Nghiên cứu giải pháp chống nhiễu và xác định toạ độ điểm đứt ứng dụng vào chế tạo thiết bị bảo vệ an ninh đường cáp thông tin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN ca TÊN ĐỂ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG NHIỄU VÀ XÁC ĐỊNH TOẠ ĐỘ ĐlỂM đ ứ t ỨNG DỤNG VÀO CHÊ TẠO THIẾT BỊ BẢO VỆ AN NINH ĐƯỜNG CÁP THÔNG TIN Mã số: QG-05-09 Chủ trì đề tài: PGS TS Phạm Quốc Triệu HÀ NỘI - 2006 ĐẠI H Ọ C QU ỐC GIA HÀ NỘI T R Ư Ờ N G ĐẠI H Ọ C KHOA H Ọ C T ự NHIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHÔNG NHiỄU VẢ XÁC ĐỊNH TOẠ ĐỘ ĐIEM đ ứ t ỨNG DỤNG VÀO CHE TẠO THIẾT BỊ BẢO VỆ AN NINH ĐƯỜNG CÁP THỊNG TIN MÃ SỐ: QG-05-09 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI : PGS TS PHẠM Quốc TRIỆU CÁC CÁN BỘ THAM GIA: TS NGUYẺN VĂN THÁI ThS PHẠM MINH TÂN HÀ NỘI - 2006 BÁO CÁO TÓM TẮT Đề tài: Nghiên cứu giải pháp chổng nhiễu xác định toạ dộ điểm đủi ứng dụng vào chế tạo thiết bị báo vệ an ninh đường cáp thông tin Mã số: QT-05-09 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: PGS TS PHẠM QUỐC TRIỆU CÁC CÁN BỘ THAM GIA: TS Nguyễn Vãn Thái ThS Phạm Minh Tân M ụ c tiêu n g h i ê n c ứ u a) Nghiên cứu m ặt lý luận đế lý giải tồn thiết bị điện tử sử dụng vào mục đích cảnh giới đường dây Có hai nhược điểm cần khắc phục bảo vệ đường dây: - Tạp nhiễu ảnh hưởng đến thiết bị cảnh giới - K h ô n g x c định x ác to đ ộ đ iể m đ ứ t b) Nghiên cứu thiết kê đưa mơ hình thiết bị có thê phối hợp với thiết bị cảnh báo thơng thường n hanh chóng tìm điểm đứt bất thường c) Nghiên cứu phương pháp triệt tạp nhiễu cho hệ thiết bị d) Nghiên cứu ứng dụng thực tiễn Nội dung nghiên cứu 2.1- Tổng quan sô ván đề thiết bị cảnh báo 2.2- Nghiên cứu chòng nhiễu đường dây dối với thiết bị cảnh báo ké gian chặt phá đường dây, biện pháp phát triệt nhiễu đôi với thiết bị canh báo 2.3- Nghiên cứu quan hệ c - L đường dây dùng thiết bị đo điện dung nhỏ DL 8000 2.4- Nghiên cứu thiết kế, lắp ráp thiết bị đo điện dung nhỏ 2.5- Nghiên cứu thiết kê thiết bị đo điện dung c có loại trừ nhiễu Các kết đạt đưực a) Bài báo/Báo cáo khoa học Hội nghị: + Phạm Quốc Triệu, Phạm Minh Tân Nghiên cứu xác định nhanh toạ độ điẻm đứt đường cáp thõng tin nhiều sợi Báo cáo Hội nghị Vặt lý toàn quốc lần thứ VI, 23-25/11/2005 + Phạm Quốc Triệu, Phạm Minh Tân Q uan hệ điện dung độ dài đưịng cáp thơng tin liên lạc Báo cáo Hội nghị K hoa học Trường Đại học Sư phạm 2, 10/2005 + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Đo lường tám sâu bán dần pha tạp bàng kỹ thuật đo đa diêm với hệ sô tương quan từ nhị thức âm Hội nghị K H K T đo lường toàn quốc lần thứ IV, Hà nội 11-2005, 240-244 + Pham Quoc Trieu and Hoang Nam Nhat Data processing m ethods for the Deep Level Transients in semiconductors (.Submitted fo r public) + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Tách phổ độ luỹ thừa kỹ thuật tương quan đa điểm với hệ sô nhị thức âm Báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, 23-25/11/2005 + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Solving the De Prony problem of separation of the overlapping exponents Comm.in Physics, Vol.XX, No X, 2005 (in Press) b) Đào tạo: 01 Thạc sỹ - Học viên cao học: Phạm Minh Tàn - Tên Luận văn cao học: Nghiên cứu sỏ phương pháp báo vệ dùng thiết bị cảnh báo - Năm bảo vệ: 2005 c) Kết Đề tài đưực sử dụng phần Bài giảng: Phạm Quốc Triệu - Phưưng pháp thực nghiệm Vật lý Dùng cho sinh viên năm thứ ba Khoa Vật lý, Trường Đại học KHTN Tinh hình sử dụng kinh phí Tổng kinh phí cấp : 60.000.000 đ (sáu mưoi triệu đồng) Các khoản dã chi Mục 114: T h khốn chun mịn Mục 119: Vật tư Qn lý phí đóng p khác % Tổng cộng: 60.000.000 đ (sáu mưưi triệu đồng) Đã thòng qua chứng từ phòng tài vụ 11/2005 XÁC N H Ậ N CỦ A B C N K HOA C H Ủ TR Ì Đ Ể TÀI (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) TttS? XÁC N H Ậ N CỬA N H À T R Ư Ờ N G P h a«m Q moc TnéXt * B R IE F R E P O R T Title: S T U D Y O F N O IS E S U P P R E S S I O N A N D D E T E M IN A T IO N O F B R O K E N P O I N T P O S IT IO N A P P L Y IN G F O R T H E C O M M U N IC A T IO N C A B L E P R O T E C T IN G D E V IC E S Code: QT-05-09 CO O RD IN A TO R : ASSOC PRO F DR PHAM QƯ OC T R IE U KEY IM P L E M E N T O R S : DR Nguyen Van Thai MSc Pham Minh Tan Purpose and content of the Researching * Purpose: - Study of principle of the protecting devices in general and communication cable devices in particular - Study of techniques for improvement of the S/N ratio and several experimental solutions to avoid random noise - Design the electric circurts for determination of broken point - Apply for communication cable protection * Content: - Review of the theories for the protecting devices - Study of the methods for improvement of signal and avoid random noise - Study of C-L relation of communication cables - Construction of equipm ent for measurement small C: design of the system blocks for the m easuring equipment, test of operation of the m anufactured equipment * Study of effects, calibration and discussion Results + Pham Quoc Trieu, Pham Minh Tan Study of fast detemination the broken point position of communication cables The VI National Physical Conference, Hanoi 23-25/11/2005 + Pham Quoc Trieu, Pham Minh Tan The C-L relation of communication cables Scientific Conference of the University of Pedagogy 2, 10/2005 + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu To m easure the deep levels in semiconductors using multipoint technique The 4lh National Metrology Conference, Hanoi 11/2005, p 240-244 + Pham Quoc Trieu and Hoang Nam Nhat Data processing methods for the Deep Level Transients in semiconductors {Submitted fo r public) + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Separation of overlapping exponential transient spectra using multipoint correlation technique with binomial coefficients The VI National Physical Conference, Hanoi 23-25/11/2005 + Hoang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Solving the De Prony problem of separation of the overlapping exponents Comm.in Physics, Vol.XX, No X, 2005 (in Press) b) Training: 01 MSc ( Year to uphold thesis: 2005) - Name of M aster Student: Phạm Minh Tân - Title of Thesis: Study of protecting methods using defence equipment c) The results of project have participated into the lecture: Pham Quoc Trieu - Experim ental Methods in Physics MỤC LỤC lở đầu "hương 1: Thiết bị cảnh báo Đầu báo d ù n g cho thiết b ị 1.1 Khái niệm thiết bị báo động 1.2 Các phận máy báo động 1.3 Một số đầu báo thường dùng Mơ hình thiết bị cảnh b o 13 2.1 Nguyên lý tối thiểu máy báo động 13 1.2 Nguyên lý cảnh báo nhiều trạng thái 14 thương 2: Điện dung - Tụ điện Khái niệm vẻ điện dung - Tụ điện .19 1.1 Tụ điện 19 1.2 Điện dung vài tụ đ iện 20 1.3 Đơn vị số điện E0 .24 Chuyển đổi điện d u n g 24 2.1 Tính chất chung dạng chuyển đổi điện dung .24 2.2 Mạch đ o I 30 2.3 Phạm vi ứng dụng .32 Cảm biến tụ đ iệ n 33.3.1 Nguyên lý đặc trưng 33 3.2 Tụ điện có diện tích tụ biến thiên 34 3.3 Tụ điện có khoảng cách cực biến thiên 36 :.3.4 Phương pháp đo độ biến thiên điện dung 38 "hương 3: Phương pháp thực nghiệm Phương pháp phát đứt c p 40 1.1.1 Sử dụng đôi dây ngắn m ạch 40 1.2 Nghiên cứu thiết bị cảnh báo đứt cáp 40 1.2 Nghiên cứu quan hệ c - L đường cáp thông tin 44 1.2.1 Đo điện dung nhỏ cầu Boonton 72B .44 1.2.2 Cách đo điện dung đường cáp thông tin 46 Nghiên cứu thiết kế mạch đo điện dung nhỏ 46 .3.1 Thiết kê mạch đ o 3.2 Thử nghiệm thiết bị lắp ráp 46 48 thương 4: Các kết đo thảo luận Khảo sát phụ thuộc điện dung c vào chiều dài L dây 52 1.1 Dây điện thoại hai sợi 52 1.2 Dây cáp thông tin nhiều sợi .53 Khảo sát phụ thuộc điện áp chiều vào điện dung c C 74H C 123 57 -.2.1 Tần số phát xung sau IC NE555: f = 100Hz 57 -.2.2 Tần số phát xung sau IC NE555: f = 200H z 62 -.3 Thiết kế thiết bị đo có khả loại trừ nhiễu 66 Í-.3.1 Khối cầu đ o 66 k3.2 Thiết bị đ o 66 íế t lu ậ n 69 rài liệu tham k h ả o 70 MỞ ĐẦU Đất nước ta bước chuyển mặt: Kinh tế, văn hố, học công nghệ Để đạt thành tựu đó, đóng góp thơng in liên lạc lớn Thông tin liên lạc đem lại tin tức cập nhật, giao ưu, hợp tác làm ăn, góp phần vào cơng cơng nghiệp hóa, đại hoá đất iước bảo vệ an ninh quốc gia Do đó, vấn đề bảo vệ an tồn đường cáp hông tin liên lạc nhiệm vụ quan trọng Trong khuôn khổ luận /ăn này, chúng tơi mong muốn đóng góp phần nhỏ vào việc đưa ;ố phương pháp nhằm cảnh báo phát hiộn cố đường cáp thông tin nhiều sợi iên tỉnh nội tỉnh giúp cho việc bảo vệ đường cáp an toàn, đảm bảo thông in liên lạc thông suốt Để phát điểm đứt đường cáp thơng tin nhiều sợi có nhiều phương 3háp khác nhau: phương pháp xung, phương pháp đo điện dung Trong đề tài lày sử dụng phương pháp khảo sát điện dung đường cáp, từ mối }uan hệ điện dung - độ dài đường cáp, tìm chiều dài đường cáp, từ ló xác định toạ độ điểm đứt đường cáp Đồng thời, đưa Iguyên lý thiết kế, chế tạo thiết bị đo điện dung nhỏ với độ xác cao, đơn ịiàn, dễ sử dụng, chế tạo hàng loạt đáp ứng điều kiện thực tiễn Việt Nam Phương pháp có ưu điểm xác định nhanh xác toạ jộ điểm đứt Thiết bị ghép nối với máy cảnh báo chống trộm để cảnh báo /à phát cố đường cáp thông tin, đặc biệt phát bắt giữ kẻ gian Dhá hoại đường cáp Từ mục đích trên, báo cáo chúng tơi quan tâm đến yấn đế sau: • Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động thiết bị cảnh báo • Nghiên cứu điện dung - Tụ điện số chuyển đổi điện dun£ thường gặp • Khảo sát quan hộ điện dung - độ dài đường cáp • Khảo sát ảnh hưởng điện dung lên mạch phát xung Báo cảo H ộ i n g h ị Vật lý toàn q uốc lần th ứ VI - H N ội, -2 /1 /2 0 yới c„ hệ số fourier dạng phức Phương pháp Weiss Kassing sử dụng toàn điểm đo, khử nhiễu tốt nên sử dụng rộng rãi dược lắp đặt máy phổ kế tâm sâu DLTS D8000 hãng Bio-Rad Tuy nhiên độ nhạy cùa chi phương pháp cổ điển Lang chút, đạt ngưỡng 0.41/0.45eV Nhìn chung việc tăng số lượng điểm đo phương pháp sử lý làm tăng khả lọc nhiễu làm tăng độ nhạy liên tục KỸ TH U Ậ T ĐO ĐA ĐIỂM VỚI CÁC HỆ SỐ TƯ Ơ N G Q U AN NHỊ TH Ứ C ÂM Giả sử đo tín hiệu khoảng thời gian bang At Giá trị thứ y-th s, m ột vị trí tQ=kầt dó, có dạng: s , ( í + ;A /) = C oe- " » ( e - “ ,y + c „ (4 ) Nhân Sj với hệ số a "] định nghĩa hệ số triển khai nhị thức âm a^p = ( - 1y Cj = (- \)j\n\l j\(n - ỹ)] Tín hiệu nhị thức bậc n thứ k hiểu hàm sổ p ^ ) có dạng: p=c0 £ « y v " -"4')' + s o í > r “ c o j =0 ý=0 với X = e~MAI Ế a T x l *J = c 0x k( \ - x Ỵ (5 ) 7=0 = ® • Như loại giá trị Co Ỷ 7=0 nghĩa hiểu sau Với n = ỉ, tín hiệu Lang (1) Với n=2, có dạng: =c ữx k (\ - x ) =C0X k(l-2X +x 2)=cữx k -2 C0X k+] +cữx k+2 (67 'C ác phần CoXk, CạA^+/ CộẰ*"2 giá trị đo thời gian t()=kAt, ti= (k+ l)A t t2=(k+2)At Do đó, lần chênh lệch giá trị tín hiệu đo thời điểm // giá trị trung bình cùa tín hiệu đo hai thời điểm t0 t2 N ếu đường độ đường thẩng hiển nhiên đường cong nghĩa (7) thấy > Độ cong lớn = , cịn lớn Từ định > với giá trị X, nên biến thiên cùa theo nhiệt độ T cho đỉnh phổ hiểu hiệu hai p{2k) =(cữx k - C 0Xk+' )-(c0X k+] - C 0X k+2)=pịkì - p ị k+]ì Với n=3, tín hiệu p]ắ) có dạng: : (7) ío cảo H ộ i nglíị Vật lý toàn quốc lấn th VI - Hà N ội, 23 -2 /1 /2 0 ,(*) = C0X k(l - x f = C0X k(l - 3X + 3X2 - X 3)= C0X K - C0X + 3C0X —C'n X >(^) _ _ p p (\ ^ )ì _ "7 p p (* pp (\ A + l )í — —ọ 71 +0 (8) + c ữx k+3 - ^2CnXk+ĩ = [C0X*k - C0X ” ' + C0X * ~ ) - \ C 0X p ( k + 2) z rl Dễ thấy p]A) lần hiệu giá trị trung bình (pi(*) + />|^ +2))/2 Pị(*+1) Nếu dường thẳng = , cịn P|(Ắ) đường cong p\k) > 0, khơng có Các tín hiệu bậc cao truy hồi kết hợp trị âm cho yến tính bậc thấp Pị(ả ) Có thể thấy chất phương bậc n cho tín láp đo đa điểm tìm cách xây dựng tín hiệu thứ cấp ệu bậc PÌ*Ị = Đỉnh phổ độ cao dỉnh phổ dược thấy là: X max K y(k ) Max ?i,k) = C( í k ^ ' n ^ n + 7k5 n [n + kj [n + k) Độ cao đỉnh phổ giảm nhanh theo (n+k) Với k - n ng nửa vạch phổ (9) = C q / 22n Độ tìm dược cho trường hợp là: s í n) = X , - X Ì = ( 10) Hiển nhiên lim ỏ;”’ = 0, với W- 5, dộ rộng nửa vạch phổ giảm từ 0.71 đến 0.36 n — > 00 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRÊN MẲU CHUẨN rt-Si Trong ví dụ sau, chúng tơi nghiên cứu mẫu n-Si có hai tâm phát xạ với mức mg lượng gần 0.43 0.45eV Hai mức nhìn thấy 10 kế fourier DLTS D 8000 phương pháp tách phổ fourier cùa Weiss assing [8] Hình cho thấy chuỗi lổ đo nhiệt độ khác Sự ch chuyển đỉnh phổ cho phép xây Ị? rng giản đồ Arhenius để xác dịnh ĩ mg lượng kích hoạt tâm phát xạ ■ên ảnh c ó thể thấy rõ hai tâm có biên dộ I - eo tỉ lệ 3/5, hai tâm kích hoạt 3ng khoảng chênh lệch nhiệt độ tương : U’ ~ )i n h ỏ , c ỡ m û TIỴ ũ o ũ ,ũ 11° 1Ü K H ì n h c h o th â y k h ả 00-1 150 160 1^ ^ ^ 170 Temperature [K] 180 190 ing tách phổ chuồi tín hiệu pj5),p]3) Hình Các đinh phố bậc đo r-.il) T ' „(5 ) u nhiêt đô khúc cho thay r õ hai đình id py l í n niêu p; ' có nhay tương , ; , , J phát xạ cách nhau-10K rơng phương pháp Lang [7], tín hiệu U-» B áo cáo H ội n g h ị Vật lý toàn q u ố c lần th VI - H Nội, -2 /1 1/20 05 Pj ' ch o độ nhạy tương dương phương pháp fourier [8] cịn tín hiệu cho thấy khả phân biệt dinh phổ hẳn Hình cho thày phương pháp fourier đo hai nhiệt dộ khác Các đinh phổ 0.43/0.45eV không xuất mà chì thấy phổ chung 0.45eV Trên lý thuyết phân biệt dược hai đám (cluster) phát xạ có mức lượng sai khác nồng độ cách sử dụng tín hiệu bậc cao hơn, ví dụ p ^ ' , mức (level) phân biệt đôi với phương pháp Tuy nhiên việc sử dụng tín hiệu bậc cao để đạt độ phóng đại tốt lại phụ thuộc nhiều vào độ xác phép đo thực 130 150 170 190 Temperature ÍK1 Hình Các đình phổ cùa ba bậc tín hiệu khác nhau, phân lập khơng thay tín hiệu bậc nhị nghiệm, ví dụ với Pị(5 ) giá trị đo phải xác định dến số sau dấu phẩy Điều vướng mac đề tài phát triển tương lai KẾT LUẬN Phương pháp đo đa điểm phương pháp có khả ứng dụng cao, nghiên cứu trình bày cho thấy có Hình Đinh phố tín hiệu fourier khả tách biệt đình phổ trùng hợp DLTS đo mảy D8000 TT cỡ 0.43/0.45eV, độ phân ly nói KHVL, Khoa VL, ĐHKHTN Hà nộhcao hẳn phương pháp thơng thường Nó -cho đỉnh phổ khơng chi theo biến X mà theo biến k, tức khơng có phụ thuộc hệ số phát xạ vào nhiệt độ Khả phân ly phương pháp nhìn chung phụ thuộc trực tiếp vào độ xác phép đo thực nghiệm Lời cảm ơn Các tác giả xin cảm ơn trợ giúp kinh phí từ đề tài QG-05-09 TẢI LIỆU T H A M KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] de Prony, G Riche (1795) Journal de l'école Polytechnique, Vol.l, cahier 22, 24-76 M.E.Wall, A.Rechtsteiner, L.M.Rochal, Kluwer 2003 p 91 LANL LA-UR-02-4001 S L Marple, Jr., "Digital Spectral Analysis", Prentice-Hall, 1987, p.303-349 M.R.Osborne, G.K Smyth (1991) SIAM J of Sci.&Stat.Computing, 12, 362-382 J Morimoto, M Fudamoto, K Tahira, Jap J Appl Phys 26 (10) (1987) p.1634-1640 M Okuyama, H Takakura, Y Hamakawa, Solid-State Elect., 26 (1983) p.689-694 D.v Lang, J Appl Phys 45 (1974) p.3023 S Weiss & R Kassing, Solid State Electronics, Vol 31, 12 (1988) p 1733 L Dobaczewski, p Kaczor, I.D Hawkins, Mat.Sci.and Tech 11 (1994) p 194-Í 98 10 c a o t i ọ i n i’ ll Ị V t l y t o a n q HOC l a n t i t i r V ỉ - 11(1 i \ ọ i , Z S - Z 3/ H / Z V U 0] 1] 2] 3] I Thurzo, D Pogany, K Gmucova, Solid-State Elect., 35 (1992) p 1737-1743 z Su and J.w Farmer, J Ạppl Phys 68 (1990) p.4068-4070 F R Shapiro, S.D Senturia and D Adler, J Appl Phys 55(( 1984) p 3453-3459 H.N Nhat and P.Q.Trieu, VNU J ofSci Vol XVIII, No.4, 2002, p.28-36 S E P A R A T IO N O F O V E R L A P P IN G E X P O N E N T IA L T R A N S IE N T S P E C TR A U S IN G M U L T IP O IN T C O R R E L A T IO N T E C H N IQ U E W IT H B IN O M IA L C O E F F IC IE N T S H oang Nam Nhat and Pham Quoc Trieu Faculty o f Physics, University o f Natural Sciences 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi Sstract: The present method allows to separate, with high accuracy, the overlapping ectral peaks in exponetial transient spectra Its sensibility overruns all currently known ĩthods, including the most-used fourier method [Weiss and Kassing, Solid-State ectronics, Vol.31, N o.12, 1733 (1988)] The illustrating samples on basis of the «-Si Iterial show clearly very high separability of peaks Ill rnysics, VOL AA, INO A, ZUU3 in rress SOLVING THE DE PRONY'S PROBLEM OF SEPARATION OF THE OVERLAPPING EXPONENTS HOANG NAM NHAT, PHAM QUOC TRIEU Faculty o f Physics, University o f Natural Sciences, VNU-HN 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam ABSTRACT: This paper presents the solution to the De Prony’s problem o f separation o f the overlapping exponents using the binomial coeficient as the weighting factors The algebraic structure o f the signal classes is discussed and the applicability of method is demonstrated Keywords: Overlapping exponents, Separation, Signal form, Binomial series, DLTS, de Prony PACS: 85.30 De, 71.55 Cn, 72.15 Jf, 72.20 Jv I INTRODUCTION The problem o f separation o f the overlapping exponents is old in physics and is important in both matics and physics, both theory and practice In general we consider a measured signal o f the form: m S ^ c ^ '+ S o i=l (!) rvhere CO, is the unknown exponent (oscilating frequency, emission factor etc.), / is the measured time, C i is ale constant and So is the back ground In some cases, CO, occurs as the constants (e.g frequencies) but in ỉl they depend on the external variables, e.g on the temperature T Where CO, = f { T ) , s splits into a set of the -curves s,{7), each o f them is recorded at certain fixed T The problem is then to find the number m of the ents co„ to estimate them and where applicable, to reveal the associated physical quantities (e.g activation y, concentration etc.) In 1795 de Prony proposed an algebraic method to solve the case when all CO, are int [1] This method is still in use today and many alterations exist [2-4] However, due to the lack o f a knowledge o f m and to the low accuracy in occurence o f noise, it can not succeed in many important ons For the same reasons, the other newer methods involving least square fitting, such as the Fourier and aplacẹ techniques [5-6], also fail frequently The semiconductor physics met this problem*again in the 1970s when examining the capacitance decays at the p-n junctions and found that when C0ị = J{T ) none of town methods can be used A new method called the Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) has been uced by D Lang in 1974 for treating the deep level transients data [7] Suppose the capacitance decay o f rm (1), by placing two boxcar gates at time t\ and t2 Lang was able to construct a signal (Cj=Co): S(/,)-S(f2) = C0f ; /=1 (2 ) -vhich shows maxima as CO, varies according to the stepping temperature The exact (0,(T) were then nined from the positions o f the maxima so avoiding the least square fitting The DLTS provides oscopic visualisation to the number m of actual exponential components It underwent many revisions [8:.g the Fourier DLTS [8] has been commercially implemented in the Bio-Rad D5000 DLTS system) and videly accepted as one o f the most precise characterisation methods for semiconductors The effort to i this approach into the other areas suffers unfortunately two strong limitations: first, it requires ultimately f[T ) so is not applicable where CO, holds contant; and second, it has poor separation resolution due to the ian-shape spreading peak width Any method, worth further consideration, should remove these two rom m in Physics, Vol XX, No X, 2005 In Press )bstructions This paper presents a method using a signal based on binomial series, P ^ V C q = x k(\ - A ' ) ' 7; we how that (/) its peak width depends inversely on the number of digits that input data may be accurately letermined (so offering the separation resolution that is theoretically unbound); (/'/') it is spectroscopic for both :ases CO, - J[T ) and CO, = const, so providing the visual determination to the number m o f the exponential omponents The algebraic structure o f this signal class is also discussed in details II THE BINOMIAL SIGNAL FORM Suppose one component case and that the input data were collected in the equal time interval A/ They'-th s, starting from some given t0=kA t, takes form: S(lo+jM)=C0e-^(e-^ Ỵ +So = n, multiply each s by a constant defined as a binomial coeficient: uccessive value o f For j a(")=(_,yc; = ( - i y - A - , j \ n~j) We call a binom ial signal order n and position k a function p = Co ỵ V " o (e -** (3) (4) defined as: Ỵ +So ỵ 7=0 (5) 7=0 n Since for the binomial coeficients = , the strips down the back ground So immediately 7=0 Substitute to^kAt and denote X = e _iyA/, it follows according to the binomial theorem: p =CồỶja{Jn)ỵk+j =c0x k(\-x)n (6) 7=0 For n = J i this function implies the Lang's signal (2) It is definitely positive continuous function for X e (0,1) (i.e for Í e (0,oo)) and its first order derivation according to X (and to CO too) reveals the position of he maximum: *max = —~ r (7) n+k For k= n (X = M 2) i.e the graph o f is symmetric, for k< n (X < i/ ) the graph moves to the left-side; and or k>n {X>M 2) inversely By substituting (7) into (6) we found the peak height: Y{»k) = Max ? lk) = c ÍKn A Y( f kJ I > (8 ) k) This value decreases very fast for large n and Ả, as can easily be seen for k=n: Y„ vidth at half maximum ^ can be found by solving the equation vhen (/7 + Ả ) ^ 0 , we derive for n=k For this the = Cq / 2n The peak To prove that equation P ^ = y^/2 X - X + ĩịỊC q / 2+1/" = which has the separation between its two roots: (whereas X 2+ X ị = ì) It is evidently that lirn = Next data show how fast ^ evolves -> reduces to II Ill r n _ y i c , VUI / Y/ v , n u /V, J m i l caă TABLE I Developm ent o f Sn n s (n) un 0.71 0.54 0.45 according to n, c 0=l 0.40 0.36 0.33 0.30 0.29 0.27 Creating the w-order binomial signals on basis o f the existing ones yields m shift in the order or position: m £ a(m)p(*W) =p(*)w /=0 £ (10) a p(*) = p(*+«) (1 ) 1=0 whereas only the 2-order binomial signal composed on basis o f the log(p,(7Ả)) is non-zeroed: m This because the sum reduces to loga \m^l whose sum is equal -1 for m =2 and for all other m 1=0 Since yjịk} in (8) decreases for large ( n + k ) we construct a new signal having 1/ as a scale constant: Q,‘’= f H 1r ) ‘( ^ ) V ( '- 'f r ,l3) This signal strips off Co, has as maximum and shows maximum also according to k as variable, the ion o f the maximum is: *™ x=7 (14) 1—y\ which corresponds to the same point as specified in (7) The density function for binomial distribution may )e derived from , denote m =n+ k: (15) p(m,k) = < ^ - p (nk) = c ” x k{ \ - x ) m~k c0 which-has the mean < k > = m X (same as (7)) and the variance m X (I-X ) Now suppose m overlapping centers, will be: m pỊt^ỵCịXÌii-XịỴ /=1 (16) where X, stands for e ' (t),Al With assumption that all ứ), are independent, i.e ci ^ 1// (18) t as was observed in [13]; for n = m > \, Củmữx- > m / t Now consider the moving o f / to i/a, for a=mln According to (18) the limit for ûJ^ax at this time is an/t=m /t which is just the value given by at time t So to each point s(s, /) in the (S, /) plane one value c o (n j) = lim OJmax A/->0 may be attached: co(nj) = Cü(\,t/n)= nco(\yt) (19) By insertion o f ( 18) into ( 1), the signal s becomes: m (20) s n =e - nỵ c i + s /=1 Providing thisy^S" as a horizontal line and x= t as a vertical line, the intersection of the two determines point lying on the curve s ,(T) whose exponent is just co(n,t) This completely describes (S, /): with respect tc all points s( s,t) are equivalent! There are many signal forms whose orders are the real numbers, not only the integers as here for [13] III APPLICATION OF THE METH OD The use o f the signals o f higher orders n depends strictly on the num ber N o f the decimal digits that the inputs may be determined Suppose that the last N-th digit corresponds to the error, i.e the error is o f 10-A/ order the signal-to-noise ratio (SNR) evolves as Y^k) / 10_yV « c04~n/ \0 ~ N = c01 ^ " ° 602n The table below illustrates this dependence on n for N= TA B LE II D ependence o f SNR on n for N=3 (C0= l) n SNR 250.0 62.5 15.6 3.9 0.98 0.24 0.06 0.02 The good estimation for the maximal 'error free' signal order is A7max=l 6/V For semiconductor physics, this method provides the substantial improvement in detection o f the closel) spaced deep states Fig I shows the consideration for separation o f the two states with activation energy 0.45eV and 0.43eV by a series o f the identify by the recent techniques and signals Such small separations are practically impossible tc II Ill V UI / \ y \ , I / \ , áL«\J\Ju I 11 i I VJ J Temperature [K] Theoretically one may even separate two physically separated clusters with equal activation energy but ent concentration using the signals o f higher order, such as ) , if the physics o f emission follows ( 1) and transients can be measured enough accurately, i.e up to N = n max/ 1.6 = 15/1.6 > decimal digits ' thanks for the assist aid o f Project ỌG-05-09 REFERENCES Prony, Baron G aspard Riche (Ỉ7 ) Journal de l'École Polytechnique, V o l.l, cahier 22, 24-76 ichael E W all, A ndreas Rechtsteiner and Luis M R o ch al, "Singular value decom position a n d p rincipal com ponent \cilysis" In "A Practical A pproach to M icroarray Data Analysis" edited by D p Berrar, w D ubitzky and M G ranzow , luwer: N orw ell, MA, 2003 pp 91-109 LANL L A -U R -02-4001 Lawrence M arple, Jr., "D igital sp e ctra l Analysis with A pplications", Prentice-H all, 1987, p.303-349 ibome, M R and Smyth, G.K (1991) SIA M Journal o f Scientific an d Statistical C om puting , 12, 362-382 Morimoto, M Fudam oto, K Tahira, T Kida, s Kato, T M iyakawa, Jap J Appl Phys 26 (10) (1987) p 1634-1640 O kuyam a, H T akakura, Y H am akawa, Solid-State Elect., 26 (1983) p.689-694 V Lang, J A p p i Phys 45 (1974) p.3023 W eiss & R K assing, S o lid State Electronics, Vol 31 , 12 (1988) p 1733 D obaczew ski, p K aczor, I D Hawkins, A R.Peaker, M at.Sci.and Tech 11 (1994) p 194-198 Thurzo, D Pogany, K G m ucova, Solid-State Elect., 35 (1992) p 1737-1743 Su and J.w Farmer, J Appl Phys 68 (1990) p.4068-4070 R Shapiro, S.D Senturia and D Adler, J Appl Phys, 55(( 1984) p 3453-3459 loang N am N hat and Pham Quoc Trieu, VNU Journal o f Sciences, M a th e m a tic s - P h y s ic s Vol XVIII, No.4, 2002, 28-36 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN ìa £3 ' PHẠM MINH TÂN NGHIÊN CỨU MỘT s ố PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DÙNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Mã số : Vật lý Vô tuyến 1.02.05 LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC • • • NGƯỜI HUỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Quốc Triệu HÀ N Ộ I - 0 MỤC LỤC đầu ơng 1: Thiết bị cảnh báo Dầu báo dùng cho thiết b ị [ K h i n iệ m th iế t bị b o đ ộ n g \ Các phận máy báo động ì Một số đầu báo thường dùng vlơ h ìn h th iế t b ị c ả n h b o .13 Nguyên lý tối thiểu máy báo động 13 l Nguyên lý cảnh báo nhiều trạng thái 14 ơng 2: Điện dung - Tụ điện Chái niệm điện dung - Tụ điện 19 Tụ điện 19 í Điện dung vài tụ điện 20 i Đơn vị số điện e0 24 rhuyển đổi điện dung 24 Tính chất chung dạng chuyển đổi điện dung 24 l Mạch đo 30 >Phạm vi ứng dụng 32 lảm biến tụ điện 33 Nguyên lý đặc trưng 33 ' Tụ điện có diện tích tụ biến thiên 34 í Tụ điện có khoảng cách cực biến thiên 36 l Phương pháp đo độ biến thiên điện dung .38 ơng 3: Phương pháp thực nghiệm ’hương pháp phát đứt cáp 40 Sử dụng đôi dây ngắn mạch 40 1Nghiên cứu thiết bị cảnh báo đứt cáp 40 'íghiên cứu quan hệ c - L đường cáp thông tin 44 Đo điện dung nhỏ cầu Boonton 72B 44 : Cách đo điện dung đường cáp thông tin 46 sTghiên cứu thiết kế mạch đo điện dung nhỏ 46 ết kế mạch đ o 46 I nghiệm thiết bị lắp r p 48 4: Các kết đo thảo luận ' sát phụ thuộc điện dung c vào chiều dài L dây 52 / điện thoại hai sợi 52 / c p t h ô n g tin n h iề u s ợ i .53 sát phụ thuộc điện áp chiều vào điện dung c 123 57 I số phát xung sau IC NE555: f = 100Hz 57 I số phát xung sau IC NE555: f = 200Hz 62 kế thiết bị đo có khả loại trừ nhiễu 66 5i cầu đ o 66 ết bị đo 66 69 tham khảo 70 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỤ NHIÊN K H O A V Ậ T L Ý Phạm Quốc Triệu (Chú biên) PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VẬT LÝ ■ ■ ■ Bài g iả n g cho sinh viên nám thứ ba KHOA VẬT LÝ HÀ NỘI - 2005 PH IẾ U Đ Ả N G KÝ K Ế T Q U Ả N G H IÊ N cứu K H -C N n đề tài (hoăc dự án): Nghiên cửu giải pháp chống nhiễu xác định toạ độ điểm đứt ứng dụng vào chế tạo thiết bị bảo vệ an ninh dường cáp thông tin ã số: QG-05-09 _