JP4776604B2

JP4776604B2 - 信号処理装置および信号処理方法

Info

Publication number: JP4776604B2
Application number: JP2007252935A
Authority: JP
Inventors: 聡道籏; 充石塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009087411A

Description

本発明は、記録媒体に記録された情報を再生する信号処理装置および信号処理方法に関するものであり、特にPRML（Partial Response Maximum Likelihood）方式を利用した信号処理装置及び信号処理方法に関するものである。

近年、デジタル放送が徐々に広まり、デジタル放送の大容量高精細な映像をそのままの画質で記録したいという需要が高まっている。それに伴い、光ディスクなどの記録媒体の容量も大きくする必要があり、そのためには記録密度を高くすることが必要となっている。しかし、高い記録密度で記録を行った光ディスクを再生する場合、いくつかの要因により再生信号品質の劣化を招いてしまう。例えば、記録密度が向上したことにより、相変化ディスクでは、隣接ピットからの熱干渉などの影響を受けて再生信号が非対称となるアシンメトリが大きくなるという問題があった。

そこで、このアシンメトリのような非線形歪みを持つ信号に対する信号処理技術が下記特許文献１に開示されている。この信号処理装置は、非線形な歪みをもつ再生信号を帯域制限するとともにアナログ等化を行うアナログフィルタと、アナログフィルタの出力信号に対して線形成分の信号を等化するための第１の適応フィルタと、第１の適応フィルタに並列に接続され、アナログフィルタ出力の非線形歪みを補正する第２の適応フィルタとを備えたものである。この構成により、下記特許文献１に記載されている信号処理装置は、再生信号に含まれる非線形歪みを補正することができる。

特開２００４−３４８９２９号公報

しかしながら、高い記録密度で記録を行った光ディスクを再生する場合、再生信号品質の劣化を招く要因はアシンメトリだけではない。例えば、光ディスクから信号を読み取る光ヘッドの光学的空間周波数特性により、再生信号の広域成分が著しく劣化してしまう。また、記録密度が高くなるにつれ、隣接する記録ピットからの符号間干渉の影響が大きくなり、波形の歪みが顕著になる。このような符号間干渉による波形の歪みはランレングスの短い記録ピットで大きくなり、特に、ランレングスの短い記録ピットが連続して記録されている部分に大きな影響が出てしまう。

このように光ディスクの記録密度が高くなると、アシンメトリの補正を行っただけでは、最短記録ピットが連続して記録されている部分の再生信号を正しく二値化することが難しくなり、エラーレートが増加してしまうという課題があった。

そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、高い記録密度で記録された光ディスクなどの記録媒体において、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響を受けた再生信号を正しく二値化することができ、かつ、従来のPRML方式の構成を変えることなく実現することができる信号処理装置および信号処理方法を得ることを目的とする。

本発明における信号処理装置は、記録媒体に記録された情報を再生する信号処理装置であって、前記記録媒体から再生した再生信号から最短記録情報が連続した区間を検出する連続最短記録情報検出手段と、前記最短記録情報が連続していると検出した区間の再生信号の振幅を調整する振幅調整手段と、前記振幅調整手段から出力された再生信号に対してパーシャルレスポンス等化を行う波形等化手段と、前記波形等化手段から出力された等化信号に対してビタビ復号処理を行う復号手段とを備える。

本発明における信号処理方法は、記録媒体に記録された情報を再生する信号処理方法であって、前記記録媒体から再生した再生信号から最短記録情報が連続した区間を検出する連続最短記録情報検出工程と、前記最短記録情報が連続していると検出した区間の再生信号の振幅を調整する振幅調整工程と、前記振幅調整された再生信号に対してパーシャルレスポンス等化を行う波形等化工程と、前記等化された等化信号に対してビタビ復号処理を行う復号工程とを備える。

本発明の信号処理装置によれば、連続最短記録情報検出手段および振幅調整手段を備え、記憶媒体から再生された再生信号から連続した最短記録情報を検出し、検出した連続最短記録情報の振幅を例えばゼロレベルに振幅調整してPRMLを行うことで、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響を受けた再生信号を正しく二値化することができる。また、従来の復号手段の性質を利用して再生信号を正しく二値化することができるため、従来のPRMLの構成を変えることなく、容易に実現することが可能となる。

本発明の信号処理方法によれば、記憶媒体から再生された再生信号から連続した最短記録情報を検出し、検出した連続最短記録情報の振幅を例えばゼロレベルに振幅調整してPRMLを行うことで、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響を受けた再生信号を正しく二値化することができる。また、従来のビタビ復号処理の性質を利用して再生信号を正しく二値化することができるため、従来のPRMLの構成を変えることなく、容易に実現することが可能となる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態における光ディスク等の記録媒体を再生する信号処理装置１０の構成を示した図である。信号処理装置１０は、A／Dコンバータ２、AGC３（Auto gain control）、連続最短記録情報検出手段４、振幅調整手段５、プリイコライザ６、リミットイコライザ７、波形等化手段（以下、適応イコライザ８と記載）、復号手段（以下、ビタビ復号器９と記載）を備えている。

図３は、従来における光ディスク等の記録媒体を再生する信号処理装置２０の構成を示した図である。信号処理装置２０は、A／Dコンバータ２、AGC３、プリイコライザ６、リミットイコライザ７、適応イコライザ８、ビタビ復号器９を備えている。

図１，３より、本実施の形態における信号処理装置１０の構成は、従来における信号処理装置２０の構成に、連続最短記録情報検出手段４、振幅調整手段５をさらに備えた構成である。

次に図１を参照して、信号処理装置１０の構成について説明する。また、本実施の形態では、高密度に記録された光ディスクの場合について説明し、この光ディスクは１７PPの変調方式に従い、最短記録ピットのランレングスが２Tであるとする。

光ディスク１から読み出された再生アナログ信号は、アナログ信号処理が行われた後A／Dコンバータ２へ出力される。A／Dコンバータ２は、所定のサンプリング周波数にて再生アナログ信号をサンプリングし、デジタル信号に変換する。このA／Dコンバータ２でサンプリングされた再生信号はAGC３へ出力される。

AGC３は、入力された再生信号の振幅のピーク値を求め、理想検出値との誤差を計算する。求めた理想検出値との誤差がなくなるように自動で再生信号の振幅値の調整を行う。AGC３で振幅調整が行われた再生信号は連続最短記録情報検出手段４へ出力される。

連続最短記録情報検出手段４は、最短記録情報部分である２Tが連続した区間を再生した場合に得られる振幅レベル付近にスレッショルドが設けられている。連続最短記録情報検出手段４は、入力された再生信号がスレッショルドの範囲内に所定の期間収まった場合、スレッショルドの範囲内に収まった区間を連続２T部分として検出し、その区間の検出信号をアサートする。この連続２T部分として検出された区間を表す検出信号および再生信号は振幅調整手段５へ出力される。

振幅調整手段５は、検出信号がアサートされた区間、すなわち２T部分が連続した区間の再生信号の振幅を例えばゼロレベルに調整する。連続２T区間がゼロレベルに調整された再生信号はプリイコライザ６へ出力される。

プリイコライザ６は、４タップのデジタルフィルタで構成され、高域を強調する周波数特性を持つ。また、タップ係数はそれぞれ固定としている。プリイコライザ６で高域強調された再生信号はリミットイコライザ７へ出力される。

リミットイコライザ７は、２Tの振幅レベル付近にリミッタがついており、２Tの振幅レベル付近よりも大きい振幅の信号はリミッタがかかるように構成されている。リミッタがかかった信号は振幅が制限されるために増幅されず、リミッタのかからない２T信号のみを効率よく増幅することができる。リミットイコライザ７の出力信号はパーシャルレスポンス等化を行う適応イコライザ８へ出力される。

適応イコライザ８はパーシャルレスポンス等化器として入力信号の特性に追従してタップ係数を最適な値に更新する。適応アルゴリズムとしてはLMS（Least Mean Square）アルゴリズムを用いている。タップ係数の更新は、後述するビタビ復号器９の復号結果をフィードバックして、予め決められたパーシャルレスポンスパターンに入力信号を等化する。本実施の形態ではパーシャルレスポンスパターンとしてPR（１，２，２，１）を用いるものとする。

パーシャルレスポンス等化された再生信号はビタビ復号器９に入力され二値化される。また、ビタビ復号器９の復号結果はLMSアルゴリズムの誤差信号を求めるために適応イコライザ８にフィードバックされる。

次に、図２は記録容量が２７GBを超えるような高密度化された光ディスク１を再生したときに得られる再生波形を示した図である。以下に図２に基づいて本実施の形態における信号処理装置１０の動作について説明する。

A／Dコンバータ２は、光ディスク１から再生されたアナログ再生信号を、チャネルクロックとしたサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号はAGC３に出力される。

AGC３は、ある一定期間（本実施の形態では２０００サンプルとした）入力される再生信号の振幅のピーク値A_Pを保持し、理想振幅値A_Iとの誤差係数をA_I／A_Pとすることで求める。この誤差係数を入力される再生信号に乗じることで再生信号の振幅を調整する。

ここで、図２（a）のように２Tが３回連続した連続２T信号を再生した場合の理想的な再生信号の波形は図２（b）のようになる。しかし、実際の再生波形では、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響により連続２T信号の波形は図２（c）のように真ん中の２T波形が潰れてしまい、振幅のへこみがなくなってしまう。

連続最短記録情報検出手段４は、図２（e）のようにあらかじめ連続２T信号の振幅ピーク値付近にスレッショルドThを設けておく。再生信号の振幅レベルがサンプリングクロックで例えば４サンプリング以上スレッショルドの範囲内に収まった場合に、そのスレッショルドの範囲内に収まった区間を２Tが連続している連続最短記録情報区間とする。図２（e）に示すように、連続最短記録情報検出手段４は、連続最短記録情報区間が検出されると、その区間に対して連続最短記録情報検出信号を１にアサートし、再生信号とともに振幅調整手段５へ出力する。また、連続最短記録情報区間ではない区間に対しては連続最短記録情報検出信号を０にネゲートする。ここで、スレッショルドは任意の固定値としてもいいし、入力信号に応じて可変する値としてもよい。

振幅調整手段５は、図２（f）に示すように連続最短記録情報検出手段４より入力された連続最短記録情報検出信号が１にアサートされている区間の再生信号の振幅レベルをゼロレベルにする。また、連続最短記録情報検出信号が０にネゲートされている区間は再生信号に対して何も処理を行わずにスルーしてプリイコライザ６へ再生信号を出力する。

プリイコライザ６は、４タップのFIRフィルタで構成されており、２Tや３Tの高域成分を増幅する周波数特性となっている。振幅調整手段５で連続最短記録情報区間の振幅レベルがゼロレベルに調整された再生信号がプリイコライザ６に入力されると、振幅レベルがゼロレベルに調整された区間は、サンプリング値がゼロとなるためにプリイコライザ６で増幅されずに、増幅レベルがゼロレベルを保ったままリミットイコライザ７へ出力される。

次にリミットイコライザ７は、リミッタと増幅用のFIRフィルタで構成されており、再生信号の一部がリミッタで振幅制限される。リミッタは２Tの振幅レベルピーク付近に設定されており、２T信号にはリミッタが働かずに振幅が増幅される。一方、２T以外の信号にはリミッタが働き、振幅制限がかかるためゲインは小さくなる。なお、プリイコライザ６の出力信号で振幅がゼロレベルに調整されている区間はリミットイコライザ７のFIRフィルタでも出力がゼロレベルとなる。よって、図２（g）に示すように、ここでも増幅レベルをゼロレベルに保ったまま出力される。また、連続していない単発の２T信号については、プリイコライザ６とリミットイコライザ７により振幅レベルが増幅される。

適応イコライザ８は、リミットイコライザ７により振幅が増幅された再生信号をパーシャルレスポンスパターンに等化する。適応イコライザ８の係数更新にはLMSアルゴリズムを用いている。LMSアルゴリズムによる更新式は数１で表される。

ここで、数１のe（k）は誤差信号であり、時刻kにおけるフィルタ出力の目標信号をd（k）とすると、目標信号d（k）とフィルタ出力ｙ（k）の間で求められる誤差信号e（k）は数２で表される。

また、目標信号d（k）はビタビ復号器９で二値化された出力信号をパーシャルレスポンスの目標等化パターンにデコードすることで得られる。ここではPR（１，２，２，１）を用いているため、ビタビ復号器９の出力信号を４タップのタップ係数が（１，２，２，１）であるFIRフィルタと畳み込むことで目標信号d（k）が得られることになる。

また、数１のμは適応フィルタ８のステップサイズパラメータである。ステップサイズパラメータには適応フィルタ８の収束をコントロールするための任意の値が設定される。ここではパーシャルレスポンス等化パターンとしてPR（１，２，２，１）を用いたが、実際に用いるパーシャルレスポンスパターンはこれに限るものではない。

適応イコライザ８は４タップで構成されており、この適応イコライザ８においても連続最短記録情報検出手段４と振幅調整手段５によりゼロレベルに振幅調整された再生信号箇所は増幅されずにゼロレベルを保ったまま出力され、それ以外の箇所はPR（１，２，２，１）特性に等化された状態でビタビ復号器９に出力されることになる。

ビタビ復号器９は、適応イコライザ８から入力されたPR等化信号のPRレベルと自らが保持しているリファレンスレベルとの二乗誤差を求め、二乗誤差の総和が小さいパスをパスメトリックとして選択し、パスメモリを更新する。また、パスメトリックの選択には、変調方式による制限を反映した状態遷移も用いる。このパスメモリの結果によって時系列での二値化を行う。

このようにビタビ復号器９には、１７PP変調、およびPR（１，２，２，１）特性に合ったリファレンスレベルが設定されている。PR（１，２，２，１）の場合、PR（１，２，２，１）等化された再生信号は７レベルのPRレベルしか取らないため、それに対応した７つのリファレンスレベルが設定されている。それぞれのリファレンスレベルを値の低い方からレベル０，１，２，３，４，５，６とし、レベル３がゼロレベルを表していることになる。また、ビタビ復号器９ではパスメトリックの選択を行う際に、１７PP変調とPR（１，２，２，１）特性から制限が生じるため、図６に示すような状態遷移を考えることでPRレベルの判定の制限を行い、計算量およびビットエラーの減少を行っている。

図６のS０００〜S１１１は現在のビタビ復号器９内の下位３ビットの状態を表す。これらの状態と各状態から出ている矢印との関係について説明する。例えば、現在S１１０の状態にある場合、次にビット０となるPR等化信号が入力されるとPRレベル判定はレベル３であり、S１００状態に遷移する。一方、S１１０から１となるPR等化信号が入力される場合については、それに相当する矢印がS１１０から出ていないため、状態遷移が禁止されていることを表している。つまり、S１１０からはS１００となり、PRレベル判定はレベル３にしか判定することができない。また、２Tが連続した再生信号が入力された場合は、図６の状態遷移図からS１１０→S１００→S００１→S０１１→S１１０→・・・の繰り返しとなるため、対応するPRレベル判定はレベル３→２→３→４→３→・・・となる。

図５は、連続最短記録情報検出手段４と振幅調整手段５にて連続最短記録情報の再生信号の振幅がゼロレベルに調整された波形である。このような波形がビタビ復号器９に入力された場合、ビタビ復号器９のレベル３が７回連続することになる。まず、レベル３が入力される２サンプリング前のA点ではレベル０である状態S０００にある。B点ではビット１となる等化信号が入力されたため、図６に示すようにPR判定レベルはレベル１であり、状態S００１へ遷移する。次に、C点ではS００１からはS０１１にしか状態遷移しないため、PR判定レベルはレベル３となり、状態S０１１となる。次に、D点では図６の状態遷移図からS１１０またはS１１１への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二乗誤差の大小からS１１０へと遷移し、レベル４として判定される。次に、E点ではS１１０からはS１００へ遷移するのでレベル３であり、S１００となる。F点ではS００１またはS０００への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二重誤差の大小からS００１へ遷移し、レベル２として判定される。G、H、I点でも同様に状態遷移を行い、PRレベル判定が３→４→３と判定され、J点でレベル１となる。結果として図５の再生信号はレベル０→１→３→４→３→２→３→４→３→１となり、図２（h）に示すように、２Tが連続して記録された箇所を正しく判定することができる。

次に、本発明の信号処理装置１０と比較するため、従来の信号処理装置２０の動作を説明する。上述したとおり、図２（a）のように２Tが３回連続した連続２T信号を再生した場合の理想的な再生信号の波形は図２（b）のようになる。しかし、実際の再生波形では、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響により連続２T信号の波形は図２（c）のように真ん中の２T波形が潰れてしまい、振幅のへこみがなくなってしまう。

次に、図２（c）の再生信号はプリイコライザ６、リミットイコライザ７、適応イコライザ８によりさらに増幅されるため、振幅は持ち上がり図２（d）のようになる。図４は、図２（d）を詳細に示した再生波形図である。図４の場合、２Tが３回連続している箇所のPRレベルは順にレベル３→５→６→６→６→５→３となっている。

次に、図４に示すような波形がビタビ復号器９に入力された場合について説明する。まず、A点ではレベル０である状態S０００にある。B点ではビット１となる等化信号が入力されたため、図６に示すようにPR判定レベルは１であり、状態S００１へ遷移する。次に、C点ではS００１からはS０１１にしか状態遷移しないため、PR判定レベルはレベル３となり、状態S０１１となる。次に、D点では図６の状態遷移図からS１１０またはS１１１への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二乗誤差の大小からS１１１へと遷移し、レベル５として判定される。次に、E点では図６の状態遷移図からS１１０またはS１１１への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二乗誤差の大小からS１１１へと遷移し、レベル６として判定される。次に、F点、G点では図６の状態遷移図からS１１０またはS１１１への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二乗誤差の大小からS１１１へと遷移し、レベル６として判定される。次に、H点では図６の状態遷移図からS１１０またはS１１１への遷移となるが、PR等化信号のレベルとリファレンスレベルとの二乗誤差の大小からS１１０へと遷移し、レベル５として判定される。次に、I点ではS１１０からはS１００へ遷移するのでレベル３であり、S１００となり、J点でレベル１となる。結果として図４の再生信号はレベル０→１→３→５→６→６→６→５→３→１となり、２Tが連続して記録された箇所を正しく判定することができない。

以上より、記録媒体から再生された再生信号から連続した最短記録情報を検出し、検出した連続最短記録情報の振幅をゼロレベルに振幅調整してPRMLを行うことで、光学的空間周波数特性や符号間干渉の影響を受けた再生信号を正しく二値化することが可能となる。

また、本実施の形態の信号処理装置１０は従来のビタビ復号器９の性質を利用することで再生信号を正しく二値化することができるため、従来のPRMLの構成を変えることなく、容易に実現することが可能となる。

本発明の実施の形態における信号処理装置の構成を示した図である。信号処理装置の信号処理過程を示した再生信号の波形図である。従来技術における信号処理装置の構成を示した図である。従来技術における信号処理装置がリファレンス等化を行った後の再生信号を示した波形図である。本発明の実施の形態における信号処理装置がリファレンス等化を行った後の再生信号を示した波形図である。ビタビ復号器がPRレベル判定を行う際の状態遷移を示した図である。

符号の説明

１光ディスク、２ A／Dコンバータ、３ AGC、４連続最短記録情報検出手段、５振幅調整手段、６プリイコライザ、７リミットイコライザ、８適応イコライザ、９ビタビ復号器、１０，２０信号処理装置。

Claims

記録媒体に記録された情報を再生する信号処理装置であって、
前記記録媒体から再生した再生信号から最短記録情報が連続した区間を検出する連続最短記録情報検出手段と、
前記最短記録情報が連続していると検出した区間の再生信号の振幅を調整する振幅調整手段と、
前記振幅調整手段から出力された再生信号に対してパーシャルレスポンス等化を行う波形等化手段と、
前記波形等化手段から出力された等化信号に対してビタビ復号処理を行う復号手段と、を備える信号処理装置。
前記振幅調整手段は、前記検出した最短記録情報が連続した区間の再生信号の振幅をゼロレベルに調整する請求項１に記載の信号処理装置。
前記連続最短記録情報検出手段は、前記再生信号が所定のスレッショルドの範囲内に所定の期間以上収まった場合、前記スレッショルドの範囲内に収まった区間を最短記録情報が連続した区間であると検出する請求項１または２に記載の信号処理装置。
前記スレッショルドは、前記再生信号の振幅の大きさによってスレッショルドレベルが可変であることを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
記録媒体に記録された情報を再生する信号処理方法であって、
前記記録媒体から再生した再生信号から最短記録情報が連続した区間を検出する連続最短記録情報検出工程と、
前記最短記録情報が連続していると検出した区間の再生信号の振幅を調整する振幅調整工程と、
前記振幅調整された再生信号に対してパーシャルレスポンス等化を行う波形等化工程と、
前記等化された等化信号に対してビタビ復号処理を行う復号工程と、を備える信号処理方法。
前記振幅調整工程は、前記検出した最短記録情報が連続した区間の再生信号の振幅をゼロレベルに調整する請求項５に記載の信号処理方法。
前記連続最短記録情報検出工程は、再生信号が所定のスレッショルドの範囲内に所定の期間以上収まった場合、前記スレッショルドの範囲内に収まった区間を最短記録情報が連続した区間であると検出する請求項５または６に記載の信号処理方法。
前記スレッショルドは、前記再生信号の振幅の大きさによってスレッショルドレベルが可変であることを特徴とする請求項７に記載の信号処理方法。