CN102243880A - 变参数自适应prml数据接收器及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器及其数据处理方法，该数据接收器由自由时钟采样模块、变参数自适应信号调理模块、时钟恢复模块、自适应最大似然译码模块和目标响应选择模块构成，本发明采用了变参数自适应信号调理技术、数字插值时钟恢复技术和基于PRML原理的最大似然译码技术，能够满足高密度存储数据读出时的高速数据传输要求，同时能较好的消除码间干扰，降低误码率。

Description

变参数自适应PRML数据接收器及其数据处理方法

技术领域

本发明涉及高密度光存储，尤其是一种用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应局部响应最大似然(Partial-Response andMaximum-Likelihood，简称PRML)数据接收器及其数据处理方法，以下简称为变参数自适应PRML数据接收器及其数据处理方法。

背景技术

光存储技术的发展历史相对较短，最早的光盘是在二十世纪七十年代初期出现的激光唱片(CD)。在光存储领域人们一直沿着大容量存储的道路前进，现在一张单面单层的蓝光光盘可以存储超过25G字节的数据。在光盘系统中，根据Bergmans提出的线性系统模型，光头的聚焦光斑的光强函数可以近似为系统的冲激响应，因此可以用高斯函数来描述光盘系统的冲激响应。光盘的读出信号为冲激函数与数据序列的卷积，也即所有反射光强之和，是相邻几个记录符反射光强的叠加。存储介质的容量增加时，信息存储密度的也相应提升，这样数据在读出时会产生更大的码间干扰，增大码元判决的出错概率，对数据的传输速率也有了更高的要求。

传统的光存储数据读出系统采用固定参数的信号调理技术进行信号调理，在数据二值化时则采用传统的峰值检测技术，并且相关功能模块主要采用模拟方法实现。这样的数据接收系统虽然可以很好的应用于低密度光存储，但不能满足高密度光存储数据传输速率高、信息存储密度大的要求，需要设计一种适用于高密度光存储的数据读出系统。

发明内容

本发明主要是针对上述现有技术存在的技术问题，提供一种用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应局部响应最大似然(Partial-Responseand Maximum-Likelihood，简称PRML)数据接收器及其数据处理方法，以下简称为变参数自适应PRML数据接收器及其数据处理方法，以提高数据的处理速度，提高整个系统的稳定性，降低高密度存储数据读出时的误码率。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器，其特点在于该数据接收器由自由时钟采样模块、变参数自适应信号调理模块、时钟恢复模块、自适应最大似然译码模块和目标响应选择模块构成，上述各模块的连接关系如下：

所述的自由时钟采样模块的输出端接所述的变参数自适应信号调理模块的第一输入端，所述的变参数自适应调理模块的输出端接所述的时钟恢复模块的第一输入端，该时钟恢复模块的输出端分别接所述的自适应最大似然译码模块的输入端和所述的变参数自适应信号调理模块第二输入端，所述的自适应最大似然译码模块的输出端还分别接所述的时钟恢复模块的第二输入端和变参数自适应信号调理模块第四输入端，所述的目标响应选择模块的输出端分别接所述的变参数自适应信号调理模块的第三输入端和所述的时钟恢复模块的第三输入端。

所述的自由时钟采样模块由时钟生成模块和采样模块组成，所述的时钟生成模块的输出端连接到所述的采样模块的第二输入端，该采样模块的第一输入端即为自由时钟采样模块的输入端，该采样模块的输出端即为自由时钟采样模块的输出端。

所述的变参数自适应信号调理模块由期望输出生成运模块、误差产生模块、增量运算模块、参数自适应调整模块、信号调理向量生成模块、零阶保持模块和数据处理模块构成，其连接关系如下：

所述的期望输出生成模块的两个输入端即为本变参数自适应信号调理模块的第三、第四输入端，期望输出生成模块的输出端分别接所述的误差产生模块第一输入端、所述的增量产生模块第一输入端和所述的参数自适应调整模块第一输入端，所述的误差产生模块的第二输入端即为本变参数自适应信号调理模块的第二输入端，该误差产生模块的输出端分别连接所述的增量产生模块的第二输入端和参数自适应调整模块的第二输入端，所述的参数自适应调整模块的输出端接所述的增量运算模块第三输入端，所述的增量运算模块的输出端接所述的信号调理向量生成模块，该信号调理向量生成模块的输出端接所述的零阶保持模块的输入端，该零阶保持模块的输出端接所述的数据处理模块的第二输入端，该数据处理模块的第一输入端即本变参数自适应信号调理模块的第一输入端，该数据处理模块的输出端即为本变参数自适应信号调理模块的输出端。

所述的时钟恢复模块由数字插值模块、误差产生模块、时域误差检测模块、环路滤波模块，数控振荡模块和期望输出生成模块构成，各模块连接关系如下：

所述的期望输出生成模块的两个输入端分别为本时钟恢复模块的第二、第三输入端，该期望输出生成模块的输出端接所述的误差检测模块的第二输入端，所述的数值插值模块第一输入端即为本时钟恢复模块的输入端，该数值插值模块的输出端即为为本时钟恢复模块的输出端，该数值插值模块的输出端还接所述的误差产生模块的第一输入端，该误差检测模块的输出端接到所述的时域误差检测模块，该时域误差检测模块的输出端接到所述的环路滤波模块，该环路滤波模块的输出端接所述的数控振荡模块，该数控振荡模块的第一输出端和第二输出端连接所述的数字插值模块的第二、第三输入端。

所述的自适应最大似然译码模块由第二目标响应选择模块、分支度量计算模块、最优分支选择模块和最优路径管理模块组成，其连接关系如下：

所述的第二目标响应选择模块的输出端接所述的分支度量计算模块的第二输入端，该分支度量计算模块的第一输入端即为本自适应最大似然译码模块的输入端，该分支度量计算模块的输出端接所述的最优分支选择模块，该最优分支选择模块的输出端接所述的最优路径管理模块，该最优路径管理模块的输出端即为本自适应最大似然译码模块的输出端。

一种基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器的数据处理方法，该方法包括以下步骤：

1)、所述的目标响应选择模块选择相应的目标响应P输入所述的变参数自适应信号调理模块和时钟恢复模块；

2)、所述的自由时钟采样模块根据自由时钟提供的采样频率f_s对输入的信号频率为f的模拟传输信号r(t)进行自由时钟采样形成数字数据r(n)，向所述的变参数自适应信号调理模块输出，其中f_s＝(1～2)f；

3)、所述的变参数自适应信号调理模块对输入的数字数据r(n)进行信号调理，输出调理后的信号x(n)，包括下列步骤：

①由所述的期望输出生成模块将所述的目标响应选择模块输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块输入的a(k)进行卷积运算

产生目标响应输出d(k)，将该目标响应输出d(k)分别输入所述的误差产生模块、所述的增量产生模块和所述的参数自适应调整模块；

②所述的误差产生模块对所输入的目标响应输出d(k)和所述的时钟恢复模块的输出信号y(k)计算响应误差e(k)，e(k)＝d(k)-y(k)，分别输入所述的参数自适应调整模块和所述的增量产生模块；

③所述的参数自适应调整模块根据输入的d(k)和e(k)及步长调理参量α和β按下列公式计算出调整步长μ并输入所述的信号调理生成模块，μ＝β·α·tan(α·|e(k)·d(k-i)|)，0≤i＜N，其中N为调理向量阶数；

④所述的增量运算模块根据输入的调整步长μ、d(k)和e(k)计算出信号调理向量增量Δ(k)，Δ(k，i)＝μ·e(k)·d(k-i)，0≤i＜N；

⑤所述的信号调理生成模块利用所述的Δ(k)经运算得到下一时刻的信号调理向量W(k+1)，w(k+1，i)＝w(k，i)+Δ(k，i)，0≤i＜N；

⑥所述的W(k+1)经所述的零阶保持模块得到信号调理向量W(n+1)；

⑦最后数据处理模块利用所述的信号调理向量W(n+1)对所述的自由时钟采样模块输入的数字数据r(n)进行调理，获得调理后的信号x(n)，

其中N为调理向量阶数，并向所述的时钟恢复模块输入；

4)、时钟恢复模块对调理后的信号x(n)进行时钟同步恢复，生成时钟同步恢复信号y(k)，包括下列步骤：

①所述的期望输出生成模块将所述的目标响应选择模块输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块输入的a(k)进行卷积运算获得期望值y’(k)，

并将其输入所述的误差产生模块；

②所述的误差产生模块将所述的期望值y’(k)和本时钟恢复模块输出的时钟同步恢复信号y(k)计算误差信号et(k)，et(k)＝y(k)-y’(k)，并输入所述的时域误差检测模块；

③误差信号et(k)经所述的时域误差检测模块产生时域误差信号χ(k)，χ(k)＝et(k)·(y’(k+1)-y’(k-1))；

④所述的时域误差信号χ(k)经过所述的环路滤波模块产生控制信号Δu(k)，该控制信号Δu(k)输入所述的数控振荡模块；

□所述的数控振荡模块由误差累积模块和控制参量生成模块构成，所述的误差累积模块为一个一阶数字积分器，其系统函数为H(z)＝1-z^-1；系统函数定义为输出的z变换与输入的z变换的比值，即：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\τ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}=1-z^{-1}$

所述的控制参量生成模块生成控制参量m(k)，u(k)：

T_s＝1/f_s

T＝1/f

$u\left(k\right)=((u(k-1)+\frac{T}{T_s}[1-(\mathrm{\τ}\left(k\right)-\mathrm{\τ}(k-1))\left]\right)\mathrm{mod}1$

其中

的值为取小于x的最大整数；

⑥所述的m(k)，u(k)输入并控制所述的数字插值模块的参量c(u(k)，i)对数据进行时钟恢复插值，即：

$c(u\left(k\right),i)=\left\{\begin{array}{c}\frac{u\left(k\right)(u^2\left(k\right)-1)\left(u^2\left(k\right)4\right)}{120}.i=-3\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},i=-2\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=-1\\ \frac{-(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=0\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)-1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},1=1\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)-2)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)}{120},i=2\end{array}\right.$

生成时钟同步恢复信号y(k)，

5)、所述的自适应最大似然译码模块对由所述的时钟恢复模块的输出时钟同步恢复信号y(k)进行译码，获得译码a(k)，包括下列步骤：

①所述的目标响应选择模块选择相应的目标响应p输入所述的分支度量计算模块，该分支度量计算模块对由时钟恢复模块输入的信号y(k)数据进行各分支度量计算；

②所述的最优分支选择模块在每一时刻，把进入同一状态的各分支度量值和其相关最优路径度量值相加，选择其中最小的作为当前状态的最优路径；

③所述的最优路径管理模块在每一时刻存储最优分支选择模块的每一时刻的最优路径信息，并通过这些最优路径信息得到每个状态的最优路径，选择其中一条合适的最优路径，输出译码a(k)。

本发明的技术效果如下：

1、本发明首先通过自由时钟采样模块对接收到的模拟传输信号进行采样，这样便可以采用数字技术实现整个系统的数字化，系统的数字化可以大幅提高数据的处理速度，以满足高密度光存储的高速数据传输的要求。

2、本发明采用变参数自适应信号调理技术对自由时钟采样后的数据进信号调理。参考图3，所述的变参数自适应信号调理模块实时计算期望结果d(k)与反馈结果y(k)的误差，并据此调整信号调理向量和相关参数，使其信号调理作用达到最优。

3、本发明采用数字插值时钟恢复技术保证了自由时钟采样的可行性，同时减小了时钟恢复模块的时延，提高了整个系统的稳定性。

4、相对于传统的峰值检测技术本发明采用了基于PRML原理的最大似然译码技术，该技术通过引入可控制的码间干扰来达到消除码间干扰的目的，可以有效降低高密度存储数据读出时的误码率。

实验表明，本发明可以大幅提高数据的处理速度，信号调理最优，提高了系统的稳定性，有效降低了高密度存储数据读出时的误码率。

附图说明

图1是本发明基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器的结构框图

图2是自由时钟采样模块的结构框图

图3是变参数自适应信号调理模块的结构框图

图4是时钟恢复模块的结构框图

图5是数控振荡模块的结构框图

图6是自适应最大似然译码模块的结构框图

图7是一个简单的卷积码编码器结构图

图8是图7所示卷积编码器的编码网格图

图9是图7所示卷积码编码器的状态转移图

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明用于高密度光存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器的结构框图。由图1可见，本发明用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器，由自由时钟采样模块1、变参数自适应信号调理模块2、时钟恢复模块3、自适应最大似然译码模块4和目标响应选择模块5构成，上述各模块的连接关系如下：

所述的自由时钟采样模块1的输出端接所述的变参数自适应信号调理模块2的第一输入端，所述的变参数自适应调理模块2的输出端接所述的时钟恢复模块3的第一输入端，该时钟恢复模块3的输出端分别接所述的自适应最大似然译码模块4的输入端和所述的变参数自适应信号调理模块2第二输入端，所述的自适应最大似然译码模块4的输出端还分别接所述的时钟恢复模块3的第二输入端和变参数自适应信号调理模块2第四输入端，所述的目标响应选择模块5的输出端分别接所述的变参数自适应信号调理模块2的第三输入端和所述的时钟恢复模块3的第三输入端。

参见图2，图2是自由时钟采样模块的结构框图，所述的自由时钟采样模块1由频率生成模块1-1和采样模块1-2组成。所述的的采样模块1-2根据所述的频率生成模块1-1提供的采样频率f_s对输入的符号频率为f模拟传输信号r(t)进行自由时钟采样(数字化)，并将采样后的数据r(n)输入所述的变参数自适应信号调理模块2，这里要求f_s＝(1～2)f。

图3是所述的变参数自适应信号调理模块的结构构图。所述的变参数自适应信号调理模块2由期望输出生成运模块2-1、误差产生模块2-2、增量运算模块2-3、参数自适应调整模块2-4、信号调理向量生成模块2-5、零阶保持模块2-6和数据处理模块2-7构成，其连接关系如下：

所述的期望输出生成模块2-1的两个输入端即为本变参数自适应信号调理模块2的第三、第四输入端，期望输出生成模块2-1的输出端分别接所述的误差产生模块2-2第一输入端、所述的增量产生模块2-3第一输入端和所述的参数自适应调整模块2-4第一输入端，所述的误差产生模块2-2的第二输入端即为本变参数自适应信号调理模块2的第二输入端，该误差产生模块2-2的输出端分别连接所述的增量产生模块2-3的第二输入端和参数自适应调整模块2-4的第二输入端，所述的参数自适应调整模块2-4的输出端接所述的增量运算模块2-3第三输入端，所述的增量运算模块2-3的输出端接所述的信号调理向量生成模块2-5，该信号调理向量生成模块2-5的输出端接所述的零阶保持模块2-6的输入端，该零阶保持模块2-6的输出端接所述的数据处理模块2-7的第二输入端，该数据处理模块2-7的第一输入端即本变参数自适应信号调理模块2的第一输入端，该数据处理模块2-7的输出端即为本变参数自适应信号调理模块(2)的输出端。

所述的变参数自适应信号调理模块2对输入的r(n)进行信号调理，其关键是需要生成调理向量W(k)，其中W(k)＝[w(k，1)，w(k，2)，Λ，w(k，i)]，0≤i＜N，N为调理向量阶数，N过大会导致系统不稳定，过小会导致调理作用不理想。所述的期望输出生成模块2-1将输入的目标响应P和输入的a(k)进行卷积运算，产生目标响应

经过所述的误差产生模块2-2计算出响应误差e(k)＝d(k)-y(k)，此时所述的参数自适应调整模块2-4计算出调整步长μ＝β·α·tan(α·|e(k)·d(k-i)|)，0≤i＜N，其中α，β步长调整参量，α＝0.5～5，β＝0.01～1。

然后再由所述的增量运算模块2-3计算出信号调理向量增量Δ(k)，其中Δ(k)＝[Δ(k，1)，Δ(k，2)，Λ，Δ(k，i)]，Δ(k，i)＝μ·e(k)·d(k-i)，0≤i＜N，N为调理向量阶数。Δ(k)输入到信号调理生成模块2-5，经运算得到下一时刻的信号调理向量W(k+1)，其中W(k+1)＝[w(k+1，1)，w(k+1，2)，Λ，w(k+1，i)]，w(k+1，i)＝w(k，i)+Δ(k，i)，0≤i＜N，W(k+1)经过所述的零阶保持模块2-6得到W(n+1)，最后数据处理模块2-7产生调理后的信号

信号调理向量W(n+1)由W(k+1)经过所述的零阶保持模块2-6保持一个周期后得到，即：

W(n+1)＝W(k+1)

图4是所述的时钟恢复模块的结构构图。所述的时钟恢复模块3由数字插值模块3-1、误差产生模块3-2、时域误差检测模块3-3、环路滤波模块3-4，数控振荡模块3-5和期望输出生成模块3-6构成，各模块连接关系如下：

所述的期望输出生成模块3-6的两个输入端分别为本时钟恢复模块3的第二、第三输入端，该期望输出生成模块3-6的输出端接所述的误差检测模块3-2的第二输入端，所述的数值插值模块3-1第一输入端即为本时钟恢复模块3的输入端，该数值插值模块3-1的输出端即为为本时钟恢复模块3的输出端，该数值插值模块3-1的输出端还接所述的误差产生模块3-2的第一输入端，该误差检测模块3-2的输出端接到所述的时域误差检测模块3-3，该时域误差检测模块3-3的输出端接到所述的环路滤波模块3-4，该环路滤波模块3-4的输出端接所述的数控振荡模块3-5，该数控振荡模块3-5的第一输出端和第二输出端连接所述的数字插值模块3-1的第二、第三输入端。

所述的时钟恢复模块3的主要功能是对调理后的信号进行时钟同步恢复，消除由自由采样造成的时钟误差。所述的期望输出生成模块3-6计算y(k)的期望值

经过误差产生模块3-2产生误差et(k)＝y(k)-y’(k)，et(k)结过时域误差检测模块3-3产生时域误差信号χ(k)＝et(k)·(y’(k+1)-y’(k-1))，χ(k)经过所述的环路滤波模块3-4产生控制信号Δu(k)控制所述的数控振荡模块3-5，所述的环路滤波模块3-4为一个二阶的数字滤波器，其系统函数为：

$H_1\left(z\right)=\frac{(\mathrm{\η}+\mathrm{\γ})\·z^{-2}-\mathrm{\γ}\·z^{-1}}{1-z^{-1}}$

系统函数定义为输出的Z变换与输入的Z变换的比值，即

$H_1\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\χ}\left(k\right)z^{-k}}=\frac{(\mathrm{\η}+\mathrm{\γ})\·z^{-2}-\mathrm{\γ}\·z^{-1}}{1-z^{-1}}$

其中η，γ分别为所述的环路滤波模块3-4的特征参量，η可取1.4×10^-4，γ可取1×10^-4。

由图5可见，所述的数控振荡模块3-5由误差累积模块3-5-1和控制参量生成模块3-5-2构成。

所述的误着累积模块3-5-1为一个一阶数字积分器，其系统函数为

H(z)＝1-z^-1

系统函数定义为输出的Z变换与输入的Z变换的此值，即：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\τ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}=1-z^{-1}$

所述的控制参量生成模块3-5-2生成控制参量m(k)，u(k)：

T_s＝1/f_s

T＝1/f

$u\left(k\right)=((u(k-1)+\frac{T}{T_s}[1-(\mathrm{\τ}\left(k\right)-\mathrm{\τ}(k-1))\left]\right)\mathrm{mod}1$

其中

的值为取小于x的最大整数。

由图6可见，所述的自适应最大似然译码模块4由第二目标响应选择模块4-1、分支度量计算模块4-2、最优分支选择模块4-3和最优路径管理模块4-4组成，其连接关系如下：

所述的第二目标响应选择模块4-1的输出端接所述的分支度量计算模块4-2的第二输入端，该分支度量计算模块4-2的第一输入端即为本自适应最大似然译码模块4的输入端，该分支度量计算模块4-2的输出端接所述的最优分支选择模块4-3，该最优分支选择模块4-3的输出端接所述的最优路径管理模块4-4，该最优路径管理模块4-4的输出端即为本自适应最大似然译码模块4的输出端。

本发明基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器的数据处理方法，包括以下步骤：

1)、所述的目标响应选择模块5选择相应的目标响应P输入所述的变参数自适应信号调理模块2和时钟恢复模块3；

2)、所述的自由时钟采样模块1根据自由时钟1-1提供的采样频率f_s对输入的信号频率为f的模拟传输信号r(t)进行自由时钟采样形成数字数据r(n)，向所述的变参数自适应信号调理模块2输出，其中f_s＝(1～2)f；

3)、所述的变参数自适应信号调理模块2对输入的数字数据r(n)进行信号调理，输出调理后的信号x(n)，包括下列步骤：

①由所述的期望输出生成模块2-1将所述的目标响应选择模块5输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块4输入的a(k)进行卷积运算

产生目标响应输出d(k)，将该目标响应输出d(k)分别输入所述的误差产生模块2-2、所述的增量产生模块2-3和所述的参数自适应调整模块2-4；

②所述的误差产生模块2-2对所述的目标响应输出d(k)和所述的时钟恢复模块3的输出信号y(k)计算响应误差e(k)，e(k)＝d(k)-y(k)，分别输入所述的参数自适应调整模块2-4和所述的增量产生模块2-3；

③所述的参数自适应调整模块2-4根据输入的d(k)和e(k)及步长调理参量α和β按下列公式计算出调整步长μ并输入所述的信号调理生成模块2-5，μ＝β·α·tan(α·|e(k)·d(k-i)|)，0≤i＜N，其中N为调理向量阶数；

④所述的增量运算模块2-3根据输入的调整步长μ、d(k)和e(k)计算出信号调理向量增量Δ(k)，Δ(k，i)＝μ·e(k)·d(k-i)，0≤i＜N；

⑤所述的信号调理生成模块2-5利用所述的Δ(k)经运算得到下一时刻的信号调理向量W(k+1)，w(k+1，i)＝w(k，i)+Δ(k，i)，0≤i＜N；

⑥所述的W(k+1)经所述的零阶保持模块2-6得到信号调理向量W(n+1)；

⑦最后数据处理模块2-7利用所述的信号调理向量W(n+1)对所述的自由时钟采样模块1输入的数字数据r(n)进行调理，获得调理后的信号x(n)，

其中N为调理向量阶数，并向所述的时钟恢复模块3输入；

4)、所述的时钟恢复模块3对调理后的信号x(n)进行时钟同步恢复，生成时钟同步恢复信号y(k)，包括下列步骤：

①所述的期望输出生成模块3-6将所述的目标响应选择模块5输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块4输入的a(k)进行卷积运算获得期望值y’(k)，

并将其输入所述的误差产生模块3-2；

②所述的误差产生模块3-2将所述的期望值y’(k)和本时钟恢复模块3输出的时钟同步恢复信号y(k)计算误差信号et(k)，et(k)＝y(k)-y’(k)，并输入所述的时域误差检测模块3-3；

③误差信号et(k)经所述的时域误差检测模块3-3产生时域误差信号χ(k)，χ(k)＝et(k)·(y’(k+1)-y’(k-1))；

④所述的时域误差信号χ(k)经过所述的环路滤波模块3-4产生控制信号Δu(k)，所述的环路滤波模块3-4为一个二阶的数字滤波器，其系统函数为：

$H_1\left(z\right)=\frac{(\mathrm{\η}+\mathrm{\γ})\·z^{-2}-\mathrm{\γ}\·z^{-1}}{1-z^{-1}}$

系统函数定义为输出的z变换与输入的z变换的比值，即

$H_1\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\χ}\left(k\right)z^{-k}}=\frac{(\mathrm{\η}+\mathrm{\γ})\·z^{-2}-\mathrm{\γ}\·z^{-1}}{1-z^{-1}}$

其中η，γ分别为所述的环路滤波模块3-4的特征参量，η可取1.4×10^-4，γ可取1×10^-4，该控制信号Δu(k)输入所述的数控振荡模块3-5；

⑤所述的数控振荡模块3-5由误差累积模块3-5-1和控制参量生成模块3-5-2构成，

所述的数控振荡模块3-5由误差累积模块3-5-1和控制参量生成模块3-5-2构成。

所述的误着累积模块3-5-1为一个一阶数字积分器，其系统函数为

H(z)＝1-z^-1

系统函数定义为输出的Z变换与输入的Z变换的比值，即：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\τ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}=1-z^{-1}$

所述的控制参量生成模块3-5-2生成控制参量m(k)，u(k)：

T_s＝1/f_s

T＝1/f

$u\left(k\right)=((u(k-1)+\frac{T}{T_s}[1-(\mathrm{\τ}\left(k\right)-\mathrm{\τ}(k-1))\left]\right)\mathrm{mod}1$

其中

的值为取小于x的最大整数；

⑥所述的m(k)，u(k)输入并控制所述的数字插值模块3-1的参量c(u(k)，i)对数据进行时钟恢复插值，即：

$c(u\left(k\right),i)=\left\{\begin{array}{c}\frac{u\left(k\right)(u^2\left(k\right)-1)\left(u^2\left(k\right)4\right)}{120}.i=-3\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},i=-2\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=-1\\ \frac{-(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=0\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)-1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},1=1\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)-2)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)}{120},i=2\end{array}\right.$

生成时钟同步恢复信号y(k)，

5)、所述的自适应最大似然译码模块4对由所述的时钟恢复模块3的输出时钟同步恢复信号y(k)进行译码，获得译码a(k)，包括下列步骤：

①所述的目标响应选择模块4-1选择相应的目标响应p输入所述的分支度量计算模块4-2，该分支度量计算模块4-2对由时钟恢复模块3输入的信号y(k)数据进行各分支度量计算；

②所述的最优分支选择模块4-3在每一时刻，把进入同一状态的各分支度量值和其相关最优路径度量值相加，选择其中最小的作为当前状态的最优路径；

③所述的最优路径管理模块4-4在每一时刻存储最优分支选择模块的每一时刻的最优路径信息，并通过这些最优路径信息得到每个状态的最优路径，选择其中一条合适的最优路径，输出译码a(k)。

图6是所述的自适应最大似然译码模块的结构图。所述的自适应最大似然译码模块4完成对所述的时钟恢复模块3的输出信号y(k)的译码工作。

绝对的最大似然译码是物理不可实现的，这里采用维特比算法来逼近最大似然译码算法，维特比译码算法是对卷积码译码的有效算法。

经过所述的变参数自适应信号调理模块2调理后的信号可以认为是经过卷积编码器编码的后的信号，这是应用维特比算法译码的基础。

参考图7，图7是一个简单的卷积码编码器结构图。其把一位的输入码字I(m)编码，二位输出码字O₀(m)，O₁(m)，D为单位延迟，各参量关系为：

$O_0\left(m\right)=I\left(m\right)\⊕I(m-1)\⊕I(m-2)$

$O_1\left(m\right)=I\left(m\right)\⊕I(m-2)$

其中为模2加，I(m)，O₀(m)，O₁(m)取值为0或1。

设输入为二进制序列I(m)为1011010100，并定义(I(m-1)，I(m-2))为编码状态，则编码输出O₀(m)，O₁(m)为(11 10 00 01 01 00 10 00 10 11)。具体编码过程可用图8所示的网格图表示。图8所示黑线箭头组成编码路径。每一个状态转换之间的箭头称为分支路径。

所述的目标响应选择模块4-1选择相应的目标响应，根据特定的目标响应，所述的分支度量计算模块4-2对接收到的数据进行各分支度量计算。所谓分支度量是用来表示某一分支的似然度，用该分支的期望码字和接收码字之间的距离表示。当采用硬判决方式时用欧式距离表示分支度量。如设接收到的码字为r＝{r₀，r₁Λ，v_n-1}，期望码字为v＝{v₀，v₁Λ，v_n-1}，则表示分支度量的欧式距离如下：

$d_E(r,v)=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(r_i-v_i)}^2}$

如若用3比特软判决，1量化为7(111)，0量化为0(000)，则分支期望码字v＝{1，0}时，v＝{10}＝{7，0}，设接收序列r＝{5(101)，4(100)}，则可得分支度量为：

$d_E(r,v)=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(r_i-v_i)}^2}=\sqrt{{(5-7)}^2+{(4-0)}^2}=\sqrt{20}$

所有编码路径中分支度量和最小的为最优路径，所述的最优分支选择模块4-3在每一时刻，把进入同一状态的各分支度量值和其相关最优路径度量值相加，选择这一时刻中分支度量和最小的作为当前状态的最优路径。如此往复，直到编码路径的终点。

最后所述的最优路径管理模块4-4在每一时刻存储最优分支选择模块4-3的每一状态的最优路径信息，这些信息应包括当前最优路径的分各分支度量值的和以及当前状态的前一状态，直到编码路径的终点，选择其中一条合适的最优路径，根据最优路径信息中记录的各个状态的前一状态及状态转换图，便可确定译码输出。参考图9，如若当前状态为(10)，且最优路径信息中记录此状态的前一状态为(01)，则可由状态转移图确定译码输出为1，因为由图9所述状态转移图可知只有当输入为1时，状态(01)才转换为状态(10)。

Claims (6)

1.一种用于高密度光盘存储系统的基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器，其特征在于该数据接收器由自由时钟采样模块(1)、变参数自适应信号调理模块(2)、时钟恢复模块(3)、自适应最大似然译码模块(4)和目标响应选择模块(5)构成，上述各模块的连接关系如下：

所述的自由时钟采样模块(1)的输出端接所述的变参数自适应信号调理模块(2)的第一输入端，所述的变参数自适应调理模块(2)的输出端接所述的时钟恢复模块(3)的第一输入端，该时钟恢复模块(3)的输出端分别接所述的自适应最大似然译码模块(4)的输入端和所述的变参数自适应信号调理模块(2)第二输入端，所述的自适应最大似然译码模块(4)的输出端还分别接所述的时钟恢复模块(3)的第二输入端和变参数自适应信号调理模块(2)第四输入端，所述的目标响应选择模块(5)的输出端分别接所述的变参数自适应信号调理模块(2)的第三输入端和所述的时钟恢复模块(3)的第三输入端。

2.根据权利要求1所述的数据接收器，其特征在于所述的自由时钟采样模块(1)由时钟生成模块(1-1)和采样模块(1-2)组成，所述的时钟生成模块(1-1)的输出端连接到所述的采样模块(1-2)的第二输入端，该采样模块(1-2)的第一输入端即为自由时钟采样模块(1)的输入端，该采样模块(1-2)的输出端即为自由时钟采样模块(1)的输出端。

3.根据权利要求1所述的数据接收器，其特征在于所述的变参数自适应信号调理模块(2)由期望输出生成运模块(2-1)、误差产生模块(2-2)、增量运算模块(2-3)、参数自适应调整模块(2-4)、信号调理向量生成模块(2-5)、零阶保持模块(2-6)和数据处理模块(2-7)构成，其连接关系如下：

所述的期望输出生成模块(2-1)的两个输入端即为本变参数自适应信号调理模块(2)的第三、第四输入端，期望输出生成模块(2-1)的输出端分别接所述的误差产生模块(2-2)第一输入端、所述的增量产生模块(2-3)第一输入端和所述的参数自适应调整模块(2-4)第一输入端，所述的误差产生模块(2-2)的第二输入端即为本变参数自适应信号调理模块(2)的第二输入端，该误差产生模块(2-2)的输出端分别连接所述的增量产生模块(2-3)的第二输入端和参数自适应调整模块(2-4)的第二输入端，所述的参数自适应调整模块(2-4)的输出端接所述的增量运算模块(2-3)第三输入端，所述的增量运算模块(2-3)的输出端接所述的信号调理向量生成模块(2-5)，该信号调理向量生成模块(2-5)的输出端接所述的零阶保持模块(2-6)的输入端，该零阶保持模块(2-6)的输出端接所述的数据处理模块(2-7)的第二输入端，该数据处理模块(2-7)的第一输入端即本变参数自适应信号调理模块(2)的第一输入端，该数据处理模块(2-7)的输出端即为本变参数自适应信号调理模块(2)的输出端。

4.根据权利要求1所述的数据接收器，其特征在于所述的时钟恢复模块(3)由数字插值模块(3-1)、误差产生模块(3-2)、时域误差检测模块(3-3)、环路滤波模块(3-4)，数控振荡模块(3-5)和期望输出生成模块(3-6)构成，各模块连接关系如下：

所述的期望输出生成模块(3-6)的两个输入端分别为本时钟恢复模块(3)的第二、第三输入端，该期望输出生成模块(3-6)的输出端接所述的误差检测模块(3-2)的第二输入端，所述的数值插值模块(3-1)第一输入端即为本时钟恢复模块(3)的输入端，该数值插值模块(3-1)的输出端即为为本时钟恢复模块(3)的输出端，该数值插值模块(3-1)的输出端还接所述的误差产生模块(3-2)的第一输入端，该误差检测模块(3-2)的输出端接到所述的时域误差检测模块(3-3)，该时域误差检测模块(3-3)的输出端接到所述的环路滤波模块(3-4)，该环路滤波模块(3-4)的输出端接所述的数控振荡模块(3-5)，该数控振荡模块(3-5)的第一输出端和第二输出端连接所述的数字插值模块(3-1)的第二、第三输入端。

5.根据权利要求1所述的数据接收器，其特征在于所述的自适应最大似然译码模块(4)由第二目标响应选择模块(4-1)、分支度量计算模块(4-2)、最优分支选择模块(4-3)和最优路径管理模块(4-4)组成，其连接关系如下：

所述的第二目标响应选择模块(4-1)的输出端接所述的分支度量计算模块(4-2)的第二输入端，该分支度量计算模块(4-2)的第一输入端即为本自适应最大似然译码模块(4)的输入端，该分支度量计算模块(4-2)的输出端接所述的最优分支选择模块(4-3)，该最优分支选择模块(4-3)的输出端接所述的最优路径管理模块(4-4)，该最优路径管理模块(4-4)的输出端即为本自适应最大似然译码模块(4)的输出端。

6.一种基于自由时钟采样的变参数自适应PRML数据接收器的数据处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)、所述的目标响应选择模块(5)选择相应的目标响应P输入所述的变参数自适应信号调理模块(2)和时钟恢复模块(3)；

2)、所述的自由时钟采样模块(1)根据自由时钟(1-1)提供的采样频率f_s对输入的信号频率为f的模拟传输信号r(t)进行自由时钟采样形成数字数据r(n)，向所述的变参数自适应信号调理模块(2)输出，其中f_s＝(1～2)f；

3)、所述的变参数自适应信号调理模块(2)对输入的数字数据r(n)进行信号调理，输出调理后的信号x(n)，包括下列步骤：

①由所述的期望输出生成模块(2-1)将所述的目标响应选择模块(5)输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块(4)输入的a(k)进行卷积运算产生目标响应输出d(k)，将该目标响应输出d(k)分别输入所述的误差产生模块(2-2)、所述的增量产生模块(2-3)和所述的参数自适应调整模块(2-4)；

②所述的误差产生模块(2-2)对所述的目标响应输出d(k)和所述的时钟恢复模块(3)的输出信号y(k)计算响应误差e(k)，e(k)＝d(k)-y(k)，分别输入所述的参数自适应调整模块(2-4)和所述的增量产生模块(2-3)；

③所述的参数自适应调整模块(2-4)根据输入的d(k)和e(k)及步长调理参量α和β按下列公式计算出调整步长μ并输入所述的信号调理生成模块(2-5)，μ＝β·α·tan(α·|e(k)·d(k-i)|)，0≤i＜N，其中N为调理向量阶数；

④所述的增量运算模块(2-3)根据输入的调整步长μ、d(k)和e(k)计算出信号调理向量增量Δ(k)，Δ(k，i)＝μ·e(k)·d(k-i)，0≤i＜N；

⑤所述的信号调理生成模块(2-5)利用所述的Δ(k)经运算得到下一时刻的信号调理向量W(k+1)，w(k+1，i)＝w(k，i)+Δ(k，i)，0≤i＜N；

⑥所述的W(k+1)经所述的零阶保持模块(2-6)得到信号调理向量W(n+1)；

⑦最后数据处理模块(2-7)利用所述的信号调理向量W(n+1)对所述的自由时钟采样模块(1)输入的数字数据r(n)进行调理，获得调理后的信号x(n)，

其中N为调理向量阶数，并向所述的时钟恢复模块(3)输入；

4)、时钟恢复模块(3)对调理后的信号x(n)进行时钟同步恢复，生成时钟同步恢复信号y(k)，包括下列步骤：

①所述的期望输出生成模块(3-6)将所述的目标响应选择模块(5)输入的目标响应P和自适应最大似然译码模块(4)输入的a(k)进行卷积运算获得期望值y’(k)，

并将其输入所述的误差产生模块(3-2)；

②所述的误差产生模块(3-2)将所述的期望值y’(k)和本时钟恢复模块(3)输出的时钟同步恢复信号y(k)计算误差信号et(k)，et(k)＝y(k)-y’(k)，并输入所述的时域误差检测模块(3-3)；

③误差信号et(k)经所述的时域误差检测模块(3-3)产生时域误差信号χ(k)，χ(k)＝et(k)·(y’(k+1)-y’(k-1))；

④所述的时域误差信号χ(k)经过所述的环路滤波模块(3-4)产生控制信号Δu(k)，该控制信号Δu(k)输入所述的数控振荡模块(3-5)；

⑤所述的数控振荡模块(3-5)由误差累积模块(3-5-1)和控制参量生成模块(3-5-2)构成，所述的误差累积模块(3-5-1)为一个一阶数字积分器，其系统函数为H(z)＝1-z^-1；系统函数定义为输出的Z变换与输入的Z变换的比值，即：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\τ}\left(k\right)z^{-k}}{\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ\μ}\left(k\right)z^{-k}}=1-z^{-1}$

所述的控制参量生成模块(3-5-2)生成控制参量m(k)，u(k)：

T_s＝1/f_s

T＝1/f

$u\left(k\right)=((u(k-1)+\frac{T}{T_s}[1-(\mathrm{\τ}\left(k\right)-\mathrm{\τ}(k-1))\left]\right)\mathrm{mod}1$

其中

的值为取小于x的最大整数；

⑥所述的m(k)，u(k)输入并控制所述的数字插值模块(3-1)的参量c(u(k)，i)对数据进行时钟恢复插值，即：

$c(u\left(k\right),i)=\left\{\begin{array}{c}\frac{u\left(k\right)(u^2\left(k\right)-1)\left(u^2\left(k\right)4\right)}{120}.i=-3\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},i=-2\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)+1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=-1\\ \frac{-(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)(u^2\left(k\right)-4)}{12},i=0\\ \frac{u\left(k\right)(u\left(k\right)-1)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-4)}{24},1=1\\ \frac{-u\left(k\right)(u\left(k\right)-2)(u\left(k\right)-3)(u^2\left(k\right)-1)}{120},i=2\end{array}\right.$

生成时钟同步恢复信号y(k)，

5)、所述的自适应最大似然译码模块(4)对由所述的时钟恢复模块(3)的输出时钟同步恢复信号y(k)进行译码，获得译码a(k)，包括下列步骤：

①所述的目标响应选择模块(4-1)选择相应的目标响应p输入所述的分支度量计算模块(4-2)，该分支度量计算模块(4-2)对由时钟恢复模块(3)输入的信号y(k)数据进行各分支度量计算；

②所述的最优分支选择模块(4-3)在每一时刻，把进入同一状态的各分支度量值和其相关最优路径度量值相加，选择其中最小的作为当前状态的最优路径；

③所述的最优路径管理模块(4-4)在每一时刻存储最优分支选择模块的每一时刻的最优路径信息，并通过这些最优路径信息得到每个状态的最优路径，选择其中一条合适的最优路径，输出译码a(k)。

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