可靠性差异感知的LDPC译码方法、设备及系统与流程

可靠性差异感知的ldpc译码方法、设备及系统
技术领域
1.本发明属于全息存储技术领域，更具体地，涉及一种可靠性差异感知的ldpc译码方法、设备及系统。


背景技术：

2.全息存储是一种利用光的振幅或相位等信息来记录数据的体存储技术。由于大容量和高数据传输速率，全息存储被认为是最有潜力的下一代存储技术。按照携带用户信息的特征载体不同，常见的全息存储技术有振幅调制型全息存储和相位调制型全息存储。相比于振幅调制型全息存储，相位调制型全息存储具有较高的抗干扰性能，因此得到了较为广泛的应用。
3.由于系统中复杂噪声的影响，相位调制型全息存储的数据可靠性仍然遭受严重的威胁。为了保证数据可靠性，低密度奇偶校验(low density parity check,简称ldpc)码被广泛使用在全息存储系统中。ldpc码利用对数似然比信息(log
‑
likelihood
‑
rate，简称llr)激活ldpc码的译码过程。
4.ldpc码在译码过程中，需要通过多次迭代来逐步获取正确的数据，而在相位调制型全息存储系统中使用传统ldpc码进行译码时，所计算的llr信息的准确度较低，这会导致较高的译码迭代延迟，也降低了系统的读性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种可靠性感知的ldpc译码方法、设备及系统，旨在解决因llr信息准确度不高导致ldpc码的译码延迟较高、影响相位调制型全息存储系统读性能的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可靠性差异感知的ldpc译码方法，应用于相位调制型全息存储系统，包括：
7.将获取自相位调制型全息存储系统的全息存储材料的像素数据页中每n个像素划分为一个像素块，统计各像素块中相同相位的最大个数，以确定各像素块对应的相位数据以及各相位数据的可靠性；相位数据的可靠性与对应像素块中相同相位的最大个数越大正相关；
8.根据比特数据与相位数据的映射关系，将每一个相位数据解映射为相应的比特数据，并计算各比特数据的对数似然比，得到初始llr；
9.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，并根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，使得可靠性越高的比特数据的初始llr中权重越大；更新初始llr中权重的过程中，初始llr的极性不变；
10.利用更新后的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对像素数据页的译码；
11.其中，n为数据记录过程中，每个相位重复的数量，n≥2。
12.进一步地，本发明提供的可靠性差异感知的ldpc译码方法，还包括：
13.将可靠性划分为n/2 1个等级，依次为第1级～第n/2 1级；将相同相位的最大个数为n、n
‑
1、
……
、n/2 1的像素块所对应的相位数据的可靠性分别划分为第1级～第n/2级，将相同相位的最大个数为n/2、n/2
‑
1、
……
、1的像素块所对应的相位数据的可靠性统一划分为第n/2 1级；
14.并且，将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，包括：
15.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，依据对应的可靠性等级更新各比特数据的初始llr中的权重；比特数据的可靠性等级越高，更新后其初始llr中的权重越大。
16.进一步地，根据像素块中相同相位的最大个数确定像素块对应的相位数据，包括：
17.若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位唯一，则将该最大个数对应的相位作为像素块对应的相位数据；若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位不唯一，则从该最大个数对应的多个相位中随机选取一个作为像素块对应的相位数据。
18.进一步地，计算各比特数据的对数似然比，包括：
19.若比特数据为0，则将其对数似然比设定为
‑
1；若比特数据为1，则将其对数似然比设定为1。
20.按照本发明的另一个方面，提供了一种可靠性差异感知的ldpc译码设备，应用于相位调制型全息存储系统，包括：相位转换模块、解映射模块、可靠性差异感知模块和译码模块；
21.相位转换模块，用于将获取自相位调制型全息存储系统的全息存储材料的像素数据页中每n个像素划分为一个像素块，统计各像素块中相同相位的最大个数，以确定各像素块对应的相位数据以及各相位数据的可靠性；相位数据的可靠性与对应像素块中相同相位的最大个数越大正相关；n为数据记录过程中，每个相位重复的数量，n≥2；
22.解映射模块，用于根据比特数据与相位数据的映射关系，将每一个相位数据解映射为相应的比特数据，并计算各比特数据的对数似然比，得到初始llr；
23.可靠性差异感知模块，用于将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，并根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，使得可靠性越高的比特数据的初始llr中权重越大；更新初始llr中权重的过程中，初始llr的极性不变；
24.译码模块，用于利用更新后的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对像素数据页的译码。
25.进一步地，本发明提供的可靠性差异感知的ldpc译码设备，还包括：
26.可靠性分级模块，用于将可靠性划分为n/2 1个等级，依次为第1级～第n/2 1级；将相同相位的最大个数为n、n
‑
1、
……
、n/2 1的像素块所对应的相位数据的可靠性分别划分为第1级～第n/2级，将相同相位的最大个数为n/2、n/2
‑
1、
……
、1的像素块所对应的相位数据的可靠性统一划分为第n/2 1级；
27.并且，可靠性感知模块将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，包括：
28.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，依据对应的可靠性等级更新各比特数据的初始llr中的权重；比特数据的可靠性等级越高，更新后其初始llr的权
重越大。
29.进一步地，相位转换模块根据像素块中相同相位的最大个数确定像素块对应的相位数据，包括：
30.若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位唯一，则将该最大个数对应的相位作为像素块对应的相位数据；若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位不唯一，则从该最大个数对应的多个相位中随机选取一个作为像素块对应的相位数据。
31.进一步地，解映射模块计算各比特数据的对数似然比，包括：
32.若比特数据为0，则将其对数似然比设定为
‑
1；若比特数据为1，则将其对数似然比设定为1。
33.按照本发明的又一个方面，提供了一种相位调制型全息存储系统，包括本发明提供的可靠性感知的ldpc译码设备。
34.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：
35.相位调制型全息存储系统在记录数据时，会将每一个相位数据都会复制多份，再将原始的相位数据连同重复的相位数据一起记录到全息存储材料中；相应地，在读取数据时，读取到的原始像素数据页中，多个像素对应一个相位数据；理想情况下，读取出的像素数据页中，同一个相位数据所对应的多个像素数据应该相同，但是在实际应用中，由于噪声的影响，像素数据可能会发生改变，使得同一相位数据对应的多个像素数据不再保持相同，不同的像素数据的组合对应不同的像素接收模式，且这多个像素数据之间的差异越大，经过相位降采样之后得到的相位数据可靠性越低。本发明在译码过程中，充分利用所读出的原始像素数据页中所携带的可靠性信息，在经过相位降采样和解映射得到比特数据后，基于该可靠性信息对比特数据的对数似然比中的权重进行更新，使得可靠性越高的比特数据，其权重越大，并利用更新之后的对数似然比激活ldpc译码过程，相比于传统的ldpc译码方法中，每个比特的对数似然比中权重都相同，本发明中用于激活ldpc译码过程的初始llr信息更为精确，能够有效降低译码延迟，从而提升系统读性能。
附图说明
36.图1为本发明实施例提供的可靠性差异感知的ldpc译码方法流程图；
37.图2为本发明实施例提供的可靠性差异感知的ldpc译码方法示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
40.在详细解释本发明的技术方案之前，先对相位调制型全息存储系统中的数据的记录和读取过程简要解释如下：
41.在记录数据时，会采用预先确定的编码方式对待记录的用户数据进行纠错编码，
产生校验数据，常用的编码方式为ldpc编码；编码完成后，对用户数据和编码产生的校验数据进行相位编码编码，以根据预先确定的比特数据到相位数据的映射关系，将比特数据映射为相位数据；相位编码之后，会将编码得到的相位数据组织成数据页，并将数据页记录到全息存储材料中；为了进一步保证数据的可靠性，在将数据页记录到全息存储材料的过程中，对于数据页中的每一个相位数据，都会复制多份，即多个像素数据表示一个相位数据，然后将所有的像素数据组成一个像素数据页记录到全息存储材料中；
42.在读取数据时，会利用参考光照射全息存储材料，从而读取出所记录的数据的傅里叶强度信息，进一步通过傅里叶迭代算法可以将傅里叶强度信息转换为相应的相位信息，即可得到像素数据页，此过程称之为相位重建；像素数据页中，每个像素所记录的信息为相位；按照数据记录时每个相位数据的重复次数，即可根据像素数据页中的多个像素数据确定相应的相位数据，该过程被称之为相位降采样；之后根据比特数据到相位数据的映射关系，即可将相位降采样得到的相位数据解映射为相应的比特数据；
43.传统的ldpc译码方法中，在得到比特数据后，按照常规方法计算每个比特的对数似然比，并激活ldpc译码过程，完成译码；传统的ldpc译码方法中，所有比特的llr信息的权重都是相同的并设定为1，而在实际应用中，随着每个像素块的接收模式，即像素块中相同相位的最大个数的不同，相位降采样得到的相位数据的可靠性会存在差异，传统的ldpc译码方法中，所使用的初始llr无法体现该差异，准确度较低，这会导致较高的译码迭代延迟，进而会降低全息存储系统的读性能。为了解决该技术问题，本发明提供了一种可靠性差异感知的ldpc译码方法、设备及系统，其整体思路在于：利用相位重建后像素数据的相位接收模式所携带的可靠性信息，对经过相位降采样和解映射得到的比特数据的初始llr中的权重进行更新，使得可靠性越高的比特数据，其初始llr中的权重越大，以提高初始llr的精度，并利用更新之后的初始llr激活ldpc译码过程，从而降低译码迭代次数，提高全息存储系统的读性能。
44.为便于描述，不失一般性地，在以下实施例中，若没有特殊说明，则相位调制型全息存储系统在对用户数据和编码产生的校验数据进行相位编码编码，每两个比特数据映射为一个相位数据，且具体的映射关系如下：
45.00
→
0，01
→
π/2，10
→
π，11
→
3π/2；
46.记录数据时，每个相位数据的重复次数为n＝4。
47.以下为实施例。
48.实施例1：
49.一种可靠性差异感知的ldpc译码方法，应用于相位调制型全息存储系统，如图1和图2所示，本发明提供的可靠性差异感知的ldpc译码方法包括：
50.将获取自相位调制型全息存储系统的全息存储材料的像素数据页中每n个像素划分为一个像素块，统计各像素块中相同相位的最大个数，以确定各像素块对应的相位数据以及各相位数据的可靠性；相位数据的可靠性与对应像素块中相同相位的最大个数越大正相关；
51.根据比特数据与相位数据的映射关系，将每一个相位数据解映射为相应的比特数据，并计算各比特数据的对数似然比，得到初始llr；
52.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，并根据可靠性更新各比
特数据的初始llr中的权重，使得可靠性越高的比特数据的初始llr中权重越大；更新初始llr中权重的过程中，初始llr的极性不变；
53.利用更新后的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对像素数据页的译码；
54.其中，n为数据记录过程中，每个相位重复的数量，本实施例中，n＝4。
55.本实施中，获取自全息存储材料的像素数据页中的内容如图2所示；确定各像素块所对应的相位数据的过程，即为相位降采样的过程，由于本实施例中，n＝4，相应地，在相位降采样过程中，将像素数据页中的每4个像素划分为一个像素块；由于像素块中的多个像素数据原本是由同一个相位数据复制得到的，理想情况下，读取出的像素数据页中，同一个相位数据所对应的多个像素数据应该相同，但是在实际应用中，由于噪声的影响，像素数据可能会发生改变，使得同一相位数据对应的多个像素数据不再保持相同，且这个多个像素数据之间的差异越大，经过相位降采样之后得到的相位数据可靠性越低；
56.作为一种可选的实施方式，本实施例中，根据像素块中相同相位的最大个数确定像素块对应的相位数据，包括：
57.若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位唯一，则将该最大个数对应的相位作为像素块对应的相位数据；若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位不唯一，则从该最大个数对应的多个相位中随机选取一个作为像素块对应的相位数据；
58.基于该相位降采样的规则，本实施例进行相位降采样后得到的相位数据如图2所示；相位降采样之后，基于相位编码过程中的映射关系，即可解映射得到相应的比特数据，本实施例解映射得到的比特数据如图2所示；
59.本实施例中，计算比特数据的对数似然比，即初始llr的方式具体为：若比特数据为0，则将其对数似然比设定为
‑
1；若比特数据为1，则将其对数似然比设定为1；所计算的各比特数据的初始llr如图2所示，其中，1表示权重，正、负表示极性；
60.考虑到一个像素块中相同的相位数据的最大个数低于像素块中像素数量的一半时，对应的像素数据不可靠，为了在充分利用像素接收模式所携带的可靠性信息的同时，简化计算，作为一种可选的实施方式，本实施例还包括：
61.将可靠性划分为3个等级，依次为第1级、第2级和第3级；将相同相位的最大个数为4、3的像素块所对应的相位数据的可靠性分别划分为第1级、第2级，将相同相位的最大个数为2、1的像素块所对应的相位数据的可靠性统一划分为第3级；
62.并且，将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，包括：
63.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，依据对应的可靠性等级更新各比特数据的初始llr中的权重；比特数据的可靠性等级越高，更新后其初始llr中的权重越大；本实施例中，对于可靠性为第1级、第2级和第3级的比特数据，其初始llr中的权重分别被更新为m、n、k，m>n>k，更新初始llr中权重的过程中，极性不变；更新后的初始llr如图2所示；
64.由于本实施例基于像素接收模式所携带的可靠性信息对激活ldpc译码过程的初始llr进行了优化，使其精度更高，因此能够有效降低ldpc的译码迭代延迟，从而提高全息存储系统的读性能。在不同信噪比下，本实施例对于译码迭代时间和译码迭代次数的降低情况如表1所示。
65.表1本实施例在不同信噪比下的优化效果
66.信噪比优化后迭代时间降低比例优化后迭代次数降低比例130.690.6913.20.6060.60613.40.4460.4513.60.3630.36
67.根据表1所示的结果可知，在不同的信噪比下，相比于传统的ldpc译码过程，本实施例所提供的可靠性感知的ldpc译码延迟均能够有效降低译码迭代时间和译码迭代次数。
68.应当说明的是，当相位调制型全息存储系统中比特数据到相位数据的映射关系和记录数据时每个相位数据的重复次数发生变化时，相应调整相关参数即可，其余步骤均与本实施例类似；针对更多相位调制型全息存储系统的实施例，在此将不作一一列举。
69.实施例2：
70.一种可靠性差异感知的ldpc译码设备，应用于相位调制型全息存储系统，包括：相位转换模块、解映射模块、可靠性差异感知模块和译码模块；
71.相位转换模块，用于将获取自相位调制型全息存储系统的全息存储材料的像素数据页中每n个像素划分为一个像素块，统计各像素块中相同相位的最大个数，以确定各像素块对应的相位数据以及各相位数据的可靠性；相位数据的可靠性与对应像素块中相同相位的最大个数越大正相关；n为数据记录过程中，每个相位重复的数量，n≥2；
72.解映射模块，用于根据比特数据与相位数据的映射关系，将每一个相位数据解映射为相应的比特数据，并计算各比特数据的对数似然比，得到初始llr；
73.可靠性差异感知模块，用于将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，并根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，使得可靠性越高的比特数据的初始llr中权重越大；更新初始llr中权重的过程中，初始llr的极性不变；
74.译码模块，用于利用更新后的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对像素数据页的译码；
75.本实施例还包括：
76.可靠性分级模块，用于将可靠性划分为n/2 1个等级，依次为第1级～第n/2 1级；将相同相位的最大个数为n、n
‑
1、
……
、n/2 1的像素块所对应的相位数据的可靠性分别划分为第1级～第n/2级，将相同相位的最大个数为n/2、n/2
‑
1、
……
、1的像素块所对应的相位数据的可靠性统一划分为第n/2 1级；
77.并且，可靠性感知模块将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，根据可靠性更新各比特数据的初始llr中的权重，包括：
78.将相位数据的可靠性作为其所对应的比特数据的可靠性，依据对应的可靠性等级更新各比特数据的初始llr中的权重；比特数据的可靠性等级越高，更新后其初始llr的权重越大；
79.本实施例，相位转换模块根据像素块中相同相位的最大个数确定像素块对应的相位数据，包括：
80.若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位唯一，则将该最大个数对应的相位作为像素块对应的相位数据；若像素块中，相同相位的最大个数所对应的相位不唯一，则
从该最大个数对应的多个相位中随机选取一个作为像素块对应的相位数据；
81.本实施例中，解映射模块计算各比特数据的对数似然比，包括：
82.若比特数据为0，则将其对数似然比设定为
‑
1；若比特数据为1，则将其对数似然比设定为1；
83.本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述实施例1中的描述，在此将不作复述。
84.实施例3：
85.一种相位调制型全息存储系统，包括上述实施例2提供的可靠性感知的ldpc译码设备。
86.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。