专利名称：低密奇偶校验码解码法和装置及用其的光学信息再现设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对低密度奇偶校验码进行解码的方法和装置，以及使用该装置的光学信息再现设备。
背景技术：
光学信息处理设备的示例可以包括光盘(CD)、数字通用盘(DVD)、高清晰度DVD(HD-DVD)、蓝光盘(BD)以及近场光学信息处理设备。随着最近对具有大存储容量的下一代存储系统的需求的增长，体全息术受到了关注。
为了实现高密度光学记录和高数据传输速率，已开发了体全息术。体全息术是通过主动利用记录介质的厚度方向来三维地写入干涉图案的方法。由于体全息术可以对输入和输出数据采用并行信号处理操作，因此与光盘(CD)和数字通用盘(DVD)相比，体全息术可以本质上提高数据传输速率。此外，通过使用复用技术，可以显著提高记录密度。
在使用全息术将信息记录到记录介质上的过程中，参考光束和携带图像信息的信息光束与在记录介质中彼此交叠，并将由此产生的干涉图案写在记录介质上。为了对所记录的信息进行再现，向记录介质照射参考光束，以通过干涉图案中的衍射来再现图像信息。
通过受光阵列器件(如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件或电荷耦合器件(CCD))对从再现光束再现的数据页的图像进行检测。通过一系列信号处理和解码处理，将检测到的数据页的图像恢复成原始数据。
当对数据页的图像进行检测时，由于由记录介质的收缩或旋转而引起的特性的变化，往往会出现错误。例如，数据页的图像像素(以下，称为“数据像素”)与受光阵列器件的像素(以下，称为“检测像素”)可能会由于它们之间的未对准而不相互匹配。该错误可能会增大误比特率(BER)。
已提出了诸如Reed-Solomon码的多种纠错码以降低BER。近年来，具有与Shannon的信道容量极限几乎相等的性能的低密度奇偶校验(LDPC)码受到了关注。
LDPC码是其中奇偶校验矩阵的大部分元素为零的线性块码。在通常的奇偶校验码中，多个信息码元的块和多个奇偶校验码元(其为多个特定信息码元的模数和(modulo sum))形成码字。可以由奇偶校验矩阵H表示校验码元与信息码元之间的关系。可以将奇偶校验矩阵H表示为一组线性齐次方程。LDPC码是一种奇偶校验码，并且是一种具有如下的奇偶校验矩阵H的码该奇偶校验矩阵H的大部分元素为0并且少量元素具有随机分布的权重。
对具有奇偶校验矩阵H的LDPC码进行编码的处理如下。使用关系式GHT＝0得到与矩阵H对应的生成矩阵G。通过C＝XG得到与信息码元块X对应的码字C。对LDPC码进行解码是为了从接收到的信号码元中找出与奇偶校验矩阵H之积在概率上最接近“0”的码字。在LDPC码的多个解码方法中，和积算法是一种使用概率的软判决迭代解码操作。和积算法对LDPC码进行迭代解码，以收敛到满足最大似然条件的码字，同时给出并采用在多个节点之间的码图中的概率消息。
使用对数似然比(LLR)的对数似然比置信传播(LLR-BP)是公知的对LDPC码进行解码的另一方法。以下，对LLR-BP算法进行描述。
假设由c表示码字，由x表示发送信号，由y表示接收信号，由n表示信道的噪声，则有y＝[yn]＝x+n。将码字c＝(c1，c2，…，cN)映射到发送信号x＝(x1，x2，…，xN)。解码处理是获得其中码字相对于接收信号的概率最大的信号的处理。解码处理是获得 值最大的码字 的处理。
奇偶校验矩阵H的大小是M×N，并且可以表示为H＝[h(m，n)]。由N(m)＝{n|h(m，n)＝1}表示参与了第m个校验节点的一组位节点。类似地，由M(n)＝{m|h(m，n)＝1}表示参与了第n个位节点的一组校验节点。由|N(m)|和|M(n)|表示组N(m)和M(n)的量值。N(m)|n表示从其中去除了第n个位节点的N(m)，M(n)|m表示从其中去除了第m个校验节点的M(n)。
用于迭代解码算法的符号如下。
Fn表示从所接收到的信号yn获得的第n个位节点的LLR。
Zmn表示从第n个位节点向第m个校验节点的第n个位节点的LLR。
zn表示由每次迭代得到的第n个位节点的后验LLR。
Lmn表示从第m个校验节点向第n个位节点的第n个位节点的LLR。
(1)初始化对于各个m和n，使用以下公式执行初始化处理。
zmn=Fn=logP(cn=1|y)P(cn=0|y)]]>(2)沿行方向的迭代解码对于各个m和n，作以下定义。
Tmn=Πn′∈N(m)\n1-exp(zmn′)1+exp(zmn′)]]>Lmn=ln(1-Tmn1+Tmn)]]>(3)沿列方向的迭代解码对于各个m和n，作以下定义。
zmn=Fn+Σm′∈M(n)\mLm′n]]>zn=Fn+Σm∈M(n)Lmn]]>(4)临时解码如下地确定c^=[c^n]:]]>c^n=1,]]>若zn≥0c^n=0,]]>若zn＜0若c^HT=0,]]>则解码处理停止，并将 确定为正确的解码结果。如果c^HT≠0]]>并且解码处理尚未达到最大迭代次数，则迭代执行从(2)起的处理。如果c^HT≠0]]>并且解码处理达到了最大迭代次数，则停止解码处理，并通知解码的失败。
在全息光学信息处理设备中，经常由于在受光阵列器件与数据页的图像之间的未对准而出现二维码元间干扰。因此，需要一种改进BER的对LDPC码进行解码的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种对通过LDPC码编码的接收信号进行解码的方法。该方法包括以下步骤使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，来获得所述多个位的后验值；基于所述后验值来确定是否应当执行迭代解码操作；以及当确定了执行迭代解码操作时，将所述后验值与预定值进行比较并更新所述多个位的初始值。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于对通过LDPC码编码的接收信号进行解码的装置。该装置包括初始化单元，其使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；迭代解码单元，其通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，来获得所述多个位的后验值；迭代确定单元，其基于所述后验值确定是否应当执行迭代解码操作；以及部分补偿单元，当确定了执行迭代解码操作时，所述部分补偿单元将所述后验值与预定值进行比较并更新所述多个位的初始值。
根据本发明的再一方面，提供了一种光学信息再现设备，其用于从通过向记录介质照射参考光束而产生的再现光束中再现光学信息。该光学信息再现设备包括光学信息检测器，其对再现光束进行检测并从再现光束检测数据页的图像；均衡器，其使所述数据页的图像均衡；以及数据解码器，其接收所述均衡器的输出作为接收信号，并对LDPC码进行解码。所述数据解码器包括初始化单元，其使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；迭代解码单元，其通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，来获得所述多个位的后验值；迭代确定单元，其基于所述后验值确定是否应当执行迭代解码操作；以及部分补偿单元，当确定了执行迭代解码操作时，所述部分补偿单元将所述后验值与预定值进行比较并更新所述多个位的初始值。
通过结合附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的以上和其他方面和优点将变得更显见，在附图中图1是例示了一种光学信息处理设备的框图；图2是例示了出现未对准情况的图；图3是例示了图1的数据解码器的框图；图4是例示了一种对LDPC码进行解码的方法的流程图；以及图5是例示了使用噪声偏差与BER之间的关系的解码方法的性能的曲线图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的示例性实施例进行描述。在以下描述中，用类似的标号表示类似的部件。
图1是例示了一种光学信息处理设备的结构的框图。该光学信息处理设备可以通过将数据加载到信息光束中并将该信息光束连同参考光束一起照射到记录介质，从而将光学信息记录在记录介质中。通过向记录介质只照射参考光束，该光学信息处理设备可以从由记录介质产生的再现光束中再现光学信息。在一个示例性实施例中，光学信息处理设备可以是光学信息记录和再现设备。在另一示例性实施例中，通过锁定空间光调制器并且只提供通过使用参考光束再现光学信息的功能，光学信息处理设备可以是光学信息再现设备。在又一示例性实施例中，通过锁定光学信息检测器并且只提供记录光学信息的功能，光学信息处理设备可以是光学信息记录设备。
参照图1，光学信息处理设备100可以包括光源110、分束器120、复用器133、空间光调制器140、光学信息检测器160、均衡器170、数据编码器180以及数据解码器200。
可以通过分束器120将从光源110发出的光束分束为参考光束R和信息光束I。参考光束R透过第一光闸(shutter)131，被复用器133反射，然后按预定角度入射在记录介质上。
信息光束I通过第二光闸132，被反射镜134反射，然后入射在空间光调制器140上。此时，将从数据编码器180提供的按编码页形式的二进制数据(即，数据页信息)输入给空间光调制器140。数据编码器180可以通过LDPC码对输入数据进行编码，然后按页的方式将编码后的数据提供给空间光调制器140。
空间光调制器140可以对从数据编码器180输入的数据页信息进行光学调制，以生成具有二维图像的数据页，将该数据页加载到入射信息光束I中，然后将该信息光束I照射到记录介质150。
当参考光束R和信息光束I照射到记录介质150时，记录参考光束R与信息光束I之间的干涉图案。
复用器133通过调节参考光束R入射在记录介质150上的角度，可以执行角度复用操作。复用器133可以是诸如电镀镜(galvano mirror)的旋转镜。
在对记录数据进行再现时，可以只向记录介质150照射参考光束R。第一光闸131透射由分束器120分束的参考光束R，第二光闸132遮挡信息光束I。此时，参考光束R被记录在记录介质150中的干涉图案衍射，从而生成携带有数据页的图像的再现光束。通过光学信息检测器160在再现光束中检测数据页的图像。通过均衡器170使所检测到的数据页的图像均衡，然后通过数据解码器200对其进行解码。
光学信息检测器160可以包括诸如CMOS器件和CCD的受光阵列器件。均衡器170可以使用公知的结构，如最小均方差(MMSE)均衡器。数据解码器200是用于对LDPC码进行解码的装置。数据解码器200对LDPC码进行解码，并输出最终的输出数据。
数据页的图像像素(以下，称为“数据像素”)与受光阵列器件的像素(以下，称为“检测像素”)可能会由于未对准而不相互匹配。通常，当在像素中出现了未对准时，该像素受到8个相邻像素的影响。
图2是例示了出现未对准情况的图。
参照图2，当出现了未对准时，检测像素p与对应的原始数据像素s0不匹配。当没有出现未对准时，检测像素p能够与对应的原始数据像素s0精确地匹配。
当如图2所示地出现了未对准时，通过使用检测像素p检测到的位数据受到三个相邻数据像素s1、s2、s3以及对应的原始数据像素s0的影响。
相邻数据像素的位置、方向以及数量可以不同地变化，而不限于所例示的形式。例如，当在垂直方向上出现了未对准时，检测像素p可能只受到一个相邻像素s1的影响。
根据相邻数据像素s1、s2、s3的位值，检测像素p的位值可能沿未对准方向而变化。例如，当数据像素s0的值为“0”时，相邻数据像素s1、s2、s3的值被加入检测像素p的值，由此可能增大检测像素p的初始LLR值。当相邻数据像素s1、s2、s3的值全为“1”时，会导致检测像素p的值为“1”的不正确结果。
当数据像素s0的值是“1”时，相邻数据像素s1、s2、s3的值被加入检测像素p的值，由此可能减小检测像素p的初始LLR值。当相邻数据像素s1、s2、s3的值全为“0”时，会导致检测像素p的值为“0”的不正确结果。
由于未对准也可能出现相反的情况。例如，当数据像素s0的值为“0”并且相邻数据像素s1、s2以及s3的值全为“0”时，检测像素p的值为“0”，因此未对准对解码操作具有好的影响。当数据像素s0的值为“1”并且相邻数据像素s1、s2以及s3的值全为“1”时，检测像素p的值为“1”，因此类似地，未对准对解码操作具有好的影响。
根据本发明，当在迭代解码操作的处理中未对准对解码操作具有坏的影响时，通过使用概率的迭代解码操作来部分地补偿解码操作。结果，可以提高收敛速度并降低BER。
图3是例示了图1的数据解码器的框图。
参照图3，数据解码器200可以包括初始化单元210、迭代解码单元220、迭代确定单元230以及部分补偿单元240。
初始化单元210可以对接收信号执行初始化操作。初始化单元210可以通过使用该接收信号的LLR对位zmn进行初始化。
迭代解码单元220可以沿行方向和列方向执行迭代解码操作，以计算多个位的后验LLR(zn)。迭代解码单元220可以首先执行行方向迭代解码操作，然后使用行方向迭代解码操作的结果来执行列方向迭代解码操作。可以将迭代解码单元220分成行方向迭代解码单元和列方向迭代解码单元。
迭代确定单元230可以根据后验LLRzn的码计算临时码字 ，然后确定是否应当再次执行迭代解码操作。稍后参照图4对确定重复的方法进行描述。当迭代解码操作成功结束时，迭代确定单元230输出码字 作为输出数据。
当执行迭代解码操作时，部分补偿单元240可以更新所述多个位的初始值。部分补偿单元240通过将待校正位的预定参考LLRLd与后验LLRzn进行比较，来对初始值进行更新。这里，对初始值的更新度根据未对准的方向和幅值而变化。
以下，参照图4对使用数据解码器200的解码方法进行描述。
假设由c表示码字，由x表示发送信号，由y表示接收信号，由n表示信道的噪声，则有y＝[yn]＝x+n。可以将码字c＝(c1，c2，…，cN)映射到发送信号x＝(x1，x2，…，xN)。
解码操作的目的是获得其中码字相对于接收信号的概率最大的信号。解码操作的目的是获得其中 值最大的码字 。
奇偶校验矩阵H的大小是M×N，并且可以由H＝[h(m，n)]表示奇偶校验矩阵H。由N(m)＝{n|h(m，n)＝1}表示参与了第m个校验节点的一组位节点。类似地，由M(n)＝{m|h(m，n)＝1}表示参与了第n个位节点的一组校验节点。由|N(m)|和|M(n)|表示组N(m)和M(n)的量值。N(m)|n表示从其中去除了第n个位节点的N(m)，M(n)|m表示从其中去除了第m个校验节点的M(n)。
迭代解码算法使用的符号如下Fn表示从接收信号yn获得的第n个位节点的LLR。
Zmn表示从第n个位节点向第m个校验节点的第n个位节点的LLR。
zn表示由每次迭代计算得到的第n个位节点的后验LLR。
Lmn表示从第m个校验节点向第n个位节点的第n个位节点的LLR。
p表示待校正的位节点。
s表示在未对准方向上影响位p的相邻位矢量，例如，当三个相邻位节点影响位节点p时，s＝(s1，s2，s3)。
V表示一矢量，该矢量表示了未对准的方向和幅值。
D(s，V)表示位节点p依赖于s和V的变化级别。
Ld表示用于确定对Fp的更新的位节点p的参考LLR。
d0和e0表示用于确定在更新时减小的LLR的常数。
d1和e1表示用于确定在更新时增大的LLR的常数。
图4是例示了一种对LDPC码进行解码的方法的流程图。
参照图4，针对各个m和n执行使用公式1的初始化操作(S110)。
公式1zmn=Fn=logP(cn=1|y)P(cn=0|y)]]>当完成了初始化操作时，执行迭代解码操作。
在行方向迭代解码操作中，针对各个m和n定义公式2(S120)。
公式2Tmn=Πn′∈N(m)\n1-exp(zmn′)1+exp(zmn′)]]>Lmn=ln(1-Tmn1+Tmn)]]>在行方向迭代解码操作之后的列方向迭代解码操作中，针对各个m和n执行由公式3表示的更新操作(S130)。
公式3zmn=Fn+Σm′∈M(n)\mLm′n]]>zn=Fn+Σm∈M(n)Lmn]]>在硬判决操作中，由公式4确定c^=[c^n]]]>(S140)。
公式4c^n=1,]]>若zn≥0
c^n=0,]]>若zn＜0接着，根据 的值确定是否应当执行迭代解码操作(S150)。
若c^HT=0,]]>则解码操作停止，并将 确定为正确的解码结果(S155)。
如果c^HT≠0,]]>则确定解码操作是否已执行了最大重复次数(S160)。当解码操作已执行了最大重复次数时，停止解码操作，并通知解码失败(S165)。
当解码操作尚未执行最大重复次数时，执行概率部分补偿操作(S170)。
如果zn＜-Ld，则通过公式5计算d0。
公式5d0＝P(s1＝1)D(s1，V)+P(s2＝1)D(s2，V)+P(s3＝1)D(s3，V)这里，用Fn＝Fn-d0e0执行更新操作。
如果zn＜+Ld，则通过公式6计算d1。
公式6d1＝P(s1＝0)D(s1，V)+P(s2＝0)D(s2，V)+P(s3＝0)D(s3，V)这里，用Fn＝Fn-d1e1执行更新操作。
当|zn|＞|Ld|时更新初始值。初始值的更新度根据未对准的方向和幅值而变化。
在如上所述地更新了初始值之后，再次执行行方向迭代解码操作(S120)。
在执行解码操作的过程中不能改变Ld、e0以及e1，可以根据信道状态恰当地选择它们。e0可以大于e1。用于计算d0和d1的D(s，V)与由于未对准而加入的部分的强度相关联。由于难以进行精确计算，因此可以将D(s，V)和D(s，V)计算为与加入的面积和到像素的中心的距离成正比。可以使用在执行硬判决操作时计算出的值作为概率值P(s)。
根据本示例性实施例，在由于未对准而从初始值发生了变化的位中，在执行解码操作的过程中，可以改变概率大于预定级别的那些位的初始LLR。可以提高LLR-BP算法的收敛速度并降低BER。基于未对准的影响程度，对不管未对准的影响而被估计为具有正常LLR的那些位的初始LLR进行校正。通过提高具有正确LLR的位的比率，可以提高对具有不正确LLR的那些位进行校正的纠错能力。
图5是例示了使用噪声偏差与BER之间的关系的解码方法的性能的曲线图。
参照图5，“不解码”表示不使用均衡器和LDPC码的情况，“MMSE”表示只使用MMSE均衡器的情况。使用足够大的公知图案作为MMSE均衡器，该MMSE均衡器要进行3×3卷积。“MMSE+LDPC”表示在MMSE均衡器中使用利用公知LLR-BP算法的解码方法的情况。“所提出的方法”表示在MMSE均衡器中使用利用经改进LLR-BP算法的解码方法的情况。
假设奈奎斯特大小(Nyquist size)是“1”并且在水平方向上的未对准是“1/8”而在垂直方向上的未对准是3/8。LDPC码的长度是2500，并且分别对0.7、0.8以及0.9的编码率进行仿真。在改进LLR-BP算法中，设置Ld＝0.2、e0＝0.633并且e1＝0.1267。出于简化计算的目的，将D(s，V)计算为所加入的面积的比率。使用在执行硬判决操作时确定的 作为P(s)。
由于使用具有强纠错功能的LDPC码来执行解码操作，因此，与“不解码”或只使用均衡器的情况相比，可以看到BER得到了显著改进。随着编码率的提高，在所提出的解码方法中BER降低了。当编码率是0.9时，改进LLR-BP算法校正了已知LLR-BP算法不能校正的大部分错误。
通过使用改进LLR-BP算法可以提高对LDPC码进行解码的处理速度，并且可以改进BER。可以提高存在严重未对准的全息光学信息处理设备的可靠度。
权利要求
1.一种对使用低密度奇偶校验码编码的接收信号进行解码的方法，该方法包括以下步骤使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，获得所述多个位的后验值；基于所述后验值来确定是否应当执行迭代解码操作；以及当确定了执行迭代解码操作时，将所述后验值与预定值进行比较，并更新所述多个位的初始值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，更新初始值的步骤包括以下步骤当所述后验值的绝对值大于所述预定值的绝对值时，对所述多个位的初始值进行更新。
3.一种用于对使用低密度奇偶校验码编码的接收信号进行解码的装置，所述装置包括初始化单元，其使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；迭代解码单元，其通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，获得所述多个位的后验值；迭代确定单元，其基于所述后验值来确定是否应当执行迭代解码操作；以及部分补偿单元，当确定了执行迭代解码操作时，所述部分补偿单元将所述后验值与预定值进行比较并更新所述多个位的初始值。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，当所述后验值的绝对值大于所述预定值的绝对值时，所述部分补偿单元对所述多个位的初始值进行更新。
5.一种光学信息再现设备，用于从通过向记录介质照射参考光束而产生的再现光束中再现光学信息，所述光学信息再现设备包括光学信息检测器，其对再现光束进行检测并从再现光束检测数据页的图像；均衡器，其使数据页的图像均衡；以及数据解码器，其接收所述均衡器的输出作为接收信号，并对低密度奇偶校验码进行解码，其中，所述数据解码器包括初始化单元，其使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；迭代解码单元，其通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，获得所述多个位的后验值；迭代确定单元，其基于所述后验值来确定是否应当执行迭代解码操作；以及部分补偿单元，当确定了执行迭代解码操作时，所述部分补偿单元将所述后验值与预定值进行比较并更新所述多个位的初始值。
6.根据权利要求5所述的光学信息再现设备，其中，所述部分补偿单元基于由所述光学信息检测器与所述记录介质之间的未对准而产生的相邻数据像素的值来改变初始值的增大程度。
7.根据权利要求5所述的光学信息再现设备，其中，所述均衡器是最小均方差均衡器。
8.根据权利要求5所述的光学信息再现设备，其中，当所述后验值的绝对值大于所述预定值的绝对值时，所述部分补偿单元对所述多个位的初始值进行更新。
全文摘要
低密奇偶校验码解码法和装置及用其的光学信息再现设备。提供了一种对使用低密奇偶校验码编码的接收信号进行解码的方法。该方法包括以下步骤使用所述接收信号的初始值对多个位进行初始化；通过沿行方向和列方向对所述多个位进行迭代解码，获得所述多个位的后验值；基于所述后验值来确定是否应当执行迭代解码操作；以及当确定了执行迭代解码操作时，将所述后验值与预定值进行比较，并更新所述多个位的初始值。
文档编号H03M13/11GK101086882SQ20061010741
公开日2007年12月12日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年6月7日
发明者郑飞雄 申请人:大宇电子株式会社