CN1553450A - 用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法 - Google Patents

Abstract

用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法，其特征在于：它采用了由现场可编程门阵列FPGA制成的编码器，基于有限状态图的状态切分与合并方法，把3比特的用户数据映射为2比特的8阶通道数据。这种映射关系固化在编码器的ROM只读存储器中，一旦有用户数据输入到编码器中，先进入数据缓存器中，再每3比特一组进入ROM只读存储器，映射成所述的通道序列。编码器的码率R＝3/2，编码后的字符序列中包含字符‘0’，‘1’，‘2’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’和‘7’。在连续的非零字符之间至少有1个‘0’，最多有2个‘0’。它具有编码器/解码器易于实现，编码效率高，代码密度高的优点，用于光致变色多阶光存储中，可获得两至三倍于现有方法的光存储容量及传输速率。

Description

用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法

技术领域

用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法属于光存储的技术领域，尤其涉及光致变色多阶光存储技术领域。

背景技术

信息技术的高速发展对光存储系统的容量和数据传输率提出了越来越高的要求。传统的光存储受到光学衍射极限的限制，采用缩短激光波长和增大数值孔径的方法来提高存储密度是十分有限的，因而一些新型技术如多阶存储得到广泛研究。多阶存储是在不改变光学数值孔径的情况下，显著提高存储容量和数据传输率的一种新型技术。

多阶存储的概念是相对二值存储而提出的。现有的数字光盘产品都是将信息转换成二进制数，并将二进制数据以某种调制方式与存储介质记录斑的两种不同物理状态相对应，实现存储。如现有的只读光盘存储就是将二进制数据流经调制转换成盘基坑岸的交替变化，以坑岸的长度记录信息，我们将这类存储方式称为二值存储。如果将数据流调制成M进制数据(M＞2)，将其调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应，即可实现M阶存储。如，将M进制数据流经调制转换成盘基M种不同坑深的变化，即可实现M阶坑深存储。多阶存储在一个信息记录斑的位置上可以存储log₂(M)比特数据，因此随着M的增加，存储容量呈对数增长。

清华大学光盘国家工程研究中心提出了光致变色多阶光存储的技术路线。光致变色现象是指，某些单一化合物或络合物A在受到一定波长的光照后，形成结构不同的另一化合物B；当用另一波长的光照射或加热时，又能恢复到原来的结构，如下图所示，其中hv₁与hv₂表示光能量，

表示加热。

光致变色材料两种分子结构的相互转换可以用于实现二值存储。并且，光致变色材料如果采用不同的光能量写入，读出时则具有不同的吸收率。光致变色材料可以随写入光曝光量的不同而改变对读出光的吸收，并且这个吸收率随曝光量变化的规律具有连续性，从而可以实现多阶存储。即利用不同的吸收率对应着不同的存储阶次。准动态的多阶实验表明，利用光致变色材料可以得到8阶的幅值调制记录结果，且具有较高的信噪比。如图1所示，各个高低不同的峰值是扫描光致变色记录点的电压信号，该信号正比于该记录点的反射率。可以看出，加上零值(即没有峰值的地方)，一共有8种不同的反射率，各信号峰值之间有明显的阶次变化，且信号之间没有交叠现象。这样不同的反射率对应不同的阶次，即可实现光致变色的多阶光存储。

光致变色多阶光存储是极有应用前景的下一代高密度光盘存储技术方案，本发明就是为光致变色多阶光存储设计一种游程长度调制编码方法。这涉及到记录系统的信道编码的方法和理论。在光盘、磁盘、磁带等记录系统中，信道编码通常分为两步完成：纠错编码和调制编码。在纠错编码中，纠错控制通过在传递的信息中添加额外的数据来实现。这些额外的数据使得信息的接收者有能力纠正传递的信息中可能包含的错误。

在调制编码中，输入数据被转换为另外的序列，该序列的性质满足记录设备特定的“物理本质特性”。被记录序列必须对自身的特性进行转换，以适应实际可用信道的物理特征，即信道约束。例如在光存储中，‘1’被表示为坑，而‘0’被表示为‘岸’。由于物理上的原因，这些‘坑’或者‘岸’的长度既不能太长，也不能太短。因此，只有那些满足游程长度受限(Runlength Limited)约束的消息才能被记录。

游程长度受限编码(Run Length Limited)是指光盘(或磁盘)所存储的通道序列满足以下条件：在该序列的两个‘1’之间最少有d个‘0’，最多有k个‘0’。d和k这两个参数分别规定了可能出现在序列中的最小和最大的游程。参数d控制着最高传输频率，因此可能影响序列通过带限信道传输时的码间串扰。在二进制数据传输中，通常希望接收到的信号是能够自同步的。同步通常利用一个锁相环来再现。锁相环依照接收到的波形的跳变来调整检测时刻的相位。最大游程参数k确保适当的跳变频率以满足读取时钟同步的需要。

RLL编码在光存储中得到了最普遍的应用。比如用于CD的EFM编码(rate＝8/17，d＝2，k＝10)和用于DVD的EFM+编码(rate＝8/16，d＝2，k＝10)。

本发明提出的是用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码方法，这是一种8阶的游程长度受限码，参数d＝1，k＝2。即在编码后的字符序列中，连续的非零字符之间至少有1个‘0’，最多有2个‘0’。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码密度大，实现方式简单的用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码方法。该编码方法采用了经典的状态切分与合并算法，编码器用两状态的有限状态转移图来表示，码率为R＝3/2，编码效率为93.3％，代码密度高达3.0比特每最小记录符长度，远远大于传统光存储中的调制编码的代码密度。

本发明的特征在于：它采用了把3比特的用户数据转换为2比特的8阶通道数据的编码器，其码率R＝3/2。在编码后的字符序列中包含字符‘0’，‘1’，‘2’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’和‘7’。在连续的非零字符之间至少有1个‘0’，即d＝1，最多有2个‘0’，即k＝2，它依次含有以下步骤：

1)把3比特用户数据与2比特通道数据的映射关系作为编码表的内容固化在用现场可编程门阵列FPGA制成的编码器的ROM只读存储器中；

2)把用户数据输入到所述编码器的数据缓存器中；

3)把所述用户数据每3比特一组作为地址信号输入所述ROM只读存储器中；

4)所述ROM只读存储器根据地址信号输入，查询编码表中对应的映射关系，输出编码后的8阶2比特通道数据；

5)所述的2比特通道数据经过不可逆反转归零的波形变换电路转为激光功率控制电压，该电压正比于8种不同的激光功率。

6)激光功率控制电路在所述激光功率控制电压作用下，发出光能量不同的激光。

7)不同光能量的激光在不同时刻下作用在光致变色材料上形成光盘上的多阶记录符。

根据上述权利要求的用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法，其特征在于：所述的编码方法是根据经典的有限状态图的状态切分与合并方法构造的。

本发明提出的游程长度受限编码方法，其编码器与解码器易于实现，且具有较高的编码效率与代码密度，可应用于光致变色多阶高密度光存储的调制编码设计，对于其它多阶光存储的调制编码设计也有很好的借鉴作用。本发明与现有编码方法的比较见表1：

                         表1

编码(d，k)	码率R	效率R/C	代码密度(比特/Tmin)
				EFM	8/17	86.9％	1.41
EFMPlus	8/16	92.3％	1.50
				RLL(1，7)	2/3	98.1％	1.33
8-ary(1，2)	3/2	93.3％	3.0

附图说明

图1光致变色多阶光存储的8阶实验结果图。

图2游程长度受限编码的有限状态转移图。

图3两步的有限状态转移图。

图4合并状态后的有限状态转移图。

图5多阶编码器的工作流程示意图：a为流程图，b为编码过程示意图。

图6本发明所述编码器的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

在调制编码过程中，编码器的任务是把(二进制的)用户数据转换为符合给定信道限制的序列。平均地说，m个二进制用户数据码元被转换为n个二进制信道码元。由m与n的商R＝m/n来衡量调制码的效率，其中R称为信息速率，或者简称为码率。对给定输入限制的信道，其最大码率通常称为输入受限无噪声信道的香农容量，或简称为容量。

根据香容关于无噪声离散信道容量的计算公式，可得到RLL调制码的最大码率计算公式：

                            C(d，k)＝log₂λ

其中λ为下面方程的最大正实根：

                            x^k+2-x^k+1-x^k+1-d+1＝0

同时λ也是对应的状态转移矩阵的最大特征值。根据香容的编码理论，当一个受限码的码率为有理数且不大于最大码率时，必有一个有限状态编码器与之对应。p位用户数据经编码逻辑运算产生q位信道码，同时编码器也从一个内部状态转移到另一个内部状态，然后处理下一组p位用户数据。有限状态编码器状态数为一有限值，状态数越多编码器越为复杂。有限状态编码器的工作是状态依靠的，其代码输出仅取决于当前编码器状态，以及当前的输入代码。

本发明利用香容的编码理论，根据有限状态转移图来构造编码器。本发明提出的游程长度受限码，其参数d＝1，k＝2。即在编码后的字符序列中，连续的非零字符之间至少有1个‘0’字符，最多有2个‘0’字符。并且这种编码是8阶的，即在编码后的字符序列中包括8种字符：‘0’，‘1’，‘2’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’，‘7’。其编码表见表2：

                       表2

用户数据	通道数据	用户数据	通道数据
				000	x0	100	04
001	01	101	05
				010	02	110	06
011	03	111	07

本发明提出的8阶(1，2)游程长度受限编码，其编码器的硬件实现采用FPGA电路与逻辑控制，利用ROM只读存储器，将编码表的内容固化在存储器中。用户的数据输入先进入数据缓存区，然后每3比特一组，作为地址信号输入ROM只读存储器中。ROM只读存储器根据地址信号输入，查询编码表的对应内容，输出编码后的通道数据。采用ROM只读存储器进行编码转换，是调制编码领域最为常用的一种方法。编码器的电路原理框图见图6。

图2是本发明提出的8阶(1，2)游程长度受限编码的初始的有限状态转移图。这里(1，2)是指游程长度限制条件为d＝1，k＝2。该有限状态转移图包含0、1、2三个状态，连接状态之间的箭头表明状态之间的转换，该转换过程产生一个符号，即箭头标签上的符号，并且状态转移到箭头所指向的下一个状态。由于编码是8阶的，因此状态转换过程中可以产生8种字符：‘0’，‘1’，‘2’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’，‘7’。由于受到游程长度的限制，因此状态0只能转换到状态1，并产生一个‘0’字符。状态1可以转换到状态2，并产生一个‘0’字符，或者转换到状态0，并产生一个非零的8阶字符。状态2只能转换到状态0，并产生一个非零的8阶字符。从某一个状态出发，沿着箭头所指方向一直进行状态转换，同时生成一个符号序列。可以看到，该有限状态转移图所生成的符号序列，恰好满足游程长度的d＝1，k＝2的限制要求。并且通过状态转换过程可以得到满足(1，2)游程长度限制条件的所有符号序列。

如图2所示的有限状态转移图，其对应的状态转移矩阵为

$T=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 7& 0& 1\\ 7& 0& 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，矩阵元素t_ij表明从状态i到状态j所能发出的不同字符数，i，j＝1，2，3。

对于本发明提出的8阶游程长度受限码，其容量C为：

                   C＝log₂λ_max＝1.6083(2)

其中λ_max为对应的状态转移矩阵T的最大特征值λ_max＝3.0489。

因此，选定p＝3，q＝2，码率R＝p/q＝3/2＜C，根据香农的编码理论，可以构造出码率为3/2的8阶游程长度受限码。编码效率为R/C＝93.3％。

图3是本发明提出的8阶(1，2)游程长度受限编码的两步有限状态转移图。由于8阶(1，2)编码采用p＝3，q＝2，即将3比特用户数据转换为2比特通道数据，我们将图2中的有限状态转移图扩展到2步，即每次发出2个连续字符，这样才能满足将每3比特用户数据转换成2比特通道数据的要求。

按照图2中的状态转移图，不改变状态数量，然后从每一个状态出发走两步，记录下所达到的新状态和所生成的2个符号，这样可以得到两步的有限状态图，如图3所示。

图4是图3经过状态合并后的有限状态转移图，也就是最后的用于构造编码表的状态转移图。图4是从图3变形而来的。可以看到，从图3中的状态2所出发的箭头，其生成的字符是10，20，30，40，50，60，70中的某一项，且箭头指向状态1。而从状态1所出发的箭头，有一部分也是回到了状态1，其生成的字符也是10，20，30，40，50，60，70中的某一项。因此根据状态合并的原则，图3中的状态1和2可以合并，从而得到了最后的有限状态转移图，如图4所示。该状态转移图具有2个状态，这也是所需要的最少状态数。在图4中，每个状态出发的边数大于或等于8条，而3比特的用户数据的排列组合共有8种组合方式：000，001，010，011，100，101，110，111。对于每一个状态，把这8种用户数据分配到8条边上，作为输入数据，而从该状态生成的2比特数据作为通道数据。这样可以构造出3比特用户数据与2比特通道数据的对映关系，即编码表。并且，所生成的符号序列满足d＝1，k＝2游程长度的要求，并且是8阶的。需要注意的是，这种3比特用户数据与2比特通道数据之间的对映关系的构建是任意的，可以有多种不同的搭配方式。

根据图4所示的有限状态转移图，可以构建出符合(1，2)游程长度限制的8阶调制编码的编码表，即将3比特用户数据输入与2比特通道数据输出对映起来，3比特用户数据一共有8种情况。根据构造好的编码表，在编码器的逻辑电路中进行程序设计，即可实现这一编码的数据转换过程。经过后续的信号处理，可将用户数据写入到光致变色光盘中。

如图5所示，为本发明所提出的多阶编码器的工作流程。多阶编码器接受用户的数据输入a2a1a0，经过逻辑电路的运算处理，得到编码器的输出b1b0。这个编码过程将3比特的用户数据a2a1a0转为2比特的通道数据b1b0，其码率为3/2。编码器的逻辑电路较为简单，利用FPGA工具进行电路和逻辑控制，按照编码表中的映射关系进行数据查询和转换。在编码过程中，用户输入数据流被切分成3比特一组的数据块，按照既定的编码表映射关系进行编码转换。编码后得到的通道数据b1b0经过波形变换(采用光存储中最为常用的不可逆反转归零方法)，然后控制激光器的脉冲强度和宽度。在不可逆反转归零转换中，‘0’符号表示没有电平的变化，非零符号表明产生一个不同电平之间的跳变。通过不同强度的电平来控制激光器的功率，将多阶数据写入光致变色光盘，得到盘片上的多阶记录符，完成数据的编码和写入过程。

实施例

通过实施例来具体介绍本发明的内容，但本发明内容不受限于实施例所述：

根据图4所示的有限状态转移图，我们构建了一种编码表，如表2所示，是一种符合d＝1，k＝2游程长度要求的8阶调制编码表。可以看出，在编码表中，每3比特的用户数据被转换为2比特的通道数据。其中x表示非零符号，是用来满足当通道数据相互连接时的游程长度受限要求。

对于表2所示的编码过程，其对应的解码过程很简单，只需要将接收到的2比特的码字去掉首位的‘0’字符，然后将余下的8阶字符转换为二进制的字符，即可实现解码过程，得到编码前的源字符。这个解码过程同样可以通过FPGA的电路和逻辑控制来实现。

例如，在图5所示的编码过程中，假设用户输入数据流为：001，010，100，101，000，011，111，110；经过编码器转换，其输出为：01，02，04，05，10，03，07，06。经过波形变换，最终数据被写入到光致变色光盘中，形成多阶的记录符。

在解码过程中，将接收到的码字首位‘0’去掉：1，2，4，5，0，3，7，6；

将余下字符转为3比特二进制：001，010，100，101，000，011，111，110。这即为最初的用户输入数据。解码过程同样可以通过简单的电路和逻辑控制来实现。

如表1所示，为本发明所提出的8阶(1，2)游程长度受限码与其它著名的编码方法的性能比较。其中EFM编码广泛应用于CD类光盘，EFMPlus应用在DVD光盘中，(1，7)编码用于下一代蓝光DVD光盘中。从表中的对比可以看出，本发明提出的8阶(1，2)游程长度受限码所能达到的代码密度(3.0比特/Tmin)远远高于普通二进制编码，且具有较高的93.3％的编码效率。由于本发明所提出的8阶(1，2)游程长度受限码具有高代码密度，高效率和易于实现的特点，将其应用在光致变色多阶光存储中，将获得两至三倍于普通光存储的容量及传输速率。

Claims (2)

1、用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法，其特征在于：它采用了把3比特的用户数据转换为2比特的8阶通道数据的编码器，其码率R＝3/2。在编码后的字符序列中包含字符‘0’，‘1’，‘2’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’和‘7’。在连续的非零字符之间至少有1个‘0’，即d＝1，最多有2个‘0’，即k＝2，它依次含有以下步骤：

1)把3比特用户数据与2比特通道数据的映射关系作为编码表的内容固化在用现场可编程门阵列FPGA制成的编码器的ROM只读存储器中；

2)把用户数据输入到所述编码器的数据缓存器中；

3)把所述用户数据每3比特一组作为地址信号输入所述ROM只读存储器中；

4)所述ROM只读存储器根据地址信号输入，查询编码表中对应的映射关系，输出编码后的8阶2比特通道数据；

5)所述的2比特通道数据经过不可逆反转归零的波形变换电路转为激光功率控制电压，该电压正比于8种不同的激光功率。

6)激光功率控制电路在所述激光功率控制电压作用下，发出光能量不同的激光。

7)不同光能量的激光在不同时刻下作用在光致变色材料上形成光盘上的多阶记录符。

2、根据权利要求1所述的用于光致变色多阶光存储的游程长度受限编码式写入方法，其特征在于：所述的编码方法是根据经典的有限状态图的状态切分与合并方法构造的。

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