CN1989719A - 自适应维特比检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应维特比检测器，以及一种使用这种自适应维特比检测器来读取和/或写入记录介质的设备。本发明的目的是针对自适应维特比检测器，提供一种备选设计，以针对呈现强烈垂直不对称的RF信号，改善锁相和正确的数据重建。通过具有适应参考电平的维特比检测器来实现本目的，该检测器用于从输入RF信号进行比特恢复，其中参考电平自适应输入的RF信号，所述检测器具有装置，用于针对每一个状态转换，根据输入RF电平和对应的参考电平之间的偏差，来优化参考电平，其中对应的参考电平是由具有最大似然的当前状态确定的。

Description

自适应维特比检测器

技术领域

本发明涉及一种自适应维特比检测器，以及一种使用这种自适应维特比检测器来读取和/或写入记录介质的设备。

背景技术

当今，光和磁盘介质是在工业和日常生活中广泛使用的主要介质。随着光学记录技术的发展，光学记录和重写速度快速提高。因为介质灵敏度、焦点的变化和不足的记录激光功率控制，所记录的凹坑偏离标称尺寸。正偏差使凹坑明显地比相同标称长度的平面长，而负偏差使凹坑明显地比相同标称长度的平面短。由此，从这种预标记或记录的盘中扫描再现的RF信号呈现垂直失真现象，该现象被称作不对称。这种垂直不对称失真导致与锁相有关的困难，并增加在获取中用于比特恢复的解码比特流的误码率(BER)，该获取根据传统信道模式工作，并采用具有固定判决电平的一般局部响应最大似然(PRML)检测器。

美国专利申请2002/0174402A1和美国专利申请2002/0073378A1公开了具有对称参考电平PRML检测器的传统六状态维特比检测器，以及一种用于节省路径存储器中硬件的方法。

美国专利申请2002/0021772A1教导了一种方法，其中根据两个不同的基准电平，采用两个维特比检测器，来解码相同但是具有不同DC电平的波形。该方法改善了具有正脉冲和负脉冲的不对称波形的输入RF信号的比特恢复性能。但是，对于与最短脉冲与最长脉冲的中间位置之间的偏差有关的不对称RF信号，该方法没有改善其比特恢复性能。

美国专利申请2001/0016002A1公开了一种具有维特比电平判决单元的维特比检测器，其通过四个连续的输入信号来判决参考电平，并在特殊条件下更新参考电平。该方法改善不对称输入信号的解码，但是，对于强烈垂直不对称(不对称性＞25％)输入RF信号，或从严重轻划伤盘中扫描的RF信号，该方法不起作用，或只会以增加的BER工作，这是因为维特比电平判决单元对于这种RF输入信号不能正确工作，并且所包括的自适应有限脉冲响应(FIR)滤波器无法减小垂直不对称效应和快速改变的RF幅度。

在“Adaptive Partial-Response Maximum-Likelihood Detectionin Optical Recording Media”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)，pp.1789-1790中，Ide描述了一种自适应PRML检测器，其利用自适应参考电平来改善比特恢复。在所公开的自适应PRML检测器中，失配检测是基于最后最大似然比特的。

在“Combined Adaptive Controlled Partial Response andMaximum Likelihood Signal Processing for High-Density OpticalDisks”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)，pp.924-930中，Takehara等公开一种利用自适应FIF滤波器和具有自适应参考电平的维特比检测器，来改善从高密度光盘的比特恢复的方法。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，并提供一种针对自适应维特比检测器的备选设计，从而针对呈现强烈垂直不对称的RF信号，改善锁相和正确的数据重建。

通过具有自适应参考电的平维特比检测器来实现本目的，该维特比检测器用于从输入RF信号进行比特恢复，其中参考电平与输入RF信号相适应，该检测器具有用于针对每一个状态转换、根据输入RF电平和对应的参考电平之间的偏差来优化参考电平的装置，对应的参考电平是由具有最大似然的当前状态确定的。

优选地，基准参考电平(即，中间参考电平)也用于校正限幅电平，从而改善数字锁相环(DPLL)中的锁相。与使用自适应均衡器的传统自适应维特比检测器相比较，本维特比检测器显著地改善了在强烈垂直不对称RF信号的数据获取期间的比特恢复的误码率(BER)，以及显著提高了对应的重建数据的质量和有效性。

有利地，维特比检测器还包括使用增强信道模型的RF信号发生器，其允许用不对称PR系数来描述垂直不对称RF信号，不对称PR系数是基于加上自适应部分来补偿RF信号与对称固定PR系数之间的偏差的对称固定PR系数的。例如，固定PR系数可以是PR(3，4，4，3)或PR(1，2，2，1)。

优选地，数字自动增益控制(DAGC)模块检测RF幅度，并提供即时的成比例的RF幅度调整。这使得针对RF信号，特别是针对从具有缺陷区或严重轻划伤表面的盘上扫描的RF信号，可以改善自适应参考电平。

有利地，维特比检测器还包括装置，用于从输出解码比特检测DC偏置，并向输入RF信号反馈对应的信号，来抵消输出解码比特中的DC部分。这不仅改善维特比检测器的性能，也改善解码比特流的BER。

优选地，维特比检测器还包括用中间参考电压来校正RF信号的装置。以这种方式，由事件和相位检测器用于以后的事件判决的RF输入信号不仅是无DC(DC-free)的，还是不对称补偿的。对于不对称RF信号，特别对于不对称性＞25％的强烈不对称RF信号，无DC校正和不对称补偿使得可以进行更加准确的事件判决和获得对应的相位信息。由于事件和相位检测器输出的正确的事件判决和对应的准确的相位信息，DPLL模块实现更快的锁相。

有利地，将最长脉冲的上下包络之差用于RF幅度测量。通过这种测量，RF幅度测量更加准确。这也对DAGC的放大结果有正面影响。

优选地，在参考电平确定模块中，五个信道的参考电平共享一个低通滤波器。通常五个信道的每一个需要两个较大的位宽加法器(bit-width adder)。但是，根据本发明，所有五个信道只需要两个较大的位宽加法器。以这种方式，显著地减少了硬件组件。

与Ide描述的自适应PRML检测器相比，根据本发明，失配检测是基于当前最大似然的，而在已知检测器中，失配检测是基于最后最大似然比特流的。另外，根据已知检测器，比特通过路径存储器来找出最优与更新参考电平是相继执行的，而根据本发明，这是同时执行的。这些差别带来许多优点。以最小环路延迟，更加快速地更新了参考电平。因为这种最小环路延迟，可以省略用于延迟已均衡RF信号的FIFO缓冲器，这节省了硬件。因为参考电平的快速更新，对于严重轻划伤盘，失配影响被减小到最小。虽然因为使用当前最大似然解码比特流，自适应参考电平不是非常准确，但是，由于不准确的参考电平而被错误解码的比特稍后在通过路径存储器时会被校正。

与Takehara等公开的具有自适应参考电平的维特比检测器相比，根据该已知的维特比检测器，在自适应控制单元中使用参考RF信号发生器，来从解码比特流中产生参考RF信号。这种信号发生器是根据传统RF信号发生原理来设计的，只产生对称RF信号。因此，使用外部参考电平补偿器来适配参考电平，该外部参考电平补偿器根据已均衡RF信号与产生的信号之间的失配的最小均方，来改变参考电平。但是，根据本发明，在产生参考信号中，利用增强信号发生器的自适应增益，来实现适配。根据Takehara等，解码比特流被用于产生参考信号。但是，在传递给维特比检测器的输入RF信号与解码比特流之间通常存在较长延迟。对于严重轻划伤盘，这种延迟有时导致错误适配，即，由于延迟的适配，RF失配增加。相反，根据本发明，在每一个比特时钟，根据当前最大似然来更新参考电平之一。因此，使延迟及其导致的错误适配最小化。

附图说明

为更好地理解本发明，在以下描述中，参考附图来说明范例实施例。要理解，本发明不限于这个范例实施例，在不背离本发明范围的前提下，可以适宜地组合和/或修改所说明的特征。图中：

图1示出了具有PR(3，4，4，3)特性的传统RF信号编码器；

图2示出了具有PR(a，b，c，d)特性的自适应RF信号编码器；

图3描绘了数据重建***的方框图；

图4示出了不对称RF信号及其自适应PRML描述；

图5描绘了数字自动增益控制(DAGC)；

图6示出了RF幅度包络检测器；

图7描绘了DC偏置检测器；

图8示出了相位&事件检测器；

图9描绘了自适应维特比检测器的结构；

图10示出了状态转换；

图11描绘了Trellis图；

图12示出了支路度量计算；

图13描绘了ACS计算；

图14示出了最小路径度量检测器；

图15描绘了位置编码器；

图16示出了偏置减除(substraction)；

图17描绘了路径存储器；

图18示出了最大似然确定；以及

图19描绘了参考电平确定；

具体实施方式

图1示出了具有PR(3，4，4，3)特性的传统RF信号编码器，其用于实现编码操作，以获得从记录在盘上的信道比特脉冲序列中输出的比特。记录信号以及由该编码器产生的稍后的被扫描信号应该总是具有完美的对称波形。

但是，因为介质灵敏度、焦点的变化以及记录激光功率与标称值的偏差，总是发生以下现象：凹坑比相同标称尺寸的平面长(过蚀刻)，或相反，即，凹坑比相同标称尺寸的平面短(欠蚀刻)。因为正脉冲和负脉冲具有不对称形式，所以这种现象不仅引起波形失真，而且引起最短脉冲(例如，对于RLL(2，10)是3T)和最长脉冲(例如，对于RLL(2，10)是11T)的中间位置之间的偏差。两种效果导致从扫描的RF信号进行比特解码比较困难，并导致增大的BER。

可以通过具有PR(a，b，c，d)特性的增强信道模型来描述垂直不对称现象，图2中示出了该模型的结构。可以将局部响应系数a、b、c、d看作分别具有偏差δ_a、δ_b、δ_c、δ_d的传统固定系数(例如，(3，4，4，3))，并且可以将其用于描述具有垂直不对称波形的扫描的RF信号。偏差与上述介质灵敏度、焦点的变化以及记录激光功率与标称值之间的偏差的总体效果相对应。对于由不同设备或记录器预标记、记录或写入的不同盘，该偏差不同。因此，为了优化维特比检测器的性能，优选地是针对每一张盘来更新和优化该偏差。

图4描绘了采用动态更新的参考电压描述的扫描的垂直不对称RF信号的仿真。仿真中也指示了当前局部响应最大似然波形，其根据当前更新参考电平在当前具有最大似然。

图3示出了数据重建***的方框图以及自适应维特比检测器的位置和组件。

光学检波单元(OPU)扫描在光盘上预标记或记录的信息。接着，模数转换器(ADC)将从OPU获得的模拟RF信号数字化。AC耦合模块(ACC)对RF信号中的DC分量进行滤波，采样率转换器(SRC)重采样AC耦合的RF信号。由T时钟确定采样率，T时钟是在数字PLL模块(DPLL)中产生的，并与解码的比特率相对应。不对称补偿(AC)监视RF信号中的不对称，并动态地补偿RF信号的不对称部分。接着，由匹配均衡器模块(EQ)和限幅模块(Slicer)分别对补偿的RF信号进行均衡和限幅。将限幅的RF信号输入自适应维特比检测器(VD)，从维特比检测器中输出解码比特流。维特比检测器获得过零点事件及其相位信息，并将其传递到DPLL模块，用于锁相。

自适应维特比检测器包括数字自动增益控制(DAGC)、DC检测器、相位和事件检测器、以及六状态自适应维特比检测器。

DAGC接收均衡和限幅的、基于T时钟的RF信号，并检测最长脉冲的上下包络。上下包络之差是输入RF信号的幅度。接着，根据幅度检测，通过比例放大来自动控制输入RF信号的幅度。DAGC处于RF信号的均衡和限幅之后，用以最小化较大的幅度改变，以减小剧烈改变的参考电平对具有缺陷或严重轻划伤表面的盘的影响。

图5中示出了DAGC的工作原理。包络检测器同时检测最长脉冲(压缩盘(CD)：11T；数字通用盘(DVD)：14T；蓝光盘(BD)：8T)的上下包络。根据两个包络之差获得RF信号幅度，这是由包络检测器之后的加法器实现的。接着，根据与算法 $\mathrm{DAGC}\_\mathrm{Gain}=\frac{\mathrm{objective}\_\mathrm{amplitude}}{\det \mathrm{ected}\_\mathrm{amplitude}}$ 相对应的DAGC增益，成比例地放大所检测的RF幅度。这由查找表(LUT)实现。LP1和LP2是低通滤波器，用于减小RF幅度中的高频噪声影响。

图6示出了最长脉冲的上下包络检测。通过过零点信息来检测和选择脉冲长度。当所检测的脉冲长度满足输入RF信号中的最长脉冲条件时，在第一寄存器(Reg2)和第二寄存器(Reg3)中保存所检测的时间最大值和最大值，将其用于更新上下包络。

图7中描绘的DC偏置检测器检测来自六状态自适应维特比检测器(VD)的解码比特流的DC部分，并向经过DAGC处理的RF信号反馈与所检测的DC部分相对应的信号，以校正过零点电平，并进一步抵消输出比特流中的DC部分。DC偏置检测器根据在盘上预标记或记录RF信号期间的无DC调制理论来操作。分别用电平“+1”和电平“-1”来辨别解码比特“1”和“0”。根据在盘上预标记或记录RF信号期间的无DC调制原理，解码比特流的平均电平(DC部分)应该是零。根据这种原理，借助于与解码比特值“1”和“0”相对应的低通滤波的电平“+1”和“-1”来获得解码比特流的DC部分。寄存器和加法器(A1)用作积分器，来获得复用器的输出之和。限幅器用于避免积分器的溢出。加“8”运算用作舍入功能，而除以“16”的运算和求和功能具有低通滤波器的效果。

接着，从经过DAGC处理的RF信号中抵消DC偏置检测器从解码比特流中检测到的DC部分。由六状态自适应维特比检测器的中间参考电平进一步校正DC抵消的RF信号。随后，对于校正的RF信号，检查过零点事件。然后将检查结果和对应的相位信息提供给DPLL，用于锁相。

图8中示出了相位&事件检测器的硬件实现。相位&事件检测器搜索相对于前一输入信号或者下一输入信号具有不同符号并且与零轴具有最小距离的输入信号。如果输入信号满足以上条件，则将满足条件的时间辨别为脉冲的沿。将距离当作沿的相位。如果输入信号不满足条件，则相位和事件仅用于指示当前脉冲的极性。沿和沿相位被用于锁相。

六状态自适应维特比检测器是自适应维特比检测器的核心。六状态自适应维特比检测器包括支路度量计算子模块、加比选(ACS)计算子模块、最小路径度量检测器子模块、偏置减除子模块、路径存储器子模块和最大似然确定子模块。图9中示出了自适应六状态维特比检测器的结构。

根据图2中示出的针对具有PR(a，b，c，d)特性的RF信号的信道信号发生器的配置，输入比特序列的最后三个比特可以具有八个状态：

(0，0，0)，(0，0，1)，(0，1，0)，(0，1，1)，(1，0，0)，(1，0，1)，(1，1，0)和(1，1，1)。

如果只考虑针对DVD和CD的信道模型，因为考虑到RLL(2，10)和RLL(2，13)施加的运转周期限制，最短脉冲长度是3T，所以只有六个可能状态。图10中描绘了这六个状态的可能状态转换。图11中示出了对应的Trellis图。

根据信号发生期间的RLL，信道模型Y_k的输出具有五个可能电平(0，a，a+b，a+b+c，a+b+c+d)或(-a-b，-b，0，c，c+d)。这五个电平是局部响应参考电平，接着将这些电平用于计算在信号发生期间从一个状态向另一个可能状态的转换代价。

在图12中更加详细描绘的支路度量计算模块根据以下方程针对每一个状态转换来计算支路度量，即，输入信号与参考电平之间的平方距离：

S_delt_a＝RF_VD-ref_A)²

S_delt_b＝(RF_VD-ref_B)²

S_delt_c＝(RF_VD-ref_C)²

S_delt_d＝(RF_VD-ref_D)²

S_delt_e＝(RF_VD-ref_E)²

其中RF_VD是所接收的DC抵消RF信号，ref_A、ref_B、ref_C、ref_D和ref_E表示当前更新的参考电平。

以上方程的结果是针对对应的状态转换的支路度量。具有最低支路度量的状态转换显然具有最大的似然。

ACS计算模块将每一个支路度量加到最后状态转换的对应路径度量(s_ref_s0，s_ref_s1，s_ref_s2，s_ref_s3，s_ref_s4和s_ref_s5)上，根据图10中描述的Trellis图，将八个可能的路径度量结果与对应的其它路径度量相比较，并根据状态转换图，从八个路径度量中选择指示更大似然的六个路径度量(L_0，L_1，L_2，L_3，L_4，和L_5)。ACS计算模块还将选择信号(SW0和SW1)传递给路径存储器，以进行解码比特流的选择。

在六个对应的寄存器中保存六个幸存的路径度量，用于偏置减除和下一状态转换的路径度量计算。

图13中示意性地示出了ACS计算模块的硬件实现。针对ACS计算，应用以下算法：

通过以下方程选择新的幸存的六个路径度量：

L_0＝min{(s_delt_e+S_ref_0)，(s_delt_d+S_ref_3)}

L_1＝s_delt_d+S_ref_0

L_2＝s_delt_c+S_ref_1

L_3＝s_delt_c+S_ref_4

L_4＝s_delt_b+S_ref_5

L_5＝min{(s_delt_a+S_ref_5)，(s_delt_b+S_ref_2)}.

通过以下方程确定选择信号SW0和SW1：

SW0＝1  当(s_delt_e+S_ref_0)＞(s_delt_d+S_ref_3)

SW0＝0  当(s_delt_e+S_ref_0)＜＝(s_delt_d+S_ref_3)

SW1＝1  当(s_delt_b+S_ref_2)＞(s_delt_a+S_ref_5)

SW1＝0  当(s_delt_b+S_ref_2)＜＝(s_delt_a+S_ref_5)

其中(s_delt_a...s_delt_e)是所计算的支路度量，(s_ref_0...s_ref_5)是先前的六个幸存路径度量。

最小路径度量检测器检测并选择所计算的具有最小值的路径度量。与最小路径度量相对应的解码比特流显然具有最大似然。编码并输出具有最小值的路径度量的位置信息，以用于最大似然确定和参考电平适配。

图14和图15中示出了最小路径度量检测器和位置编码器的示例设计。

从当前计算和选择的六个幸存路径度量中，减去路径度量的基准值，以减小数据范围，该基准值是由最小路径度量检测器检测的六个幸存的路径度量的最小值。接着将这些偏置减除的路径度量传递给ACS模块，用于下一状态转换的路径度量计算。图16中示出了详细设计。引入偏置减除，以限制路径度量的数据范围，并缩减硬件实现。

路径存储器总是保持当前的六个幸存的解码比特流，即，根据从ACS计算模块传递的选择信号SW0和SW1从八个可能流中选择的并具有更大似然的六个幸存的解码比特流。因为不可能在硬件中实现无限路径存储器长度以实现无限的选择处理，所以针对路径存储器中的每一个状态转换，执行该选择处理。假设在有限路径存储器(有限选择)之后，六个幸存的解码比特流的最早(least recent)解码比特具有足够大的似然。

在六个对应的寄存器中保存上述六个幸存的解码比特流，这如图17所示的一样来实现。寄存器的位宽(bit width)是路径存储器的长度。针对每一个状态转换，根据这六个寄存器的先前值和选择信息SW0和SW1，用新的幸存解码比特流来更新六个寄存器。由复用器M1和M2来完成幸存比特流选择处理。将寄存器的MSB(最高位)，即，最早解码比特，输出到最大似然确定模块，用于最终比特输出确定。

最大似然确定模块从六个当前的幸存解码比特流的最旧解码比特中，确定解码比特的最终比特输出。最终输出比特是在六个幸存解码比特流中具有最大似然的比特。

利用在最小路径度量检测模块中编码的具有最小值的路径度量的当前位置信息，来进行确定。通过如图18所示的复用器，来简单地实现该确定处理。

与传统维特比检测器不同，这种自适应维特比检测器中的适配功能由自适应参考电平来实现，自适应参考电平是基于采用具有如图2所示的信道模型的PR(a，b，c，d)特性的信号发生的。

每一个自适应参考电平包括两个部分：固定参考电平(例如，针对PR(3，4，4，3)的(-7，-4，0，4，7))和自适应部分(Δ_E，Δ_D，Δ_c，Δ_B，Δ_A)。从当前输入RF电平与参考电平之间的偏差中获得自适应部分，其中参考电平是按照当前局部响应最大似然决定的。

自适应信道模型与自适应参考电平之间关系如下。对于具有PR(a，b，c，d)特性的信号发生，五个可能参考电平是(0，a，a+b，a+b+c，a+b+c+d)。当用偏置“a+b”将这些参考电平浮置(float)时，可以将其写作(-a-b，-b，0，c，c+d)。

例如，当固定参考电平是基于带有PR(3，4，4，3)特性的参考电平时，局部响应系数(a，b，c，d)可以写作

a＝3+δ_a

b＝4+δ_b

c＝4+δ_c

d＝3+δ_d

因此，如下获得参考电平的自适应部分(Δ_E，Δ_D，Δ_C，Δ_B，Δ_A)与局部响应系数的自适应部分(δ_a，δ_b，δ_c，δ_d)之间的关系

Δ_E-Δ_C＝-δ_a-δ_b

Δ_D-Δ_C＝-δ_b

O＝O

Δ_B-Δ_C＝δ_c

Δ_A-Δ_C＝δ_c+δ_d

根据具有最大似然的当前状态和最小路径度量的位置信息，针对每一个状态转换，来更新参考电平的自适应部分。

因为只有一个具有最大似然的当前状态，所以在一个状态转换之内，只更新一个参考电平。通过对最小路径度量的位置信息以及路径存储器中保存的当前第一和最后的幸存解码比特流中的比特3信息(B_S0_3和B_S5_3)的逻辑解码，来完成对要更新的当前电平的选择。

图19中描绘了详细的硬件实现。参考电平的固定部分分别是M_value和N_value。计算输入RF电平与固定参考电平之间的偏差，并根据具有最大似然的当前状态，来选择其中之一。由低通滤波器平滑所选择的偏差，并根据最小路径度量的位置信息以及第一和最后幸存比特流中的当前比特3信息，将其保存在对应的寄存器(寄存器A..E)中。接着，将参考电平的固定和自适应部分结合起来，形成维特比检测器的自适应参考电平，以用于下一支路度量计算。利用自适应部分和选择逻辑，参考电平是自优化的，以适配输入的RF信号。

虽然参考了从具有不对称信号的高密度光学记录介质(CD/DVD/BD)重建数据的实施例来描述本发明，但是本发明的总体思想也可应用于磁介质(带/盘)，以及基于数字基带传输和通信的技术领域。

Claims (9)

1.一种具有自适应参考电平的维特比检测器，用于从输入RF信号进行比特恢复，其中参考电平与输入RF信号相适应，所述维特比检测器包括用于针对每一个状态转换、根据输入RF电平与对应的参考电平之间偏差来优化参考电平的装置，所述维特比检测器的特征在于，由具有最大似然的当前状态确定对应的参考电平。

2.根据权利要求1所述的维特比检测器，还包括：用于使用中间参考电平来校正限幅电平，以改善数字锁相环(DPLL)中的锁相的装置。

3.根据权利要求1或2所述的维特比检测器，还包括使用信道模型的RF信号发生器，其中信道模型允许用不对称PR系数来描述垂直不对称RF信号，不对称PR系数是基于加上了自适应部分来补偿RF信号与对称固定PR系数之间的偏差的对称固定PR系数的。

4.根据权利要求1到3之一所述的维特比检测器，还包括数字自动增益控制(DAGC)模块，用于检测RF幅度，并提供即时的、成比例的RF幅度调整。

5.根据权利要求4所述的维特比检测器，其中将最长脉冲的上下包络之差用于RF幅度测量。

6.根据权利要求1到5之一所述的维特比检测器，还包括：用于从输出解码比特中检测DC偏置，并向输入RF信号反馈对应的信号，来抵消输出解码比特中的DC部分的装置。

7.根据权利要求6所述的维特比检测器，还包括用中间参考电压来校正RF信号的装置。

8.根据权利要求1到7之一所述的维特比检测器，其中在参考电平确定模块中，五个信道参考电平共享一个低通滤波器。

9.一种用于读取和/或写入记录介质的设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1到8所述的、用于从输入RF信号进行比特恢复的维特比检测器。

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