5.Канальная модуляция в формате BluRay

В оптической записи модуляция физического сигнала определяется двумя различными состояниями поверхности оптического носителя, которые, как правило, связаны с двумя различными значениями (высокое и низкое) отражательной способности меток (или пит) и промежутков между ними. Одно из этих физических состояний может быть поставлено в соответствие канальному биту со значением логической «единицы», другое – канальному биту со значением логического «нуля».

Данные в оптической записи обычно представлены в NRZI-форме, когда логической «единице» соответствует изменение уровня сигнала, а «нулю» – сохранение прежнего уровня. Такое представление эквивалентно представлению потока данных в обычной NRZ-форме (логическая «единица» – бит высокого уровня, логический «нуль» – бит низкого уровня), при этом логическая «единица» соответствует началу новой метки или началу нового промежутка между «метками», а логический «нуль» – продолжению метки или промежутка. Канальный поток данных в NRZI-форме можно разделить на последовательность так называемых пробегов (runs), каждый из которых, в свою очередь, состоит из ряда последовательных канальных битов одного уровня. Количество битов в «пробеге» называется длиной пробега (runlength). Небольшая часть дорожки на диске показана на рис. 5.1. Физические метки и промежутки между ними чередуются вдоль всей дорожки на диске, при этом их длина всегда кратна длительности одного канального бита Т.

Очень короткие пробеги приведут к уменьшению амплитуды считанного с диска сигнала и, таким образом, к появлению в нем большего количества ошибок, вызванных воздействием помех. С другой стороны, слишком длинные пробеги приведут к затруднениям при выделении тактового синхросигнала с помощью петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая регенерирует канальную тактовую частоту, подстраивая ее по перепадам уровня в считанном сигнале. Если перепады уровня будут следовать чересчур редко, то это может привести к потере состояния синхронизма. Для того чтобы устранить слишком короткие и слишком длинные пробеги, используют канальные коды с ограниченной длиной пробега или RLL-коды (RunLenght-Limited Codes). Такие коды предполагают ограничение количества «нулей» между двумя последовательными «единицами» в NRZ-представлении параметрами d и k. Величина d указывает минимальное количество «нулей», величина k – максимальное. Следовательно, минимальная длина пробега RLL-кода будет составлять величину d+1, максимальная – k+1. Минимальная длина пробега обозначается T_min, максимальная – T_max.

С этими величинами связаны минимальная длины волны записи λ_min (соответствующая максимальной частоте f_max в спектре записываемого сигнала), которая сопоставляется двум последовательным минимальным «пробегам», состоящим из битов разного уровня (рис. 5.2), и аналогично ей максимальная длины волны записи λ_max (соответствующая минимальной частоте f_max в спектре записываемого сигнала), которая сопоставляется двум последовательным максимальным пробегам, состоящим из битов разного уровня.

В исходном потоке информационных битов ничто не мешает «единицам» располагаться рядом (d=0), а «нулям» – образовывать бесконечно длинные последовательности (k=∞). Для того чтобы можно было обеспечить выполнение требований на ограничение длины пробега, необходимо исходные группы из некоторого числа n битов источника (информационные слова) преобразовать в группы (кодовые слова) с большим их числом m. Если m достаточно велико, то из общего множества 2^m слов всегда можно выбрать 2ⁿ кодовых слов, таких, что заданные ограничения на длину пробега будут выполняться. Отношение n/m принято называть скоростью кода R. Поскольку n всегда меньше m, скорость кода R всегда меньше 1.

Все RLL-коды, используемые в оптической записи, относятся к категории кодов DC-free, т.е. кодов, которые не имеют постоянной составляющей в спектре сигнала записи и почти не содержат низкочастотных составляющих. Если считать, что каждый канальный бит b_i может принимать всего два значения – «+1» и «–1», то последовательность b₁, b₂, …, b_i будет принадлежать к категории DC-free, если текущая величина числовой суммы (DSV – Digital Sum Value)

принимает только ограниченное число значений вблизи 0.

Ограничение уровня низкочастотных составляющих в спектре кодированного сигнала необходимо по ряду причин.

Во-первых, для отделения информационного сигнала от низкочастотных шумов, вызванных наличием пыли и отпечатков пальцев на поверхности диска.

Во-вторых, для того, чтобы обеспечить корректное формирование уровней ограничения считанного с диска высокочастотного сигнала при выделении из него цифрового информационного сигнала и сигнала тактовой синхронизации.

В-третьих, для обеспечения корректной работы сервосистем воспроизводящего устройства (автофокусировки и автотрекинга). Поскольку эти системы оперируют с сигналами ошибок позиционирования в области частот, соизмеримых со скоростью вращения диска, то присутствие в информационном сигнале низкочастотных составляющих может быть воспринято ими как ошибка позиционирования.

Непрерывный контроль значения DSV позволяет управлять уровнем постоянной составляющей в спектре записываемого сигнала. Для этого могут быть предусмотрены различные методы. Одним из таких методов является выбор кодовой комбинации из нескольких альтернативных вариантов, имеющих разное значение DSV. Другой метод состоит в том, что между двумя соседними кодовыми словами предусматриваются один или несколько соединительных разрядов, которые сами по себе информации не содержат, но обеспечивают минимизацию текущего значения DSV путем формирования, при необходимости, на одной из позиций логической «единицы». Как следует из вышесказанного, после модуляции сформированной последовательности по методу NRZI, каждая «единица» инвертирует существующий уровень сигнала, а вместе с ним и DSV последующего кодового слова. Если, к примеру, значение DSV в конце очередного кодового слова равно +3, а DSV следующего за ним слова +4, то при их объединении значение DSV по окончании этого слова станет равным +7. Если же между этими словами вставить ничего не значащую «единицу», то значение следующего слова изменится с +4 на –4, и суммарное DSV в конце последнего слова станет равным –1, что, разумеется, будет способствовать уменьшению уровня постоянной составляющей в спектре кодированного сигнала.

Для модуляции данных, записываемых на диск BD, используется специально разработанный для этого код 17РР. Обозначение 17PP (Parity preserve Prohibit) должно указывать на то, что код имеет не менее одного «нуля» между двумя соседними «единицами» (d = 1) и не более семи (k = 7). Затем кодированная последовательность модулируется по способу NRZI, что позволяет получить значение минимальной длины пробега T_min = 2, максимальной – T_max = 8.

Такие ограничения длины пробега обеспечивают хорошую самосинхронизируемость кодированной последовательности и повышение плотности записи информации примерно на треть. Коэффициент повышения плотности записи, полученный за счет использования канального кода 17РР, K = (d+1) · n/m = (1+1) · 2/3= 4/3 = 1,33. Минимальная длина волны записи λ_min = 4Т_к, максимальная λ_max = 16Т_к. Окно детектирования t_w = 2/3 T = ± 1/3 Т.

По сути, код 17 РР является кодом 2/3 (n = 2, m = 3), однако здесь одновременно могут кодироваться (подвергаться преобразованию) не только пары исходных информационных бит, но и четверки, шестерки и даже восьмерки бит (i = 1, 2, 3 и 4). Для минимизации постоянной составляющей используется контроль текущего значения DSV, и все замены производятся исходя из того, чтобы значение DSV было возможно ближе к нулю. Основной алгоритм замены показан в табл. 5.1.

Синхрогруппа, использующаяся в формате BluRay, содержит два подряд следующих интервала между соседними перепадами уровня, равных 9Т_к, т.е. превышающих максимально возможный в потоке кодированных данных (8Т_к) и имеет конфигурацию, показанную на рис. 5.3. Наличие таких нестандартных интервалов облегчает опознание синхрокомбинации блоком цикловой синхронизации при наличии искажений.

Таблица 5.1

Алгоритм кодирования кодом 17 РР

Информационные слова	Кодовые слова
i = 1
11	*0*
10	001
01	010
i = 2
00 11	010 100
00 10	010 000
00 01	000 100
i = 3
00 00 11	000 100 100
00 00 10	000 100 000
00 00 01	010 100 100
00 00 00	010 100 000
i = 4
00 00 10 00	000 100 100 100
00 00 00 00	010 100 100 100

Обозначение *0* говорит о том, что если предыдущее кодовое слово оканчивается на «1» (хх1), то *0* = 000, а если на «0» (хх0), то *0* = 101.

Символ, обозначенный как «х» имеет значение «1», если предыдущее кодовое слово заканчивается «нулем», и значение «0», если предыдущее кодовое слово заканчивается «единицей».

Итак, код 17РР имеет следующие технические характеристики:

- минимальная длина волны записи λ_min = 4Т_кан;

- максимальная длина волны записи λ_max = 16Т_кан;

- минимальное количество «нулей» между двумя соседними «единицами» d = 1;

- максимальное количество «нулей» между двумя соседними «единицами» k = 7;

- минимальная длина пробега T_min = 2;

- максимальная длина пробега T_max = 8;

- скорость кода R = 2/3;

- коэффициент повышения плотности записи K = 1,33 (плотность записи увеличилась);

- окно детектирования t_w = 2/3 Т= ± 1/3 Т.