JP2019032917A - Modulation code creating method, hologram recording/reproducing method, and hologram recording/reproducing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変調符号作成法、ホログラム記録再生方法、及びホログラム記録再生装置に関し、特に、n:r変調符号の作成法と、n:r変調された信号を記録・再生するホログラム記録再生方法、及びホログラム記録再生装置に関する。 The present invention relates to a modulation code creating method, a hologram recording / reproducing method, and a hologram recording / reproducing apparatus, and more particularly to an n: r modulation code creating method and a hologram recording / reproducing method for recording / reproducing an n: r modulated signal, And a hologram recording / reproducing apparatus.
近年、大容量のデータを効率的に記録することができる媒体として、ホログラム光メモリー媒体(ホログラム記録媒体)が注目されている。ホログラフィックメモリーは、画像や音声、コンピューター等の大容量メモリーとしての利用が期待されている。 In recent years, holographic optical memory media (hologram recording media) have attracted attention as media capable of efficiently recording large volumes of data. The holographic memory is expected to be used as a large-capacity memory for images, sounds and computers.
ホログラフィックメモリー記録システムでは、一般に、デジタルデータを担持した物体光を参照光とともにホログラム記録媒体に同時に照射し、ホログラム記録媒体中に形成される干渉縞を光記録媒体に書き込むことによって、該デジタルデータを記録する。一方、デジタルデータが記録されたホログラム記録媒体に参照光を照射すると、ホログラム記録媒体中に書き込まれた干渉縞により光の回折を生じて、上記物体光が担持していたデジタルデータを再生することができる。現在用いられているホログラフィックメモリー記録システムの一例について図12及び図13を参照しながら簡単に説明する。 In a holographic memory recording system, generally, an object beam carrying digital data is simultaneously irradiated onto a hologram recording medium together with a reference light, and interference fringes formed in the hologram recording medium are written on the optical recording medium to thereby generate the digital data. Record. On the other hand, when the hologram recording medium on which the digital data is recorded is irradiated with the reference light, light is diffracted by the interference fringes written in the hologram recording medium, and the digital data carried by the object light is reproduced. Can do. An example of a holographic memory recording system currently used will be briefly described with reference to FIGS.
まず、記録時から説明する。図12は、ホログラフィックメモリー記録システム100の記録時の光学配置と光路(太い一点鎖線)の一例を示す図である。なお、記録時に使用されない光学要素は、細い二点鎖線で描かれている。 First, the recording will be described. FIG. 12 is a diagram showing an example of an optical arrangement and an optical path (thick one-dot chain line) at the time of recording in the holographic memory recording system 100. Note that optical elements that are not used during recording are drawn with thin two-dot chain lines.
レーザ光源101から出力され、シャッタ102を通過したレーザ光(ここではS偏光(縦偏光))が1/2波長板103によって45度偏光に偏光面を回転させられた後、PBS(偏光ビームスプリッタ)104にてP偏光およびS偏光とに分けられる。P偏光はPBS104を透過後、シャッタ105を通過する。その後、拡大レンズ106により拡大された後、PBS107を透過し、反射型液晶素子等からなるSLM(空間光変調素子)108上に照射される。この照射された光は、SLM108の素子面に映出された白と黒のビットパターンによる2次元画像のデジタルデータを担持されるとともに、S偏光に変換されて(実際には、白表示とされた素子からの光がS偏光に変換される)反射され、物体光としてPBS107に戻る。このSLM108から戻った物体光は、PBS107により反射され、FT(フーリエ変換)レンズ109を通過後、空間フィルタ110でナイキスト周波数分を透過し、それ以上の周波数成分をカットし、再度、FT(フーリエ変換)レンズ111、FT(フーリエ変換)レンズ112を介してホログラム記録媒体113上に照射される。 The laser light (here, S-polarized light (longitudinal polarized light)) output from the laser light source 101 and having passed through the shutter 102 has its polarization plane rotated to 45-degree polarized light by the half-wave plate 103, and then PBS (polarized beam splitter). ) 104 and divided into P-polarized light and S-polarized light. P polarized light passes through the shutter 105 after passing through the PBS 104. Thereafter, after being magnified by the magnifying lens 106, the light passes through the PBS 107 and is irradiated onto an SLM (spatial light modulation element) 108 made of a reflective liquid crystal element or the like. The irradiated light carries digital data of a two-dimensional image of a white and black bit pattern projected on the element surface of the SLM 108 and is converted to S-polarized light (actually, white display is performed). The light from the element is converted into S-polarized light) and returned to the PBS 107 as object light. The object light that has returned from the SLM 108 is reflected by the PBS 107, passes through the FT (Fourier transform) lens 109, passes through the Nyquist frequency by the spatial filter 110, cuts the frequency component beyond it, and again FT (Fourier). The hologram recording medium 113 is irradiated through a conversion) lens 111 and an FT (Fourier transform) lens 112.
一方、PBS104によって反射されたS偏光は1/2波長板117を通過するが、ここでは、1/2波長板117とビームの偏光軸を合わせておき、ビームの偏光面は回転させない。次にPBS116に入射し、ここで、反射され、ミラー120、ガルバノミラー121と反射され、リレーレンズ122を通過後、ホログラム記録媒体113上に照射される。このようにしてホログラム記録媒体113上に照射された参照光と物体光はいずれもS偏光とされているので、このホログラム記録媒体113上で干渉して干渉縞が形成され、該干渉縞がホログラム記録媒体113に書き込まれることになる。 On the other hand, the S-polarized light reflected by the PBS 104 passes through the half-wave plate 117, but here, the half-wave plate 117 and the polarization axis of the beam are aligned, and the polarization plane of the beam is not rotated. Next, the light enters the PBS 116, where it is reflected, reflected by the mirror 120 and the galvanometer mirror 121, passes through the relay lens 122, and is irradiated onto the hologram recording medium 113. Since both the reference light and the object light irradiated onto the hologram recording medium 113 in this manner are S-polarized light, interference fringes are formed on the hologram recording medium 113, and the interference fringes are formed as holograms. It will be written on the recording medium 113.
次に再生時について図13を用いて説明する。図13は、ホログラフィックメモリー記録システム100の再生時の光学配置と光路(太い一点鎖線)の一例を示す図である。なお、再生時に使用されない光学要素は、細い二点鎖線で描かれている。 Next, playback will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a diagram showing an example of an optical arrangement and an optical path (thick one-dot chain line) during reproduction of the holographic memory recording system 100. Note that optical elements that are not used at the time of reproduction are drawn with thin two-dot chain lines.
PBS104までは記録時と同様であるが、透過したP偏光はシャッタ105で止められる。一方、反射されたS偏光は1/2波長板117の軸を45度の設定値へ変更して偏光面を90度回転され、P偏光となる。このP偏光はPBS116を通過後、ガルバノミラー115によって反射され、リレーレンズ114を通過後ホログラム記録媒体113に入射する。ホログラム記録媒体113に書かれた干渉縞によって回折された信号光はFTレンズ112、FTレンズ111、空間フィルタ110、FTレンズ109、と通過後、PBS107を通過して2次元撮像素子118で撮像され、演算装置119で処理することにより、デジタルデータが復元されることになる。 Up to PBS 104 is the same as in recording, but the transmitted P-polarized light is stopped by the shutter 105. On the other hand, the reflected S-polarized light is changed to the setting value of 45 degrees by changing the axis of the half-wave plate 117 and the polarization plane is rotated by 90 degrees to become P-polarized light. The P-polarized light is reflected by the galvanometer mirror 115 after passing through the PBS 116, passes through the relay lens 114, and enters the hologram recording medium 113. The signal light diffracted by the interference fringes written on the hologram recording medium 113 passes through the FT lens 112, the FT lens 111, the spatial filter 110, and the FT lens 109, and then passes through the PBS 107 and is imaged by the two-dimensional image sensor 118. The digital data is restored by processing with the arithmetic unit 119.
このようなホログラフィックメモリー記録システムにおいて、FTレンズを通過する光は一種のローパスフィルタの効果を受け、信号再生する2次元撮像素子118では、点像が大きく広がり、また、近隣の点像が近い場合はその点像同士が接合してしまう再生像となる。また、レーザ光源101から出射する光を拡大レンズ106でSLM108の大きさまで大きくするので、SLM108の中心部が明るく、周辺部がやや暗い再生像となる。 In such a holographic memory recording system, the light passing through the FT lens is subjected to the effect of a kind of low-pass filter, and the two-dimensional image sensor 118 that reproduces the signal has a large point image and is close to neighboring point images. In this case, the point image is a reconstructed image that is joined. Further, since the light emitted from the laser light source 101 is enlarged to the size of the SLM 108 by the magnifying lens 106, a reproduced image is obtained in which the central portion of the SLM 108 is bright and the peripheral portion is slightly dark.
この場合の閾値判定においては、輝度分布に応じて周辺部と中心部で閾値を変化させなければならない。しかしながら、輝度分布は記録条件、再生条件など種々の依存性があるので、一概には決定できない。そこで、記録コードとして、ある一定の範囲中で白と黒との判定を行う差分コードが提案されている(特許文献1)。この手法をとることにより、ある一定の範囲内での白と黒との判別により、データを再生できる特徴がある。 In the threshold determination in this case, the threshold must be changed between the peripheral part and the central part according to the luminance distribution. However, since the luminance distribution has various dependencies such as recording conditions and reproduction conditions, it cannot be determined unconditionally. In view of this, a differential code for determining white and black within a certain range has been proposed as a recording code (Patent Document 1). By adopting this method, there is a feature that data can be reproduced by discriminating between white and black within a certain range.
一方、ホログラフィックメモリー記録システムでは、輝度むらの他にも光学系、記録媒体からのノイズ、多重した記録ページからの漏洩などさまざまなノイズも加わる。このため、上述の差分コードのみで、そのまま誤りなく記録再生することは困難なため、通常誤り訂正コードを付加する。 On the other hand, in the holographic memory recording system, in addition to the luminance unevenness, various noises such as an optical system, noise from a recording medium, and leakage from a multiplexed recording page are added. For this reason, since it is difficult to record and reproduce without error using only the above-described difference code, a normal error correction code is added.
誤り訂正コードには大きく分けて、ブロック符号と畳み込み符号とに分かれる。近年、ブロック符号では、LDPC(Low Density Parity Check)が、畳み込み符号では、ターボ符号がシャノン限界に迫る誤り訂正能力を示すことで、よく使われている。 The error correction code is roughly divided into a block code and a convolutional code. In recent years, LDPC (Low Density Parity Check) is often used for block codes, and turbo codes are often used for convolutional codes because of their error correction capability approaching the Shannon limit.
このうち、ターボ符号は復号処理が複雑でレイテンシが比較的大きいところから、記録装置の誤り訂正といった点から考えると、適当ではない。一方、LDPCは線形時間復号である、並列実装に適している、などの点から、衛星放送、無線LANや無線インターネットをはじめとしてさまざまなところで使われている。ホログラフィックメモリー記録システムでも同様に、誤り訂正としてLDPCの使用が有望である(特許文献2)。 Among these, the turbo code is not suitable from the viewpoint of error correction of the recording apparatus because the decoding process is complicated and the latency is relatively large. On the other hand, LDPC is used in various places such as satellite broadcasting, wireless LAN, and wireless Internet because it is linear time decoding and suitable for parallel implementation. Similarly, in the holographic memory recording system, it is promising to use LDPC for error correction (Patent Document 2).
ここで、LDPC符号化/復号化の概要について説明する。 Here, an outline of LDPC encoding / decoding will be described.
LDPCにおいては、符号化の対象とするビットが、一般に「情報ビット」と呼ばれる。また、LDPCの符号化を行うにあたっては、予め「検査行列」(Hと表記される)が定められる。符号化においては、先ず、入力された情報ビット列と上記検査行列Hとに基づき、「検査ビット列」(パリティ)が生成される。検査ビットが付加されたデータ単位、すなわち「情報ビット+検査ビット」の単位が、LDPC符号化/復号化の最小単位である「1LDPCブロック」となる。このようにLDPC符号化されたデータ(LDPC符号列)が、通信路に対して送出され、或いは記録媒体に対して記録される。 In LDPC, bits to be encoded are generally called “information bits”. In addition, when performing LDPC encoding, a “check matrix” (indicated as H) is determined in advance. In encoding, first, a “check bit string” (parity) is generated based on the input information bit string and the check matrix H. The data unit to which the check bit is added, that is, the unit of “information bit + check bit” is “1LDPC block” which is the minimum unit of LDPC encoding / decoding. Data thus LDPC-encoded (LDPC code string) is transmitted to a communication path or recorded on a recording medium.
LDPC符号の復号化では、先ず、受信信号(又は読出し信号)から、LDPC符号列を構成する各ビットの「対数尤度比」(Log Likelihood Ratio:LLR)を計算する。この「対数尤度比」は、各ビットの値(「0」又は「1」)の尤度を表す情報として用いられるものであり、以下では「LLR」と略称する。 In decoding of an LDPC code, first, a “log Likelihood Ratio” (LLR) of each bit constituting an LDPC code string is calculated from a received signal (or read signal). This “log likelihood ratio” is used as information representing the likelihood of the value of each bit (“0” or “1”), and is hereinafter abbreviated as “LLR”.
ここで、送信信号をXn(Xnは、+1又は−1)、受信信号をYnとしたときの、LLR(λnとおく)の求め方について説明する。通信路の条件付き確率P(Yn|Xn)より、LLRは次式(1)で計算できる。 Here, a description will be given of how to obtain LLR (λn) when the transmission signal is Xn (Xn is +1 or -1) and the reception signal is Yn. From the conditional probability P (Yn | Xn) of the communication path, the LLR can be calculated by the following equation (1).
一般的なAWGN(加法白色ガウス雑音)通信路を想定した場合のLDPC符号化・復号化のモデルの場合、通信路の条件付き確率は、次式(2)とおくことができる。但し、σ2はガウス雑音の分散であり、bは+1と−1の値をとる。 In the case of an LDPC encoding / decoding model assuming a general AWGN (additive white Gaussian noise) channel, the conditional probability of the channel can be expressed by the following equation (2). Here, σ 2 is the variance of Gaussian noise, and b takes values of +1 and −1.
ここで、(1)式に、(2)式を代入すると、LLR(λn)は、次式(3)となる。 Here, when the expression (2) is substituted into the expression (1), the LLR (λn) becomes the following expression (3).
ビットごとのLLRについてはλ(n)と表記する。受信信号からビットごとのLLR(λ(n))を計算し、これらλ(n)と、予め定められた検査行列(H)とに基づき、LDPC復号アルゴリズムにより、LDPCブロックごとに情報ビットの各ビット値を推定するのがLDPC復号化である。 The LLR for each bit is expressed as λ (n). An LLR (λ (n)) for each bit is calculated from the received signal, and based on these λ (n) and a predetermined check matrix (H), each of the information bits for each LDPC block is calculated by the LDPC decoding algorithm. It is LDPC decoding that estimates the bit value.
LDPC復号アルゴリズムは、いわゆるMAP(Maximum A posteriori Possibility)復号法を基礎としたものとなる。MAP復号法では、符号語Xを送信したとき受信語Yが受信される確率を表す条件付き確率を計算し、該条件付き確率Pを最大とする「0」又は「1」のシンボルをその推定値とする。但し、すべての符号語について事後確率P(Yn|Xn)の値を加算することでビットごとの事後確率を計算する手順を、定義に従ってそのまま実行するとした場合、計算量は膨大なものとなるので、この計算量を削減するためのLDPC復号アルゴリズムとして、例えばsum-productアルゴリズムが提案されている。このsum-productアルゴリズムは、MAP復号法の近似アルゴリズムといえる。次に、sum-productアルゴリズムについて説明する。 The LDPC decoding algorithm is based on a so-called MAP (Maximum A posteriori Possibility) decoding method. In the MAP decoding method, a conditional probability representing the probability that a received word Y is received when a codeword X is transmitted is calculated, and a symbol of “0” or “1” that maximizes the conditional probability P is estimated. Value. However, if the procedure for calculating the posterior probability for each bit by adding the values of the posterior probabilities P (Yn | Xn) for all the code words is executed as it is according to the definition, the calculation amount becomes enormous. For example, a sum-product algorithm has been proposed as an LDPC decoding algorithm for reducing the calculation amount. This sum-product algorithm can be said to be an approximate algorithm of the MAP decoding method. Next, the sum-product algorithm will be described.
図14は、sum-productアルゴリズムによるLDPC復号処理の内容を簡略的に説明するための復号処理の内容を示すフローチャートである(非特許文献2)。 FIG. 14 is a flowchart showing the contents of the decoding process for briefly explaining the contents of the LDPC decoding process by the sum-product algorithm (Non-Patent Document 2).
フローチャートの概要は、まず、ステップ1(S1)として、チェックノードmから変数ノードnへのメッセージαmnを求める処理を行い、次いで、ステップ2(S2)として、求められたαmnと対数尤度比λnに基づいて、変数ノードnからチェックノードmへのメッセージβnmを求める処理を行う。その後、ステップ3(S3)として、後述する対数事後確率比の近似値Lnを求め、この値に基づいて推定ビットを決定する。 The outline of the flowchart is as follows. First, in step 1 (S1), a process for obtaining the message αmn from the check node m to the variable node n is performed, and then in step 2 (S2), the obtained αmn and the log likelihood ratio λn. Based on the above, a process for obtaining the message βnm from the variable node n to the check node m is performed. Thereafter, in step 3 (S3), an approximate value Ln of a log posterior probability ratio described later is obtained, and an estimated bit is determined based on this value.
その後、ステップ4(S4)として、得られた推定ビットに基づいてパリティ検査を行い、推定ビットがパリティ検査を満たす場合は、ステップ5(S5)で、これを正しい推定ビットとして出力し、満たさない場合は、ステップ1に戻って処理を繰り返す。 Thereafter, in step 4 (S4), a parity check is performed based on the obtained estimated bit. When the estimated bit satisfies the parity check, in step 5 (S5), this is output as a correct estimated bit, and is not satisfied. If so, return to step 1 to repeat the process.
フローチャートの各式において、「A(m)」は、チェックノードmに接続する変数ノード集合を表し、「A(m)\n」は、集合A(m)からnを取り去って得られる差集合を表す。同様に、「B(n)」は変数ノードnに接続するチェックノード集合を表し、「B(n)\m」は集合B(n)からmを取り去って得られる差集合を表す。また、関数f(x)は、図中にも示されるように、次式(4)で定義される関数であり、f・fが恒等写像となる性質がある。 In each expression of the flowchart, “A (m)” represents a variable node set connected to the check node m, and “A (m) \ n” represents a difference set obtained by removing n from the set A (m). Represents. Similarly, “B (n)” represents a check node set connected to the variable node n, and “B (n) \ m” represents a difference set obtained by removing m from the set B (n). Further, as shown in the figure, the function f (x) is a function defined by the following equation (4), and has the property that f · f is an identity map.
関数sign(x)は、xが正のとき+1、負のとき−1、0のとき0を値としてとる符号関数である。なお、復号処理においては、「変数ノードnからチェックノードmへのメッセージβnm」の初期値は「0」として計算を開始する。 The function sign (x) is a sign function that takes +1 when x is positive, −1 when negative, and 0 when 0. In the decryption process, the calculation starts with the initial value of “message βnm from variable node n to check node m” being “0”.
ステップ3(S3)の推定ビット決定処理で計算しているLnは、事後確率Pに関連した「対数事後確率比」と呼ばれる量の近似値である。このLnの絶対値が推定の信頼性を表し、その値が大であるほど推定の信頼性が高いことを表す。このLnの値が正であれば、推定ビットの値として「0」を決定する(0(Ln>0))。また、Lnの値が負であれば推定ビットの値として「1」を決定する(1(Ln<0))。 Ln calculated in the estimated bit determination process in step 3 (S3) is an approximate value of an amount called “logarithmic posterior probability ratio” related to the posterior probability P. The absolute value of Ln represents the reliability of estimation, and the larger the value, the higher the reliability of estimation. If the value of Ln is positive, “0” is determined as the value of the estimated bit (0 (Ln> 0)). If the value of Ln is negative, “1” is determined as the estimated bit value (1 (Ln <0)).
ステップ4(S4)のパリティ検査処理において、予め定められた検査行列Hが用いられる。推定ビット系列がパリティ検査条件を満たす場合は、推定ビット系列を送信(記録)した情報ビット系列の推定値として出力する(S5)。 In the parity check process in step 4 (S4), a predetermined check matrix H is used. If the estimated bit sequence satisfies the parity check condition, the estimated bit sequence is output as an estimated value of the information bit sequence transmitted (recorded) (S5).
このようにして、sum-productアルゴリズムによる復号処理では、チェックノード処理・変数ノード処理・推定ビット決定処理を1ラウンドの処理として、推定ビット系列がパリティ検査条件を満たすまで、この処理を繰り返す。なお、このようなsum-productアルゴリズムを始めとしたLDPC復号アルゴリズムの詳細は文献(非特許文献1・非特許文献2・非特許文献3等)に説明されている。 In this way, in the decoding process using the sum-product algorithm, the check node process, variable node process, and estimated bit determination process are performed as one round process, and this process is repeated until the estimated bit sequence satisfies the parity check condition. Details of the LDPC decoding algorithm including the sum-product algorithm are described in the literature (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, etc.).
ところで、一般的な信号は時系列の1次元信号であるため、尤度計算には、受信信号の振幅値を式(3)にあてはめて、計算すれば良い。一方、ホログラム記録では、上述のように、輝度むら等の対策のために、差分コードを使用することがある。このような場合には、受信信号を式(3)に直接あてはめることができない。 By the way, since a general signal is a time-series one-dimensional signal, the likelihood value may be calculated by applying the amplitude value of the received signal to Equation (3). On the other hand, in the hologram recording, as described above, a difference code may be used for countermeasures such as uneven brightness. In such a case, the received signal cannot be directly applied to Equation (3).
そこで、差分コードを用いたときの尤度計算の一例について説明する。ホログラム記録では、2×2の4bitのピクセルに対し、中から1つのbitのみ白とし、そのほかを黒とする、つまり2bitの情報を4bit使って記録再生することが試みられている。以下、nbitの情報を、rbitを使って表現する変調方法を「n:r変調」と呼ぶことにする。上記の2bitの情報を4bit使って記録再生する方法は、「2:4変調」である。n:r変調は、例えば、nbitの情報を、r箇所内における所定数のビット配置(ピクセル配置)によってrbitとして表現する等の方法で実現でき、信号を2次元データに変換するときや、信号の直流成分を除去するとき等に利用される。 Therefore, an example of likelihood calculation when using a difference code will be described. In hologram recording, it has been attempted to record / reproduce 2 × 2 4-bit pixels by making only one bit white from the other and black the other, that is, using 2 bits of information of 4 bits. Hereinafter, a modulation method that expresses nbit information using rbit is referred to as “n: r modulation”. The method for recording / reproducing the 2-bit information using 4 bits is “2: 4 modulation”. The n: r modulation can be realized, for example, by expressing nbit information as rbit by a predetermined number of bit arrangements (pixel arrangements) in r locations. For example, when converting a signal into two-dimensional data, This is used to remove the direct current component of.
2:4変調を利用する場合は、rbit(4bit)の各要素の測定値をr1〜r4として、次式(5)で2bitの受信語を求めることができる。 When using 2: 4 modulation, the received value of 2 bits can be obtained by the following equation (5), with the measured values of each element of rbit (4 bits) as r1 to r4.
各受信語Yn(再生信号)は、ノイズがない場合に1となり、ノイズがある場合には1を平均値とする正規分布となるから、(2)式に相当する条件付き確率は、次の(6)〜(9)式となる。 Each received word Yn (reproduced signal) is 1 when there is no noise, and when there is noise, it has a normal distribution with 1 as an average value. Therefore, the conditional probability corresponding to equation (2) is (6) to (9).
これから、元の2bitについて、第1bitのLLRは次式(10)で、第2bitのLLRは次式(11)で求められる。 From this, for the original 2 bits, the first bit LLR is obtained by the following equation (10), and the second bit LLR is obtained by the following equation (11).
このLLRを使用して、LDPCの誤り訂正復号を行うことができる(特許文献2)。 LDPC error correction decoding can be performed using this LLR (Patent Document 2).
このように、n:r変調とLDPCを組み合わせた符号化及び誤り訂正復号方法が提案されているが、特許文献2の4bitの2次元データの測定値から元の2bitのLLRを求め、このLLRを使用してLDPCの誤り訂正を行う方法は、符号長を長くするとその計算量が増大するという課題があった。 In this way, an encoding and error correction decoding method combining n: r modulation and LDPC has been proposed. The original 2-bit LLR is obtained from the measurement value of 4-bit two-dimensional data in Patent Document 2, and this LLR is obtained. However, the method of correcting errors in LDPC using the method has a problem that the amount of calculation increases when the code length is increased.
また、他にも、9bit情報を16bitで表現する9:16変調において、LDPCの尤度の計算方法が提案されている(特許文献3)。しかしながら、この計算方法も、並べ替えを何度も行い、また、最小値の検出などさまざまな計算を必要としているので、汎用性に欠けるとともに、符号長が大きくなった場合には、適用が難しいといった課題があった。 In addition, in 9:16 modulation in which 9-bit information is expressed by 16 bits, an LDPC likelihood calculation method has been proposed (Patent Document 3). However, since this calculation method also performs rearrangement many times and requires various calculations such as detection of the minimum value, it is not versatile and difficult to apply when the code length becomes large. There was a problem.
そこで、本発明者らは、測定値の尤度から測定ビット推定を経て、最終ビットを得るという経路ではなく、直接的に判定をする経路、つまり、測定値(rbit)の尤度から最終ビット(nbit)推定という手法を提案している(特願2016−175893号)。 Therefore, the present inventors do not perform a measurement bit estimation from the measurement value likelihood to obtain the final bit, but directly determine the path, that is, the measurement value (rbit) likelihood from the final bit. A method called (nbit) estimation has been proposed (Japanese Patent Application No. 2006-175893).
ここで、本発明者らが提案した尤度決定方法(LLR算出手順)について、図15のフローチャートと、図16に示す受信(読出)信号の例に基づいて、説明する。 Here, the likelihood determination method (LLR calculation procedure) proposed by the present inventors will be described based on the flowchart of FIG. 15 and the example of the reception (read) signal shown in FIG.
n:r変調の一例として、5:9変調を用いて説明する。ホログラフィックメモリー記録システムにおいては、5:9変調は、5bitのデータを9bit(3×3)のピクセルにして、その9個のピクセルのうち、2個を白とし、そのほかを黒とする変調符号である。9個のピクセルから2個を白とするので、その選択数は次式(12)のとおり、36通りである。 An example of n: r modulation will be described using 5: 9 modulation. In the holographic memory recording system, 5: 9 modulation is a modulation code in which 5 bits of data are converted into 9 bits (3 × 3) pixels, two of the nine pixels are white, and the others are black. It is. Since two of nine pixels are white, the number of selections is 36 as shown in the following equation (12).
5bitのデータは25=32となるので、36通りの中から32通りを選択することにより、5:9変調の対応ができる。 Since 5-bit data is 2 5 = 32, 5: 9 modulation can be supported by selecting 32 out of 36 types.
ホログラムの記録再生時には、再生された3×3のピクセル中で白である2個のピクセルを識別して、そのピクセルの配置により、5bitを復号することになる。つまり、最終的には5bitのデータのLLRを、再生(測定)データから尤度として決定することができれば、5:9変調前の5bitでのLDPC復号を行えば良いことになる。 At the time of hologram recording / reproduction, two white pixels are identified in the reproduced 3 × 3 pixels, and 5 bits are decoded by the arrangement of the pixels. That is, if the LLR of 5-bit data can be finally determined as the likelihood from the reproduction (measurement) data, LDPC decoding with 5 bits before 5: 9 modulation may be performed.
図15のフローチャートのステップ1(S1)において、ブロック化されたrbitの測定データ読み込む。ここでは、図16(1)のブロック化された9bitの入力信号データ(a1〜a9)を読み込む。各ビットのデータは、例えば、ホログラフィックメモリー記録システムにおいて、撮像素子で取得した8bit階調の測定データの場合、0〜255の階調信号となる。 In step 1 (S1) of the flowchart of FIG. 15, the rbit measurement data that has been blocked is read. Here, the 9- bit block input signal data (a 1 to a 9 ) shown in FIG. For example, in the case of 8-bit gradation measurement data acquired by an image sensor in a holographic memory recording system, the data of each bit is a gradation signal of 0 to 255.
次に、ステップ2(S2)において、rbitの入力信号からnbitへ変換(nbitの硬判定)を行う。ここでは、(1)の9bitの測定データ(a1〜a9)を白黒(1,0)のデータパターンに対応させて、どのような5bitに対応するか硬判定する。この場合、例えば、測定データを輝度の高いデータから順に並べ、上位2つの輝度を白と判定し、その位置から、硬判定結果求める。図16の例では、(1)の9bitの測定データのうち、輝度の最も高いデータ(例えばa6)と次に輝度の高いデータ(例えばa7)を白[1]とし、他のデータを黒[0]に対応させて、「000001100」の9bitデータを得て(図16(4)のデータに相当)、この9bitデータに対応する5bitデータである図16(2)の「10011」を、硬判定結果として導出している。 Next, in step 2 (S2), conversion from an rbit input signal to nbit (nbit hard decision) is performed. Here, 9 bits of measurement data (a 1 to a 9 ) of (1) is made to correspond to a black and white (1, 0) data pattern, and a hard decision is made as to what 5 bits are supported. In this case, for example, the measurement data is arranged in order from the data with the highest luminance, the upper two luminances are determined to be white, and the hard determination result is obtained from the position. In the example of FIG. 16, among the 9-bit measurement data of (1), the data with the highest luminance (for example, a 6 ) and the data with the next highest luminance (for example, a 7 ) are set to white [1], and the other data are Corresponding to black [0], 9-bit data “000001100” is obtained (corresponding to the data in FIG. 16 (4)), and “10011” in FIG. 16 (2) corresponding to the 9-bit data is obtained. This is derived as a hard decision result.
次に、ステップ3(S3)として、k=1とおく。このkは、nbitの上位からk番目のビットの尤度の情報(LLR)を求める処理であることを意味する。 Next, as step 3 (S3), k = 1 is set. This k means that the process is to obtain likelihood information (LLR) of the k-th bit from the top of nbit.
ステップ4(S4)として、まず、ステップ2(S2)で得られたnbitについて、上位からkビット目の判定結果を1としたnbit(第1nbit)を作成する。例えば、硬判定結果の上位1bit(k=1)の尤度(LLR)を求める場合、上位1bitのみを「1」とし、他のbitは硬判定の結果のままとしたnbit(第1nbit)を作成する。図16の例では、硬判定結果(「10011」)の1ビット目は1であるから、第1nbitは(2)となり、硬判定結果のnbitと一致する。次に、ステップ2(S2)で得られたnbitについて、上位からkビット目の判定結果を0としたnbit(第2nbit)を作成する。例えば、上位1bit(k=1)の尤度(LLR)を求める処理では、上位1bitのみを「0」とし、他のbitは硬判定の結果のままとしたnbit(第2nbit)を作成する。図16の例では、図16(2)の5bitデータ「10011」の上位1bit(左端のbit)を「0」として(反転させて)、「00011」の第2nbit(3)を作成する。(2)と(3)の太枠で囲われた部分(ここでは上位1bit)が、尤度(LLR)を求めるビットである。 As step 4 (S4), first, an nbit (first nbit) with the determination result of the k-th bit from the top as 1 is created for the nbit obtained in step 2 (S2). For example, when the likelihood (LLR) of the upper 1 bit (k = 1) of the hard decision result is obtained, only the upper 1 bit is set to “1”, and the other bits are the nbit (first nbit) that remains the hard decision result. create. In the example of FIG. 16, since the first bit of the hard decision result (“10011”) is 1, the first nbit is (2), which matches the nbit of the hard decision result. Next, for the nbit obtained in step 2 (S2), an nbit (second nbit) in which the determination result of the k-th bit from the top is set to 0 is created. For example, in the process for obtaining the likelihood (LLR) of the upper 1 bit (k = 1), an nbit (second nbit) is generated in which only the upper 1 bit is set to “0” and the other bits are left as a hard decision result. In the example of FIG. 16, the upper 1 bit (leftmost bit) of the 5-bit data “10011” of FIG. 16B is set to “0” (inverted), and the second nbit (3) of “00011” is created. A portion (in this case, upper 1 bit) surrounded by a thick frame of (2) and (3) is a bit for obtaining the likelihood (LLR).
ステップ5(S5)として、ステップ4(S4)で得られた第1nbitのrbitへの変換データと、第2nbitのrbitへの変換データとのビットごとの差分を算出する。すなわち、ステップ4(S4)で得られた第1nbit(=硬判定結果)の「10011」より、その5bitに割り当てられている9bit(図16の(4)「000001100」)を求める。また、同様に、得られた第2nbit(「00011」)より、第2nbitの5bitに割り当てられている9bit(図16の(5)「100010000」)を求める。そして、尤度判定bit(上位1bit)が「1」である第1nbitに割り当てられている9bitのビット列(4)と、尤度判定bitが「0」である第2nbitに割り当てられている9bitのビット列(5)との差をとる。すなわち、9bitの各ビットごとに((4)−(5))を求めて、(6)のデータ列「−1000−11100」を得る。ビット列(4)とビット列(5)とが不一致の部分(ここでは、枠で囲んだ1,5,6,7番目のbit)が、(6)のデータ列で1又は−1となり、他のビットは0となる。5:9変調の場合は、9bitの内、データ1であるのは2bitであるから、不一致のbit数は最大4bitにすぎない。なお、差分を求める演算として(4)−(5)を行うか、(5)−(4)を行うかについては、次の規格化処理において、測定データの最大値を「−1」に対応させるか「+1」に対応させるかによっても変わり得るので、固定されたものではない。 In step 5 (S5), a bit-by-bit difference between the converted data of the first nbit rbit obtained in step 4 (S4) and the converted data of the second nbit rbit is calculated. That is, 9 bits ((4) “00000100” in FIG. 16) assigned to the 5 bits are obtained from “10011” of the first nbit (= hard decision result) obtained in step 4 (S4). Similarly, 9 bits ((5) “100010000” in FIG. 16) allocated to 5 bits of the second nbit are obtained from the obtained second nbit (“00011”). Then, a 9-bit bit string (4) assigned to the first nbit with the likelihood determination bit (higher 1 bit) being “1” and a 9-bit assigned to the second nbit with the likelihood determination bit being “0”. The difference from the bit string (5) is taken. That is, ((4)-(5)) is obtained for each 9-bit bit to obtain the data string “−1000-11100” of (6). The part where the bit string (4) and the bit string (5) do not match (here, the first, fifth, sixth and seventh bits surrounded by a frame) becomes 1 or -1 in the data string of (6), and the other The bit is 0. In the case of 5: 9 modulation, since data 1 is 2 bits out of 9 bits, the number of mismatched bits is only 4 bits at maximum. As to whether to perform (4)-(5) or (5)-(4) as the calculation for obtaining the difference, the maximum value of the measurement data corresponds to “−1” in the next normalization process. Since it can change depending on whether it is made to correspond to “+1” or not, it is not fixed.
ステップ6(S6)として、rbitの測定データを規格化する。例えば、図16(1)の9bitの測定データ(a1〜a9)を、次式(13)により、9個のデータ中で最大値(max(a1,…,a9))と最小値(min(a1,…,a9))に基づいて、−1から1に規格化し、図3(7)の規格化データ(a1’〜a9’)を得る。例えば、撮像素子で得られた測定データが、最小15、最大200の諧調データであった場合、185諧調に分布するデータを−1から1に規格化して対応させる。 In step 6 (S6), the rbit measurement data is normalized. For example, the 9- bit measurement data (a 1 to a 9 ) shown in FIG. 16 (1) is expressed by the following equation (13), with the maximum value (max (a 1 ,..., A 9 )) and the minimum among the 9 data. Based on the value (min (a 1 ,..., A 9 )), normalization from −1 to 1 is performed to obtain normalized data (a 1 ′ to a 9 ′) in FIG. For example, when the measurement data obtained by the image sensor is gradation data with a minimum of 15 and a maximum of 200, the data distributed in 185 gradations is normalized from -1 to 1 to correspond.
なお、測定データ(a1〜a9)の最大・最小を、−1から+1に対応させるか、或いは、+1から−1に対応させるかは、ステップ5の演算として(4)−(5)を行うか、(5)−(4)を行うかにも関連しており、適切なLLRとなるよう適宜設定する。また、入力信号が例えば通信路を経て伝送された受信信号のように、測定データ(a1〜a9)が−1から1に分散している場合は、特に、規格化処理を行う必要はない。 Note that whether the maximum / minimum of the measurement data (a 1 to a 9 ) corresponds to −1 to +1 or +1 to −1 is calculated as (4) − (5) Or (5)-(4) is set, and an appropriate LLR is set as appropriate. Further, when the measurement data (a 1 to a 9 ) is distributed from −1 to 1 as in the case of the received signal transmitted through the communication path, for example, it is particularly necessary to perform the normalization process. Absent.
ステップ7(S7)として、ステップ5(S5)で得られた差分データと、S6で規格化されたrbitデータ(規格化が不要な場合はrbitの測定データ)とを、ビットごとに乗算する(積を求める)。なお、乗算するといっても、差分データは1又は−1であるから、乗算は実質的に測定データの正負の符号の操作だけであり、計算量は少ない。そして、乗算結果の全体の平均値を求める。例えば、図16の例では、差分データと規格化された測定データの積として、(−a1’−a5’+a6’+a7’)が求まり、これを差分の生じたビットの数(ここでは、4)で割って、全体の平均値を求める。そして、この平均値を、図16(8)のように受信信号Ynとみなす。 As step 7 (S7), the difference data obtained in step 5 (S5) and the rbit data normalized in S6 (rbit measurement data if normalization is not required) are multiplied bit by bit ( Product). Note that even if multiplication is performed, the difference data is 1 or −1. Therefore, the multiplication is substantially only the operation of the sign of the measurement data, and the amount of calculation is small. Then, an average value of the entire multiplication results is obtained. For example, in the example of FIG. 16, (−a 1 ′ −a 5 ′ + a 6 ′ + a 7 ′) is obtained as the product of the difference data and the standardized measurement data, and this is calculated as the number of bits in which the difference occurs ( Here, the average value of the whole is obtained by dividing by 4). Then, this average value is regarded as a received signal Yn as shown in FIG.
ステップ8(S8)として、ステップ7(S7)の算出結果を受信信号Ynとしてk番目のビットの尤度としてのLLRを算出する。すなわち、前述の式(3)のYnに図16(8)のYn(平均値)を代入する。このとき、雑音σ2は、実測値として求めても、推定値として適当な値を入力しても良い。得られた結果をnbitデータの上位1bit(k=1)の対数尤度比(LLR)とする。 In step 8 (S8), the LLR as the likelihood of the kth bit is calculated using the calculation result in step 7 (S7) as the received signal Yn. That is, Yn (average value) in FIG. 16 (8) is substituted for Yn in the above-described equation (3). At this time, the noise σ 2 may be obtained as an actual measurement value or an appropriate value may be input as an estimated value. The obtained result is defined as the log likelihood ratio (LLR) of the upper 1 bit (k = 1) of the nbit data.
その後、ステップ9(S9)として、k=nであるか否かを判定する。判定結果Yes(k=n)であれば終了し、No(k<n)であれば、ステップ10(S10)に進む。 Thereafter, in step 9 (S9), it is determined whether k = n. If the determination result is Yes (k = n), the process ends. If No (k <n), the process proceeds to step 10 (S10).
ステップ10(S10)では、kに1を加えて、ステップ4(S4)から、再び処理を行う。すなわち、上記ステップでは5bit中の最上位の1bitの説明をしたが、次の処理ではk=2として、5bit中の2番目のbitの尤度を求める。2番目のbitの尤度(LLR)を計算する場合には、同様に、硬判定結果のnbitのデータに基づいて、2番目のbit(k=2)を「1」とした第1nbit(図16の例では「11011」)と、2番目のbitを「0」とした第2nbit(図16の例では「10011」)を作成して、同様の計算を行う。 In step 10 (S10), 1 is added to k, and the process is performed again from step 4 (S4). That is, in the above step, the most significant 1 bit in 5 bits has been described, but in the next process, the likelihood of the second bit in 5 bits is obtained with k = 2. When calculating the likelihood (LLR) of the second bit, similarly, based on the nbit data of the hard decision result, the second nbit (k = 2) is set to “1” (see FIG. In the example of “1611”, “11011”) and the second nbit (“10011” in the example of FIG. 16) in which the second bit is “0” are created, and the same calculation is performed.
このような演算処理をすることにより、rbitの測定データから一挙にビット列(nbit)の尤度(LLR)決定、さらにはビット決定をすることができる。この計算では、差分、かけ算、平均値という、ごく基本的な四則演算しか行っていないため、非常に高速かつ、効率的に尤度(LLR)を計算することができる。そして、この後、nbitの尤度に基づく誤り訂正を行い、精度の高いデータ復号を実現することができる。 By performing such an arithmetic process, it is possible to determine the likelihood (LLR) of the bit string (nbit) from the rbit measurement data and further to determine the bit. In this calculation, only basic four arithmetic operations such as difference, multiplication, and average value are performed. Therefore, the likelihood (LLR) can be calculated very quickly and efficiently. After that, error correction based on the likelihood of n bits can be performed to realize highly accurate data decoding.
なお、図16の説明において、(2)は硬判定結果としているが、LDPCの繰り返し計算の中では、推定ビットとして置き換える。 In the description of FIG. 16, (2) is a hard decision result, but is replaced with an estimated bit in the LDPC iterative calculation.
これまでのn:r変調を利用した記録システムでは、nbitのビット列とrbitのピクセルのブロックとを任意に対応付けており、ピクセル(シンボル)の読み取り誤りとビット列のビット誤りとの相関関係は、考慮されていなかった。 In conventional recording systems using n: r modulation, an nbit bit string and an rbit pixel block are arbitrarily associated, and the correlation between a pixel (symbol) read error and a bit string bit error is It was not considered.
このことを、5:9変調を例として説明する。前述のとおり、5:9変調は、5bitのデータを9bit(3×3)のピクセルにして、その9個のピクセルのうち、2個を白とし、そのほかを黒とする変調符号であり、その選択数は、(12)式のとおり、36通りである。図2に、36通り全てのパターンを示す。図2は、3×3個のピクセルから2個を白とするパターンを機械的に36通り全て作成し、これに$0から$35までの仮番号を付与したものである。なお、図2のパターンは、一方の白(白1)を初めに左上に配置し、他方の白(白2)を左中央に配置したものを$0とし、次に、白1を固定して白2を左下に配置したものを$1とし、同様に白2の配置を順次移動させて$2〜$7のパターンを作成し、次いで、白1を左中央に固定して白2の配置を順次移動させて$8〜$14のパターンを作成し、以下同様に、白1と白2の配置を順次移動させて、機械的に36通りのパターンを作成している。 This will be described by taking 5: 9 modulation as an example. As described above, 5: 9 modulation is a modulation code in which 5 bits of data are converted into 9 bits (3 × 3) pixels, two of the nine pixels are white, and the others are black. The number of selections is 36 as shown in equation (12). FIG. 2 shows all 36 patterns. FIG. 2 mechanically creates all 36 patterns in which 2 are white from 3 × 3 pixels, and is given temporary numbers from $ 0 to $ 35. In the pattern shown in FIG. 2, one white (white 1) is first arranged at the upper left and the other white (white 2) is arranged at the left center is set to $ 0, and then white 1 is fixed. The white 2 placed at the lower left is set to $ 1, and similarly the white 2 placement is moved sequentially to create a pattern of $ 2 to $ 7, and then the white 1 is fixed at the left center and the white 2 The arrangement is sequentially moved to create a pattern of $ 8 to $ 14, and similarly, the arrangement of white 1 and white 2 is sequentially moved to create 36 patterns mechanically.
従来の5:9変調では、これら36通りのパターンと5bitのビット列を任意に対応付けていたため、パターンの読み取り誤りが大きなビット誤りを生じる可能性があった。例えば、左上と左中央に白が配置されたパターン(図2のパターン$0)にデータ0(ビット列「00000」)を対応させ、中央上と左中央に白が配置されたパターン(図2のパターン$9)にデータ7(ビット列「00111」)を対応させたとする。記録されたパターン$0を再生する際に、パターン$0の白の一つを近隣のピクセルと読み取り誤りをする可能性があり、パターン$0がパターン$9として判定される場合がある。つまり、ホログラム記録の再生信号では1ピクセル(シンボル)の誤りが、最終的なビット列では、3ビットの誤りとなってしまう場合があった。 In the conventional 5: 9 modulation, these 36 patterns and a 5-bit bit string are arbitrarily associated with each other, so that a pattern reading error may cause a large bit error. For example, a pattern in which white is arranged in the upper left and the left center (pattern $ 0 in FIG. 2) corresponds to data 0 (bit string “00000”), and a pattern in which white is arranged in the upper center and the left center (in FIG. 2). Assume that data 7 (bit string “00111”) is associated with pattern $ 9). When the recorded pattern $ 0 is reproduced, there is a possibility that one of white of the pattern $ 0 is erroneously read as a neighboring pixel, and the pattern $ 0 may be determined as the pattern $ 9. That is, an error of 1 pixel (symbol) may occur in the reproduced signal for hologram recording, and an error of 3 bits may occur in the final bit string.
このように、従来のn:r変調を利用したホログラム記録再生装置において、nbitのデータ列とrbitのパターンとの相関関係がないことが、測定値からnbitのビット列データを復号する際に、誤差を生じる一因となっていた。 As described above, in the conventional hologram recording / reproducing apparatus using n: r modulation, there is no correlation between the nbit data string and the rbit pattern, which is an error in decoding the nbit bit string data from the measured value. Was one of the causes.
本発明者らは、さらに、提案した図15、図16に示した復号方法について、nbitのデータ列とrbitのパターンとの相関関係を持たせること、すなわち、測定値の尤度と、最終的なビットの尤度とに関連性を付けることで、誤り訂正能力を向上させることができることを発見した。 The present inventors further provide the proposed decoding method shown in FIGS. 15 and 16 with a correlation between the nbit data string and the rbit pattern, that is, the likelihood of the measured value and the final value. We found that the error correction capability can be improved by correlating with the likelihood of the correct bit.
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、誤り訂正の能力を向上させることのできるn:r変調符号の生成法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of the above problems is to provide an n: r modulation code generation method capable of improving the error correction capability.
また、本発明の他の目的は、n:r変調信号に基づいて記録・再生処理を行い、誤り訂正の能力を向上させることのできるホログラム記録再生方法、及び、再生信号の誤り率を低下させることができるホログラム記録再生装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to perform a recording / reproducing process based on an n: r modulation signal to improve the error correction capability, and to reduce the error rate of the reproduced signal. An object of the present invention is to provide a hologram recording / reproducing apparatus that can perform the above-described process.
上記課題を解決するために本発明に係る変調符号作成法は、n:r変調のための変調符号作成法であって、n:r変調に必要な個数のrbitのピクセルからなるブロックのパターンの全ての組み合わせについて、輝点(白)間ユークリッド距離の和を求め、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを作成する工程と、nbitのビット列の全ての組み合わせについて、相互のビット列間の各ビットのユークリッド距離の和を求め、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを作成する工程と、AmatrixとBmatrixのそれぞれのマトリックスの要素を規格化して、Amatrix_normalizedと、Bmatrix_normalizedとを作成する工程と、規格化されたマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)を次式で計算する工程と、
また、上記課題を解決するために本発明に係るホログラム記録方法は、前記変調符号作成法によりn:r変調符号を作成し、記録時に、nbitのデータを前記n:r変調符号によりrbitの2次元コードにして記録媒体に記録することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the hologram recording method according to the present invention creates an n: r modulation code by the modulation code creation method, and, at the time of recording, converts nbit data to 2 bits of rbit by the n: r modulation code. A dimensional code is recorded on a recording medium.
上記課題を解決するために本発明に係るホログラム再生方法は、前記変調符号作成法によりn:r変調符号を作成し、再生時に、記録媒体より再生したn:r変調されている信号から、rbitを抽出する工程と、前記rbitの再生信号から、前記n:r変調符号に基づいてnbitの硬判定を行う工程と、硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、前記第1nbitに対応するrbit変換データと前記第2nbitに対応するrbit変換データとの差分と、規格化されたrbitの再生信号とのビットごとの積の平均値に基づいて、前記ビットの尤度を算出する工程と、前記算出された尤度に基づいて、nbitの誤り訂正復号処理を行う工程を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a hologram reproducing method according to the present invention creates an n: r modulation code by the modulation code creating method, and at the time of reproduction, from an n: r modulated signal reproduced from a recording medium, A bit for calculating the likelihood based on hard-decided nbit data, and a bit for calculating the likelihood based on the hard-decided nbit data from the rbit reproduction signal. The first nbit and the second nbit in which the bit for calculating the likelihood is 0 are created, and the difference between the rbit converted data corresponding to the first nbit and the rbit converted data corresponding to the second nbit is normalized. a step of calculating a likelihood of the bit based on an average value of a product of each bit of the rbit reproduction signal and an error correction of the nbit based on the calculated likelihood; Characterized in that it comprises a step of performing a decoding process.
上記課題を解決するために本発明に係るホログラム記録再生装置は、記録媒体より再生したn:r変調されている信号から、rbitを抽出し、前記rbitの再生信号から、n:r変調テーブルに格納されたn:r変調符号に基づいてnbitの判定を行う、ホログラム記録再生装置において、前記n:r変調テーブルに格納されたn:r変調符号は、rbitのピクセルからなるブロックのパターンの全ての組み合わせについて、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを規格化したAmatrix_normalizedと、 nbitのビット列の全ての組み合わせについて、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを規格化したBmatrix_normalizedとのマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)[次式]が、rbitのピクセルからなるブロックのパターンをランダムに配置したAmatrixを用いて求めた前記2乗和(D)の値の90%以下であるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する、nbitのビット列とrbitのパターンとのn:r変調符号であることを特徴とする。
上記課題を解決するために本発明に係るホログラム記録再生装置は、記録媒体より再生したn:r変調されている信号から、rbitを抽出し、前記rbitの再生信号から、n:r変調テーブルに格納されたn:r変調符号に基づいてnbitの判定を行う、ホログラム記録再生装置において、前記n:r変調テーブルは5:9変調テーブルであり、前記5:9変調テーブルに格納された5:9変調符号は、9bitのピクセルからなる32通りのブロックのパターンの全ての組み合わせについて、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを規格化したAmatrix_normalizedと、5bitのビット列の全ての組み合わせについて、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを規格化したBmatrix_normalizedとのマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)[次式]が、2122以下となるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する、nbitのビット列とrbitのパターンとの5:9変調符号であることを特徴とする。
また、前記ホログラム記録再生装置は、再生したn:r変調されている信号を、rbitのブロックにブロック化するブロック抽出部と、ブロック化されたrbitの入力信号から、前記n:r変調符号によりnbitの硬判定を行う硬判定部と、硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、前記第1nbitに対応するrbit変換データと前記第2nbitに対応するrbit変換データとの差分と、rbitの入力信号とのビットごとの積の平均値に基づいて、前記ビットの尤度を算出するLLR判定部と、前記LLR判定部で算出された尤度に基づいて、nbitの誤り訂正復号処理を行う誤り訂正復号部と、を備えることが望ましい。 In addition, the hologram recording / reproducing apparatus uses a block extraction unit that blocks the reproduced n: r modulated signal into rbit blocks, and an n: r modulation code from the blocked rbit input signal. Based on hard decision unit that performs nbit hard decision, based on nbit data that has been hard decided, create first nbit with 1 bit to calculate likelihood and second nbit with 0 bit to calculate likelihood Then, the likelihood of the bit is calculated based on the average value of the product of each bit of the difference between the rbit conversion data corresponding to the first nbit and the rbit conversion data corresponding to the second nbit and the rbit input signal. And an error correction decoding unit that performs an nbit error correction decoding process based on the likelihood calculated by the LLR determination unit. Desirable.
また、前記ホログラム記録再生装置において、再生したn:r変調されている信号は、LDPC符号により誤り訂正符号化処理がなされていることが望ましい。 In the hologram recording / reproducing apparatus, it is desirable that the reproduced n: r modulated signal is subjected to error correction coding processing using an LDPC code.
本発明の変調符号生成方法によれば、誤り訂正の能力を向上させることのできるn:r変調符号を生成することができる。 According to the modulation code generation method of the present invention, it is possible to generate an n: r modulation code that can improve the error correction capability.
また、本発明のホログラム記録再生方法、及び、ホログラム記録再生装置によれば、n:r変調信号に基づくホログラム記録・再生において、誤り訂正能力を向上させることができ、再生信号の誤り率を低下させることができる Further, according to the hologram recording / reproducing method and the hologram recording / reproducing apparatus of the present invention, the error correction capability can be improved in the hologram recording / reproducing based on the n: r modulation signal, and the error rate of the reproduced signal is lowered. Can be
本発明の課題を解決するために、測定値のパターン間ユークリッド距離の総和と最終的なビットの符号間距離とが同じような特性を持つように、nbitのデータ列とrbitのピクセルパターンの組み合わせを最適化することにより、誤り特性を向上させる。以下、本発明の実施の形態について説明する。 In order to solve the problem of the present invention, a combination of an nbit data string and an rbit pixel pattern so that the sum of the Euclidean distances between measured patterns and the final inter-code distance have similar characteristics. By optimizing the error characteristics, the error characteristics are improved. Embodiments of the present invention will be described below.
n:r変調の一例として、5:9変調を用いて説明する。なお、本発明は5:9変調に限らず、9:16変調や15:25変調等、他の変調方式にも応用できるものである。 An example of n: r modulation will be described using 5: 9 modulation. The present invention is not limited to 5: 9 modulation but can be applied to other modulation schemes such as 9:16 modulation and 15:25 modulation.
nbitのデータ(データ列)とrbitのピクセルのパターンとの間の関連が高くなるような変調符号(データ列とパターンの対応関係)を次の[1]〜[8]の工程により求めた。 A modulation code (correspondence between the data string and the pattern) that increases the relationship between the nbit data (data string) and the rbit pixel pattern was obtained by the following steps [1] to [8].
[1]ホログラム記録(3×3ブロック)のパターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和を計算する。 [1] The sum of Euclidean distances between bright spots (white) between patterns of hologram recording (3 × 3 blocks) is calculated.
「パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和」とは、2つのブロックのパターンを重ねたときの、一方のパターンの輝点(白)の中心から、他方のパターンの輝点(白)の中心までの全ての直線距離(ユークリッド距離)の和を意味する。 “Sum of Euclidean distances between bright spots (white) between patterns” means that when the patterns of two blocks are overlapped, the bright spot (white) of the other pattern from the center of the bright spot (white) of one pattern ) Is the sum of all straight line distances (Euclidean distances) to the center.
図1を例として説明する。図1の左側のブロック1は、図2のブロックのパターン一覧において、$3の番号が付与されたパターンを有している。また、右側のブロック2は、図2のパターン一覧で$30の番号が付与されたパターンを有している。この2つのパターンの「輝点(白)間ユークリッド距離の和」(単に「ユークリッド距離の和」と言うこともある。)は、次式(14)のように計算される。(なお、次式(14)で、| |は距離の絶対値を意味する。) FIG. 1 will be described as an example. The block 1 on the left side of FIG. 1 has a pattern to which $ 3 is assigned in the block pattern list of FIG. Further, the block 2 on the right side has a pattern to which $ 30 is assigned in the pattern list of FIG. The “sum of Euclidean distances between bright spots (white)” (sometimes simply referred to as “sum of Euclidean distances”) of these two patterns is calculated as the following equation (14). (In the following equation (14), || means the absolute value of the distance.)
同様に、36×36通りの相互のパターンで輝点(白)間ユークリッド距離の和を計算し、36×36のマトリックスとする。もちろん、パターン$1とパターン$2の関係と、パターン$2とパターン$1の関係とは同じであるから、同じ値を入れる事で計算を省略できる。また、パターン$1とパターン$1という同じパターン同士のユークリッド距離の和は0である。計算結果を図3に示す。 Similarly, the sum of Euclidean distances between bright spots (white) is calculated in 36 × 36 mutual patterns to obtain a 36 × 36 matrix. Of course, since the relationship between the pattern $ 1 and the pattern $ 2 and the relationship between the pattern $ 2 and the pattern $ 1 are the same, the calculation can be omitted by entering the same value. Further, the sum of Euclidean distances between the same patterns of pattern $ 1 and pattern $ 1 is zero. The calculation results are shown in FIG.
[2]nbit(5ビット)の表示に使用する32通りのパターンを選択する。 [2] Select 32 patterns to be used for nbit (5 bits) display.
計算した36通りのパターンのうち、必要なパターンは32通りなので、読み取り誤りが多くなる可能性の高い、すなわち、他のパターンと輝点(白)間ユークリッド距離の和が短い場合が多く出現するパターンを4つ選択し、削除する。 Of the 36 calculated patterns, 32 patterns are required, so there is a high possibility that reading errors will increase, that is, there are many cases where the sum of the Euclidean distances between other patterns and bright points (white) is short. Select four patterns and delete them.
削除対象となったのは、$10、$21、$26、$28の4つのパターンである。これらのパターンは、輝点(白)間ユークリッド距離の和が最小である3.414の出現回数が多く(8回)、他のパターンとの距離が短いパターンと判断される(図3)。これら4つのパターンは、いずれも、3×3ブロックの中央とその上下左右に白が配置されたパターンであった。 The four patterns of $ 10, $ 21, $ 26, and $ 28 are targeted for deletion. These patterns are judged to be patterns having a large number of appearances of 3.414 (eight times) with the smallest sum of Euclidean distances between bright spots (white) (8 times) and short distances from other patterns (FIG. 3). Each of these four patterns was a pattern in which white was arranged at the center of the 3 × 3 block and above, below, left, and right.
次に、3×3のうちの2つの白をとる方法36通りから上記4パターンを除いた32通りのパターンに対して、再度、番号#0〜#31を付与し、パターンの識別番号とする。図4に、選択された32通りのブロックのパターンを示す。 Next, numbers # 0 to # 31 are assigned again to 32 patterns obtained by excluding the above four patterns from 36 methods for taking two white colors out of 3 × 3, and used as pattern identification numbers. . FIG. 4 shows the patterns of 32 selected blocks.
[3]選択された32通りのパターンに対して、32×32のマトリックスを作成し、パターン相互間の輝点(白)間ユークリッド距離の和を再度計算する(図示せず)。 [3] A 32 × 32 matrix is created for the 32 selected patterns, and the sum of the Euclidean distances between bright points (white) between the patterns is calculated again (not shown).
このようにして得られたマトリックスを、Amatrix(32,32)とする。 The matrix thus obtained is designated as Amatrix (32, 32).
[4]nbit(5ビット)のビット列についても、同様に相互のユークリッド距離の計算を行う。 [4] The mutual Euclidean distance is similarly calculated for nbit (5-bit) bit strings.
nbit(5ビット)の32通りのビット列で、ビット列間の各ビットの距離の和を計算する。例えば、ビット列「00101」とビット列「11111」の間の各ビットのユークリッド距離の和(実際には、数値の差の絶対値の和であるが、ここでは「輝点(白)間ユークリッド距離の和」に対応させて、ビット列間の「ユークリッド距離の和」と言う。)は、次式(15)のように計算される。なお、ビットの差は1,0,−1の値しか取りえないので、絶対値の代わりに2乗値を用いても良い。 The sum of the distance of each bit between bit strings is calculated with 32 bit strings of n bits (5 bits). For example, the sum of the Euclidean distances of each bit between the bit string “00101” and the bit string “11111” (actually, the sum of the absolute values of the differences in the numerical values. Corresponding to “sum”, it is referred to as “sum of Euclidean distance” between bit strings.) Is calculated as the following equation (15). Since the bit difference can only take values of 1, 0, -1, a square value may be used instead of the absolute value.
同様に、32×32通りの相互のビット列でユークリッド距離の和を計算し、32×32のマトリックスとする。なお、上記[1]と同様に自己同士の場合は0とする。 Similarly, the sum of Euclidean distances is calculated using 32 × 32 bit strings, and a 32 × 32 matrix is obtained. As in the above [1], 0 is set in the case of self-self.
このようにして得られたマトリックスを、Bmatrix(32,32)とする。図5は、32通りのビット列の相互のビット列間のユークリッド距離の和の結果である。このようにして得られたマトリックスを、Bmatrix(32,32)とする。 The matrix thus obtained is designated as Bmatrix (32, 32). FIG. 5 shows the result of the sum of the Euclidean distances between the 32 bit strings. The matrix thus obtained is designated as Bmatrix (32, 32).
[5]それぞれのマトリックスにおいて、値の規格化をする。 [5] Normalize values in each matrix.
各マトリックスにおいて、それぞれの値の最大値、最小値(0を除く)を求め、値の規格化をする。例えば、0〜10の値に規格化する。対角行列は0とする。
規格化されたAmatrixとBmatrixを次のように呼ぶ。
Amatrix_normalized(32,32)
Bmatrix_normalized(32,32)
In each matrix, the maximum value and the minimum value (excluding 0) of each value are obtained, and the values are normalized. For example, the value is normalized to a value of 0 to 10. The diagonal matrix is 0.
Standardized Amatrix and Bmatrix are called as follows.
Amatrix_normalized (32,32)
Bmatrix_normalized (32,32)
[6]次に、[5]で求めたそれぞれの規格化されたマトリックス同士の差分の2乗和(D)を計算する。 [6] Next, the sum of squares (D) of the differences between the respective normalized matrices obtained in [5] is calculated.
2乗和(D)は、規格化された2つのマトリックス(32×32)の各要素(i,j)の差分について、2乗した和であり、次式(16)で、求められる。 The sum of squares (D) is a sum obtained by squaring the difference between the elements (i, j) of the two normalized matrices (32 × 32), and is obtained by the following equation (16).
[7]Amatrixのパターンの並びを入れ替え、2乗和(D)を再計算する。 [7] The order of the Amatrix patterns is exchanged and the sum of squares (D) is recalculated.
好ましくはすべての並び替え配列について、計算することが望ましい。この場合、場合の通りは32!=2.63×1035通りとなる。 It is preferable to calculate for all the rearranged sequences. In this case, 32! = 2.63 × 10 35 types.
なお、様々に並び変えたAmatrixのパターンで2乗和(D)を再計算するのは、より望ましいAmatrixとBmatrixの対応関係を見い出すためである。したがって、この計算を全ての場合の組み合わせで行うのは、非常に多くの時間を要するので、最適化手法として、遺伝的アルゴリズムを用いることも可能である。 The reason why the sum of squares (D) is recalculated with various Amatrix patterns rearranged is to find a more preferable correspondence between Amatrix and Bmatrix. Therefore, since it takes a very long time to perform this calculation in all cases, it is possible to use a genetic algorithm as an optimization method.
遺伝的アルゴリズムの手法についても記載しておく。図6は最適並びの導出方法(そのうちの(1)〜(3)の工程)を説明する図である。 The genetic algorithm method is also described. FIG. 6 is a diagram for explaining a method for deriving an optimal arrangement (steps (1) to (3) among them).
(1)#1〜#32のパターンの並びをランダムに並べる。例えばそれを4つ作る。さらに#1〜#32のパターンの並びをランダムに並べたものを4つ作る。 (1) Arrange the patterns # 1 to # 32 at random. For example, make four of them. Furthermore, four patterns in which the patterns # 1 to # 32 are arranged at random are made.
(2)合計8つの並びをそれぞれ中間点から半分に割る。 (2) Divide a total of eight lines in half from the middle point.
(3)半分づつとなった並びを全ての通りで掛け合わせ、それぞれで接合(交差)して、新たな並びをつくる。(このとき、8×8=64通りの並びができる。) (3) Multiply the halves in all streets and join (cross) each to create a new row. (At this time, 8 × 8 = 64 arrangements are possible.)
(4)作成した並びでマトリックス(64通り)を作成し、それぞれ上述の2乗和(D)の計算を行う。 (4) A matrix (64 patterns) is created with the created arrangement, and the above-mentioned sum of squares (D) is calculated.
(5)評価値であるDの小さいものを4つ選択し、(1)に戻る。2回目以降は、新たなランダムな並びを4通り追加する。 (5) Select four evaluation values with a small D, and return to (1). From the second time on, four new random sequences are added.
(6)ある程度の回数経過した後、残ったマトリックスのうちの評価値Dが最小なものを選択する。 (6) After a certain number of times have passed, select the remaining matrix having the smallest evaluation value D.
この遺伝的アルゴリズムを用いることにより、局所的な解の可能性は否定できないが、比較的高速にかつ、目的としたマトリックスを得ることが可能である。 By using this genetic algorithm, the possibility of a local solution cannot be denied, but the intended matrix can be obtained at a relatively high speed.
[8]2乗和(D)が最小となるAmatrixを求める。 [8] Amatrix that minimizes the sum of squares (D) is obtained.
このときの2乗和(D)が最小値をとるAmatrixの並びが、Bmatrixにおけるnbit(最終的なビット)のビット並びとの相関が高いと判断される。 It is determined that the arrangement of Amatrix in which the sum of squares (D) at this time has the minimum value has a high correlation with the bit arrangement of nbits (final bits) in Bmatrix.
この相関の高い並びを選択することにより、LDPCなど尤度を使用する計算時には、測定点の尤度を最終ビット列の尤度に適用することが可能となる。 By selecting this highly correlated sequence, it is possible to apply the likelihood of the measurement point to the likelihood of the final bit string at the time of calculation using likelihood such as LDPC.
上記の遺伝的アルゴリズムを用いて求めた、2乗和(D)が最小値をとるAmatrixの各パターンと、最終的なビットであるnbit(5ビット)との対応関係を図7に示す。図7は、5ビットと3×3ブロックパターンの対応関係(5:9変調符号)の最適解の一例である。各パターンに対応する数字は5bitのビット列を意味し、「1」が「00001」、「31」が「11111」を示している。 FIG. 7 shows a correspondence relationship between each Amatrix pattern in which the sum of squares (D) has the minimum value and the final bit nbit (5 bits), which is obtained using the genetic algorithm. FIG. 7 is an example of an optimal solution of the correspondence (5: 9 modulation code) between 5 bits and a 3 × 3 block pattern. The number corresponding to each pattern means a 5-bit bit string, where “1” indicates “00001” and “31” indicates “11111”.
当初の図4を機械的に5bitと対応付けた場合(パターン$0を「00000」に、パターン$31を「11111」に対応付けた場合)では、求めた2乗和(評価値)Dは2358であったが、パターンの並びを最適化することにより、2乗和(評価値)Dは1965まで減少した。つまり並び替えを行うことにより、それぞれマトリックス同士の関連性が高まったことが分かる。 When the original FIG. 4 is mechanically associated with 5 bits (when pattern $ 0 is associated with “00000” and pattern $ 31 is associated with “11111”), the calculated square sum (evaluation value) D is Although it was 2358, the sum of squares (evaluation value) D decreased to 1965 by optimizing the arrangement of the patterns. In other words, it can be seen that the relevance between the matrices increased by performing the rearrangement.
その後の検証で、5:9変調符号の場合は、規格化したAmatrixとBmatrixの各要素の差分の2乗和(D)が、「2122」以下であると、誤り訂正能力が大きく向上することが確認できた。2乗和(D)が最小値(1965)となるAmatrixに基づく変調符号が最も高い誤り訂正能力を示すが、2乗和(D)が「2122」以下である場合の変調符号は、最小値の場合にほぼ匹敵する誤り訂正能力を発揮できた。したがって、2乗和(D)が、「2122」以下であるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する5:9変調符号を、以下、「最適化された5:9変調符号」ということとする。なお、この2乗和(D)の「2122」は、当初の機械的にビット列とパターンを対応付けた場合(これは、ビット列とパターンに何ら意図的な対応付けを行っていないから、ランダムにビット列とパターンを対応付けた場合と等価である)の2乗和(D)の「2358」の90%に相当する。そして、他のn:r変調符号においても、当初のランダムにビット列とパターンを対応付けた場合の2乗和(D)の90%以下の2乗和(D)となるAmatrixに基づく変調符号は、誤り訂正能力が大きく向上する。したがって、一般的に、2乗和(D)が、ランダムに配列されたパターンのAmatrixを用いて求めた2乗和(D)の90%以下であるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する変調符号を、「最適化された変調符号」ということができる。 In the subsequent verification, in the case of the 5: 9 modulation code, if the square sum (D) of the difference between the standardized Amatrix and Bmatrix elements is “2122” or less, the error correction capability is greatly improved. Was confirmed. A modulation code based on Amatrix with the sum of squares (D) being the minimum value (1965) exhibits the highest error correction capability, but the modulation code when the sum of squares (D) is "2122" or less is the minimum value In this case, the error correction ability was almost comparable. Therefore, a 5: 9 modulation code having a correspondence relationship between an Amatrix sequence and a Bmatrix sequence whose square sum (D) is “2122” or less is hereinafter referred to as an “optimized 5: 9 modulation code”. And Note that “2122” of the sum of squares (D) is when the bit string and the pattern are mechanically associated with each other (this is because the bit string and the pattern are not intentionally associated with each other. This is equivalent to 90% of “2358” of the square sum (D) of the bit string and the pattern. Also, in other n: r modulation codes, modulation codes based on Amatrix that are square sums (D) of 90% or less of square sums (D) when bit strings and patterns are initially associated with random patterns are The error correction capability is greatly improved. Therefore, in general, the correspondence between the arrangement of Amatrix and the arrangement of Bmatrix in which the sum of squares (D) is 90% or less of the sum of squares (D) obtained by using Amatrix of randomly arranged patterns is shown. The modulation code that is included can be referred to as an “optimized modulation code”.
以下、本発明の最適化したn:r変調符号を利用したホログラム記録再生方法、及びホログラム記録再生装置について、説明する。 The hologram recording / reproducing method and hologram recording / reproducing apparatus using the optimized n: r modulation code of the present invention will be described below.
本発明の最適化したn:r変調符号を利用したホログラム記録方法は、まず、前述の[1]〜[8]の工程に従って、最適化されたn:r変調符号を求め、その後、その最適化されたn:r変調符号により、nbitデータ(望ましくは、誤り訂正符号化されたnbitデータ)をrbitの2次元コードにして、記録媒体に記録することで、誤り訂正能力が向上したホログラム記録をすることができる。 In the hologram recording method using the optimized n: r modulation code of the present invention, first, an optimized n: r modulation code is obtained in accordance with the steps [1] to [8] described above, and then the optimum Hologram recording with improved error correction capability by converting the nbit data (preferably error correction encoded nbit data) into a two-dimensional code of rbit and recording it on a recording medium using the converted n: r modulation code Can do.
また、本発明のホログラム再生方法は、最適化されたn:r変調符号を求め、その後、そのn:r変調符号により、図15のフローチャートに従って、rbitの測定データからnbitの尤度を求め、さらに誤り訂正を行う。すなわち、本発明の最適化したn:r変調符号で変調された入力信号から、rbitを抽出し、rbitの入力信号から、nbitの硬判定を行う。硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、前記第1nbitに対応するrbit変換データと前記第2nbitに対応するrbit変換データとの差分と、rbitの入力信号とのビットごとの積の平均値に基づいて、前記ビットの尤度を算出する。その後、算出された尤度に基づいて、nbitの誤り訂正復号処理を行う方法である。 The hologram reproducing method of the present invention obtains an optimized n: r modulation code, and then obtains the nbit likelihood from the rbit measurement data according to the flowchart of FIG. Further error correction is performed. That is, rbit is extracted from the input signal modulated by the optimized n: r modulation code of the present invention, and nbit hard decision is performed from the rbit input signal. Based on the hard-determined nbit data, a first nbit with a bit for calculating likelihood is set to 1, and a second nbit with a bit for calculating likelihood is set to 0, and rbit conversion data corresponding to the first nbit is generated. The likelihood of the bit is calculated based on the difference between the rbit conversion data corresponding to the second nbit and the bitwise product of the rbit input signal. Thereafter, the n-bit error correction decoding process is performed based on the calculated likelihood.
次に、本発明のホログラム記録再生装置は、上述した最適化したn:r変調符号をn:r変調テーブルとして備えている。そして、nbitデータ(望ましくは、誤り訂正符号化されたnbitデータ)を、最適化したn:r変調符号で変調し、rbitの2次元データとして記録媒体に記録する。こうして、復号の際に誤り訂正能力を高めたホログラム記録をすることができる。 Next, the hologram recording / reproducing apparatus of the present invention includes the optimized n: r modulation code described above as an n: r modulation table. Then, n-bit data (preferably n-bit data subjected to error correction coding) is modulated with the optimized n: r modulation code, and recorded on the recording medium as rbit two-dimensional data. In this way, hologram recording with improved error correction capability can be performed during decoding.
図8は、本発明の実施の形態としてのホログラム記録再生装置の復号装置の一例のブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram of an example of a decoding device of the hologram recording / reproducing device as an embodiment of the present invention.
復号装置10は、ブロック抽出部11と、硬判定部12と、LLR算出部13と、誤り訂正復号部14を含み、最適化したn:r変調符号をn:r変調テーブル15として備えている。復号装置10は、n:r変調信号が入力され、誤り訂正復号されたnbitデータが出力される。ここで、入力されるn:r変調信号は、nbit信号の段階で(rbitへの変換前に)、誤り訂正符号化(例えば、LDPC符号化)されているのが望ましい。このn:r変調信号は、本発明の最適化したn:r変調符号で変調されており、図13のホログラム記録再生装置においては、2次元撮像素子118で撮像(読取)された測定データを用いることができる。 The decoding apparatus 10 includes a block extraction unit 11, a hard decision unit 12, an LLR calculation unit 13, and an error correction decoding unit 14, and includes an optimized n: r modulation code as an n: r modulation table 15. . The decoding device 10 receives an n: r modulation signal and outputs nbit data subjected to error correction decoding. Here, it is desirable that the input n: r modulation signal is subjected to error correction coding (for example, LDPC coding) at the stage of the nbit signal (before conversion to rbit). This n: r modulation signal is modulated with the optimized n: r modulation code of the present invention. In the hologram recording / reproducing apparatus of FIG. 13, the measurement data imaged (read) by the two-dimensional image sensor 118 is obtained. Can be used.
ブロック抽出部11は、n:r変調信号(n:r変調された入力信号)を、rbitのブロック(元のnbitに対応するrbit単位)にブロック化し、抽出されたブロックを硬判定部12に出力する。例えば、図12、図13のホログラフィックメモリー記憶システムにおいて、5:9変調が用いられた場合、3×3のピクセルからなる9bitのデータ単位が1ブロックとなる。 The block extraction unit 11 blocks the n: r modulated signal (n: r modulated input signal) into rbit blocks (rbit units corresponding to the original nbits), and the extracted blocks to the hard decision unit 12 Output. For example, when 5: 9 modulation is used in the holographic memory storage system of FIGS. 12 and 13, a 9-bit data unit composed of 3 × 3 pixels is one block.
硬判定部12は、ブロック抽出部11から入力されたrbitの入力信号データに基づいて、nbitの硬判定を行い、判定結果をLLR算出部13に出力する。例えば、入力信号の強度に基づいて、rbitのパターンを判定し、n:r変調テーブル15を参照して、このrbitに対応するnbitを硬判定結果として出力する。具体的には、図15のステップ1(S1)とステップ2(S2)の処理を行う。 The hard decision unit 12 performs an nbit hard decision based on the rbit input signal data input from the block extraction unit 11 and outputs the decision result to the LLR calculation unit 13. For example, the rbit pattern is determined based on the intensity of the input signal, and the n: r modulation table 15 is referenced to output the nbit corresponding to this rbit as the hard decision result. Specifically, the processing of step 1 (S1) and step 2 (S2) in FIG. 15 is performed.
LLR算出部13は、硬判定部12から入力されたnbitのデータの各ビットについて、尤度の情報としてLLRを算出し、誤り訂正復号部14に出力する。LLRの算出は、硬判定されたnbitの変換データのうちLLR算出対象のビットを1とした第1nbitと、LLR算出対象のビットを0とした第2nbitを作成し、それぞれのrbit変換データの差分をとり、それに入力信号(rbitの測定データ)をビットごとに乗算した値の平均値に基づいて、尤度(LLR)を算出するものである。具体的には、図15のステップ3(S3)からステップ10(S10)の処理を行う。なお、図示されていないが、LLR算出部13においても、nbitとrbitとの変換には、n:r変調テーブル15を参照している。 The LLR calculation unit 13 calculates an LLR as likelihood information for each bit of the n-bit data input from the hard decision unit 12 and outputs the LLR to the error correction decoding unit 14. The LLR is calculated by creating a first nbit in which the LLR calculation target bit is 1 and a second nbit in which the LLR calculation target bit is 0 in the hard-decided nbit conversion data, and the difference between the respective rbit conversion data And the likelihood (LLR) is calculated based on the average value of values obtained by multiplying the input signal (rbit measurement data) for each bit. Specifically, the processing from step 3 (S3) to step 10 (S10) in FIG. 15 is performed. Although not shown, the LLR calculation unit 13 also refers to the n: r modulation table 15 for conversion between nbits and rbits.
誤り訂正復号部14は、LLR算出部13から入力されたnbit信号のLLRに基づいて、入力信号の誤り訂正符号化に対応した誤り訂正復号を行う。例えば、誤り訂正符号化がLDPC符号化であれば、前述したLDPC復号処理を行う。誤り訂正復号処理により推定ビットを決定し、この得られた推定ビットをLLR算出部13に出力して、再度尤度(LLR)算出を行なう。繰り返し処理の結果、パリティ検査を満足する推定ビットが得られると、誤り訂正復号されたnbitデータとして、復号装置10から出力される。 The error correction decoding unit 14 performs error correction decoding corresponding to the error correction coding of the input signal based on the LLR of the nbit signal input from the LLR calculation unit 13. For example, if the error correction coding is LDPC coding, the above-described LDPC decoding process is performed. Estimated bits are determined by error correction decoding processing, and the obtained estimated bits are output to the LLR calculator 13 to perform likelihood (LLR) calculation again. As a result of the iterative process, when an estimated bit satisfying the parity check is obtained, it is output from the decoding device 10 as nbit data subjected to error correction decoding.
なお、図13のホログラム記録再生装置においては、復号装置10は、演算装置119により実現することができる。 In the hologram recording / reproducing apparatus in FIG. 13, the decoding apparatus 10 can be realized by the arithmetic unit 119.
(検証結果)
本発明のn:r変調符号作成方法で作成されたn:r変調符号を用いて、ホログラムの記録再生を行い、その結果の誤り率等を検証した。
(inspection result)
Hologram recording / reproduction was performed using the n: r modulation code created by the n: r modulation code creation method of the present invention, and the resulting error rate and the like were verified.
図9は、本発明と従来例の5:9変調符号による硬判定結果の比較を示す図である。横軸は、信号対雑音比(SNR:Signal-to-Noise Ratio)(dB)であり、縦軸は再生符号の誤り率である。図9で「最適化」として示された●のグラフが、図7に示す本発明による5:9変調符号により記録再生したときの硬判定結果であり、「従来」として示された○のグラフが、図4に示す任意の対応関係による5:9変調符号により記録再生したときの硬判定結果である。硬判定結果においても、本発明の変調符号を用いた場合の方が、従来よりも誤り率が改善している。したがって、本発明のn:r変調符号は、誤り訂正を行う場合のみならず、通常の硬判定結果でも効果があり、広く一般のホログラム記録再生装置においてn:r変調テーブルとして持たせることにより、応用できるものである。 FIG. 9 is a diagram showing a comparison of hard decision results by the 5: 9 modulation code of the present invention and the conventional example. The horizontal axis represents the signal-to-noise ratio (SNR) (dB), and the vertical axis represents the error rate of the reproduction code. The graph of ● shown as “optimization” in FIG. 9 is a hard decision result when recording / reproducing with the 5: 9 modulation code according to the present invention shown in FIG. 7, and the graph of ○ shown as “conventional” Is a hard decision result when recording / reproduction is performed with a 5: 9 modulation code according to an arbitrary correspondence shown in FIG. Even in the hard decision result, the error rate is improved when the modulation code of the present invention is used than in the conventional case. Therefore, the n: r modulation code of the present invention is effective not only when performing error correction, but also by a normal hard decision result, and by having it as an n: r modulation table in a wide general hologram recording / reproducing apparatus, It can be applied.
図10は、本発明と従来例の5:9変調符号によるLDPC誤り訂正の比較を示す図である。図10(A)は、横軸が信号対雑音比(dB)であり、縦軸はLDPCによる誤り訂正後の誤り率である。また、図10(B)は、横軸が信号対雑音比(dB)であり、縦軸はLDPCによる誤り訂正の繰り返し回数の総和である。ここでは、十分なデータ数で検証を行うため、4577個のLDPCブロックを48セット用いてデータを取得している。なお、図における「最適化」と「従来」のグラフの意味は、図9と同じである。図10の結果は、図15、図16で示された尤度決定方法で導出された尤度(LLR)を使用して、誤り訂正をした結果を示している。 FIG. 10 is a diagram showing a comparison of LDPC error correction using the 5: 9 modulation code of the present invention and the conventional example. In FIG. 10A, the horizontal axis represents the signal-to-noise ratio (dB), and the vertical axis represents the error rate after error correction by LDPC. In FIG. 10B, the horizontal axis represents the signal-to-noise ratio (dB), and the vertical axis represents the total number of error correction repetitions by LDPC. Here, in order to perform verification with a sufficient number of data, data is acquired using 48 sets of 4577 LDPC blocks. The meanings of the “optimization” and “conventional” graphs in the figure are the same as those in FIG. The result of FIG. 10 shows the result of error correction using the likelihood (LLR) derived by the likelihood determination method shown in FIGS. 15 and 16.
本発明の最適化されたn:r変調符号を用いた場合は、従来よりもLDPC誤り訂正後の誤り率が1桁以上低減し、また、繰り返し回数が大きく減少して早く収束している。したがって、本発明によるn:r変調信号によれば、ホログラム記録での誤り訂正能力を向上させることができ、再生信号の誤り率を低下させることができることが、検証できた。 When the optimized n: r modulation code of the present invention is used, the error rate after LDPC error correction is reduced by one digit or more than before, and the number of repetitions is greatly reduced, so that the convergence is achieved quickly. Therefore, it was verified that the n: r modulation signal according to the present invention can improve the error correction capability in hologram recording and can reduce the error rate of the reproduced signal.
図11は、本発明と従来例の5:9変調符号によるLDPC誤り訂正収束回数の比較を示す図である。図11(A)が図7に示す本発明による5:9変調符号により記録再生したときのLDPC誤り訂正収束回数を示しており、図11(B)が従来(図4に基づく任意の対応関係)の5:9変調符号により記録再生したときのLDPC誤り訂正収束回数を示している。ここでは4577個のLDPCブロックで検証した。LDPCでは、測定値の尤度を用いて、計算、判定を行、列と繰りかえしながら行う。当然、誤りが少ない場合には、繰返し回数は少なくなり、誤りが多い場合には、繰返し回数は多くなる。図11を見ると、従来(B)の場合には、繰返し回数が多く、長い線(繰り返し回数の多いブロック)が多数存在しているが、最適化(A)した場合には、線の数が少なくなっていることが分かる。つまり、マトリックスを最適化することにより、誤り訂正能力をより発揮できるようになったと言うことがいえる。 FIG. 11 is a diagram showing a comparison of the number of LDPC error correction convergence using the 5: 9 modulation code of the present invention and the conventional example. FIG. 11A shows the number of LDPC error correction convergence times when recording / reproducing is performed with the 5: 9 modulation code according to the present invention shown in FIG. 7, and FIG. The number of times of LDPC error correction convergence when recording / reproducing with 5: 9 modulation code is shown. Here, verification was performed with 4577 LDPC blocks. In LDPC, calculations and determinations are repeated using rows and columns using the likelihood of measured values. Of course, when there are few errors, the number of repetitions decreases, and when there are many errors, the number of repetitions increases. Referring to FIG. 11, in the conventional case (B), the number of repetitions is large and there are many long lines (blocks with a large number of repetitions). However, in the case of optimization (A), the number of lines is large. It can be seen that is decreasing. In other words, it can be said that by optimizing the matrix, the error correction capability can be further exhibited.
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。 Although the above embodiment has been described as a representative example, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims. For example, a plurality of constituent blocks described in the embodiments can be combined into one, or one constituent block can be divided.
10 復号装置
11 ブロック抽出部
12 硬判定部
13 LLR算出部
14 誤り訂正復号部
15 n:r変調テーブル
101 レーザ光源
102 シャッタ
103 1/2波長板
104 PBS(偏光ビームスプリッタ)
105 シャッタ
106 拡大レンズ
107 PBS(偏光ビームスプリッタ)
108 SLM(空間光変調素子)
109 FTレンズ
110 空間フィルタ
111 FTレンズ
112 FTレンズ
113 ホログラム記録媒体
114 リレーレンズ
115 ガルバノミラー
116 PBS
117 1/2波長板
118 2次元撮像素子
119 演算装置
120 ミラー
121 ガルバノミラー
122 リレーレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Decoding apparatus 11 Block extraction part 12 Hard decision part 13 LLR calculation part 14 Error correction decoding part 15 n: r modulation table 101 Laser light source 102 Shutter 103 1/2 wavelength plate 104 PBS (polarization beam splitter)
105 Shutter 106 Magnifying Lens 107 PBS (Polarized Beam Splitter)
108 SLM (Spatial Light Modulator)
109 FT lens 110 Spatial filter 111 FT lens 112 FT lens 113 Hologram recording medium 114 Relay lens 115 Galvano mirror 116 PBS
117 half-wave plate 118 two-dimensional image sensor 119 arithmetic unit 120 mirror 121 galvanometer mirror 122 relay lens
Claims (7)
n:r変調に必要な個数のrbitのピクセルからなるブロックのパターンの全ての組み合わせについて、輝点(白)間ユークリッド距離の和を求め、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを作成する工程と、
nbitのビット列の全ての組み合わせについて、相互のビット列間の各ビットのユークリッド距離の和を求め、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを作成する工程と、
AmatrixとBmatrixのそれぞれのマトリックスの要素を規格化して、Amatrix_normalizedと、Bmatrix_normalizedとを作成する工程と、
規格化されたマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)を次式(1)で計算する工程と、
を備えることを特徴とする変調符号作成法。 A modulation code generation method for n: r modulation,
n: Sum of Euclidean distances between bright points (white) for all combinations of block patterns composed of rbit pixels necessary for r modulation, and sum of Euclidean distances between bright points (white) between each pattern Creating an Amatrix with a matrix arrangement;
For all combinations of nbit bit strings, obtaining a sum of Euclidean distances of each bit between the bit strings, and creating a Bmatrix in which the sum of the Euclidean distances of each bit between the bit strings is arranged in a matrix;
Normalizing each matrix element of Amatrix and Bmatrix to create Amatrix_normalized and Bmatrix_normalized;
A step of calculating a sum of squares (D) of differences between the elements of the normalized matrix by the following equation (1):
A modulation code generating method comprising:
記録時に、nbitのデータを前記n:r変調符号によりrbitの2次元コードにして記録媒体に記録する、ホログラム記録方法。 An n: r modulation code is created by the modulation code creation method according to claim 1,
A hologram recording method for recording n-bit data into an rbit two-dimensional code by the n: r modulation code on a recording medium during recording.
再生時に、記録媒体より再生したn:r変調されている信号から、rbitを抽出する工程と、
前記rbitの再生信号から、前記n:r変調符号に基づいてnbitの硬判定を行う工程と、
硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、前記第1nbitに対応するrbit変換データと前記第2nbitに対応するrbit変換データとの差分と、規格化されたrbitの再生信号とのビットごとの積の平均値に基づいて、前記ビットの尤度を算出する工程と、
前記算出された尤度に基づいて、nbitの誤り訂正復号処理を行う工程を含むことを特徴とする、ホログラム再生方法。 An n: r modulation code is created by the modulation code creation method according to claim 1,
Extracting rbit from an n: r modulated signal reproduced from a recording medium during reproduction;
Performing nbit hard decision based on the n: r modulation code from the rbit reproduction signal;
Based on the hard-determined nbit data, a first nbit with a bit for calculating likelihood is set to 1, and a second nbit with a bit for calculating likelihood is set to 0, and rbit conversion data corresponding to the first nbit is generated. Calculating the likelihood of the bit based on the difference between the rbit converted data corresponding to the second nbit and the bitwise product of the standardized rbit reproduction signal;
A hologram reproducing method comprising a step of performing an n-bit error correction decoding process based on the calculated likelihood.
前記n:r変調テーブルに格納されたn:r変調符号は、
rbitのピクセルからなるブロックのパターンの全ての組み合わせについて、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを規格化したAmatrix_normalizedと、 nbitのビット列の全ての組み合わせについて、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを規格化したBmatrix_normalizedとのマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)[式(1)]が、rbitのピクセルからなるブロックのパターンをランダムに配置したAmatrixを用いて求めた前記2乗和(D)の値の90%以下であるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する、nbitのビット列とrbitのパターンとのn:r変調符号であることを特徴とする、ホログラム記録再生装置。
The n: r modulation code stored in the n: r modulation table is:
For all combinations of block patterns of rbit pixels, Amatrix_normalized, which is a standardized Amatrix in which the sum of the Euclidean distances between the bright points (white) between the patterns is arranged in a matrix, and for all combinations of nbit bit strings, A block in which the sum of squares (D) [Expression (1)] of the difference between each element of the matrix and Bmatrix_normalized, which is a standardized Bmatrix in which the sum of Euclidean distances of each bit between the bit strings is arranged in a matrix, is composed of rbit pixels. Between an nbit bit string and an rbit pattern having a correspondence relationship between an Amatrix sequence and a Bmatrix sequence that are 90% or less of the value of the sum of squares (D) obtained by using an Amatrix in which a pattern of Rb is randomly arranged n: r modulation code That, hologram recording and reproducing apparatus.
前記n:r変調テーブルは5:9変調テーブルであり、前記5:9変調テーブルに格納された5:9変調符号は、
9bitのピクセルからなる32通りのブロックのパターンの全ての組み合わせについて、各パターン間の輝点(白)間ユークリッド距離の和をマトリックス配置したAmatrixを規格化したAmatrix_normalizedと、 5bitのビット列の全ての組み合わせについて、各ビット列間の各ビットのユークリッド距離の和をマトリックス配置したBmatrixを規格化したBmatrix_normalizedとのマトリックス同士の各要素の差分の2乗和(D)[式(1)]が、2122以下となるAmatrixの並びとBmatrixの並びの対応関係を有する、nbitのビット列とrbitのパターンとの5:9変調符号であることを特徴とする、ホログラム記録再生装置。
The n: r modulation table is a 5: 9 modulation table, and the 5: 9 modulation code stored in the 5: 9 modulation table is:
Amatrix_normalized standardized Amatrix, which is a matrix arrangement of the sum of the Euclidean distances between bright points (white) between each pattern, and all combinations of 5 bit bit strings for all combinations of 32 block patterns consisting of 9 bit pixels , The sum of squares (D) [Equation (1)] of the difference between each element of the matrix and Bmatrix_normalized, which is a standardized Bmatrix in which the sum of the Euclidean distances of each bit between the bit strings is arranged in a matrix, is 2122 or less. A hologram recording / reproducing apparatus, which is a 5: 9 modulation code of an n-bit bit string and an rbit pattern having a correspondence relationship between an Amatrix sequence and a Bmatrix sequence.
再生したn:r変調されている信号を、rbitのブロックにブロック化するブロック抽出部と、
ブロック化されたrbitの入力信号から、前記n:r変調符号によりnbitの硬判定を行う硬判定部と、
硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、前記第1nbitに対応するrbit変換データと前記第2nbitに対応するrbit変換データとの差分と、rbitの入力信号とのビットごとの積の平均値に基づいて、前記ビットの尤度を算出するLLR判定部と、
前記LLR判定部で算出された尤度に基づいて、nbitの誤り訂正復号処理を行う誤り訂正復号部と
を備えたことを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 The hologram recording / reproducing apparatus according to claim 4 or 5,
A block extractor that blocks the regenerated n: r modulated signal into rbit blocks;
A hard decision unit that performs an nbit hard decision by the n: r modulation code from the blocked rbit input signal;
Based on the hard-determined nbit data, a first nbit with a bit for calculating likelihood is set to 1, and a second nbit with a bit for calculating likelihood is set to 0, and rbit conversion data corresponding to the first nbit is generated. And an LLR determination unit that calculates the likelihood of the bits based on the difference between the rbit conversion data corresponding to the second nbit and the bitwise product of the rbit input signal,
A hologram recording / reproducing apparatus comprising: an error correction decoding unit that performs n-bit error correction decoding processing based on the likelihood calculated by the LLR determination unit.
7. The hologram recording / reproducing apparatus according to claim 6, wherein the reproduced n: r modulated signal is subjected to error correction coding processing using an LDPC code.
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