五阶RLL(1,4)调制码的编解码方法及读写方法

本发明属于光存储，更具体地，涉及五阶rll(1,4)调制码的编解码方法及读写方法。

背景技术：

1、随着数字时代的到来，信息存储需求不断增长，据预测，到2025年全球生成的数据总量预计达到175泽字节(zb)，其中80％(140zb)为较少被访问的冷数据，按照异地三备份原则，则需要保存数据容量为420zb。现阶段机械硬盘、磁带、蓝光光盘作为存储冷数据的主流存储介质。与机械硬盘和磁带相比，光存储技术具有存储寿命长、成本低、安全性高、扩展性强、管理成本低等优点。但相较于机械硬盘和磁带，基于光存储技术的蓝光光盘的单盘片存储容量较低。为了满足日益增长的存储需求，提高光存储设备的存储容量具有十分重要的意义。作为存储冷数据的存储介质，传统的光存储技术往往通过缩小聚焦激光光斑和介质上的记录符大小提升光存储设备的存储容量，但受到光学衍射极限的限制，采用传统光存储技术提高光盘容量愈发困难。

2、在传统的光存储技术中，为了保证信号的稳定性和可靠读出，游程长度受限调制编码(rll：run-length)得到了广泛的应用，但目前市场上较为成熟的产品使用的游程长度受限调制编码多为二阶，其编码所得的符号为0、1二进制数。现阶段光存储介质的材料本身具有多阶性，可呈现不同的状态，不同的状态可用于存储不同的信息，相比于传统的二阶游程长度受限编码，多阶游程长度受限编码能够较好地利用材料的多阶性，提高光存储设备的容量。但是，盲目提高编码阶数，可能导致光存储介质无法稳定、可靠地存储数据，对于信号检测的压力倍增。

3、申请公布号为cn116343836a的专利文件中，公开了一种四阶rll(1,7)码，实现了四阶游程长度受限调制编码，其中的最小游程和最大游程分别为2和8，相应的密度系数理论值为2.40，且容量理论值为1.202，兼顾了密度系数和容量，在不改变光存储系统的光学参数的情况下，有效提升光存储系统的容量。该编码方案中，将6位源数据编码为5位信道码元和1位合并位，由于编解码过程中，涉及到合并位的处理，编解码复杂度较高，并且，该编解码方案的编码效率为6/6＝1，对于实现大容量光存储而言，有待进一步提高。

4、申请号为cn117558299a的专利文件中公开了一种四阶rll(1,3)调制码，同样实现了四阶游程长度受限调制编码，其中的最小游程和最大游程分别为1和3，相应的密度系数密度值为2.31，且容量理论值为1.154，编码时将4位源数据编码为4位信道码元，该方案通过采用状态相关的编解码方案，避免了额外合并位的处理，有效降低了编解码的复杂度，但是，相比于四阶rll(1,7)码，该方案的密度系数和容量都有所下降，且编码效率为4/4＝1，对于实现大容量光存储而言，仍有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了五阶rll(1,4)调制码的编解码方法及读写方法，其目的在于，在不影响光存储系统的密度系数和容量的情况下，提高编码效率。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种五阶rll(1,4)调制码的编解码方法，包括：编码步骤和解码步骤；

3、编码步骤包括：将用户数据划分为长度为5位的源数据，得到源数据序列；将第一个源数据的编解码状态置为状态a后，遍历源数据序列，对于每一个遍历到的源数据，按照预先建立的编解码表将其转换为4位的信道码元，并确定下一个被遍历的源数据对应的编解码状态；遍历结束后，将各信道码元按顺序拼接，得到rll序列；

4、解码步骤包括：将待解码的rll序列划分位4位的信道码元，得到信道码元序列；将第一个信道码的编解码状态置为状态a后，遍历信道码元序列，对于每一个遍历到的信道码元，按照编解码表将其转换为5位的源数据，并确定下一个被遍历的信道码元对应的编解码状态；遍历结束后，将各源数据按顺序拼接，得到用户数据；

5、其中，编解码表用于记录不同编解码状态下32种5位源数据与32种4位信道码元之间的映射关系，以及每组映射关系的下一组映射关系的编解码状态；不同编解码状态为状态a、状态b和状态c；在状态a下，32种4位信道码元为000x、00x0、0x00、0x0x中的32种，且信道码元000x、00x0、0x00、0x0x对应的下一组映射关系的编解码状态分别为状态a、状态b、状态c和状态a；在状态b下，32种4位信道码元为000x、00x0、0x00、x000、x0x0中的32种，且信道码元000x、00x0、0x00、x000、x0x0对应的下一组映射关系的编解码状态分别为状态a、状态b、状态c和状态b；在状态c下，32种4位信道码元为x00x、0x0x中的32种，且信道码元x00x、0x0x对应的下一组映射关系的编解码状态为状态a；x的取值为1～4。

6、进一步地，以{(d,s),ns}的格式表示编解码表中的元素，其中，d表示源数据，s表示所映射的信道码元，ns表示下一组映射关系对应的编解码状态，状态a、状态b和状态c分别记为a、b和c，则：

7、状态a下，32种5位源数据与32种4位信道码元之间的映射关系，以及每组映射关系的下一组映射关系的编解码状态为：{(00000,0001),a}、{(00001,0002),a}、{(00010,0003),a}、{(00011,0004),a}、{(00100,0010),b}、{(00101,0020),b}、{(00110,0030),b}、{(00111,0040),b}、{(01000,0100),c}、{(01001,0200),c}、{(01010,0300),c}、{(01011,0400),c}、{(01100,0010),c}、{(01101,0020),c}、{(01110,0030),c}、{(01111,0040),c}、{(10000,0101),a}、{(10001,0102),a}、{(10010,0103),a}、{(10011,0104),a}、{(10100,0201),a}、{(10101,0202),a}、{(10110,0203),a}、{(10111,0204),a}、{(11000,0301),a}、{(11001,0302),a}、{(11010,0303),a}、{(11011,0304),a}、{(11100,0401),a}、{(11101,0402),a}、{(11110,0403),a}、{(11111,0404),a}；

8、状态b下，32种5位源数据与32种4位信道码元之间的映射关系，以及每组映射关系的下一组映射关系的编解码状态为：{(00000,0001),a}、{(00001,0002),a}、{(00010,0003),a}、{(00011,0004),a}、{(00100,0010),b}、{(00101,0020),b}、{(00110,0030),b}、{(00111,0040),b}、{(01000,0100),c}、{(01001,0200),c}、{(01010,0300),c}、{(01011,0400),c}、{(01100,1000),c}、{(01101,2000),c}、{(01110,3000),c}、{(01111,4000),c}、{(10000,1010),b}、{(10001,1020),b}、{(10010,1030),b}、{(10011,1040),b}、{(10100,2010),b}、{(10101,2020),b}、{(10110,2030),b}、{(10111,2040),b}、{(11000,3010),b}、{(11001,3020),b}、{(11010,3030),b}、{(11011,3040),b}、{(11100,4010),b}、{(11101,4020),b}、{(11110,4030),b}、{(11111,4040),b}；

9、状态c下，32种5位源数据与32种4位信道码元之间的映射关系，以及每组映射关系的下一组映射关系的编解码状态为：{(00000,1001),a}、{(00001,1002),a}、{(00010,1003),a}、{(00011,1004),a}、{(00100,2001),a}、{(00101,2002),a}、{(00110,2003),a}、{(00111,2004),a}、{(01000,3001),a}、{(01001,3002),a}、{(01010,3003),a}、{(01011,3004),a}、{(01100,0010),a}、{(01101,0020),a}、{(01110,0030),a}、{(01111,0040),a}、{(10000,0101),a}、{(10001,0102),a}、{(10010,0103),a}、{(10011,0104),a}、{(10100,0201),a}、{(10101,0202),a}、{(10110,0203),a}、{(10111,0204),a}、{(11000,0301),a}、{(11001,0302),a}、{(11010,0303),a}、{(11011,0304),a}、{(11100,0401),a}、{(11101,0402),a}、{(11110,0403),a}、{(11111,0404),a}。

10、按照本发明的又一个方面，提供了一种光存储控制器，包括：

11、计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；

12、以及处理器，用于读取计算机可读存储介质中存储的计算机程序，执行本发明提供的上述五阶rll(1,4)调制码的编解码方法。

13、按照本发明的又一个方面，提供了一种光存储系统的读写方法，包括：刻写操作和读出操作；

14、刻写操作包括：

15、利用本发明提供的上述五阶rll(1,4)调制码的编解码方法的编码步骤将用户数据编码为rll序列；

16、对编码所得的rll序列进行nrz调制，得到待刻写的nrz序列；

17、将待刻写的nrz序列刻写入光存储系统的光存储介质；

18、读出操作包括：

19、从光存储介质读取目标数据，得到nrz序列；

20、对读取自光存储介质的nrz序列进行nrz逆调制，得到rll序列；

21、利用本发明提供的上述五阶rll(1,4)调制码的编解码方法的解码步骤将利用逆调制所得的rll序列进行解调，得到用户数据。

22、进一步地，读出操作中，对读取自光存储介质的nrz序列进行nrz逆调制之前，还包括：检测待解码的nrz序列中不符合游程长度约束的错误波形并进行修正，使nrz序列符合游程长度约束；

23、其中，游程长度约束为连续且相同的信号数量大于等于2且小于等于5。

24、进一步地，检测待解码的nrz序列中不符合游程长度约束的错误波形并进行修正，包括如下步骤：

25、s0：在nrz序列的头部设置长度为n的滑动窗口；

26、s1：将滑动窗口内的信号划分为信号组；各信号组由单个信号组成，或者由多个相同且连续的信号组成，相邻信号组所包含的码元符号不同；

27、s2：统计各信号组所包含的信号的数量，以检测各信号组是否符符合游程长度约束；

28、s3：若滑动窗口头部的信号组gh符合游程长度约束，则使滑动窗口向后滑动至信号组gh移出，之后转入步骤s5；否则，转入步骤s4；

29、s4：若信号组gh所包含的信号数量小于2，则将信号组gh的后一位信号修正为信号组gh内的信号，以更新信号组gh，使滑动窗口向后滑动至信号组gh移出，之后转入步骤s5；若信号组gh所包含的信号数量大于5，则将信号组gh中第6位至末尾的信号修正为信号组gh的后一位信号，以更新信号组gh，使滑动窗口向后滑动至信号组gh移出，之后转入步骤s5；

30、s5：若滑动窗口内还存在信号，则转入步骤s1；否则，修正结束；

31、其中，n≥8。

32、进一步地，n＝10。

33、按照本发明的又一个方面，提供了一种光存储系统的读写装置，包括：写模块和读模块；

34、写模块包括：

35、编码单元，用于利用本发明提供的上述五阶rll(1,4)调制码的编解码方法的编码步骤将用户数据编码为rll序列；

36、调制单元，用于对编码所得的rll序列进行nrz调制，得到待刻写的nrz序列；

37、以及刻写单元，用于将待刻写的nrz序列刻写入光存储系统的光存储介质；

38、读模块包括：

39、读取单元，用于从光存储介质读取目标数据，得到nrz序列；

40、逆调制单元，用于对读取自光存储介质的nrz序列进行nrz逆调制，得到rll序列；

41、以及解码单元，用于利用本发明提供的上述五阶rll(1,4)调制码的编解码方法的解码步骤将利用逆调制所得的rll序列进行解调，得到用户数据。

42、按照本发明的又一个方面，提供了一种光存储系统，包括：光存储介质，以及本发明提供的上述光存储系统的读写装置。

43、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

44、(1)本发明所提供的五阶rll(1,4)调制码的编解码方法，实现了五阶游程长度受限调制编码，其中的最小游程和最大游程分别为2和5，相应的密度系数密度值为2.68，且容量理论值为1.34，相比于四阶rll(1,7)码和四阶rll(1,3)码，密度系数和容量均有所提升；本发明将5位源数据编码为4位信道码元，其编码效率为5/4＝1.25，相比于四阶rll(1,7)码和四阶rll(1,3)码，编码效率得到了明显提高，且编解码过程依据编解码表确定相应的信道码元或源数据后，直接顺序拼接即可，不涉及额外信息位的处理，有效降低了编解码的复杂度。总体而言，本发明在不影响光存储系统的密度系数和容量也不影响编解码复杂度的情况下，有效提高了编码效率，进而提高了光存储系统的存储效率。

45、(2)本发明所提供的光存储系统的读写方法，基于本发明提供的五阶rll(1,4)调制码的编解码方法实现，由于编解码效率较高，因此，读写性能得到了提高。

46、(3)本发明所提供的光存储系统的读写方法，，在其优选方案中，读出操作中，对读取自光存储介质的nrz序列进行nrz逆调制之前，会先检测待解码的nrz序列中不符合游程长度约束的错误波形并进行修正，使nrz序列符合游程长度约束；由此能够在不依赖于额外信息位的情况下，有效降低随机噪声产生的误码率。