JP2007515033A - 光学システム内においてタイミングリカバリを提供する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、大容量光ディスクシステムで用いるための、新規な閾値交差タイミングリカバリ方式に関するものである。タイミングエラー検出器のタイミングエラーに、重み付け関数が掛け合わされる。この方式は、光ディスクの容量が大きいためにタイミングリカバリの主要な妨害要因になると考えられる、データにより誘起されるジッタに対し、光学システムのロバスト性を効果的に増大させる。本発明はさらに、可能な重み付け関数の複数の例を開示している。

Description

本発明は、光ディスクからデータサンプルを読み出す光学システム内において、閾値交差タイミングリカバリを提供する方法であって、上記の光学システムによって、サンプリング時刻（ｔ_ｓ）において光ディスクからデータサンプル（ｙ_ｓ）を読み出す工程と、読み出されたサンプルをタイミングリカバリ手段に供給する工程と、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）に基づいて、同期タイミング瞬時（ｔ_ｋ）に近づくようにサンプリング時刻（ｔ_ｓ）を調整する工程とを含む方法に関するものである。

光ディスクは、情報をデジタル形式で保持する電子データ記憶媒体であり、光学システム内のレーザーにより書込みおよび読出しされる。これらのディスクは、ＣＤ、ＤＶＤおよびＢＤの、様々なバリエーションをすべて包含する。データは、光学システム内のレーザーにより読み出される、いわゆるピットならびにランド（ＲＯＭディスクの場合）、およびマークならびにスペース（書換可能型ディスクの場合）の形態で記憶され、それらのデータは電気信号に変換される。

光学システム内では、実際の閾値交差点と、サンプリングクロック信号の閾値交差点とを比較することによりサンプリング時刻が調整される、閾値交差タイミングリカバリを用いることがよく知られている。このタイミングリカバリは、入ってくるデータ自体からタイミング情報を取得するものであり、ビット判定からの助けを必要とせず、したがって判定エラーによる妨害を受けない。閾値交差タイミングリカバリの１つの特殊なケースが、ゼロ交差タイミングリカバリである。この場合、ディスクに記録されている二値ビットシーケンスのＤＣを有さない特性のため、閾値はゼロに設定される。ゼロ交差タイミングリカバリは、ディスク上のデータが典型的にはＲＬＬ符号化で符号化されるという点で、現行の大容量光ディスクにおいて通常採用されているリカバリ方式である。

光学システム内のタイミングリカバリでは、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）が特定される。たとえばレイズドコサイン（ｒａｉｓｅｄ−ｃｏｓｉｎｅ）特性を有する、ノイズのないチャネルの場合には、データ信号サンプルは同期的にサンプリングされるので、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）はゼロとなる。しかしながら、光学システムはノイズに曝され、部分応答性様のチャネルを有し得る。このことは、結果として、ビット同期型のサンプリングでは、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）は、平均値がゼロとなるのみであり、各瞬時においてはジッタを示すものとなるという事態をもたらす。このジッタは、ノイズにより誘起されたジッタと、データにより誘起されたジッタとを含む。２３ＧＢ以下のディスク容量において、ディスク上のデータがＲＬＬ符号化で記録されている場合には、ゼロ交差タイミングリカバリが被る、データにより誘起されるジッタは、非常に弱い。

光ディスク上の記憶密度を増大させることは、非常に重要かつ関心の高い事項である。現行では、光チャネルの特性が与えられた場合、より高度な信号処理、異なる変調方式（たとえばマルチレベル技術）、または異なる物理原理（たとえば超解像度技術）を用いて、より高い記憶密度に到達しようとすることが知られている。

しかしながら、ディスク容量は、チャネルビット長を狭くすることにより、たとえば２９ＧＢ以上に増大するので、遷移点（すなわち閾値交差点、たとえばゼロ交差点）周辺のデータサンプルが、符号間干渉（ＩＳＩ）を受けることは避けられない。この強いＩＳＩのため、３１ＧＢのディスク容量では、データにより誘起されるジッタは非常に激しくなり、閾値交差タイミングリカバリは実現不可能となる。

本発明の１つの目的は、光学システム内において閾値交差タイミングリカバリを提供する方法であって、データにより誘起されるジッタの影響が緩和され、特に大容量の光ディスクにおいてその影響が緩和されるような方法を提供することである。

上記の目的は、冒頭の段落で述べた方法を、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）を特定する工程の後、同期タイミング瞬時（ｔ_ｋ）に近づくようにサンプリング時刻（ｔ_ｓ）を調整する工程の前において、タイミングエラー情報（Ψ_ｋ）に重み付け関数Ｗを掛け合わせる工程をさらに含むことを特徴とする方法とすることにより、達成される。これにより、大容量光ディスク（たとえば２９ＧＢまたは３１ＧＢの容量を有する光ディスク）に対し、符号間干渉が最小限に抑えられた閾値交差タイミングリカバリが実現される。

１つの好ましい実施形態では、上記の閾値交差タイミングリカバリ手段は、二値変調で符号化されたデータ信号サンプルに対して、タイミングリカバリを提供するように構成される。この形態は、二値変調が、光ディスク上のデータ信号の符号化に広く使われているという点で有利である。

好ましくは、本発明の重み付け関数Ｗは、ｙ_ｋおよびｙ_ｋ＋１がそれぞれ同期化されたデータ信号サンプルであり、ｔ_ｋおよびｔ_ｋ＋１がそれぞれ同期サンプリング瞬時であるとして、ｓ_ｋ＝｜（ｙ_ｋ−ｙ_ｋ＋１）／（ｔ_ｋ−ｔ_ｋ＋１）｜の関数とされる。この重み付け関数Ｗ（ｓ_ｋ）は、任意の二値変調方法によって符号化された、任意の信号に対して適用可能である。関数ｓ_ｋは、同期化されたデータ信号サンプルの関数として重み付け関数Ｗ（ｓ_ｋ）を計算するための、簡易な方法を提供する。ｓ_ｋは、閾値交差点周辺におけるデータ信号波形の勾配の絶対値を表す。ゼロ交差タイミングリカバリでは、ｙ_ｋとｙ_ｋ＋１とは常に逆の符号を有するので（ゼロ交差がｙ_ｋとｙ_ｋ＋１との間で起こるため）、ｓ_ｋはさらに、遷移周辺の信号エネルギーの指標も与える。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記のｓ_ｋの最大値（すなわち、すべての遷移周辺におけるデータ信号波形の勾配の最大値）をｓ_ｍａｘで表すこととして、重み付け関数Ｗ（ｓ_ｋ）は、たとえば、Ｗ（ｓ_ｋ）＝ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ、Ｗ（ｓ_ｋ）＝（ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ）^２、またはＷ（ｓ_ｋ）＝ｅｘｐ［１−（ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ）^−１］で表されるものとすることができる。異なる重み付け関数のいずれを選択するかは、異なるディスク容量と、データにより誘起される対応のジッタスペクトルの分析結果とに依存する。

１つの好ましい実施形態では、タイミングリカバリ手段は、ＲＬＬ（ｄ）符号化で符号化されたデータ信号サンプルに対して、タイミングリカバリを提供するように構成される。ここで、ｄはデータストリーム内の最小ランレングスを規定する。すなわち、ｄは、（ｄ＋１）となるための、ストリーム内の連続する１または０の最小数を制限する。

好ましくは、本発明に従う方法で用いられる上記の閾値交差タイミングリカバリは、ゼロ交差タイミングリカバリとされる。これは、データがＲＬＬ符号化で符号化される際に用いられるタイミングリカバリである。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、引数Ｔ_ｍおよびＴ_ｍ＋１が、遷移周辺の２つの連続したランレングスＴ_ｍおよびＴ_ｍ＋１であるとして、上記の重み付け関数Ｗは、関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）とされる。１つの好適例によれば、この重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）は、Ｔ_ｍとＴ_ｍ＋１との合計が増加すると、増加する関数とされる。別の１つの好適例によれば、重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）は、Ｔ_ｍとＴ_ｍ＋１との間の差分値｜Ｔ_ｍ−Ｔ_ｍ＋１｜が増加すると、減少する関数とされる。これは、典型的には、２つの連続するランレングス間の差がより小さい場合よりも大きい場合の方が、データにより誘起されるジッタがより深刻なためである。Ｗは、「Ｔ_ｍ＋Ｔ_ｍ＋１」に比例するものかつ／もしくは｜Ｔ_ｍ−Ｔ_ｍ＋１｜に反比例するものであってもよく、または、「Ｔ_ｍ＋Ｔ_ｍ＋１」ならびに／もしくは｜Ｔ_ｍ−Ｔ_ｍ＋１｜に非線形的に依存するものであってもよい。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、ＲＬＬ符号化における最も短いランレングスを「ｄ＋１」として、上記の重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）は、Ｔ_ｍまたはＴ_ｍ＋１が「ｄ＋１」に等しいとき、ゼロになる関数とされる。これにより、最も短いランレングスを伴う遷移はスキップされる。これらの遷移はノイズに曝される程度が最も高いので、このようなスキップは有利である。

以下、図面を参照しながら、好ましい実施形態に関連して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、従来技術によるタイミングリカバリ手段１００の模式図を示している。タイミングリカバリ手段１００は、サンプルレート変換器（ＳＲＣ）１０と、タイミングエラー検出器（ＴＥＤ）２０と、ループフィルタ（ＬＦ）３０と、数値制御発振器（ＮＣＯ）４０とを含んでいる。データサンプルｙ_ｓは、光ディスクから読み出され、サンプリング時刻ｔ_ｓにおいてタイミングリカバリ手段１００に供給される。数値制御発振器４０は、タイミングエラー検出器２０により検出されたタイミングエラー情報Ψ_ｋに基づいて更新されるサンプリングクロックｔ_ｋを、サンプルレート変換器に出力する。タイミングリカバリ手段１００は、そのタイミングリカバリ手段１００の非同期領域アップストリームから、同期化されていないデータサンプルｙ_ｓの供給を受け、タイミングリカバリ手段１００の同期領域ダウンストリーム内において、同期化されたデータサンプルｙ_ｋに対してビット判定がなされる。

図２は、閾値交差タイミングリカバリにおけるタイミングエラー検出を示した図である。光ディスク上に記録されたデータ信号サンプルの閾値交差タイミングリカバリでは、図２に示すようにして、タイミングエラー情報Ψ_ｋを一次近似まで導出することができる。図２の水平線は閾値を示しており、タイミングエラー情報Ψ_ｋの一次近似が、

として導出されていることが見て取れる。

たとえばレイズドコサイン特性を有する、ノイズのないチャネルの場合には、データ信号サンプルは同期的にサンプリングされるので、Ψ_ｋはゼロに近付く。しかしながら、光チャネルは種々のノイズに曝され、通常は部分応答性様のチャネルである。このことは、結果として、ビット同期型のサンプリングでは、Ψ_ｋは、平均値がゼロとなるのみであり、各瞬時においてはジッタを示すものとなるという事態をもたらす。このジッタは、ノイズにより誘起されたジッタと、データにより誘起されたジッタ（すなわちパターンに依存するジッタ）とに起因する。

一般的にはバイナリ変調、具体的にはランレングス制限（ＲＬＬ）符号化を利用して、データにより誘起されるジッタを軽減することができる。このことは、図３ａおよび３ｂに図解されている。これらの図はそれぞれ、ブルーレイディスクフォーマットにおけるｄ＝１のＲＬＬ（ｄ）符号化について、ディスク容量が２３ＧＢのディスクおよび２９ＧＢのディスクにおける、ディスク読出し（従来技術）を示している。光チャネルは、線形的かつ部分応答性様のものであると想定される。二値変調がＲＬＬ符号化であるという点において、閾値交差タイミングリカバリは、この例ではゼロ交差タイミングリカバリである。図３ａおよび３ｂでは、ディスクから読み出された信号サンプルｙ_ｋは、等化されたチャネル応答ｇ_ｋと畳込み演算された、入力二値ビットシーケンスａ_ｋに等しい。すなわち、

である。

ｇ_ｋの低振幅のタップを除外すると、遷移の左側にあるサンプルｙ_ｌは、

と近似することができる。

２３ＧＢのディスク容量の場合には、側方タップｇ_−２およびｇ_２は、強度的に無視できる。さらに、ｄ＝１とした符号化条件により、ａ_ｌ周囲のビットは、常に逆の符号を有する。そのため、ｙ_ｌの近似に対する、式（２）の最初の項以外の項の寄与分は、すべてゼロに設定され、式（２）は、

のように単純化することができる。

式（３）は、サンプルｙ_ｌが、符号間干渉の影響を受けないことを示している。このことは、サンプルｙ_ｒについてもいえる。すなわち、２３ＧＢの容量では、ゼロ交差タイミングリカバリが受ける、データにより誘起されるジッタの影響は、非常に弱い（これはＲＬＬ符号化に起因する）。

図３ｂは、ディスク容量２９ＧＢのディスクにおけるディスク読出しを示している。容量２９ＧＢのディスクは、以下に説明するように、容量２３ＧＢのディスクよりも多くのＩＳＩに曝される。これは、チャネルビット長が小さくされるためである。ａ_ｌ周囲のビットは常に異なる符号を有し、ｇ_−１とｇ_１とは同一の大きさおよび符号を有するので、式（２）におけるｇ_−１を含む項とｇ_１を含む項とは互いに打ち消し合う。そのため、図３ｂの場合には、式（２）は、

と表すことができる。

しかしながら、等化されたチャネル応答ｇ_ｋの側方タップｇ_−２およびｇ_２は強くなっており、無視できると考えることはできない。そのため、符号間干渉、すなわちデータにより誘起されるジッタが、再度、タイミングリカバリ内に存在することとなる。

いまや、ディスク容量は図３ｂの２９ＧＢを超えることもあり、現在３５ＧＢまでもの容量が可能となっている。したがって、チャネルビット長は、図３ｂに比べてさらに小さくされ、データにより誘起されるジッタは、強いＩＳＩのために深刻になる。このことは、従来型のゼロ交差タイミングリカバリを、実現不可能とする。

図４は、本発明に従う方法の、様々な重み付け因子を用いたタイミングリカバリ性能を、ディスク容量の関数として示した図である。スカラー回折プログラムを用いて発生させられたデータを用いて、図１の構成について、シミュレーションが行われた。このデータは、ノイズを含まない同期化されたデータであり、タイミングリカバリ手段への入力ｙ_ｍとして用いられる。タイミングリカバリ性能を評価するために、信号対雑音比ＳＮＲ^Ｌを、

と定義する。ここで、ｙ_ｋ ^＊は、理想的なサンプリング時刻を用いた場合のタイミングリカバリ手段１００（図１）のＳＲＣの出力を表しており、ｙ_ｋ ^Ｌは、タイミングリカバリ機構が動作しているときのＳＲＣからの実際のサンプル出力を表している。上付文字Ｌは、ＴＥＤ内において使用されている重み付け関数の種類を示している。

式（５）において、「Ｌ＝０」は、重み付け関数がＷ（ｓ_ｋ）＝１（すなわち、タイミングエラーが変更されずに残存している）であることを示し、「Ｌ＝ｉ」は、重み付け関数がＷ（ｓ_ｋ）＝ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘであることを示し、「Ｌ＝ｉｉ」は、重み付け関数がＷ（ｓ_ｋ）＝（ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ）^２であることを示す。

シミュレーションではノイズは存在しないため、ＳＮＲ^Ｌは、データにより誘起されるジッタに対するタイミングリカバリ機構のロバスト性を評価することができる。タイミングリカバリの動作が開始した際の当初のサンプリング周波数には、１０％の不整合が与えられる。異なる重み付け関数Ｗ（ｓ_ｋ）に対するＳＮＲ^Ｌを直接比較することが可能となるように、ループ帯域およびダンピングは、様々な重み付け関数Ｗ（ｓ_ｋ）の下で可能な限り一定となるように、適切に調整された。図４は、容量２５ＧＢ、２９ＧＢ、３２ＧＢおよび３５ＧＢの、ＢＤタイプの大容量ディスクについて、ＳＮＲ^Ｌを示している。過渡性能を考慮に入れるため、データ窓は、最初の５０００サンプルを含むものとされている。

タイミングリカバリの性能は、一定でない重み付け関数を利用することにより、効果的に改善されることが見て取れる。この改善は、データにより誘起されるより深刻なジッタのため、容量が増大するにつれてより顕著となる。全般的に、非線形型の重み付け関数（タイプｉｉ）は、線形型の重み付け関数（タイプｉ）または一定の重み付け関数（タイプ０）よりも、良好な性能を有する。３２ＧＢの容量においては、一定である重み付け関数と比較して、約７ＧＢの改善が見られる。３５ＧＢにおけるＳＮＲ^Ｌの値は、３２ＧＢにおけるＳＮＲ^Ｌの値に比べて増大させられている。これは、ＩＳＩの影響を最も大きく受ける最も短いランレングスが、ゼロ交差点を有さず、したがってデータにより誘起されるジッタをある程度緩和するためである。当然ながら、ゼロ交差点が少ないため、タイミングリカバリの効率は低下する。

従来技術によるタイミングリカバリ手段の模式図 閾値交差タイミングリカバリにおけるタイミングエラー検出を示した図 ディスク容量が２３ＧＢのディスクにおける、ディスク読出し（従来技術）を示した図 ディスク容量が２９ＧＢのディスクにおける、ディスク読出し（従来技術）を示した図 本発明に従う方法のタイミングリカバリ性能を示した図

Claims (13)

1. 光ディスクからデータ信号サンプルを読み出す光学システム内において、閾値交差タイミングリカバリを提供する方法であって、
   前記光学システムによって、サンプリング時刻において、前記光ディスクからデータ信号サンプルを読み出す工程と、
   読み出された前記データ信号サンプルを、タイミングリカバリ手段に供給する工程と、
   前記タイミングリカバリ手段によって、タイミングエラー情報を特定する工程と、
   前記タイミングエラー情報に基づいて、同期タイミング瞬時に近づくように前記サンプリング時刻を調整する工程とを含み、
   前記タイミングエラー情報を特定する前記工程の後、前記同期タイミング瞬時に近づくように前記サンプリング時刻を調整する前記工程の前において、前記タイミングエラー情報に重み付け関数Ｗを掛け合わせる工程をさらに含むことを特徴とする方法。
2. 前記タイミングリカバリ手段が、二値変調で符号化されたデータ信号サンプルに対して、タイミングリカバリを提供するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ｙ_ｋおよびｙ_ｋ＋１がそれぞれ同期化されたデータ信号サンプルであり、ｔ_ｋおよびｔ_ｋ＋１がそれぞれ同期サンプリング瞬時であるとして、前記重み付け関数Ｗが、ｓ_ｋ＝｜（ｙ_ｋ−ｙ_ｋ＋１）／（ｔ_ｋ−ｔ_ｋ＋１）｜の関数であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記ｓ_ｋの最大値をｓ_ｍａｘで表すこととして、Ｗ（ｓ_ｋ）＝ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘであることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記ｓ_ｋの最大値をｓ_ｍａｘで表すこととして、Ｗ（ｓ_ｋ）＝（ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ）^２であることを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記ｓ_ｋの最大値をｓ_ｍａｘで表すこととして、Ｗ（ｓ_ｋ）＝ｅｘｐ［１−（ｓ_ｋ／ｓ_ｍａｘ）^−１］であることを特徴とする請求項３記載の方法。
7. 前記タイミングリカバリ手段が、ＲＬＬ（ｄ）符号化で符号化されたデータ信号サンプルに対して、タイミングリカバリを提供するように構成されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記閾値交差タイミングリカバリが、ゼロ交差タイミングリカバリであることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 引数Ｔ_ｍおよびＴ_ｍ＋１が、遷移周辺の２つの連続したランレングスＴ_ｍおよびＴ_ｍ＋１であるとして、前記重み付け関数Ｗが、関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）であることを特徴とする請求項７または８記載の方法。
10. 前記Ｔ_ｍと前記Ｔ_ｍ＋１との合計が増加すると、前記重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）が増加することを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記Ｔ_ｍと前記Ｔ_ｍ＋１との間の差分値｜Ｔ_ｍ−Ｔ_ｍ＋１｜が増加すると、前記重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）が減少することを特徴とする請求項８から１０いずれか１項記載の方法。
12. ＲＬＬ符号化における最も短いランレングスを「ｄ＋１」として、前記Ｔ_ｍまたは前記Ｔ_ｍ＋１が「ｄ＋１」に等しいとき、前記重み付け関数Ｗ（Ｔ_ｍ，Ｔ_ｍ＋１）がゼロになることを特徴とする請求項８から１１いずれか１項記載の方法。
13. 大容量光ディスクに記憶されたデータを読み出す光学システムであって、請求項１から１２いずれか１項記載の方法を実行するものであることを特徴とする光学システム。

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