專利名稱：采用有限游程長度調制的數(shù)據(jù)編碼和解碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠用于記錄高密度光盤數(shù)據(jù)的編碼和解碼方法，屬于光盤存儲領域。
目前，光盤中的絕大多數(shù)關鍵技術掌握在國外廠商和研究機構手中，擁有自主產權的核心技術對我國光盤產業(yè)化具有重大意義。在光盤存儲系統(tǒng)中，調制技術扮演著重要的角色，它對于克服符號間干擾，提高光盤存儲容量具有重要作用。在光盤存儲中數(shù)據(jù)是以信息坑的方式存在盤片上的，信息坑通過激光器燒刻而成。利用信息坑和岸對讀出光斑反射率的不同，讀出時可恢復出‘0’和‘1’表示的數(shù)字信號。經過糾錯編碼的信源數(shù)據(jù)記錄在盤片上之前往往要經過調制過程改變碼字的結構，從而使調制后碼字的特性適合系統(tǒng)的要求。
光盤系統(tǒng)中聚焦光斑的大小由激光器波長和聚焦物鏡的數(shù)字孔徑NA決定，在光斑大小一定的情況下可知，最短信息坑/岸的寬度越窄則信道的質量越差，當光斑直徑大于最短信息坑/岸的寬度時系統(tǒng)表現(xiàn)為低通特性，讀出信號會產生失真，造成碼間串擾，因此設計光盤系統(tǒng)時要求最短信息坑/岸的寬度取和光斑直徑成比例的某個定值。顯然，相同長度的信息坑/岸代表的調制前的數(shù)據(jù)越多，則光盤的存儲密度越高。讀出系統(tǒng)電路要求讀出數(shù)據(jù)能夠提供穩(wěn)定的時鐘信息，即不允許出現(xiàn)長時間的連續(xù)‘0’或‘1’，未調制的數(shù)據(jù)不滿足此要求，需要進行調制使其滿足提取時鐘的要求。另外，光盤讀出信號的低頻成分會對伺服系統(tǒng)造成影響，降低伺服的精度，因此要求調制后的信號具有低的低頻成分。
為了達到上述對調制的要求，在光盤系統(tǒng)中采用有限游程長度調制技術，也稱為RLL(d，k)調制。RLL(d，k)調制的基本參數(shù)為d和k，其中Tmin＝d+1為最小游程長度，Tmax＝k+1為最大游程長度。RLL(d，k)碼就是指調制后的碼流中兩個連續(xù)‘1’之間至少有d個‘0’，最多有k個‘0’。RLL(d，k)調制后對碼流進行NRZI變換，得到最后的記錄數(shù)據(jù)。NRZI變換是指當碼流中出現(xiàn)‘1’時進行電平轉換，當出現(xiàn)‘0’時不進行轉換。
對于不同的參數(shù)d和k，RLL調制有不同的結構，即使對于相同的d和k，RLL(d，k)調制也有不同的實現(xiàn)方法。在CD光盤系統(tǒng)中，調制方式為EFM調制，它是RLL(2，10)調制的一種；在DVD光盤系統(tǒng)中，調制方式為EFMPlus調制，它也是RLL(2，10)調制的一種實現(xiàn)。對于不同調制方法，使用調制效率R和密度率DR來評價。調制效率R是指調制前碼字位數(shù)與調制后碼字位數(shù)的比，R越大調制效率越高。密度率DR＝(d+1)×R，它是評價調制方式的綜合指標，調制效率R的因素已被包括在密度率DR中，DR表示了調制方式提高存儲容量的能力，DR越大，同樣尺寸的光盤的存儲容量越大。未調制時d＝0，R＝1，DR＝1。
上述步驟2)和步驟5)中所述的基本編碼表由16種4位輸入碼字及其對應的16個12位碼字構成；所述的16個12位碼字從至少倒數(shù)后4位為‘0’的所有碼字和倒數(shù)后3位為‘0’且倒數(shù)第4位為‘1’的部分碼字組成的碼字集合B中選取，全零碼字除外；所述的選取出來的16個碼字和16種4位輸入碼字之間的對應關系是任意的。
上述步驟3)中所述的針對d＝4限制的補充編碼表中對當前碼字P和下一碼字S的變換方式為選取兩個沒有被所述基本編碼表中用到的12位碼字作為特殊碼字，將當前碼字P和下一碼字S變換成能夠唯一譯碼的特殊碼字。
上述步驟2)和3)中，不管是采用基本編碼表還是采用針對d＝4限制的補充編碼表，編碼后的數(shù)據(jù)都會自動滿足k＝18限制的要求。
采用有限游程長度調制編碼的數(shù)據(jù)的解碼方法，其特征在于該方法是利用解碼器對數(shù)據(jù)進行RLL(d，k)調制解碼，將12位碼字轉換成4位碼字，得到最終用戶數(shù)據(jù)，其中參數(shù)d＝4，k＝18；該方法包括如下步驟1)向解碼器中輸入12位碼字P和其下一12位碼字S；2)判斷當前碼字P是否是為了消除違背d＝4限制而產生的特殊碼字，若是，根據(jù)下一碼字S，按照編碼時采用的針對d＝4限制的補充編碼表對碼字P和S進行變換，然后進入步驟3)；若否，則直接進入步驟4)。
3)由當前碼字P查找編碼時采用的RLL(4，18)調制的基本編碼表中對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，進行等待，由當前碼字S查找所述基本編碼表中對應的4位碼字，作為下一時鐘的輸出。然后回到步驟1)循環(huán)上述步驟，直到解碼完畢。
4)由當前碼字P查找編碼時采用的RLL(4，18)調制的基本編碼表中對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，把S賦給新的當前碼字P，并獲取新的下一碼字S，然后回到步驟2)循環(huán)上述步驟，直到解碼完畢。
本發(fā)明提出的RLL(4，18)調制的調制效率R＝1/3，密度率DR＝(d+1)×R＝1.67。現(xiàn)有技術中，CD采用的EFM調制的密度率DR＝1.41，DVD采用的EFMPlus調制的密度率DR＝1.5?？梢?，若光盤系統(tǒng)的其他條件不變，單純改變調制方式，則從EFM到EFMPlus，光盤存儲容量可增加6％，這是調制技術在從CD到DVD演變過程中所增加的貢獻。而若調制技術采用本發(fā)明提出的RLL(4，18)調制，相比DVD的EFMPlus調制可以再提高11％的光盤容量。另外，相比EFMPlus具有8輸入、16輸出，RLL(4，18)調制只需要4輸入、12輸出，所需要的硬件資源大大減少，編碼和譯碼的復雜度有很大降低。由此可見，本發(fā)明公開的RLL(4，18)調制技術對于光盤產業(yè)的發(fā)展具有重要作用，可以進一步提高光盤的存儲容量。
圖2是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的解碼方法流程圖。
圖3是實現(xiàn)本發(fā)明所述編碼方法的一種編碼器硬件結構框圖。
圖4是實現(xiàn)本發(fā)明所述解碼方法的一種解碼器硬件結構框圖。
由d＝4的限制可知，一個碼字當中‘1’出現(xiàn)的次數(shù)最多為2次，否則碼字本身或兩個同樣碼字連續(xù)出現(xiàn)時就會違背規(guī)則。另外，在同一碼字當中，兩個‘1’之間至少需要有4個‘0’。由k＝18的限制可知，全零碼字不符合規(guī)則。滿足以上要求的碼字構成一個集合A，滿足要求的碼字必須處于A中。然而，對于基本編碼規(guī)則4位輸入直接對應16種輸出碼字，在A中找不到16個碼字可以直接滿足RLL(4，18)的要求。因此，在A中尋找一子集B，同時設立編碼補充規(guī)則，二者配合以滿足RLL(4，18)的要求。子集B中的碼字除了滿足A的要求外，還需滿足至少碼字的后3位全為0。因此，可把B分為兩個正交子集D1和D2，兩個子集之和為B，其中D1由至少倒數(shù)后四位全為零的碼字組成，D2由倒數(shù)第4位為1，后三位全為零的碼字組成?？芍?，D1中只包括14個碼字。去除D2中的碼字‘000000001000’和‘100000001000’，構成新的子集D3。由D1和D3中任意兩個碼字可組成基本編碼表的輸出碼字，即Cj，0≤j≤15，其中Cj與16個碼字的對應順序任意。在以下說明中，把當前碼字稱為P，把下一碼字稱為S。
可以發(fā)現(xiàn)，當Cj中兩個碼字相連時會存在違背d＝4的情況，其規(guī)律為若當前碼字P來自D3，而下一碼字S是最高位為‘1’的碼字，則會出現(xiàn)‘10001’的情況，此時則必須使用針對d＝4限制的編碼補充規(guī)則當出現(xiàn)‘10001’時，當前碼字P變?yōu)橐粋€特殊碼字，并對下一碼字S進行變換，使其滿足RLL(4，18)的要求，并且要具有唯一可譯碼性。特殊碼字不能選擇已被Cj包含的碼字。顯然，只使用基本編碼表碼字不會違背k＝18限制的要求，選擇特殊碼字時也要保證P和S不違背k＝18限制的要求。通過上述方法，可以選擇RLL(4，18)調制所需要的碼字，并確定了編碼方法。
需要特別強調的是，與16種輸入碼字相對應的碼字組Cj不是唯一的，其中部分碼字如上述方法所示可以用其他碼字代替，如選擇D3中的其他碼字。另外，Cj中碼字與16種輸入數(shù)據(jù)之間的對應關系是任意的。由于每個碼字由最低位到最高位首尾互相置換可以得到新的碼字，可知上述方法中子集B、D1、D2、D3、Cj均具有一個對應的子集，其中每個元素與原子集中的元素具有鏡像關系。對應子集具有與原子集相同的性質，對RLL(4，18)的違背和滿足情況完全相同，因此，采用對應子集形成的新的Cj，也應屬于保護的范圍。
碼字選擇和編碼方法的確定也就確定了編碼和譯碼的步驟。在優(yōu)選實施例當中會對此進行詳細描述，同時通過實施例的輔助說明可以對碼字選擇和編碼方法有更清楚的了解。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例選定了一組碼字作為Cj，并選定了特殊碼字，同時給出了基本編碼表和補充編碼表。針對此實施例詳細描述了編碼過程和譯碼過程，此過程采用的方法具有通用性，可適用于RLL(4，18)調制，而不僅限于此實施例。最后，給出了針對此實施例所實現(xiàn)的編碼器和譯碼器硬件結構以及采用的具體器件。
為了清楚的表示選擇的碼字，采用表1來輔助說明。表1為RLL(4，18)調制的基本編碼表，編碼前信息數(shù)據(jù)每4位形成一個碼字，分別以I0、I1...I15表示，編碼后的數(shù)據(jù)每12位形成一個碼字，分別以C0、C1...C15表示。
表1 RLL(4，18)調制的基本編碼表

顯然，單純使用表1當兩個碼字連續(xù)時會出現(xiàn)違背d＝4規(guī)則的情況，因此需要采用補充規(guī)則處理，使得最終輸出的碼字滿足RLL(4，18)的要求。在此把當前碼字稱為P，把下一碼字稱為S。存在違背RLL(4，18)中d＝4規(guī)則的情況，會出現(xiàn)‘10001’的圖案，具體來說若當前碼字為C0或C3，而下一碼字為C5、C6、C8或C9中的任何一個，就會產生上述圖案。為此需要采用針對d＝4限制的補充編碼規(guī)則，消除‘10001’，使其符合RLL(4，18)的要求。采用兩個特殊碼字‘010000000100’和‘010000001000’，此兩個碼字不是基本編碼表中的碼字，出現(xiàn)時就意味著采用的是針對d＝4限制的補充規(guī)則。對于此實施例兩個特殊碼字分別對應于C0和C3。當P＝C0/C3，S＝C5/C6/C8/C9時，應用此補充規(guī)則，把P分別變?yōu)閷奶厥獯a字，并且對S進行變換，變換后消除了‘10001’的情況，同時由于S根據(jù)C5、C6、C8和C9的不同變換后分別形成不同碼字，因此具有唯一性，可保證譯碼時的正確。表2給出了此補充規(guī)則的具體變換形式，左列為變換前的碼字，右列為變換后的碼字P和S，可見，P變?yōu)樘厥獯a字，S變換后滿足了d＝4的要求，且對于相同的P，S具有唯一性。
表2針對d＝4限制的補充編碼表

根據(jù)基本編碼表和補充編碼表，按照上述的方法進行變換，可得到最終的符合RLL(4，18)要求的輸出碼字。而譯碼是編碼的逆過程，它依據(jù)的是相同的編碼規(guī)則，根據(jù)此規(guī)則，可得到唯一確定的原始數(shù)據(jù)。
參照

圖1描述本發(fā)明優(yōu)選實施例的編碼方法。RLL(4，18)編碼系統(tǒng)讀取輸入位流中4位輸入數(shù)據(jù)并存在寄存器R0中，隨后讀取下一個4位輸入數(shù)據(jù)并存在寄存器R1中(步驟10)。然后根據(jù)基本編碼表對存在R0和R1中的當前輸入碼字以及下一輸入碼字進行碼型變換，分別得到12位的碼字P和S，并存在寄存器R2和R3中(步驟11)。然后，編碼器判斷P和S是否違背d＝4編碼規(guī)則的要求(步驟12)。如果是，則根據(jù)針對d＝4限制的補充編碼表對P和S分別進行變換，使其滿足d＝4的要求(步驟13)。然后，在當前時鐘輸出碼字P，并等待到下一時鐘輸出碼字S，最后回到步驟10進行循環(huán)，直到編碼結束(步驟14)。如果否，則在當前時鐘輸出碼字P，然后把S賦給P，存在寄存器R0中，并獲取新的4位輸入碼字并按照基本編碼表進行轉換得到新的碼字S，并存在寄存器R1中，最后回到步驟12進行循環(huán)，直到編碼結束(步驟15)。
參照圖2描述本發(fā)明優(yōu)選實施例的解碼方法。首先，RLL(4，18)解碼系統(tǒng)讀取輸入位流中12位輸入數(shù)據(jù)P存入寄存器R4中，隨后讀取下一個12位輸入數(shù)據(jù)S存入寄存器R5中(步驟20)。然后，判斷P是否是針對d＝4限制的補充編碼表中所示的特殊碼字(步驟21)。如果是，則根據(jù)針對d＝4限制的補充編碼表對P和S分別進行變換(步驟22)。然后，在基本編碼表中查找P對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，查找S對應的4位碼字，在下一時鐘輸出，最后回到步驟20循環(huán)譯碼，直到譯碼結束(步驟23)。如果否，則在基本編碼表中查找P對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，然后把S賦給P，存在寄存器R4中，然后獲取新的12位輸入數(shù)據(jù)S，存在寄存器R5中，最后回到步驟21循環(huán)譯碼，直到譯碼結束(步驟24)。
根據(jù)上述RLL(4，18)調制編碼和解碼的描述，研制了一種實現(xiàn)RLL(4，18)調制的編碼器和解碼器，但是本發(fā)明所述方法并限于用此種硬件電路實現(xiàn)。在圖3和圖4中分別給出了實現(xiàn)本發(fā)明實施例的硬件電路中編碼器和解碼器的結構框圖。編碼器和解碼器分別由輸入緩存電路、ROM查找表、邏輯判斷電路、控制電路和輸出緩存電路五大模塊組成。硬件電路和邏輯功能的實現(xiàn)采用的是Altera公司的可編程邏輯器件EPF1K50，通過利用此芯片進行邏輯設計，編寫實現(xiàn)邏輯功能的程序，可在一片芯片上同時實現(xiàn)編碼器和解碼器。實現(xiàn)邏輯功能的程序是采用Altera公司提出的硬件描述語言AHDL編寫的。
光盤驅動器由光學系統(tǒng)、精密機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，它的正常運轉是上述四個系統(tǒng)協(xié)調工作的結果。光學系統(tǒng)是實現(xiàn)光盤讀寫的基礎，精密機械系統(tǒng)是驅動器正常運作的保證，電控系統(tǒng)是保證讀寫以及數(shù)據(jù)可靠性的關鍵，而數(shù)據(jù)處理和信息傳輸系統(tǒng)則是進一步降低誤碼率和提高系統(tǒng)工作效率不可缺少的組成部分。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用戶數(shù)據(jù)經歷了寫入和讀出兩個過程。在寫入過程中，用戶數(shù)據(jù)經過糾錯編碼后，利用編碼器進行RLL(4，18)調制編碼，然后刻錄到光盤上。在讀出過程中，光電探測器檢測讀出的刻錄在光盤上的數(shù)據(jù)，經過放大、均衡和判決后，利用解碼器進行RLL(4，18)調制解碼，最后進行糾錯解碼，得到最終用戶數(shù)據(jù)。
特別聲明，本文所述實施例只是本發(fā)明的一個具體實現(xiàn)，本發(fā)明權利要求如權利要求書所述，并在說明書中加以詳細描述，并不僅局限于上述實施例。
權利要求
1.采用有限游程長度調制的數(shù)據(jù)編碼方法，其特征在于該方法是利用編碼器對數(shù)據(jù)進行RLL(d，k)調制編碼，其中參數(shù)d＝4，k＝18；所述的RLL(4，18)調制編碼采用塊編碼方式，原始的串行二進制序列數(shù)據(jù)經過串并轉換后，每4位數(shù)據(jù)為一組碼字進入編碼器，作為輸入數(shù)據(jù)，編碼后產生12位為一組的碼字，作為輸出數(shù)據(jù)；該方法包括如下步驟1)向編碼器中輸入4位碼字和其下一4位碼字；2)根據(jù)RLL(4，18)調制的基本編碼表對當前4位輸入碼字和下一碼字進行碼型變換，得到兩個12位的碼字P和S；3)判斷碼字P和S是否出現(xiàn)違背d＝4限制的情況，若是，則按照針對d＝4限制的補充編碼表分別對碼字P和S進行變換，然后進入步驟4)；若否，則直接進入步驟5)；4)在當前時鐘輸出碼字P，進行等待，在下一時鐘輸出碼字S，然后回到步驟1)循環(huán)上述步驟，直到編碼完畢；5)在當前時鐘輸出碼字P，然后把S賦給新的當前輸入碼字的對應碼字P，并獲取新的4位碼字輸入作為下一輸入碼字，并根據(jù)RLL(4，18)調制的基本編碼表進行碼型變換得到新的S，然后回到步驟3)循環(huán)上述步驟，直到編碼完畢。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)編碼方法，其特征在于步驟2)和步驟5)中所述的基本編碼表由16種4位輸入碼字及其對應的16個12位碼字構成；所述的16個12位碼字從至少倒數(shù)后4位為‘0’的所有碼字和倒數(shù)后3位為‘0’且倒數(shù)第4位為‘1’的部分碼字組成的碼字集合B中選取，全零碼字除外；所述的選取出來的16個碼字和16種4位輸入碼字之間的對應關系是任意的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)據(jù)編碼方法，其特征在于步驟3)中所述的針對d＝4限制的補充編碼表中對當前碼字P和下一碼字S的變換方式為選取兩個沒有被所述基本編碼表中用到的12位碼字作為特殊碼字，將當前碼字P和下一碼字S變換成能夠唯一譯碼的特殊碼字。
4.采用有限游程長度調制編碼的數(shù)據(jù)的解碼方法，其特征在于該方法是利用解碼器對數(shù)據(jù)進行RLL(d，k)調制解碼，將12位碼字轉換成4位碼字，得到最終用戶數(shù)據(jù)，其中參數(shù)d＝4，k＝18；該方法包括如下步驟1)向解碼器中輸入12位碼字P和其下一12位碼字S；2)判斷當前碼字P是否是為了消除違背d＝4限制而產生的特殊碼字，若是，根據(jù)下一碼字S，按照編碼時采用的針對d＝4限制的補充編碼表對碼字P和S進行變換，然后進入步驟3)；若否，則直接進入步驟4)；3)由當前碼字P查找編碼時采用的RLL(4，18)調制的基本編碼表中對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，進行等待，由當前碼字S查找所述基本編碼表中對應的4位碼字，作為下一時鐘的輸出。然后回到步驟1)循環(huán)上述步驟，直到解碼完畢；4)由當前碼字P查找編碼時采用的RLL(4，18)調制的基本編碼表中對應的4位碼字，作為當前時鐘的輸出，把S賦給新的當前碼字P，并獲取新的下一碼字S，然后回到步驟2)循環(huán)上述步驟，直到解碼完畢。
全文摘要
采用有限游程長度調制的數(shù)據(jù)編碼和解碼方法，屬于光盤存儲領域。為了有效的提高光盤的存儲容量，解決現(xiàn)有在光盤系統(tǒng)中采用的有限游程長度調制技術的不足，本發(fā)明公開了一種利用編碼器對數(shù)據(jù)進行RLL(4，18)調制的編碼方法，原始的串行二進制序列數(shù)據(jù)經過串并轉換后，每4位數(shù)據(jù)為一組碼字進入編碼器，作為輸入數(shù)據(jù)，編碼后產生12位為一組的碼字，作為輸出數(shù)據(jù)。同時，本發(fā)明公開了經上述編碼的數(shù)據(jù)的解碼方法，利用解碼器對數(shù)據(jù)進行RLL(4，18)調制解碼，將12位碼字轉換成4位碼字，得到最終用戶數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述方法比DVD的調制方法提高了11％的光盤容量，對光盤產業(yè)的發(fā)展具有重要作用。
文檔編號G11B20/10GK1461006SQ0314787
公開日2003年12月10日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者鞏馬理, 楊欣, 黃磊, 馬建設 申請人:清華大學