（计算机应用技术专业论文）用于全息数据存储的一种解调方法的研究实现和评估.pdf

摘要 摘要 数据存储技术是目前存在具有广泛意义的关于数字信息数据传递的一项关键 技术，在各个应用领域已经取得诸多成果，并且在此基础上还在继续不断地发展。 由于传递数据时存在传输数据时受到各种不同因素影响，因此数据信息工程师根据 不同情况会制定实旌不同的解决方案解决数字信息存储问题。除了成熟的半导体存 储技术，例如标准个人电脑的硬盘和无线应用技术的闪存，光学数据存储在专业的 消费市场中同样有着悠久的历史传统。与此同时，由于对数据容量和数据速率日益 增长的需求，从七十年代末出现的光盘( c d ) 到现今广泛被企业和个人使用的 数字多功能光盘( d v d ) 和蓝光( b l u e r a y ) 存储技术的相继盛行 6 】，表明数据 存储技术一直处于可持续发展状态，前景巨大。然而下一代光数据存储却是光学存 储领域许多科学家所关注的重点，其中一项包括全息数据存储系统( h d s s s ) 。 研究光学信息数据存储的科学家在实践过程中不断地进行实验和探索，在过 去的几年里，光学概念、全息介质，光学和电子设备，以及h d s s 数据处理单元等 诸多相关技术方面得到了进一步改善和发展。尽管如此，如果去实现存储容量超过 1 t b 和数据传输速率高达1 g b p s l 拘数据存储技术仍然是项具有极大挑战性的任务。 这里描述的数据单元的基本功能包括：数据的创建、数据的发送、数据的接收和数 据检测总共5 个功能，其中评估数据处理单元性能的主要标准是它是否能够实现高 速率、高质量的数据检测功能。 页导向全息数据存储系统( h d s s s ) 普遍利用空间光调制器( s l m s ) 生成二维( 2 d ) 数字模式，所谓的数据页。这些数据页通过物体光束和参考光束的干涉存储在全息 媒介质中，通过把媒介质暴露在参考光束上而重新构建信息页。这些重新构建的信 息页可以被探测器，比如c m o s 照像机，探测到。在全息存储系统中，最重要的挑 战之一是建立一个适当的数据检测算法。这个算法的主要任务是在探测图像的基础 上恢复s l m 图像。而s l m 图像中包含着用户数据。 本论文研究，实现，和测试了一种基于过滤器系数的特别的数据检测算法。这 个算法的主要任务是从探测图像到估计的s l m 图像的小数式抽样。这是整个数据检 扬州大学硕士学位论文 测算法中最重要的步骤之一。在本论文中，这种基于系数的方法已经实现并和其它 两种已经存在方法：线性方法和面积方法，进行了比较。除此之外，本论文也对一 种特别的二维数字模式进行了研究。这种特殊的二维数字模式用于在探测数据中的 识别。 a b s t r a c t a b s t r a c t as u i t a b l ed a t as t o r a g ei s o b v i o u s l yo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r ab r o a d e r d i s t r i b u t i o no fd i g i t a ld a t ai np a s t ，p r e s e n t ，a n df u t u r e f o rt h ed i s t r i b u t i o no fd i g i t a l c o n t e n ta n ds h o r ta n dl o n gt i m ea r c h i v a lm a n yd i f f e r e n ts o l u t i o n se x i s t b e s i d et h e s e m i c o n d u c t o rs t o r a g ee g t h eh a r dd i s ki ns t a n d a r dp e r s o n a lc o m p u t e r sa n df l a s h m e m o r i e si nm a n ym o b i l ea p p l i c a t i o n s ，o p t i c a ld a t as t o r a g eh a sal o n gt r a d i t i o ni n p r o f e s s i o n a lc o n s u m e rm a r k e t t h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rd a t ac a p a c i t ya n dd a t a r a t e h a v el e a dt oa no n g o i n gd e v e l o p m e n ts t a r t i n g 、) v i mc o m p a c td i s c ( c d ) i nt h el a t e s e v e n t i e st od i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ( d v d ) a n db l u r a y ( b d ) 6 】6n o w a d a y s b u tt h e d e v e l o p m e n ts t i l lg o e so n a l t h o u g h ，i ti sh e a v i l yd i s c u s s e dw h e t h e rt h e r ew i l lb ea n e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a ld a t as t o r a g e , h o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ( h d s ) i so n eo fm a i n c a n d i d a t e s i nt h el a s tf e wy e a r s ，t h e r ew a sm u c hp r o g r e s si nt h ed e v e l o p m e n to ft h e o p t i c a lc o n c e p t , h o l o g r a p h i cm e d i u m ，o p t i c a l a n de l e c t r o n i cd e v i c e s ，a n dd a t a p r o c e s s i n gf o rh d s b u ts t o r a g ec a p a c i t i e so fm o r et h a n1t ba n dd a t ar a t e so fh i g h e r t h a n1 g b p sr e m a i nc h a l l e n g i n g o n eo f t h ek e yc o m p o n e n t sf o rs u i t a b l eh o l o g r a p h i c d a t as t o r a g es y s t e m ( h d s s ) i st h ed a t ap r o c e s s i n gu n i t t h i su n i tc o p e sw i t ht h ed a t a c r e a t i o n ，s e n d i n g ，r e c e i v i n g ，a n dd a t ad e t e c t i o n t h em a i nc r i t e r i o nf o ras u i t a b l ed a t a p r o c e s s i n gu n i ti st o i n c r e a s et h ed a t ac a p a c i t yw h i l es i m u l t a n e o u s l yg u a r a n t y i n g l l i g h s p e e da n dr o b u s td a t ad e t e c t i o n p a g e o r i e n t e dh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g es y s t e m s ( h d s s s ) g e n e r a l l y m a k eu s eo fs p a t i a l l i g h tm o d u l a t o r s ( s l m s ) t og e n e r a t et w od i m e n s i o n a l ( 2 d ) d i g i t a lp a t t e r n s ，s o - c a l l e d d a t ap a g e s t h e s ed a t ap a g e sa r es t o r e dv i ai n t e r f e r e n c ep a t t e r n so ft h eo b j e c ta n d r e f e r e n c eb e a mi nt h eh o l o g r a p h i cm e d i u ma n da r e r e t r i e v e df r o mt h em e d i u mb y e x p o s i n gi tt ot h er e f e r e n c eb e a m t h ec o n s t r u c t e dd a t ap a g e sa r et h e nd e t e c t e db ya d e t e c t o ra r r a ye g c m o sc a m e r a o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a l l e n g e si st od e v e l o p as u i t a b l ed a t ad e t e c t i o na l g o r i t h mw h i c ha i m st or e c o v e rt h em o d u l a t e ds l mi m a g e b a s i n go n t h ed e t e c t o rd a t a 扬州大学硕士学位论文 as p e c i a ld a t ad e t e c t i o n a l g o r i t h mw h i c hi s b a s e do nt h e a p p l i c a t i o no ff i l t e r c o e f f i c i e n t sw a si n v e s t i g a t e d ，i m p l e m e n t e d ，a n dt e s t e d 1 1 l em a i nt a s ko ft h i sa l g o r i t h m i st h ed e c i m a t i o nf r o mt h ed e t e c t o rd a t at ot h ee s t i m a t e ds l md a t a , w h i c hi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ts t e p so ft h ed a t ad e t e c t i o n i nt h i st h e s i s t h i sc o e f f i c i e n tb a s e dm e t h o d w a si m p l e m e n t e da n dc o m p a r e dt oo t h e re x i s t i n gm e t h o d ：l i n e a rm e t h o da n da r e a m e t h o d b e s i d et h i s ，am e t h o do fc a l c u l a t i n gt w od i m e n s i o n a ld i g i t a lp a t t e r n sw h i c h a r en e c e s s a r yf o ri d e n t i f i c a t i o no nt h ed e t e c t o rd a t ah a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到 ：中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期： ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 日 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 1 1 概览 第一章引言 合适的数据存储技术很明显是应付越来越广数字数据分布的一种关键技术不 管是在过去，现在，还是将来。对于数字内容的短期或长期的数据存档，存在很 多种不同的解决方案。除了半导体存储，比如普通个人电脑中的硬盘，在很多移 动应用中的闪存之外，光学存储在消费市场已经有了相当长的传统和历史。日益 增长的对数据容量和数据传输率的要求导致了光学存储从二十世纪7 0 年代的光 盘( c o m p a c td i s c ，c d ) ，发展到数字通用光盘( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ，d v d ) 再到现 在的蓝光光盘( b l u - r a yd i s c ，b d ) 3 】。但是发展仍在继续。虽然现在广泛讨论是 否存在下代的光学存储技术，但是全息存储技术( h d s ) 以其众多的优点成为下 一代光学数据存储的最有可能的候选人之一。 在过去的一些年的中，全息存储技术在光学设各，全息存储介质，电子技术， 和数据处理等方面取得很大的突破。但一张光盘存储1 t b 并且数据传输率大子 1 g p s 仍是一项很大的挑战。在全息数据存储系统中，最关键的部件之一就是数据 处理单元。这个单元负责数据页的建立，发送，接收和数据检测。数据处理单元 的主要目的是提高数据的存储容量同时也要保证高速和强健的数据检测速率。 在本论文中，一种数据检测算法已经被研究，实现并且测试了。这种数据检 测算法中最重要的步骤是从探测图像到估计的s l m 图像的小数式抽样。这种抽 样已经通过m a t l a b 代码实现并且和其他存在的方法从不同的角度进行了比较。 比如说，符号错误率，算法时间等等。 除此之外，本论文也对种特别的二维数字模式进行了研究。这种特殊的二 维数字模式用于在探测数据中的识别。由于这种二维数字模式的特殊性，所以它 可在数据页中用作同步数据块( s y n c ) 。这种特殊的二维数字模式的思想来自于 巴克码。因为在同步数据块的探测中，我们需要像巴克码一样具有在自相关矩阵 中央是一个峰值而周围都是零的性质。 2 一 扬州大学硕士学位论文 1 2 论文结构 第一章是引言部分，是本论文的概览和结构。 第二章给出了关于全息数据存储的介绍。他包含了基本原理，数据调制方案和研 究全息数据存储系统的动机。本章也简要介绍了在t h o m s o n 实验室中配备的实 验装置，我们称作电子测试器。 第三章是研究了一种特殊二维数字模式。这种特殊的数字模式主要用于探测数据 中的识别。在本论文中这种特别的二维数字模式也称作同步数据块 ( s y n c h r o n i z a t i o nm a r k , s y n c ) 。本章给出关于同步数据块所作的研究的一些计算 结果。所有可用的不同维数的同步数据块为了应用于将来可能的调制方案在本章 中给出。 第四章介绍了一种决定有限脉冲响应过滤器( f i rf i l t e r ) 的系数的方法。它包含 了基本概念，样本选择方案，原理，评估和系数的例子。我们已经证实单单 一组系数是不够的。为了适用于数据检测算法，根据不同的位移的系数表是必需 的。 第五章描述了一种新的数据解调方法。这种新的数据集成了已经计算出来的系 数。在t h o m s o n 实验室，我们称这种方法为系数方法。本章包含了解调方法的 步骤和应用这种解调方法的模拟结果。本章中所介绍的算法将会通过基于可编辑 逻辑门阵列( f p g a ) 的硬件实现。通过硬件怎样实现不属于本论文的讨论范围。 第六章比较了在t h o m s o n 中不同的解调方法。它们分别是线性方法，面积方法 和系数方法。这三种解调方法通过各种不同方面：基本原理，符号错误率( s y m b o l e l t o rr a t e ，s e r ) ，时间消耗，实验结论等来比较。在比较中，所有的模拟和实验 条件都等同，除了不同的解调方法。 第七章是对全文的工作的总结和对进一步工作的展望。 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 2 1 概览 第二章全息数据存储 全息学是研究全息图是- 1 7 科学，是摄影学的高级形式。它可以使图像以三 维的形式存储在媒介中。人眼所见到的全息图像是三维的。1 9 4 8 年匈牙利物理学 家丹尼斯伽柏发明了全息图。为此他获得了当年诺贝尔物理学奖。这一发现是一 个意外的结果。当时他正在试图改进电子显微镜在t h o m s o n h o u s t o n 公司。这个公 司位于英格兰的r u g b y 。这项发明并没有真正的发挥其用途，直至u 1 9 6 0 年激光的发 明【2 】。全息技术可用于光学数据存储和三维显示。这篇论文讨论的全息技术在领 域：光学数据存储中的应用。 大家都知道，光学技术存储已经经历了三代。它们分别是普通光盘( c o m p a c t d i s c ，c d ) ，数学通用光盘( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ，d v d ) 和蓝光光盘( b l u r a yd i s c ， b d ) 。在这三代的光学数据存储技术中，更高的数据容量是通过使用更大的数值 孔径( n u m e r i c a la p e r t u r e ，n a ) ，更小的光斑大小和更小的激光光源的波长。为 了更大的提高光盘的数据容量和数据传输率，这些方法现在都面临非常明显的阻 碍。现在人们经常会讨论，哪一项技术会成为下代的光学的存储技术。在不久之 前还存在着几种不同的竞争技术，但是随着存储媒介质，光学设备，电子设备的 发展，全息技术存储( h o l o g r a h i cd a t as t o r a g e ，h d s ) 成为下一代光学数据存储的 最有竞争力的候选技术。 本章是对全息数据存储系统( h o l o g r a p h i cd a t as t o r a g es y s t e m ，h d s s ) 的一个 简单的介绍。这章解释了全息数据存储系统的基本原理，调制方案和研究研究全 息数据存储系统的动机。本章也简要介绍了在t h o m s o n 实验室中配备的实验装 置，我们称作电子测试器( e l e c t r o n i ct e s t e r ) 。用途是研发系统中的关键电子部件。 作者在公司中的任务就是提高数据检测算法的效率。数据检测算法的目标就是基 于探测数据恢复调制的s l m 图像。 扬州大学硕士学位论文 2 2 基本原理 s l m 插图2 - 1 形式化方法示意图 全息数据数据存储技术中读和写的原理与之前三代的光学存储技术读写原理 有很大差别。插图2 - 1 给出了简化了的全息存储系统的体系结构。首先，用户数 据是在光空间调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , s l m ) 中调制。光空间调制器是一 种可以强加给激光束中的各种各样的空间形式的仪器。举个例子，光空间调制器 广泛运用在投影仪中。肖光束通过投影仪中的光字日j 调制器时，信息就被调整在 这个光束上。所以我们能够看到背景上的不同的幻灯片。光空间调制器在全息存 储系统中是怎样来表达用户数据信息的呢? 请参看插图2 2 。带着已调制的用户 信息的激光束称为物体光束。物体光束通过光空间调制器，然后再通过傅里叶光 学棱镜系统把用户信息存储在媒介质上。参考光束是从相同光源出来的激光束， 但是参考光束是不通过光空间调制器和傅里叶光学棱镜系统的。物体光束和参考 光束发干涉作用，其干涉图纹就会被存储在全息存储的媒介质上。这个就是全息 数据存储系统中写的原理。当需要读出存储在媒质中的用户数据时，物体光束需 要被挡住。参考光束直接照在存储介质上就会反射出存储在介质上的干涉图纹。 反射出来的光束通过傅里叶光学棱镜系统可以被探测器，比如c m o s 照像机，给 探测到。然后，在探测器上形成一张模糊的，过采样的并且扭曲的探测图像。这 就是全息数据存储系统中读取用户数据的原理。 在插图中标出红色的电子装置是实现整个全息数据存储系统的最大的挑战之 一。这个装置用作于自动地从探测数据中恢复到调制的用户数据的光空间调制器 图像。探测器探测到的图像是这个装置的输入，而这个装置的输出则是调制的光 空间调制器图像。本论文中所介绍数据检测算法将会被实现在这个可编程的硬件 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 中。然而如何用硬件实现不是本论文的范围。 作者的任务是提高这个基于探测图像恢复光空间调制器图像的数据检测算法 的效率。对于这项任务，非常有必要去熟悉产生噪音的信道，包括全息存储介质， 光学通道和探测器所产生的噪音。为了有效的恢复光空日j 调制器图像，噪音通道 对光空间调制器图像的影响一定要被仔细研究。 2 3 调制方案 插图2 - 2 用于全息存储系统( h d s s ) 的一维的调制的方案 一维的有限制的跑长( r u nl e n g t hl i m i t e d , r l l ) 调制方案是当今的基于光盘 的光学存储标准。比如说，c d ，d v d ，h d - d v d ，和b d 。一种r l l ( 1 ，u ) 调制 6 一 扬州大学硕士学位论文 是由对连续的零在一串二进制的序列中下界l 和上界u 约束所定义的。比如说， 在b d 中对二进序列的约束是r l l ( 1 ，7 ) 。下界l 可以适应于系统的光学分辨率， 而上界一般是用作于时钟恢复。 一维的r l l 码是相对来讲非常容易处理的。然而，在二维码中，它们会在数 值计算上变得非常得复杂。因此我们建议一种二维的调制方案。在这个二维的调 制方案中，许多限制被强加在调制的数据页上，为了减少计算的复杂度。 插图2 2 给出了一种用于全息存储系统的二维的调制方案。从图中可以看出， 首先，用户数据信息是通过一串零和一的序列进行调制的。第二，这一串零和一 序列被转化为二维的数字的模式在全息数据存储系统中。最后，空间光调制器被 用于表达这个二维的数字模式。在全息存储系统中，空间光调制器只能调制两种 状态：开和关。我们用数字1 表示状态开，在插图中表示为黑色的像素。用数字 0 表示状态关。在插图中表示为白色的像素。这种调制方案的主要目的是使信息 通道的容量最大化并且减少计算的复杂度。在t h o m o s n ，作者的指导老师发表 过一篇文章【3 】。这篇文章订要讨论强加在数据块上不同的约束的效果。最后得 出结论：维数4 4 并带有3 个“开”状态的像素是一种很好的约束。因为任何 带有这种约束的数据块的白率( 请参考章节5 3 2 ) 是3 1 6 。在本论文中，维数4 x4 并带有3 个“开 状态的像素的数据块被用于整个数据页中。满足此约束 的一个数据块见插图2 3 。 插图2 - 3 用于全息存储系统( h d s s ) 的二维的调制的方案 插图2 4 给出了数据页的结构。这张演示的数据页由四个边界和2 3 的数据子页。 每一个数据子页由一个同步数据块开始，然后跟着许多储存用户数据的数据块。 为了避免由空间光调制器和探测器之间的位移所引起的数据丢失，所以在整个数 据边上加了四个边界。在图中，绿色的区域是可探测的数据页。黄色的区 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 插图2 _ 4 带有2 3 子页的数据页的结构 s u b 。p a g e d e t e c t a b l ep a g e s l mp a g e d a t ab l o c k 域是可探测的子页。红色的数据块是则是同步数据块( s y n c ) 。s y n c 是 s y n c h r o n i z a t i o nm a r k 的缩写。同步数据块用于同步数据探测中告知系统用户数据 在哪开始。在本论文的第三章将会研究一种特别的二维数字模式将会用于提高同 步数据块探测的效率。 2 4 实验装置 插图2 - 5 是在t h o m s o n 实验室中研发全息存储系统的其中一套实验装置的 照片。这个实验装置我们称之为“电子测试器”。“电子测试器”是专门用来测 试编码解码，调制懈调和应用于全息存储系统的数据探测方法的实验装置。在 用于全息存储系统的数据探测方法的研发过程中各种不同的方法可以通过这套实 验装置来评估算法的效率。 重要的部件已经在图中标出。这套“电子测试器”主要由下列部件构成： 激光源。实验装置中的激光源可以发射波长为4 0 5 纳米的相干激光。此激 光在射到分离器之前已经被适当的调整和扩大。 空闻光调制器。空间光调制器通过d v i 接口由一台普通的电脑控制。这台 空间光调制器的分辨率是1 2 8 0 7 2 0 像素。 口口 扬州大学硕士学位论文 s l ml a s e rs o u r c e 插图2 - 5 在t h o m s o n 实验室中研发全息存储系统的其中一套实验装置，我们称作“电 子测试器”的照片。 傅里叶光学棱镜系统。数据页由空间光调制器调制，然后要过此傅里 叶光学棱镜系统。在傅里叶平面上可以调节孔径的大小。 c m o s 矩阵探测器。此探测器的读出接口由我们实验室的工程师自己 开发。这个c m o s 矩阵探测器的分辨率是1 2 8 0 1 0 2 4 像素井带有 个8 位的连续和数字信号转换器。 p c 。这一整实验装置完全通过一台普通电脑来控制。所以有数据处理 和操作包括数据页的建立，传输，然后从探测中读出探测数据都是由 一个控制软件来完成的。 这个控制软件是由作者在t h o m s o n 的导师设计和用c + + 编写。通过这个 软件可以控制这套实验装置中的所有部件。所有的用于数据页的建立，c m o s 矩 阵探测器和空间光调制器的控制数据的获取和解调方法的参数都可以在这个软 件中的菜单中调整和设置。这个软件还支持各种不同的用出数据输入和数据输出 的接口为方便使用外部的软件包进行数据分析。 插图2 - 6 是我们实验室中这个控制软件的一张截图 胨宇种解调方法的研究，实现和评估 目口4 口t 2 日t 日口z 口，_ 2 麓婪明0 渖鼍要勰篡。一 i = = 1 1 l ， 1 筐量 2 5 研究意义 插图2 4 5 控制软件 每年在世界范围内都会几十亿张光碟的市场。现今可以说基本上每家每户的 普通p c 或者笔记本电脑都有c d - - r o m ，c d - - r w ，d v d 或d v d - - r w 。光学 数据存储是一个成功的商业故事【2 】。工业预测将来盼光学存储可以达到数据存储 容量i t b 每张光盘并且数据传输率将超过i g b s 滋个将来估计就在二零一几年。 可以从插图2 7 中看出光学存储的发展【2 】。 众所周知，光学技术存储已经经历了三代。它们分别是普通光盘( c o m p a c t d i s c c d ) ，数学通用光盘( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ，d v d ) 和蓝光光盘( b l u - r a yd i s c ，b d ) 。 在这三代的光学数据存储技术中，更高的数据容量是通过使用更大的数值孔径 ( n u m e r i c a la p e r t u r e ，n a ) ，更小的光斑大小和更小的激光光源的波长。在蓝光光 学存储中，光斑的大小已经小到几百微米。蓝光光碟大概可以存储2 5 g b 的数据 每层。如果一张光盘放四层的话，一张碟则可以存储达到1 0 0 0 b 的数据。为了进 扬州大学硕士学位论文 插图2 7 光学存储的发展之路 步的提高数据存储容量和数据传输速率，现在有几种选项，包括进一步的提高数 值孔径，减小光的波长，或者在一张光盘中加更多层。但是现在这些方法现在都 面临非常明显的阻碍。光学存储工业正在寻找光盘的存储容量超过1 0 0 g b 的技 术。在不久之前，有两个候选技术一个是近域记录技术，另一种就全息存储技术。 但是近年来，随着多重复用技术的突破，光学棱镜，存储材料和电子设备的发展， 全息技术存储( h o l o g r a p h i cd a ms t o r a g e ，h d s ) 成为下一代光学数据存储的最有 竞争力的候选技术。 在工业领域，已经有一些应用全息存储技术的产品来自像s o n y ，i n p h a s e 等公司。众所周知，s o n y 是在光学存储领域的一直处于领头地位。s o n y 有上 百个研究员和工程师到致力于全息存储技术的研究。i n p h a s e 也是在商业化的全 息光学存储领域处于领先地位的公司。公司位于美国。但是现在推出的产品和我 们日常生活中所用的c dr o m 或者d v dr o m 来比，体积非常大。而且这些 产品的价钱也是非常的昂贵。因为，在商业化全息存储系统的过程中还有很长一 段路要走。 在插图2 - 8 中比较了应用全息存储技术的产品t a p e t r y 和其它存储技术的 优势。在图中深蓝色的方框表明这一技术特征在存储市场中是处于领先地位的。 这张图表在比较中只作参考作用。设想一下一张大小和普通光盘一样的光盘可以 陈宁种解调方法的研究，实现和评估 存储i t b 的容量读取速率达到1 g p s 而且只花费几块钱人民币。这正是吸引工业 进行 2 0 1 2 0 m s y r s 2 0 - #7 1 0 7v ” t 口- , 2 0 t g b d a v ep e r l o d l c a l l y p h y lw o r m 口州口 插圈2 7 全息存数据储拄术( h d s ) 和其它存储技术的比较( 来白i n p h a s e 投资的重要原因 2 6 本章小结 奉章已经重点讲述了全息数据存储系统( h d s s ) 的摹本原理，调制方寨和 研究目的。在t h o m s o n 实验室中实验装置“电子测试器”也已经被简略的介绍 了一下。全息数据数据存储技术中读和写的原理与之前三代的光学存储技术读写 原理有很大差别。关于读和写的原理请参看章节2 2 。调制方案从一维进化到二维 也是一个非常巨大的飞跃。维数为4 4 并带有三个状态为开的数据块将会应用 于整篇论文。不久之前，有两个候选技术一个是近域记录技术，另一种就全息存 储技术。但是近年来，随着多重复用技术的突破，光学棱镜，存储材料和电子设 备的发展，全息技术存储( h o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ，h d s ) 成为下一代光学数据 存储的最有竞争力的候选技术。对于商业化全息存储系统的研究动机主要可以归 纳为三方面：巨大的数据存储容量，快速的数据传输率和便宜的价格。 本章对全息数据存储系统的介绍非常简短。更多的信息请参考文献 1 】， 2 j ， 4 】。 陈字种解调方法的研究，实现和评估 3 1 概览 第三章同步数据块 同步数据块在全息数据存储系统中是非常重要的概念。同步数据块的英文是 s y n c 是s y n c h r o n i z a t i o nm a r k 的缩写。它是一个1 1 1 1 ( 维数可以根不同的调制方 案来改变) 类似于像素数据的假随机的图案。这种数据图案会分布在整张空间光 调制器图像上。同步数据块用作于数据同步探测的基准。 用于从探测器数据中恢复在空间光调制器中调制的图像，数据检测算法主要 包括两个步骤。首先是数据同步块探测，它的目标是探测分在空间光调制器图像 中的同步数据块的具体位置信息。然后就是数据解调，它是在基于同步数据块位 置的信息和每个空间光调制器图像的像素的具体位置的信息去恢复在空间光调制 器中调制的图像。每个空间光调制器图像像素的具体位置是根据图像中所分布的 同步数据块的位置信息所计算出来的。因此，像素位置信息的精确度很大程度上 依赖于所探测到的同步数据块的位置信息的精确度。同步数据块探测是通过皮尔 森的相关系数( 请参考章节3 2 2 ) 的计算来完成的。皮尔森相关系数的计算是由 数字化的探测器图像值和一个预定的目标图案进行的。这个预定的目标图案就是 一组在同步数据块内部的n 2 r 1 2 维的二进制数据块。现在的问题则哪一种数字 模式可以被用作同步数据块? 这一章将会回答这一个问题。因为同步数据块的重 要性，同步数据块的模式的设计一定要考虑到在探测中易被探测。 本章介绍了一种特殊的同步数据块。这种特殊的同步数据块具有一个在同步 数据块探测中非常有用的性质。就是使用这种同步数据块与探测器图像所计算出 的相关系数矩阵会出现在一个中央的高峰，然后在这个高峰的周围都是零值。这 一性质将会提高同步数据块探测的效率和精确度。 扬州大学硕士学位论文 3 2 介绍 3 2 1 数据处理 ”焉辫甲 n o i s yo h , n e , r 2 = f 二； = 习； l 1 _ | 插图3 - 1 用于全息存数据储( h d s ) 的数据处理流程 全息数据存储系统中整个数据处理的流程由插图3 1 给出。所有的数据处理的 步骤可分变两大部分：数据的写入和读出。解调方法是读出中的一个流程。本篇 论文主要讨论如何读出数据。 正如在本章概览中所提到的，基于探测器数据的去恢复空问光调制器图像的 数据检测算法主要包含同步数据块探测和数据解调俩大步骤。同步数据块探测 ( s y n cd e t e c t i o n ) 是用于探测同步数据块的位置信息。数据探测( d a md e t e c t i o n ) 是基于同步数据块的位置信息计算空间光调制器中的各像素的位置信息。在插图 3 1 中数据探测位于同步数据块探测和解调器的中间。数据解调就是根据各像素位 置的信息去估计在空间光调制器中调制的图像的各像素的值。在最后还有一步骤 是误码的纠正( e c c ，e fc o d ec o = e c i i o n ) 。它是在数据解调方法之后，对数据进 行进一步的纠正。这也不是本论文讨论的范围。 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 3 2 2 相关系数 在概率论和统计学中，相关系数是俩个随机向量的之间线性关系的强度和方 向中的指标。为了适用于各种不同的实际应用情况学术上存在很多种相关系数的 定义。其中最有名的就是皮尔森相关系数。它是通过由两个随机向量的协方差再 除以俩个向量的标准偏差的乘积所计算的。皮尔森相关系数的定义由下面的公式 3 1 给出。 c o v ( 历，b ) 仃口仃6 ( 3 1 ) 其中a , b 是两个随机向量， c o v ( ，舌) 这俩个随机向量羽b 的协方差，o a ， 是这俩个随机向量挪b 的标准偏差，c 就是皮尔森相关系数。 协方差由公式3 2 给出定义。 c o 啦两= 坠掣 其中n 随机向量棚b 的维数，心，地是这俩个随机向量棚b 的均值。 因此，皮尔森相关系数可以通过公式3 3 直接算出。 c ：土! 堡二塑：丝二丝2 n o i i a b ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中n 随机向量瘌b 的维数，儿，总是这俩个随机向量讲b 的均值。仃a ， 吼是这俩个随机向量瘌b 的标准偏差。 皮尔森相关系数已经减去了均值并且除去了标准偏差，所以皮尔森相关系数 的值被标准化到零和一之间。 1 6 扬州大学硕士学位论文 3 2 3 巴克码 这种特殊的同步数据块的思想来自于巴克码。 负一的序列，乃f o r j 2 1 ，n 使得 隆n - - ，p 巴克码 5 】就是n 个值为正一和 ( 3 4 ) 对于任意的v ，1 v n 这个定义给出了巴克码这样一个性质：当这个码与自身没有完全对准的时候， 它与自身的自相关系数是小于一的。 这种性质正好同步数据探测所需要的。怎样才能把这种性质用到二维的探测 图像上呢? 这里先举一个长度为七的巴克码为例子。这个码是： 4 - 1 ，+ l ，- 4 - 1 ，一1 ，- 1 ，- 1 ，+ 1 ，- 1 ，1 ，+ l ，- 1( 3 5 ) 而它的性质可以通过插图3 2 更直观的表达。 ， ； i f 。 陈宇一种解调方法的研究，实现和评估 1 7 在插图3 2 中，当码与自身的位移是七的时候，因为码的长度正好为七，所 以码与自身是完全对准的，自相关系数可以到达最大。而当码与自身有一点位移 的时候，所有的自相关系数都等于或小于零。 因此，我想如果同步数据块也可具有这个性质，那对于同步数据探测来说将 会非常有用， 3 3 二维巴克码 事实上，在当今天世界上没有一种编码称为做“二维 巴克码。这种特殊的 二维数字模式在本论文中被称为是“二维 巴克码，是因为应用于全息存储系统 的的这种特殊的二维数字模式的思想来自于巴克码。根椐巴克码的定义，请参照 公式3 4 ，当码与自身没有位移的时候，巴克码的自相关系数将会达到最大。这种 性质可以延申到二维的情况并且用于全息数据存储系统。 作者尝试着写了一个公式描述这种二维的同步数据块的性质。这种性质将有 利于提高同步数据块探测算法的效率和精确度。这个公式由3 6 给出。 c 卯( 6 ，b j ) ： ? t = 。c e n t e r ( 3 6 ) l 1 ，c e n t e r 其中，c o r ( 屯脚，b j ) 是数据块屯腑和数据块6 ，皮尔森相关系数。而，是同 步数据块的中央部分( 比如说，在维数为8 8 的同步数据块中，屯脚就是这个数 据块中间的维数为6 6 的数据块) 。6 ，是在同步数据块中与屯晰维数相同的可能 的数据块( b l o c k 的找寻可以通过在同步数据块中上下左右移动在同步数据块中的, 内部数据块。在现在情况中与内部中央的数据块维数相同的数据块只有九种情 形) 。 正如前面所提到的，皮尔森相关系数的值必定在零和一之间。这个性质的定 义不仅仅可以用于皮尔森相关系数，而且还可以用于其它的不同的计算相关系数 的方法。不同的计算相关系数的方法会导致不同的同步数据块的模式。满足公式 3 6 的性质保证了在最后的相关系数矩阵中会获得中央的峰值和周围都是零值。就 如前面所见的巴克码的所获得的相关系数的性质一样。插图3 3 给出了一个二维的 扬州大学硕士学位论文 6 x 6p a t t e r nc o r r e l a t i o n m a t r i x 插图3 - 3 在插图中左边维数为6x6 的数字模式是用皮尔森相关系数算出的一个特殊 的同步数据块的例子。在同步数据块中用红色虚线标出的是内部的数据块。根据公式3 6 ，可 以得出这种特殊的同步数据块具有中央的峰值和周围都是零值的性质 数字模式的例子。在插图中所显示的性质会提高同步数据块探测算法的效率和精 确度。 因为这样的一个二维的数字模式有如此好的性质，它将会被应用于整个空间 光调制的图像中做为同步数据块。为了搜寻所有的用于将来不同的调制解调方案 的可能的特殊数字模式，作者编写了一个程序检索所有的所数据块( 在维数4x4 ， 6 6 ) 。 搜寻的算法非常直接。比如说，要寻找所有的维数为6x6 的二维的数字模式。 首先，作者通过一个m a t , a j 3 的脚本生成所有的六维的组合。然后再检测组合中 的每一个数据块，看看此数据块是否满足公式3 6 所给出的性质。 图表3 1 给出了搜寻的结果。对于维数四和六的二维数字模式的数目已经在表 中给出。维数为五的数字模式在我们实验室中不需用到，因为未计算。与各个维 数的所有组合的总数来讲，这种特殊数字模式的数目只是占所有组合数目的- 4 , 部分。插图3 4 给出了对于维数为四和六的特殊数据块的两个例子。其它的特殊的 数据块都存在电脑当中。读者如果感兴趣的话，可以自己算下皮尔森相关系检杳 下在插图中例子是否满足巴克码的性质：中央为一个峰值并且周围为零。 陈字一种解调方法的研究，实现和评估 4 x 4 6 x 6 插图3 - 4 特殊的同步数据块在维数为六和维数为四的一个例子 1 9 对于大维数的数据块，如维数为七和八，维数为八的数据我们也非常感兴趣， 但是因为计算的复杂性，具体的数目仍然未知。计算维数为六的特殊数据块，一 台普通的计算机( c p u 频率为2 0 g ) 就用了两天两夜时间。为了搜寻维数为八的特 殊数据块，我们必须测试 2 黼= 1 8 4 4 7 x 1 0 ” ( 3 7 ) 个数据块。已经超出普通p c 的计算能力。为解决这个问题，我们实验室正建一 个并行的计算系统c o n d o r 并行结构的计算系统。解决这个问题的另外一个方法 是改良搜寻的算法。 3 4 优点 对于这个二维的特殊数字模式有如下优点： 中央的峰值和周围的零值。 应用于这种二维的特殊数字模式所计算出来的相关系数矩阵会具有中央的峰 值和