Качество сигнала в системе Blu-rayВ этой статье рассмотрим требования к качеству сигнала с учётом влияния механических дефектов на ошибки записи-воспроизведения, а также остановимся на методе интегрированной оценки ошибок (в частности по методу максимального правдоподобия).

Качество сигнала диска SL или DL измеряется эквалайзером-ограничителем. С другой стороны, поскольку линейная плотность становится выше, то для дисков TL или QL применяется новый индекс оценки качества сигнала i-MLSE, который обозначает интегрированную оценку ошибки последовательности по максимальному правдоподобию с использованием PR (1,2,2,2,1).
 

Требования к качеству сигнала

 
Спецификация, требуемая для каждого из дисков, описана в таблице 1. Значения измерены тестером в Центре тестирования. Для слоя, более близкого к головке, значения спецификации более мягкие, потому что у более короткой оптической траектории бо́льшая невосприимчивость к наклону диска.
 
Есть два типа R-SER (коэффициента ошибки случайного символа). Для диска требуется, чтобы R-SER был не выше, чем определённый в 1-й части справочника. Когда тестер в Центре тестирования записывает и измеряет диск, на выходе должен быть R-SER менее чем 2.0х10-4. Для теста привода используется R-SER, определённый в Спецификации теста привода. Когда привод пишет тестовый диск, последний должен иметь R-SER меньше, чем 1.0х10-3. Тестер, упоминаемый выше, представляет собой устройство, удовлетворяющее требованиям тестирования, описанным в справочнике по формату, а тестовый диск утверждается BDA для этих целей.

Таблица содержит требования к качеству сигнала, сформулированные в справочниках по формату.

Табл.1 Требования к качеству сигнала

Слой

SL

DL

TL

QL

Тип диска

R, RE или ROM

R или RE

R

Ёмкость

25ГБ

50ГБ

100ГБ

128ГБ

Индекс оценки качества сигнала

для тестового диска

джиттер эквалайзера-ограничителя

i-MLSE* с использованием PR(1,2,2,2,1)

L0: ≤ 7.0 %

≤6.5 %

(без 2T дуги)

L0: ≤7.0 %

≤6.5 %

(без 2T дуги)

L1: ≤8.5 %

≤6.5 %

(без 2T дуги)

L0: ≤11.0 %

L1: ≤11.5 %

L2: ≤12.0 %

L0: ≤ 11.0 %

L1: ≤11.0 %

L2: ≤11.5 %

L3: ≤12.0 %

R-SER для

тестового диска

2.0E-4 (определённый в 1-й части Спецификации)

R-SER для привода

с тестовым диском

1.0E-3 (критерий в Спецификации теста привода)

i-MLSE*: интегрированная ошибка последовательности по максимальному правдоподобию
 
Измерение джиттера с помощью эквалайзера-ограничителя
Обычно для улучшения отношения сигнал/шум (ОСШ) в окрестности питов минимальной длины и для подавления межсимвольной интерференции система воспроизведения считываемого сигнала использует линейный эквалайзер. Шум диска существует главным образом в низкочастотном диапазоне, что показано на рис.1. При выборочном усилении линейным эквалайзером высоких частот в окрестности питов минимальной длины уровень сигнала этого пита заметно увеличивается вместе с незначительным увеличением общего шума. Таким образом можно улучшить ОСШ при помощи линейного эквалайзера, который повышает высокие частоты. Однако, поскольку чрезмерное повышение высоких частот вызывает увеличение межсимвольной интерференции, обычный линейный эквалайзер имеет предел улучшения ОСШ.

 

Улучшение ОСШ с помощью линейного эквалайзера

 

Эквалайзер-ограничитель способен усиливать высокие частоты, не увеличивая межсимвольной интерференции. На рис.2 показана конфигурация системы с эквалайзером-ограничителем, используемая при 17PP модуляции. В этой системе предэквалайзер сначала минимизирует межсимвольную интерференцию.

 

В качестве предэквалайзера используется обычный линейный эквалайзер. Следующим идёт эквалайзер-ограничитель. У него схемотехника почти такая же, как и у линейного эквалайзера с конечным импульсным откликом (FIR), за исключением того, что ограничитель обрезает амплитуду части воспроизводимого сигнала. FIR фильтр работает как эквалайзер с подъёмом высоких частот, и его усиление определяется коэффициентом “k”. Усиление FIR фильтра возрастает с увеличением значения k.

 

Структура эквалайзера-ограничителя

 

Выборочные значения воспроизводимого сигнала обозначены в маленьких кружочках на рис.3. Чтобы понять принцип действия эквалайзера-ограничителя, обратим внимание на точку пересечения нуля и выборочные значения в окрестности этой точки. Без ограничителя эквалайзер действует следующим образом.

 

В соответствии с левой диаграммой на рис.3, если форма воспроизводимого сигнала симметрична, что показано непрерывной линией, то данные, суммируемые эквалайзером, становятся равны 0, как отображено в уравнении (1), и нулевая точка пересечения не перемещается.

 

(-k)(-a) + (k)(-a) + (k)(a) + (-k)(a) = 0     (1)

 

Однако, если форма сигнала воспроизведения асимметрична, что показано пунктиром, то суммируемые эквалайзером данные не становятся равными 0, как отображено в уравнении (2), приводя к возникновению межсимвольной интерференции.

 

(-k)(b) + (k)(с) + (k)(d) + (-k)(e) ≠0         (2)

 

Поведение линейного эквалайзера и эквалайзера-ограничителя

 

Если для ограничения амплитуды сигнала приблизительно пиковой амплитудой самого высокочастотного сигнала используется ограничитель, форма волны становится симметричной, как показано пунктиром на правой диаграмме рис.3. В этом случае данные, суммируемые эквалайзером постоянно равны 0, как отображено в уравнении (3).

 

(-k)(-f) + (k)(-f) + (k)(f) + (-k)(f) = 0        (3)

 

Ограничитель не действует на сигнал с меткой минимальной длины, а эквалайзер увеличивает амплитуду сигнала. Для низкочастотного сигнала с высокой амплитудой ограничитель обрезает амплитуду вокруг центра сигнала, который должен быть добавлен к сумме. Усиление фильтра эффективно снижается. Таким образом, эквалайзер-ограничитель может поднять высокие частоты, не увеличивая межсимвольной интерференции, и ОСШ улучшается.
 
Так как в формат Blu-ray Disc применяется высокоплотная запись с 17PP модуляцией, то минимальная длина метки короче, чем у обычных оптических дисков, и его ОСШ ниже. Чтобы достигнуть хороших характеристик воспроизведения, для компенсации пониженного ОСШ в приводе можно применить декодирование Витерби. Однако, поскольку выход декодера Витерби – это не очень точный результат определения 1/0, он в общем-то не подходит для использования при оценке оптических дисков. Джиттер сигналов, обработанных линейным эквалайзером, доминирует над компонентой, приписываемой собственно шуму диска, а не над компонентой, приписываемой качеству записанной метки, мешая определить, является ли состояние записи оптимальным. В этой связи линейный эквалайзер непригоден для оценки диска.
 
Для улучшения ОСШ и измерения джиттера с целью оценки диска система Blu-ray Disc использует эквалайзер-ограничитель, который позволяет определить качество записанных меток с высокой точностью. Хотя эквалайзер-ограничитель содержит внутри нелинейный операционный блок, связь между входом и выходом является линейной и пригодна для системы измерения.

 

i-MLSE (интегрированная оценка ошибки)

 
В форматах BDXL удельная ёмкость поднята до 33.4 ГБ или 32.0 ГБ лишь за счёт увеличения линейной плотности. В результате в BDXL межсимвольная интерференция (ISI) считываемого сигнала становится намного более сильной по сравнению с предшествующим форматом, который имеет всего 25 ГБ на слой. Поэтому обработка сигнала считывания должна быть качественно улучшена. Кроме того, предшествующий метод оценки качества сигнала с использованием технологии эквалайзера-ограничителя оказывается теперь неприменимым.

 

Недавно был разработан метод i-MLSE (интегрированная оценка ошибки последовательности максимального правдоподобия), который является методом альтернативной оценки качества сигнала для BDXL, и сохраняет стабильность и точность в условиях жёстких требований к ISI в BDXL. Метод оценки i-MLSE основывается на принципе обнаружения алгоритма Витерби (VA) при обработке считываемого сигнала PRML (максимальное правдоподобие частного отклика).
 
Коэффициент ошибки случайного символа (RSER)
Блок коррекции ошибок ECC разрабатывался для восстановления правильных данных из повреждённых вследствие дефектов. Но способность ECC для исправления данных используется не только для повреждений из-за дефектов, но также и из-за случайных ошибок на диске. Чтобы гарантировать исправление ECC пользовательских дефектов, таких как отпечатки пальцев и царапины, нужно конкретизировать и коэффициент ошибки случайного символа (RSER) диска, и дефект. Примерно больше чем половина способностей ECC зарезервирована для исправления дефектов по вине пользователя.

 

RSER для оценки системной границы составляет 4.2 х 10–3. Это значение получено для наихудшего условия одновременной полной деградации диска и привода. Таким образом, эта величина слишком высока для условий, при которых работает ECC. Для DVD использовалось значение RSER 1.0 х 10-3. Значение соответствует граничному условию + некоторая деградация, такая как худший радиальный перекос с некоторым тангенциальным перекосом и некоторой расфокусировкой в довольно плохом приводе.

 

В системе BD между восстанавливаемым высококачественным сигналом и схемой ECC расположен декодер Витерби. У декодера Витерби есть возможность улучшить ОСШ и как следствие уменьшить величину RSER ниже 1/10. Цепь измерения эквалайзера-ограничителя также может улучшить ОСШ, как и декодер Витерби, и тем самым уменьшить величину RSER ниже 1/10. Для величины RSER диска, измеренной после эквалайзера-ограничителя определено значение 2.0 x 10–4, что составляет 1/5 от 1.0 x 10–3. Чтобы измерить RSER, нужно убрать деградацию из-за дефектов.

 

На стадии разработки для удаления эффектов от дефектов использовалось усреднение в крупных блоках ECC. Но метода усреднения было недостаточно для измерения такого низкого уровня RSER. Во внутреннем радиусе в рамках одного вращения есть 211 блоков ECC. В случае крупных дефектов, как показано на рис.4, в каждых 211 блоках ECC насчитывается несколько 100-байтовых ошибок. Это служит причиной, почему измеряемое значение RSER скачет в районе дефекта.

 

После этого было решено отделить дефекты и RSER в методе измерения. Рассматривая возможности ECC, допустимые дефекты в блоке ECC (в спецификации блоком называется блок LDC) определены всего как 600 байт, и максимальное количество дефектов определено равным 7. Из измеряемого RSER исключены последовательные ошибки длиннее или равные 40 байт. 40 байт – это длина 2 BIS (Субкод индикации разрыва) + данные между BIS (38 байт), и это соответствует минимальной длине ошибки разрыва, которую может обнаружить BIS. Для корректного обнаружения ошибки разрыва используется метод измерения ECC, как показано на рис.5. После ECC можно получить правильные данные. При помощи дополнительной схемы измерения правильные данные после ECC чередуются, чтобы получить правильное распределение данных на диске. Они сравниваются с данными по диску, и ошибочные символы идентифицируются.

 

Коэффициент ошибки случайного символа

 

Есть много случаев, когда между ошибочными байтами существуют некоторые правильные байты. Для оценки 40-байтной последовательности ошибки разрыва применяется следующая процедура. Разрыв начинается после правильных данных длиной 3 или более байт. Подсчёт длины ошибки продолжается, если количество правильных байтов между ошибочными меньше или равно 2.

 

Подсчёт длины ошибки прекращается, если появляются правильные данные длиной 3 байта или больше. Хотя длина ошибки включает правильные данные длиной 2 или менее байт, эти правильные байты исключаются из числа ошибочных. Ошибки длиной 40 и более байт исключаются из числителя и знаменателя коэффициента RSER. Но ошибки разрыва длиной менее 40 байт по-прежнему включены в ошибочные байты. Несмотря на то что RSER усредняется более чем по 10000 блоков ECC, в этом измерении мы полагаем, что диск показывает хороший RSER.

 

Все эти методы устранения влияния механических дефектов на жизнеспособность контента Blu-ray диска широкое распространение формата и его дальнейшее развитие.