CN1289120A - 用于掩膜光盘读出信号的自适应限幅均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于高密度数字光存储技术领域,包括获取原始HF信号的信号分辨度获取单元,从信号中获取特征量的均衡器参数计算单元和对读出信号的均衡补偿的限幅均衡环节单元三个单元,它能够自适应补偿由光学传递函数变化而引起的不同频率分量幅值的变化。同时克服了码间干扰,提高了信噪比。是实现超分辨掩膜光盘有效读取的关键技术。

Description

用于掩膜光盘读出信号的自适应限幅均衡器

本发明属于高密度数字光存储技术领域，特别涉及用于掩膜光盘读出信号的均衡器的结构设计。

运用超分辨掩膜实现超过光斑尺寸极限的高密度存储是实现高密光存储的重要方向之一。它的结构如图1所示，是在通常的只读光盘的反射层2与盘基4之间加如一层超分辨掩膜层3，而其它部分如保护层1，反射层和盘基都与普通的光盘相同。掩膜层的材料在入射光6达到一定曝光量的情况下透射率明显提高，从而在在照射区域内形成一个小于照射光斑的有效光斑，是一有效光斑要小于有入射光波长和物镜5所决定的衍射极限，从而实现超分辨存储。与普通只读光盘不同的是，由于掩膜层中形成的光斑是与入射光区域内的曝光量相关的，所以系统的光学幅值传递函数将不再是一个定值。带有掩膜光盘的光学传递函数(MTF)与光盘转速和入射光功率都有关，如图2和图3所示，图中，纵坐标光学传递函数，无单位；横坐为标切向空间频率(fx)，单位是NA/λ，粗线表示普通只读光盘的光学传递函数，而其它曲线则表示不同转速和入射光功率下掩膜光盘的光学传递函数。从中可以看出，掩膜光盘的空间截止频率要高于普通的只读光盘，这正是掩膜层的超分辨作用，但同时可以看出，由于掩膜的存在使得空间传递函数不再是一个定值。这就要求后续处理电路要能自适应对信号进行补偿。

光存储系统中的后续补偿电路中主要是使用均衡器来补偿光学系统的具有低通特性的光学传递函数，来提高信噪比。目前，由于普通的只读光盘的光学传递函数为一个定值，所以使用的均衡器为固定的余弦均衡器。余弦均衡器的原理框图如图4所示。均衡器中的前置放大器A1主要是用于隔离信号，其输出阻抗等于延迟线的浪涌阻抗。延迟线将信号延迟时间τ，而比例放大器A2则确定了均衡的幅值。则输出幅值包络归一化为，A(ω)=1-2acosωτ                          (1)同时也可通过数字余弦均衡器来实现，数字余弦均衡器传递函数的表达式为：H(z)=1-k(z^-2+z²)                   (2)

式中表示的单位延迟为光盘编码中的一个时钟周期T。图5表示了余弦均衡器的作用原理。图中的实线为普通只读光盘的光学传递函数MTF和虚线为余弦均衡器的幅值传递函数，点划线为两者结合后的系统传递函数。图中横坐标为频率，由 $\frac{\mathrm{Na}\·\mathrm{\ν}}{\mathrm{\λ}}$ 进行了归一化。可见，经过余弦均衡器均衡补偿后的系统传递函数在工作频段 ${0.3}^{~}1.0\frac{\mathrm{Na}\·\mathrm{\ν}}{\mathrm{\λ}}$ 内的幅值特性接近水平线，这样提高了信噪比。

但带有超分辨掩膜的光盘中，由于掩膜引起的光学传递函数的变化使得这种固定的余弦均衡器不再适用。首先是余弦均衡器不具备自适应特性，无法满足补偿掩膜光盘变化的光学传递函数的要求。此外，余弦均衡器将会引起码间干扰，特别是当其均衡度增大的时候。所谓码间干扰是指由于系统的幅、相频特性等影响，使得收端判决时，数据受前后数码的影响。具体到光盘播放器中的余弦均衡器，其工作原理如图6所示。图6(a)为盘片上不同的坑点图案被光学头读取，而生成再生HF信号如图6(b)所示，经过采样，由余弦均衡器依据式2实现均衡如图6(c)所示。假设均衡前的信号不存在码间干扰，即在过“0”(切割电平)时，为理想判决点。在在余弦均衡器中，x(n-2)和x(n+2)的值乘于-k后加在x(n)上而获取输出z(n)。由于MTF的影响，不同扫描长度的信号幅值不同。这样在过“0”点两边的码的扫描长度不同，x(n-2)和x(n+2)的绝对值不相等的情况下，z(n)值将偏离“0”点。这样，在判断时必然产生码间干扰。同时对于不同均衡器参数k，码间干扰的程度不同且随均衡度的提高码间干扰明显增大。由于在码间干扰和介质噪声共同影响下将会产生较大的误码，作为掩膜光盘的自适应均衡器需要处理这个问题。由此可见，目前的余弦均衡无法满足掩膜光盘读出信号的均衡。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种可自适应调整和消除码间干扰的均衡器，使其能适应光致变色掩膜光盘在工作时光学传递函数不断变化的情况。同时克服了码间干扰，提高了信噪比。满足了超分辨掩膜光盘有效读取的要求。

本发明提出的一种用于掩膜光盘读出信号的自适应限幅均衡器，其特征在于，包括获取原始HF信号的信号分辨度获取单元，从信号中获取特征量的均衡器参数计算单元和对读出信号的均衡补偿的限幅均衡环节单元三个单元，所说的信号分辨度获取单元与所说的均衡器参数计算单元相连，所说的限幅均衡环节单元与所说的均衡器参数计算单元相连。

所说的信号分辨度获取单元可由一个高通滤波器和两个鉴幅器构成，其中一个鉴幅器的输入端连于所说的高通滤波器的输出端，另一个鉴幅器所输入端直接获取原始HF信号，该两个鉴幅器的输出端同时与所说的均衡器参数计算单元相连。

所说的均衡环节参数计算单元可由数字信号处理器及存储在其中的预先依据相应算法编制的程序构成。

所说的限幅均衡环节单元可由一个限幅器和与其相连的一个5阶的偶对称FIR滤波器组成。

所说的限幅均衡环节单元与均衡环节参数计算单元均可由数字信号处理器及存储在其中的预先依据相应算法编制的程序构成。

本发明的自适应限幅均衡器的结构如图7所示。其中限幅均衡环节单元是此均衡器的核心单元，它完成对读出信号的均衡补偿。而信号分辨率获取单元Ⅰ和均衡器参数计算单元Ⅱ构成一个前馈通路，用以从信号中获取特征量并以此来改变限幅器的参数来实现自适应。因此，此系统对于掩膜盘片的读出信号(HF信号)，可以实时获取信号分辨度并获取这种均衡度下需的均衡器参数，进而调整均衡器的参数使获得理想的均衡效果。

下面分别说明各单元的组成及工作原理：

限幅均衡环节单元

本发明采用限幅均衡环节是为了克服码间干扰。该限幅均衡环节可由一个限幅器和与其相连的一个5阶的偶对称FIR滤波器组成，其结构如图8所示。其工作原理为：该FIR滤波器的系数为(-k,k,l，k,-k)。输入信号为x(n)，同样对x(n)进行限幅，限幅的阈值小于或等于3T信号的幅值，而获取另一序列y(n)。这样限幅均衡器的输出信号可以表示为：z(n)=x(n)-k[y(n-2)-y(n-1)-y(n+1)+y(n+2)]=x(n)-k{Limit[x(n-2)]-Limit[x(n-1)]-            (3)Limit[x(n+1)]+Limit[x(n+2)]}式中x(n)为输入信号，y(n)为限幅后的输入信号，z(n)为输出信号，k为均衡器参数，Limit[x(n)]为x(n)的限幅信号。由于位于“0”电平上点的x(n-2)和x(n-1)以及x(n+1)和x(n+2)处于相同的扫描长度的相同的半周期内，所以有：Limit[x(n-2)]=Limit[x(n-1)]               (4)Limit[x(n+2)]=Limit[x(n+1)]这样，由于在过“0”点处，(4)式总是满足，因此不会产生附加的码间干扰。这种限幅均衡环节单元的工作原理如图9所示，限幅的幅值为光盘读出信号中最高频率分量的幅值。从图中可以看出，由于对称的处理，过零点处不会产生码问干扰。

信号分辨度获取单元和均衡环节参数计算单元

如前所述，信号分辨度获取单元和均衡环节参数计算单元这两个单元共同构成一个前馈通道，用以改变均衡环节的参数。信号分辨度获取单元由一个高通滤波器和两个鉴幅器构成，均衡环节参数计算单元由数字信号处理器(DSP)依据相应算法构成。其工作原理为：原始HF信号现经过高通滤波器，高通的截止频率设在3T与4T之间，这样可以获取3T的信号。对这个信号进行鉴幅便可得到3T信号的幅值I3。另一路直接对HF信号进行鉴幅，由于11T信号的幅值是HF信号中所有频率分量中的最高值。因此，直接对HF信号鉴幅就可获得11T信号的幅值I11。将两个幅值信号相除就可以获得这个信号的分辨度Reso。由分辨度计算出所需的均衡器参数k，进入限幅均衡环节进行均衡，这样便可实现自适应均衡。

对于本发明的限幅均衡器，在3T信号频率上，均衡器的幅值就是其中5阶FIR滤波器的在这一频率上的幅值。限幅均衡器中的5阶FIR的传递函数为：H(ω)=1+k(e^-jω+e^jω)-k(e^-j2ω+e^j2ω)=1+2kcos(ω)-2kcos(2ω)    (5)对于11T信号，由于幅值高，周期长，其波峰和波谷时，(4)式也满足，因此在11T信号的频率上均衡器的放大倍数恒为1，由此可以求出这种均衡器的均衡度为： $M_e=\frac{H\left({\mathrm{\ω}}_{3T}\right)}{H\left({\mathrm{\ω}}_{11T}\right)}=\frac{1+2k\cos \left({\mathrm{\ω}}_{3T}\right)-2k\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{3T}\right)}{1}=1+2k------\left(6\right)$

可得出限幅均衡器参数k与信号的分辨度Reso之间的关系 $k=\frac{1-\mathrm{Reso}}{2\mathrm{Reso}}------\left(7\right)$

(7)式便是此均衡器的均衡参数算法。

本发明具有如下特点及有益的效果：

本发明主要是一种适应于掩膜光盘的自适应均衡器，其要点为自适应结构和限幅均衡环节。为了实现自适应，就需要从光盘读出信号中获取所需的参量。由于目前光盘采用八-十四调制(EFM)。光盘的读出信号(一般被称为HF信号)最高频率为半周期3T的信号，而最低频率为半周期为11T的信号。由MTF的低通特性可知，在光盘读出信号中3T信号的幅值最小而11T信号的幅值最大，而其它频率分量的幅值都在这两者之间。所以只要对于3T和11T幅值进行有效均衡，其它幅值也相应满足。在光盘标准中，HF信号中的3T/11T被称为信号的分辨度。故可以通过获取HF信号的分辨度对均衡器参数进行自适应调整，实现自适应均衡。

本发明运用变功率刻录的CD-R光盘模拟出不同分辨度的光盘读出信号。并用这种自适应限幅均衡器进行均衡实验。获取的HF信号具有不同的信号分辨度，并通过(7)式获取了均衡的参数k，如表1所示

    表1实验信号分辨度和均衡器参数

信号编号	信号分辨度	限幅均衡器参数k
			A	0.8083	0.1186
B	0.7378	0.1777
			C	0.6113	0.3179

对于此三个信号进行均衡实验。图10～12为这三个信号均衡结果对比图，其中图10(a)、图11(a)和图12(a)为这三个具有不同分辨度的原始信号，而图10(b)、图11(b)和图12(b)则是这三个信号通过自适应限幅均衡器后的信号。从实验结果可见，虽然原始信号的分辨度不同，(其中A信号有较高分辨度，而C信号的分辨度则较低)，但经过自适应均衡器之后，信号的高频成分都得到适当的放大，使均衡后的信号分辨度在1附近，即信号中不同频率分量的信号幅值大致相等。因此，这种均衡器对于不同分辨度的光盘读出信号(HF信号)都能有效的进行均衡，提高信号的信噪比。

附图简要说明：

图1为超分辨掩膜光盘盘片结构示意图。

图2为掩膜光盘fx方向上的MTF与盘片转速的关系图。

图3为掩膜光盘fx方向上的MTF与入射光功率的关系图。

图4为已有的余弦均衡器示意图。

图5为余弦均衡器对MTF的均衡示意图。

图6为余弦均衡器工作原理示意图。

图7为本发明的自适应限幅均衡器结构示意图。

图8为本发明的限幅均衡环节的组成框图。

图9为本发明的限幅均衡环节工作示意图。

图10为本发明对A信号均衡结果对比信号图。

图11为本发明对B信号均衡结果对比信号图。

图12为本发明对C信号均衡结果对比信号图。

图13为本发明的实施例采用的四阶高通巴特沃斯滤波器电路原理图。

图14为图13中的四阶巴特沃斯高通滤波器的幅频和相频图。

图15模拟高通滤波器实测信号

图16为本发明的实施例采用的鉴幅电路原理图。

本发明用于掩膜光盘读出信号的自适应限幅均衡器实施例结合附图详细说明如下：

本发明的自适应限幅均衡器的实施例结构是由信号分辨度获取单元Ⅰ，均衡器参数计算单元Ⅱ和限幅均衡环节单元组成，如图7所示。其中，本实施例的均衡环节参数计算单元和限幅均衡环节单元都是在信号采样和数字化后进行，由于算法比较简明，依据上面给出的公式，在一个数字信号处理器(DSP)中实现。信号分辨度获取单元为模拟电路，由高通和鉴幅两个环节组成。本实施例的高通环节选用通用4阶巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器，截止频率为700Hz，约为3.1T的信号。具体电路结构和参数如图13所示，图中阻容参数为：电容值均为200pF，R₅₀₂=1.05K，R₅₀₈=1.23K，R₅₀₃=1.49K，R₅₀₉=0.869K，其余阻值为10K。此电路的幅频和相频特性如图14所示。图15为实际HF信号通过这个高通电路的实验结果，图中“1”路信号为原始HF信号；“2”路信号为通过高通环节后的HF信号。从中可以看出，高通环节对于频率小于3T信号的分量有较强的抑制作用，而对3T信号则没有抑制，从而保证了后续电路正确的检测出13幅值。经滤波的HF信号和原始的HF信号都经由鉴幅电路获取3T和11T信号的正负峰值，并由此获取I3和I11的的值。本实施例的鉴幅电路采用通用的鉴幅电路，由二级管和运算放大器构成的单向峰值检测和阻容幅值保持电路组成，电路如图16所示。

在获取I3和I11的正负峰值后，可通过AD采样获取相应的数值，经过运算获取信号的分辨度，并进而有DSP芯片得出自适应均衡器的参数k，实现均衡的自适应。

Claims (5)

1、一种用于掩膜光盘读出信号的自适应限幅均衡器，其特征在于，包括获取原始HF信号的信号分辨度获取单元，从信号中获取特征量的均衡器参数计算单元和对读出信号的均衡补偿的限幅均衡环节单元三个单元，所说的信号分辨度获取单元与所说的均衡器参数计算单元相连，所说的限幅均衡环节单元与所说的均衡器参数计算单元相连。

2、如权利要求1所述的自适应限幅均衡器，其特征在于，所说的信号分辨度获取单元由一个高通滤波器和两个鉴幅器构成，其中一个鉴幅器的输入端连于所说的高通滤波器的输出端，另一个鉴幅器所输入端直接获取原始HF信号，陔两个鉴幅器的输出端同时与所说的均衡器参数计算单元相连。

3、如权利要求1所述的自适应限幅均衡器，其特征在于，所说的均衡环节参数计算单元由数字信号处理器及存储在其中的预先依据相应算法编制的程序构成。

4、如权利要求1所述的自适应限幅均衡器，其特征在于，所说的限幅均衡环节单元由一个限幅器和与其相连的一个5阶的偶对称FIR滤波器组成。

5、如权利要求1所述的自适应限幅均衡器，其特征在于，所说的限幅均衡环节单元与均衡环节参数计算单元均由数字信号处理器及存储在其中的预先依据相应算法编制的程序构成。

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