KR20060119983A - 이진 변조를 사용하는 채널을 위한 타이밍 회복 - Google Patents

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테오도루스 피. 에이치. 지. 얀센
아알베르트 스텍
요하네스 더블유. 엠. 베르그만스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

(재기록형) 및 판독 전용 광 디스크 시스템에 대해, 데이터 클록이 위상동기루프(PLL)에 의해 회복되며, 이때 실제 부호 변환점과 발생된 클록신호의 부호 변환점을 비교하여 에러신호가 발생된다. 레이저 파장 λlaser 및 개구수 NA를 갖는 광학계가 주어질 때, 변조 전달 함수의 차단 주파수는 λ0=λlaser/(2·NA)로 주어진다. 비트 길이를 감소시키면, 최소 파장의 진폭이 감소하여, λ0보다 작은 파장들에 대해서는 제로값이 된다. 그 결과, 이들 신호들의 부호 변환점에 의해 발생된 위상에러신호들이 노이즈에 의해 교란된다. 본 발명의 착상은, 클록 복원을 위해 위상 정보를 유도할 때에만 충분한 성능을 갖는 부호 변환점들을 사용하는 것이다.
타이밍 회복, 이전 변조, 위상동기루프, 위상에러신호, 부호 변환점

Description

이진 변조를 사용하는 채널을 위한 타이밍 회복{TIMING RECOVERY FOR CHANNELS WITH BINARY MODULATION}
본 발명은, 광 디스크에서 데이터를 판독하도록 구성된 광학계의 위상동기루프(PLL)에서 신뢰할 수 있는 위상에러신호를 제공하는 방법에 관한 것이다.
광 디스크는, 디지털 형태로 정보를 유지하고, 레이저에 의해 기록 및 판독되는 전자 데이터 저장매체이다. 이들 디스크는 다양한 모든 CD, DVD 및 BD 변형물을 포함한다. 데이터는 소위 피트들 및 랜드들(ROM 디스크)과 마크들 및 스페이스들(재기록형 디스크)에 저장되며, 이것은 광학계의 레이저에 의해 판독되어, 전기신호로 변환된다.
DVD 디스크를 판독하는데 사용된 광학계에서의 레이저 빔의 파장은 표준 CD에 대해 사용되는 파장보다 짧다. DVD 디스크는 더 얕고 더 작은 피트들로 형성됨으로써, 더 큰 저장용량을 가능하게 하는데, 이것은 당연히 상당히 중요한 문제이다.
광학계에서는, 실제 부호 변환점(zero-crossing)을 발생된 클록신호의 부호 변환점을 비교하여 에러신호가 발생되는 위상동기루프(PLL)를 사용하는 것이 공지되어 있다. 레이저 파장 λlaser와 개구수 NA를 갖는 광학계가 주어질 때, 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function: MTF)의 차단 파장은 λ0=λlaser/(2·NA)로 주어진다. 광 디스크 상의 최소 파장은 광 디스크 상의 최소 비트 길이에 의해 좌우되어, 광 디스크의 더 큰 저장용량의 결과로써 광 디스크 상의 비트 길이를 감소시키면, 광학계를 사용하여 판독된 신호의 진폭이 감소하게 되어, λ0보다 작은 파장에 대해서는 제로값이 된다.
그 결과, 이들 신호의 부호 변환점에 의해 발생된 위상에러신호들이 노이즈에 의해 좌우되므로, 적용이 불가능하다. 따라서, 디스크 상의 비트 길이를 줄이고, 이와 동시에 광 디스크를 판독 및/또는 기록하는 광학계의 위상동기루프에서 신뢰할 수 있는 에러신호들을 발생할 수 있도록 함으로써, 광 디스크의 용량을 증가시키는 것이 본 기술분야의 과제이다.
이때, MTF는 일반적으로 상의 변조도를 물체의 변조도로 나눈 값으로 정의되는 함수이므로, MTF는 상의 공간 주파수의 함수이며, 이때 이 경우에는 상이 광 디스크 상의 비트 패턴에 해당한다는 점에 주목하기 바란다. 비트 패턴의 파장이 감소하면, MTF가 제로값을 향해 감소하여, 전술한 차단 파장에 대응하는 소위 차단 주파수에서 제로값이 된다.
결국, 본 발명의 목적은, 광 디스크에서 데이터를 판독하도록 구성된 광학계의 위상동기루프에서 신뢰할 수 있는 위상에러신호를 제공하는 방법으로서, 상기 방법은 광 디스크 상의 비트 패턴을 판독하여, 복수의 신호 샘플들을 출력하는 단계와, 신호 샘플들을 위상동기루프 내부의 위상 검출기에 공급하는 단계와, 위상 검출기에서 연속적인 신호 샘플들의 극성의 변화, 소위 부호 변환점을 사용하여 위상동기루프에 대한 위상에러신호를 발생하는 단계를 포함하는 제공방법을 획득하는데 있다. 상기한 방법은, 위상 검출기가 부호 변환점 앞과 뒤에 있는 다수의 신호 샘플들을 고려함으로써, 노이즈의 영향이 감소하도록 하는 신뢰할 수 있는 위상에러신호를 유도하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 따르면, 광 디스크 상의 최소의 파장이 광학계와 관련된 MTF의 차단 파장에 근접하거나 심지어는 이 차단 파장보다 작은 광학계에 있어서도 신뢰할 수 있는 위상 에러를 제공하는 것이 가능하다. 이것은 더 작은 비트 길이를 갖는 비트들을 저장할 수 있도록 하여, 광 디스크에 증가된 양의 비트들을 저장할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 있어서는, 부호 변환점들의 품질이 부호 변환점 앞과 뒤에 있는 신호 샘플들에 의존한다. 이에 따르면, 부호 변환점의 사용이 품질이 충분한 경우로 제한된다. 예를 들어, MTF의 차단 주파수보다 훨씬 작은 공간 주파수를 갖는 비트 패턴들을 판독할 때에는, 신호 샘플들의 진폭이 크며 부호 변환점을 신뢰할 수 있다. 차단 주파수에 근접하거나 이 차단 주파수보다 큰 공간 주파수들을 갖는 비트 패턴을 판독할 때에는, 신호 진폭들이 작으며, 부호 변환점들의 위치를 신뢰할 수 없게 된다.
"부호 변환점들의 품질"이라는 용어는, 부호 변환점 앞 및 뒤에 있는 신호 샘플들의 진폭, 신호 샘플들의 신호대 잡음비와, 판독된 비트 패턴 내부의 마크들의 크기 등의 특징을 포함한다.
이때, 신호의 주파수와 파장은 반비례하므로, 차단 주파수보다 높은 주파수를 갖는 신호는 차단 파장보다 작은 파장을 가지며, 이의 역도 성립한다는 점에 주목하기 바란다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는, 광 디스크 상의 데이터가 제약 길이 d가 런길이인(즉, 디스크 상의 극성 변화들 사이의 최소 간격이 d+1이다) 런길이 제한(Run Length Limited: RLL(d)) 인코딩으로 저장된다. 런길이 제한 인코딩은 인코딩 기술의 향상된 부호로서, 현재 모든 형태의 광 디스크에서 사용된다. 데이터가 RLL 인코딩으로 저장되는 디스크에 본 발명에 따른 방법이 사용되면, 본 발명의 방법에 의해 제공된 증가된 디스크 용량이 현재 가장 빈번하게 사용되는 인코딩 기술과 결합된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 위상 검출기가 부호 변환점 앞과 뒤에 있는 n개의 신호 샘플들의 극성을 고려하도록 구성되며, 이때 n은 조건 n≥d+2를 만족한다. 이와 같은 구성은 신뢰할 수 있는 위상에러신호들의 생성시에 사용되는 신호 샘플들의 수에 대한 용이하게 실현가능한 가이드라인을 제공한다.
본 발명의 상기한 발명내용과 또 다른 발명내용은 이하에서 설명하는 실시예로부터 명백해질 것이다.
본 발명을 다음의 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다:
도 1은 비트 검출에 대한 일반적인 개념도이고(종래기술),
도 2는 일반적인 위상동기루프를 나타낸 도면이며(종래기술),
도 3은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이고,
도 4는 도 3에 도시된 구조와 등가이며 본 발명에 따른 방법을 구현하는데 사용되는 위상동기루프 구조이며,
도 5a-도 5c는 본 발명에 따른 방법을 구현한 위상동기루프 구조를 나타낸 것이고,
도 6은 심볼간 간섭(ISI)에 기인한 검출된 위상에러들의 스펙트럼들이며,
도 7은 앤티에일리어싱 필터(anti-aliasing filter)의 진폭 주파수 응답을 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 타이밍 회복회로의 일 실시예를 나타낸 것이며,
도 9는 도 5a 및 도 5c의 구조의 SNRTR 값들을 나타낸 것이다.
도 1은 이진 변조 코딩으로 코딩된 비트들을 포함하는 디스크 상의 비트 검출에 대한 일반적인 개념도이다(종래기술). 디스크가 재생될 때, 디스크 상의 피트들 및 랜드들(판독 전용 매체 ROM) 또는 마크들 및 스페이스들(재기록 매체)이 광학계의 판독수단, 즉 레이저에 의해 판독된다. 그것의 길이에 기초하여, 각각의 피트/마크가 0들의 시퀀스로 해석되고, 그것의 길이에 기초하여, 각각의 랜드/스페이스가 1들의 시퀀스로 해석된다. 재기록형 및/또는 판독 전용 디스크를 판독하도록 구성된 광학계의 판독수단에서 발생된 신호는 등화기(10)에 공급되고, 그후 위상동기루프(20)와, 검출기, 예를 들면, 비터비 검출기(30)에 공급된다. 위상동기루프(20)의 일례는 도 2에 도시되어 있는데, 이것은 일반적으로 공지된 위상동기루프를 나타내고 있다.
위상동기루프(20)는, 위상 검출기(40), 루프 필터(50)와, 발진기(60), 예를 들면 전압 제어 발진기를 구비한다. 위상 검출기(40)는 출력신호의 위상을 기준신호의 위상과 비교한다. 이들 2개의 신호들 사이에 위상차가 존재하면, 위상 검출기(40)가 출력 전압을 발생하는데, 이 출력 전압은 이들 2개의 신호들 사이의 위상 에러에 비례한다. 이와 같은 출력 전압은 루프 필터를 통과한 후, 전압 제어 발진기(VCO)에 대한 입력값으로서 출력 주파수를 제어한다. 이와 같은 자체 정정 기술로 인해, 출력신호가 기준신호와 위상이 맞추어진다. 이들 2개의 신호가 동기가 맞추어질 때, 2개의 신호 사이의 위상 에러가 제로값이거나 거의 제로값이 된다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 나타낸 것이다. 스텝 101에서는, 광 디스크에서 발생된 비트 패턴이 판독됨으로써, 복수의 신호 샘플들 SK를 출력한다. 이들 샘플들 Sk는 스텝 102에서 위상동기루프의 제 1 위상 검출기에 공급된다. 스텝 103에서, 위상동기루프는 신호 샘플들 Sk의 스트림에서 부호 변환점들을 검출한다. 스텝 104에서는, 신뢰할 수 있는 부호 변환점들을 선택하도록 보장하기 위해 연산이 행해진다. 한가지 가능한 방법은, 최소한 n개의 양의 값을 갖는 샘플들이 앞에 위치하고 최소한 n개의 음의 값을 갖는 샘플들이 뒤따르는 부호 변환점들을 선택하 는 것이다.
이 수치 n은 바람직하게는 신호들의 성능에 의존한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 위상동기루프에서 타이밍 회복을 하기 위한 위상 정보를 유도하는데 충분한 성능을 갖는 부호 변환점들만을 사용하므로, 스텝 104에서 신뢰할 수 있는 에러 신호가 발생된다.
도 4는, 도 3의 구조와 등가이며, 본 발명에 따른 방법을 구현하는데 사용되는 위상동기루프 구조를 나타낸 것이다. 이 위상동기루프 구조는 위상 검출기(PD)(40), 저역 필터(LPF)(50), PI 제어부(70)와, 샘플 레이트 변환기(SRC)(35)로 구성된 2단계(second order) 위상동기루프이다. Sk와 yk는 샘플 레이트 변환기(SRC)(35) 앞과 뒤의 데이터 샘플들을 표시한다. 데이터 샘플들 Sk는 비동기이며 데이터 샘플들 Yk는 동기이다. Sk로부터 신호 Yk의 편이(deviation)는 단지 타이밍 회복에 기인한다.
위상 검출기에서 발생된 출력인 Δφm은 위상에러신호이다. RLL 코드의 경우에는, 식 ψm=ym/(ym-ym+1)에 의해 데이터 시퀀스 yk의 위상 정보를 얻을 수 있는데, 이때 m 및 m+1은 부호 변환점 근처의 2개의 샘플링 순간을 표시한다. 동기식으로 샘플링된 시퀀스(즉, 이상적인 비트 검출 순간들을 갖는 시퀀스)에 대해서는, ψm의 값이 0.5(평균값)이므로, 위상에러신호가 다음 식으로 표현될 수 있다:
Δψm=ψm-0.5.
위상에러신호는 보통 노이즈와 심볼간 간섭(ISI)을 겪는다. 그 결과, PLL이 안정된 후에, 즉 PLL이 로크(lock) 상태에 있을 때, 샘플링 주파수 fm이 특정한 값 근처에서 동요하여, 비이상적인 샘플링 순간들을 발생할 수 있다. 광 디스크 상의 저장밀도가 높을수록, 좁아진 마크/피트 길이로 인해, ISI가 더 커진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 착상은, 짧은 런길이들(예를 들면, 런길이 d+1을 갖는 런길이 제한된(RLL) 인코딩에서 d=1 및 d=2)을 포함하는 부호 변환점들에서 추출된 위상 정보를 무시하는 것이다. 이에 따라, 일부의 위상 에러 전처리 단계들이 도입되는데, 이하에서 이것을 도 5-도 9와 관련하여 설명한다.
도 5a-도 5c는 RLL(d=1) 코드의 경우에 본 발명에 따른 방법을 구현한 위상동기루프 구조들을 나타낸 것이다. 도 5a에서, 위상동기루프 구조는, 2와 같거나 2보다 큰 런길이들의 앞에 위치하고 뒤따르는 부호 변환점만을 고려하도록 구성된 위상 검출기(41)를 구비한다(RLmin은 위상 검출에 관여된 가장 짧은 런길이를 표시하므로, 예를 들어 "RLmin=3"은 런길이 2의 앞에 위치하거나 및/또는 뒤따르는 부호 변환점들을 건너뛴다는 것을 의미한다). 위상 검출기(41)의 출력은 Δφm A로 표시된다. 도 5a에 도시된 위상동기루프 구조의 나머지 구성요소들은 도 4에 도시된 것들과 일치한다. 도 5b에서, 위상동기루프 구조는 3과 같거나 3보다 큰 런길이들의 앞에 위치하고 뒤따르는 부호 변환점만을 고려하도록 구성된 위상 검출기(42)를 구비한다. 위상 검출기(42)의 출력은 Δφm b로 표시되며 저역 필터(50)에 공급되고, 이 저역 필터의 출력신호는 Δφm b'으로 표시된다. 도 5b에 도시된 위상동기루프 구조의 나머지 구성요소들은 도 4에 도시된 것과 일치한다.
도 5c는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 구현한 위상동기루프 구조를 나타낸 것이다. 위상동기루프 구조는, 2와 같거나 2보다 큰 런길이의 앞에 위치하며 뒤따르는 부호 변환점만을 고려하도록 구성된 제 1 위상 검출기(43)와, 앤티에일리어싱 필터(44)와, 3과 같거나 3보다 큰 런길이의 앞에 위치하며 뒤따르는 부호 변환점만을 고려하도록 구성된 제 2 위상 검출기(45)를 구비한다. 제 1 위상 검출기(43)의 출력은 Δφm A로 표시되고, 제 2 위상 검출기의 출력은 Δφm C로 표시된다. 도 5c에 도시된 위상동기루프의 나머지 구성요소들은 도 4에 도시된 것과 일치한다.
도 6은 PLL의 입력 Sk으로서 노이즈가 없는 합성 동기 데이터 샘플들을 갖는 27GB 블루레이 디스크의 경우에 ISI에 기인한 검출된 위상 에러들의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 5a-도 5c에 도시된 위상 검출기들에서 발생된 출력들의 스펙트럼인 Δφm A, Δφm B, Δφm B' 및 Δφm C가 표시되어 있다. Δφm C의 저주파 성분들이 원하는대로 유효하게 저하되어 있지만, Δφm B에 대해서는 그렇지 않다는 것을 알 수 있다. 이것은, 도 5c의 앤티에일리어싱 필터가 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
도 7은 앤티에일리어싱 필터(44)(도 5c)의 진폭 주파수 응답을 나타낸 것이다. 앤티에일리어싱 필터(44)는 1단계(first-order) IIR 저역 필터이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 타이밍 회복회로의 일 실시예를 나타낸 것이다. 이 타이밍 회복회로는, 도 8에 도시된 회로도 마찬가지로 샘플 레이트 변환기(35), 제 1 위상 검출기(43), 앤티에일리어싱 필터(44), 제 2 위상 검출기(45), 저역 필터(50)와 PI 제어부(70)를 구비한다는 점에서, 도 5c에 도시된 회로와 유사하다. 그러나, 도 8에 도시된 회로는 런길이 판단부(39)를 더 구비하는데, 이것의 기능을 이하에서 설명한다. 이때, 위상 검출기(45)에서의 무시된 런길이를 3보다 길어나 같은 런길이들로 일반화된다는 점에 주목하기 바란다. 이것은 일부의 타이밍 정보 손실의 대가로 부호 변환점들에 대한 ISI의 영향을 더욱 줄인다.
타이밍 복원을 평가하기 위해, 다음과 같이 신호대 잡음비 SNRTR이 결정된다:
Figure 112006019234357-PCT00001
입력된 샘플 시퀀스들 Sk는 동기되고 노이즈가 없으므로, SNRTR은 ISI에 대한 타이밍 복원 방식의 강건성(robustness)을 나타낸다. 4가지 디스크 용량, 즉 25GB, 27GB, 29GB 및 32GB에 대해 도 5a 및 도 5c에 도시된 위상동기루프들에 대해 SNRTR을 측정하였다. 후자의 2가지 용량은 채널 비트 길이가 줄어든 블루레이 디스크 시 스템에 기반을 둔 것이다. 도 9는 도 5a 및 도 5c의 구조들의 SNRTR 값들을 나타낸 것으로, 도 5c에 도시된 루프가 도 5a에 도시된 루프보다 우수하다는 것을 밝히고 있다. 디스크 용량이 향상되면, 짧은 런길이 패턴의 주파수가 광학계의 차단 주파수에 접근하거나 심지어는 초과하여, 이들 짧은 런길이들을 포함하는 부호 변환점들이 사라지게 된다. 그 결과, 런길이들에 대한 판정이 곤란하게 되고, 이에 따라, 위에서 설명하고 도 8에 도시된 것과 같이, 도 5c에 도시된 루프에 여분의 런길이 판단부가 추가된다.

Claims (12)

  1. 광 디스크에서 데이터를 판독하도록 구성된 광학계의 위상동기루프(20)에서 신뢰할 수 있는 위상에러신호를 제공하는 방법으로서,
    광 디스크 상의 비트 패턴을 판독하여, 복수의 신호 샘플들(Sk)을 출력하는 단계와,
    신호 샘플들(Sk)을 위상동기루프(20) 내부의 제 1 위상 검출기(40, 41, 42, 43)에 공급하는 단계와,
    제 1 위상 검출기에서 연속적인 신호 샘플들(Sk)의 극성의 변화, 소위 부호 변환점을 사용하여 위상동기루프(20)에 대한 위상에러신호를 발생하는 단계를 포함하는 제공방법에 있어서,
    상기 제 1 위상 검출기(40, 41, 42, 43)가 부호 변환점 앞과 뒤에 있는 다수의 신호 샘플들(Sk )을 고려함으로써, 노이즈와 심볼간 간섭(ISI)의 영향이 감소하도록 하는 신뢰할 수 있는 위상에러신호를 유도하도록 구성된 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    부호 변환점 앞과 뒤에서 사용된 신호 샘플들(Sk)의 수가 신호 샘플들(Sk)의 품질에 의존하는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    광 디스크 상의 데이터가 이진 변조(Binary Modulation: BM)로 저장되는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 위상 검출기(40, 41, 42, 43)는, 동일한 극성을 갖는 최소한 n개의 신호 샘플들이 앞에 위치하고 반대 극성을 갖는 최소한 n개의 신호 샘플들이 뒤에 위치하는 극성의 변화들만을 고려하도록 구성된 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 디스크 상의 데이터가 제약 길이 d가 런길이인 런길이 제한된(RLL(d)) 인코딩으로 저장되는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    제 1 위상 검출기(40, 41, 42, 43)는, 동일한 극성을 갖는 최소한 n개의 신호 샘플들이 앞에 위치하고 반대 극성을 갖는 최소한 n개의 신호 샘플들이 뒤에 위치하는 극성의 변화들만을 고려하도록 구성되고, 이때 n은 조건 n≥d+2를 만족하는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    광 디스크 상의 데이터가 RLL(d=1) 인코딩으로 저장되는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  8. 제 4항, 제 6항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 위상 검출기(43)에서 발생된 신호를 앤티에일리어싱 필터(44)에 공급한 후, 제 2 위상 검출기(45)에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    제 1 위상 검출기(43)는 최소 런길이가 2인 신호 샘플들만을 고려하고, 제 2 위상 검출기(44)는 런길이가 3과 같거나 3보다 큰 신호 샘플만을 고려하는 것을 특징으로 하는 위상에러신호의 제공방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항에 기재된 방법을 수행하는 시스템.
  11. 제 1항 내지 제 9항에 기재된 방법을 사용하여 판독되도록 광 디스크에 비트 패턴을 기록하는 것을 특징으로 하는 기록장치.
  12. 비트 패턴들이 제 1항 내지 제 9항에 기재된 방법을 사용하여 판독되도록 기록된 것을 특징으로 하는 디스크.
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