tiếp tục phát triển hình thức này Họ khắc chữ tượng hình lên những bia đá Đây là một cách lưu giữ thông tin “bền mãi với thời gian”, hơn tất cả những loại ổ cứng của con người thời nay

Nhóm 4 Trang 8

1.2 Giấy

Trước kia, người ta thường sử dụng da động vật làm công cụ lưu trữ Nhưng lịch sử loài người thực sự nhảy vọt khi phát minh ra giấy Khoảng 3000 năm trước Công nguyên, một vật liệu được làm từ chất xơ dày vài mi-li-mét đến vài cen-ti-mét được người Ai Cập sử dụng để ghi lại quá trình phát triển của đất nước

Hình 2: Giấy của người Ai Cập Giấy được làm chủ yếu từ thực vật, rất dễ cháy và thiêu hủy Một phát minh từ xa xưa mà 5000 năm vẫn mang tính phổ biến, đóng vai trò không thể thiếu trong cuộc

sống hàng ngày

Hình 3: Giấy tập học sinh ngày nay

Trang 9

1.3 Máy in Gutenberg

Johannes Gutenberg (1390–1468), là một công nhân đồng thời là một nhà phát minh người Đức Ông trở nên nổi tiếng vì phát minh ra phương pháp in dấu vào năm những năm 1450 Ông được mệnh danh “ông tổ nghề in” khi phát minh ra phương pháp

in chữ nổi Ông đã ra bản in nổi của các con chữ, có thể gắn nhanh vào khuôn thành cả một trang chữ ngược trên ván in Gutenberg còn phát minh ra quy trình công nghệ in hàng loạt và mực in pha dầu, tiện lợi hơn hẳn khắc chữ trên ván gỗ trước kia

Máy in chữ rời ra đời như một phương thức “copy – paste” hiện đại nhất thời kỳ đấy Nó được bình chọn là sáng chế quan trọng nhất của thiên niên kỉ thứ hai, còn Gutenburg trở thành “nhân vật số một” của thiên niên kỉ đó

Hình 4: Máy in Gutenberg

1.4 Bộ nhớ mạch trễ

Phương pháp lưu trữ dữ liệu khá đặc biệt này ra đời trong Chiến tranh thế giới lần

II, được sử dụng trong hệ thống rađa và các máy tính thời bấy giờ Bộ nhớ lưu trữ

Nhóm 4 Trang 10

thông tin thành các dải xung siêu âm, chuyển từ điểm cuối của một cột thủy ngân này tới cột thủy ngân khác Chúng cho phép lưu trữ khoảng 500 bit dữ liệu Tuy nhiên, rất khó để điều khiển và hệ thống này phải được bảo quản trong những điều kiện phức tạp Nguyên tắc thiết kế cũng được sử dụng để thiết kế bộ nhớ tương tự sử dụng thạch anh,

có thể tìm thấy ở hệ thống tivi màu ở châu Âu trước những năm 1990

Hình 5: Bộ nhớ mạch trễ

1.5 Bảng đục lỗ

Đây là biểu tượng của ngành điện toán thời đầu Tuy có nhiều hạn chế nhưng dễ dùng Tận dụng hệ thống lưu trữ này từ mô hình các cỗ máy dệt tự động từ giữa thế kỷ

18, IBM đã có những sáng tạo đáng kể Một trong số các sản phẩm của hãng này được Herman Hollerith phát triển sử dụng để điều tra dân số nước Mỹ năm 1890 Về sau, bảng đục lỗ còn được gọi bằng tên của nhà phát minh này IBM cũng ra đời từ nền tảng Công ty Tabulating Machine do Hollerith làm chủ Kích cỡ thông thường của hầu hết các bảng loại này lưu trữ được 160 ký tự

Trang 11

Hình 6: Bảng đục lỗ lưu trữ được 160 ký tự

1.6 Cuộn băng giấy

Cùng với bảng đục lỗ, cuộn băng giấy được coi là biểu tượng của ngành điện toán thế kỷ trước Phát triển với tư cách một phương tiện lưu trữ cho các máy đánh chữ, cuộn băng giấy có độ dài khác nhau với khả năng lưu trữ dữ liệu riêng biệt Các lỗ có trên dải băng có thể kích hoạt các cảm biến quang và biến các biểu tượng, mẫu trên giấy hoặc nhựa thành tín hiệu số với mức 5-bit mỗi lần

Trường hợp nổi tiếng nhất sử dụng phương thức lưu trữ này là chiếc máy điện có khả năng tự lập trình có tên Colossus, do quân Đức sử dụng trong Thế chiến 2 Chiếc máy này có khả năng tiêu thụ từ băng giấy với tốc độ cao 5.000 ký tự mỗi giây Kỹ thuật lưu trữ này trở thành lịch sử khi vi xử lý ra đời vào giữa những năm 1980

Nhóm 4 Trang 12

Hình 7: Cuộn băng giấy lưu trữ dữ liệu

1.7 Băng từ

Khi kỹ thuật điện tử phát triển, người ta bắt đầu dùng tới băng từ Đây là công nghệ lưu trữ thuộc dạng cổ điển nhất vẫn còn được sử dụng ở đâu đó trên thế giới để… kỷ niệm

Đến những năm 1980, khi đĩa mềm (floppy) trở nên phổ biến với giá rẻ, có khả năng lưu trữ ngang ngửa, băng từ mất chỗ đứng

Trang 13

Hình 8: Băng từ một phần mang điện ảnh đến với nhân loại

1.8 Trống từ

Trống dài 16-inch (~40 cm), tốc độ quay 12.500 vòng/phút, được dùng trong hệ thống máy tính IBM 650 thời giữa những năm 1950, chứa được 10.000 ký tự Dữ liệu được mã hóa dưới dạng nhiễm từ trên 40 rãnh quanh trống Đây là một phát minh đột phá trong công nghệ lưu trữ, được sử dụng trong máy tính IBM 650 vào năm 1954, có thể lưu trữ 10.000 ký tự và trở thành bộ nhớ chính của máy tính Bộ nhớ hình trống có chiều dài 16 inch

Hình 9: Trống từ dài khoảng 40 cm

Nhóm 4 Trang 14

1.9 Ổ đĩa cứng

Phát minh nổi tiếng của IBM năm 1956 vẫn đang tiếp tục được cải tiến và phục

vụ con người Kích cỡ ổ đĩa cứng ngày càng được thu gọn, từ 8 tới 1 inch Ngày xưa, ổ cứng 8 inch chỉ có khả năng lưu trữ 5-30 MB, trong khi ổ đĩa cứng phổ thông 3,5 inch ngày nay có thể lưu trữ tới 3,5 TB Tốc độ phát triển của ổ đĩa cứng còn vượt cả định luật Moore

Hình 10: Ổ đĩa cứng lưu trữ dữ liệu trong máy tính

2 Ứng dụng laser bán dẫn trong ghi đọc đĩa quang

2.1 Sơ lược về đĩa quang

Đĩa quang, theo đúng như tên gọi của nó là đĩa sử dụng tính chất quang học

để ghi và đọc dữ liệu Đĩa quang có thể phân thành ba loại là đĩa laser, CD và DVD

Đĩa Laser là những thế hệ đầu tiên của đĩa quang Được hãng Philips giới thiệu

ra thị trường vào năm 1978 tại Alantic Những năm sau đó thì tại Hoa Kỳ và Nhật Bản cũng được khá nhiều người sử dụng chúng mặc dù đĩa CD với kích thước nhỏ hơn đã ra

Trang 15

đời sau nó khoảng 4 năm Một đặc điểm đáng lưu ý ở đĩa laser là những phiên bản đầu tiên của chúng thì hoàn toàn chứa các tín hiệu dạng tương tự, do đó chất lượng của âm thanh/video trên đĩa lasze có chất lượng cao hơn so với một số loại đĩa ra đời sau nó Ở thị trường Việt Nam thì đĩa laser cũng không phải là hiếm trong thời gian trước đây, những người nghe đã có mua các máy phát đĩa lasertừ Nhật Bản với các loại đĩa được xuất bản tại Hoa Kỳ Đến năm 2006 thì trên thế giới vẫn còn bán những loại máy phát đĩa laser chỉ dành cho người có thú vui sưu tập các loại đĩa laser cổ và có nhiều tiền Đĩa Laser đã kết thúc cuộc đời của mình vào năm 2001 tại Nhật Bản, khi này chúng đã hoàn toàn bị thay thế dần dần bởi loại đĩa có kích thước nhỏ hơn: CD và DVD ra đời trước đó

Đĩa CD đã được chuẩn hoá thông dụng trong thời gian qua trên hầu hết các máy tính cá nhân, hầu hết các máy tính đều có một ổ đọc đĩa CD-ROM, chúng được dùng cho việc cài đặt các phần mềm, sửa chữa hệ điều hành và các mục đích khác như giải trí số trên máy tính cá nhân Có hai loại đĩa CD-ROM với dung lượng khác nhau: Ban đầu thì dung lượng của chúng là 650 MB, sau đó được cải tiến lên ghi dữ liệu với 700

MB, không những thế thì một số phần mềm hoặc các ứng dụng còn cho phép ghi dung lượng vượt qua ngưỡng 700 MB Đĩa CD dược biết đến đầu tiên là các loại đĩa CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) có nghĩa là đĩa CD chỉ đọc dữ liệu, những phiên bản đầu tiên là CD-DA (digital audio) dùng để chứa âm thanh Sau này thì đĩa

CD được mở rộng ra với các khả năng có thể ghi được dữ liệu một lần CD-R (CD-recordable) hoặc đĩa CD được ghi lại nhiều lần CD-RW (CD-rewritable)

Ở đĩa CD, các rãnh dữ liệu chứa các pit có độ rộng 0,6 micro, khoảng cách giữa hai rãnh liền kề tính từ tâm là 1,6 micro Đa phần các loại đĩa theo các chuẩn đều sử dụng kích thước này, tuy nhiên có một vài trường hợp các kích thước bị thay đổi một chút so với chuẩn chung bởi sự ghi dữ liệu quá mức

Nhóm 4 Trang 16

Hình 14: Kích thước đĩa CD

Trong hình minh hoạ này về các vùng của đĩa thì:

 Hub clamping area: Vùng được sử dụng định vị đĩa trong ổ đĩa, tại vùng này thì tất nhiên là không chứa dữ liệu

 Power calibration area (PCA).Vùng này chỉ xuất hiện trên các đĩa CD-R hoặc CD-RW, chúng dùng để xác định tốc độ ghi lớn nhất có thể (ở bao nhiêu X), từ

đó ổ ghi sẽ tính toán công suất tia laser cho phù hợp

 Program memory area (PMA) Vùng này cũng chỉ xuất hiện trên các đĩa CD-R/RW Vùng này để lưu chứa TOC (mục lục) cho các phiên ghi dữ liệu, chúng

sẽ bị chuyển thành vùng Lead-in sau khi quá trình ghi đĩa hoàn tất

 Lead-in Vùng chứa các thông tin về TOC của đĩa Công dụng của chỉ mục các đĩa quang sẽ giúp cho việc truy cập dữ liệu thuận tiện, điều này tạo ra sự khác biệt đối với các hình thức lưu trữ dữ liệu tuần tự (ví dụ băng từ, đĩa nhựa)

 Program (data) area Vùng chứa dữ liệu của đĩa, chúng bắt đầu từ vị trí bán kính

25 mm tính từ tâm đĩa trở đi

Trang 17

 Lead-out Vùng đánh dấu sự kết thúc dữ liệu của đĩa (Sau này thì đĩa DVD hai lớp có sử dụng vùng này như một vùng giữa của đĩa để đánh dấu sự chuyển dọc

dữ liệu từ lớp đĩa thứ nhất sang lớp đĩa thứ hai)

Đĩa DVD thì có một số thông số về ngoại hình không khác so với đĩa CD, phiên bản bình thường của chúng thì cũng có đường kính 120 mm, lỗ tâm đường kính 15

mm và có độ dày 1,2 mm Tuy nhiên so với đĩa CD thì đĩa DVD có mật độ xít chặt hơn hẳn để có thể chứa được nhiều dữ liệu hơn (4,7 GB so với 700 MB dung lượng của đĩa CD) Chính vì thế mà về cơ bản thì tính chất kỹ thuật của đĩa DVD gần giống như của đĩa CD, nhưng với một mức độ tiên tiến hơn, sử dụng hiệu quả khoảng không gian giữa các track Một sự khác biệt cơ bản nữa là đĩa DVD thì có chứa đến hai lớp dữ liệu trên một mặt đĩa, mỗi lớp dữ liệu này được đọc bằng một nguồn phát tia laser ở vị trí khác nhau, dẫn đến chúng có khả năng lưu trữ lớn hơn

Hình 15: Sự khác nhau về kích thước của CD và DVD

2.2 Nguyên lí hoạt động

Khi ánh sáng chiếu vào một vật nào đó có thể bị hấp thụ hoặc phản xạ lại (một phần hoặc toàn phần đối với cả hai trường hợp) Nếu như có một vật chuyển động thay đổi trạng thái hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng qua một nguồn phát ánh sáng cố định thì chúng ta sẽ đọc được trạng thái phản xạ lại ánh sáng hoặc không phản xạ lại ánh sáng theo đúng tình trạng của vật chuyển động đó Đĩa quang vận dụng tính chất phản xạ ánh sáng nêu trên để chứa các dữ liệu tại bề mặt đĩa thông qua sự phản xạ/không phản

xạ

Nhóm 4 Trang 18

Hình 16: Cấu tạo của đĩa quang

Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn chôn ốc từ trong ra ngoài theo các track Trên các track này là các rãnh (land) và các pit mà chúng có thể gây phản xạ lại theo hướng vuông góc với chùm tia tới hoặc phản xạ ít theo phương vuông góc với chùm tia này Do hệ thống chiếu tia là duy nhất trong một hệ quang học nên các loại ổ đĩa quang (hoặc máy phát đĩa quang) chỉ quan tâm đến hướng vuông góc đối với chùm tia chiếu tới, đây là những tính chất quan trọng trong sự hoạt động của các đĩa quang

Để ghi dữ liệu trên đĩa người ta sử dụng một súng laser chiếu lên bề mặt dĩa Cho đĩa quay với tốc độ cao, súng laser sẽ chiếu lên bề mặt dĩa và được điều khiển tắt sáng theo tín hiệu 0 hoặc 1 đưa vào Tia laser tắt ứng với 1 và đốt cháy bề mặt đĩa thành điểm mất khả năng phản xạ ứng với 0 Mạch điều khiển sẽ điều khiển tốc độ quay đĩa cũng như điều khiển cho tia laser hội tụ trên đĩa và ghi tín hiệu thành các đường trắc hình xoắn trôn ốc

Trang 19

Hình 17: Mô hình hệ ghi dữ liệu quang Khi đọc dữ liệu trên đĩa quang, một tia tia laser (có công suất thấp) chiếu vào các điểm sáng và tối của đĩa để nhận lại ánh sáng phản xạ Ánh sáng phản xạ này sẽ quay ngược lại nguồn phát ra chúng và bị đổi hướng bởi một hệ lăng kính đến phần đầu đọc

để cho kết quả các tín hiệu nhị phân Như vậy thì hệ thống thiết bị đọc đĩa quang sẽ là một hệ quang học phức tạp nhằm tạo ra tia laser chiếu vào bề mặt đĩa và thu lại tia phản

xạ theo phương mà tia laser chiếu đến

Tại thiết bị cảm nhận tia laser phản xạ lại, một điốt cảm quang sẽ tiếp nhận những ánh sáng rời rạc để biến chúng thành tín hiệu nhị phân, tức là tín hiệu có dạng 1000101001, chúng chứa âm thanh/video hoặc dữ liệu phần mềm máy tính Xin lưu ý rằng đây là những lý giải đơn giản để bạn hiểu được nguyên lý làm việc của chúng một cách dễ hiểu, trên thực tế thì cơ chế chuyển hoá dữ liệu nhị phân của chúng thì phức tạp hơn bởi

sự sửa chữa lỗi phát sinh trong quá trình đọc dữ liệu

Nhóm 4 Trang 20

Hình 18: Mô hình hệ đọc dữ liệu quang

Trang 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn, Vật lý Laser, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia

TP.HCM, Tp Hồ Chí Minh, 2002

[2] Nguyễn Thế Bình, Kĩ thuật Laser, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà

Nội, 2004

Tiếng Anh

[4] L.V Tarasov, Laser Physic, Mir, Moscow, 1983

Web

[5] https://vi.wikipedia.org/wiki/Laser

[6] http://voer.edu.vn/m/chat-ban-dan/dfabe650