信息编码和解码的方法和设备，记录介质及其制作方法 【技术领域】
本发明涉及信息编码，特别涉及一种具有增强的信息密度的信息编码的方法和设备。本发明还涉及由编码信息制作调制信号，由编码信息制作记录介质，以及记录介质本身。本发明还涉及用于对编码信息进行解码，以及对来自调制信号和/或记录介质的编码信息进行解码的方法和设备。背景技术
当通过传输线对数据进行传输，或者在诸如磁盘、光盘或磁光盘之类的记录介质上对数据进行记录的时候，在进行传输或者记录之前，将数据调制成为和传输线或者记录介质相匹配的编码。
游程长度受限码，通常称为(d，k)编码，已经在现代磁和光记录系统上广泛和成功地应用。K.A.Schouhamor Immink在名为“Codesfor Mass Data Storage Systems”(ISBN 90-74249-23-X，1999)的书中，对此类编码和用于实现此类编码的装置进行了描述。游程长度受限码是早期不归0记录编码的拓展，其中，由二进制记录的“0”由记录介质上的无(磁通量)变化来表示的，而二进制“1”由从记录通量的一个方向到相反方向的转换来表示的。
在(d，k)编码中，上述的记录规则仍然有效，只是附加了约束，即在连续的“1”之间至少要记录d个“0”，而且在连续的“1”之间最多记录k个“0”。当连续记录一系列地“1”时，第一个约束用于消除因为再生转换的脉冲拥挤所引起的码间干扰。第二个约束用于确保通过将锁相环“锁定”到再生转换由再生数据恢复时钟。如果有过长的一串连续“0”而没有插入“1”，重新生成锁相环的时钟将变得不同步。例如，在(1，7)编码中，在记录的“1”之间至少有一个“0”，在记录的“1”之间不超过7个连续的“0”。
通过模-2积分操作，将一系列编码位转换成为由具有高或者低信号值的位元形成的相应调制信号。在调制信号中，由从高到低信号值的变化或者相反来代表一个“1”位，用“0”位来表示在调制信号中没有变化。
此类编码的信息传输效率一般用比率来表示，即信息字中的位数(m)和代码字中的位数(n)的比值(m/n)。给定d和k值的编码的最大理论比率，称为香农(shannon)容量。图1列表显示了d＝1时不同k的香农信道容量C(d，k)。如图所示，对于a(1，7)编码，香农信道容量，C(1，7)的值为0.67929。它的意思是(1，7)编码没有大于0.67929的比率。编码的实际实现需要比率是有理分式，对于上述的(1，7)编码，其比率为2/3。2/3的比率略小于香农信道容量0.67929，因此此编码是一种高效的编码。要达到2/3的比率，将2个不受约束的数据位变换为3个受约束的编码位。
具有2/3比率的(1，7)编码和用于实现相关编码器和解码器的装置在本领域公知的。Adler等人提出的名为“Method and Apparatus forGenerating A Noiseless Sliding Block Code for a(1，7)Channel with Rate2/3”的美国专利No.4,413,251中公开了一种编码器，它是一种具有5种内部状态的有限状态机。由Franaszek提出的名为“Appratus forEncoding Unconstrained Data onto a(1，7)Format with Rate 2/3”的美国专利No.4,488,142公开了一种具有8种内部状态的编码器。
然而，还需要更为有效的编码，例如，它能够提高记录介质或者传输线上的信息密度。发明内容
根据本发明的转换方法和设备，以大于2/3的比率将m位信息字转换成为n位代码字。因此，可以在较小的空间上记录同样的信息量，提高了信息密度。
在本发明中，n位代码字分为第一类和第二类，且分为第一种和第二种编码状态，从而，如果前一个m位信息字转换为第一类的n位代码字，将m位信息字转换为第一或者第二种的n位代码字，而如果前一个m位信息字转换为第二类的n位代码字时，则将m位信息字转换为第一种的n位代码字。在一个实施例中，第一类的n位代码字以0结尾，第二类的n位代码字以1结尾，第一种的n位代码字以0开始，第二种的n位代码字以0或者1开始。还有，根据本发明的实施例，n位代码字满足dk约束到(1，k)，这样在连续1之间填入有最少一个0，最多k个0。
在本发明的另外一个实施例中，根据本发明的编码设备和方法用于在记录介质上记录信息，并且根据本发明产生记录介质。
在本发明的其它实施例中，进一步使用根据本发明的编码设备和方法用于传输信息。
根据本发明的解码方法和设备，将根据编码方法和设备创建的n位代码字解码为m位信息字。解码包括确定下一个n位代码字的状态，并且基于确定的状态，将当前的n位代码字转换成为m位信息字。
在本发明的其它实施例中，使用根据本发明的解码设备和方法从记录介质上再生信息。
在本发明的其它实施例中，根据本发明的编码设备和方法还用于接收通过介质传输的信息。附图说明
由以下的本发明详细说明，结合附图，可以更加全面地理解本发明，附图仅用于说明性的目的，其中不同图中的相应部分使用相同的标号。附图中：
图1显示的是d＝1时对不同的k的香农信道容量C(d，k)的列表；
图2显示的是在第一个实施例中如何将不同分组中的代码字分配到不同状态的实例；
图3显示的是根据本发明的编码设备的实施例；
图4A-4H显示的是根据第一个实施例的将9位信息字转换为13位代码字时的完整的转换表；
图5显示的是使用图4A-4H的转换表将一系列信息字转换成为一系列代码字的转换过程；
图6显示的是根据本发明的记录设备的实施例；
图7显示的是根据本发明的记录介质和调制信号；
图8显示的是根据本发明的传输设备；
图9显示的是根据本发明的解码设备；
图10显示的是根据本发明的再生设备；
图11显示的是根据本发明的接收设备；
图12显示的是在第二个实施例中如何将不同分组中的代码字分配到不同状态的实例；
图13A-13C显示的是根据第二个实施例的将9位信息字转换为13位代码字时，转换表的起始、中间和结尾部分；
图14显示的是在第三个实施例中的如何将不同分组中的代码字分配到不同状态的实例；
图15A-15C显示的是根据第三个实施例的将11位信息字转换为16位代码字时，转换表的起始、中间和结尾部分；
图16显示的是在第四个实施例中的如何将不同分组中的代码字分配到不同状态的实例；
图17A-17C显示的是根据第四个实施例的将13位信息字转换为19位代码字时，转换表的起始、中间和结尾部分。优选实施例详细说明
下面首先通过编码方法的第一个特定实施例对根据本发明的通用编码方法进行描述。接下来，在第一个实施例的内容之后将对根据本发明的通用解码方法进行描述。然后描述根据本发明的不同设备。尤其是，将描述根据本发明的编码设备、记录设备、传输设备、解码设备、再生设备和接收设备。在此之后，将描述根据本发明的附加编码实施例。编码方法
根据本发明，以大于2/3的比率将m位信息字转换成为n位代码字。代码字分为第一和第二类，其中，第一类包括以“0”结尾的代码字，而第二类包括以“1”结尾的代码字。结果，将第一类的代码字分为两个分组E00和E10，而将第二类的代码字分为两个分组E01和E11。代码字分组E00包含以“0”开始且以“0”结尾的代码字，代码字分组E01包含以“0”开始且以“1”结尾的代码字，代码字分组E10包含以“1”开始且以“0”结尾的代码字，代码字分组E11包含以“1”开始且以“1”结尾的代码字。
代码字也分为第一种的至少一个状态和第二种的至少一个状态。第一种的状态包括仅以“0”开始的代码字，而第二种的状态包括以“0”或者“1”开始的代码字。根据第一实施例的编码方法
在本发明的第一个优选实施例中，将9位信息字转换成为13位代码字。代码字满足(1，k)约束，并分为第一种的3种状态和第二种的2种状态(共5种状态)。为了减少k约束，编码表中禁止“0000000000000”，“0000000000001”，和“0000000000010”的三个代码字。代码字的列举显示在分组E00中有231个代码字，在分组E10中有144个代码字，在分组E01中有143个代码字，在分组E11中有89个代码字。
要进行编码，各个状态中的每一个13位代码字均和一个编码状态方向相关。状态方向指的是在编码过程中，从中选择代码字的下一个状态。将状态方向分配给代码字，这样以“0”结尾的代码字(即在分组E10和E00中的代码字)具有指示r＝5种状态任意之一的相关状态方向，而以“1”结尾的代码字(即，分组E01和E11中的代码字)具有仅指示第一种状态中的一个状态的相关的状态方向。这保证了能够满足d＝1的约束，即，在代码字以“1”结尾后，下一个代码字将以“0”开始。
此外，下面将更为详尽的解释，当同一个代码字能够分配给同一状态下的不同信息字时，不同状态不能包含同一个代码字。尤其是，分组E10和E00中的代码字能够在一种状态下5次分配给不同的信息字，而分组E11和E01中的代码字能够在一种状态下3次分配给不同的信息字。由于在分组E00中有231个代码字，在分组E10中有144个代码字，则对第一类的代码字共有1875(5×(231+144))种“代码字-状态方向”组合。在分组E01中有143个代码字，在分组E11中有89个代码字，所以第二类的代码字共有696(3×(143+89))种“代码字-状态方向”组合。共有1875+696＝2571种“代码字-状态方向”组合。
对于m位信息字，共有2m种可能的信息字。因此，对于9位信息字，存在29＝512个信息字。由于在本编码实施例中有5个状态，需要5×512＝2561个“代码字-状态方向”组合。这样剩下2571-2561＝10种剩余组合。
按照上述的约束，在第一和第二种状态之上分布着不同分组中的可用代码字。图2显示的是在本实施例中，如何将不同分组中的代码字分配到不同状态的实例。如图2所示，在本例中，状态1，2，3属于第一种的状态，而4和5属于第二种的状态。以大小为230的分组E00为例，分组E00在状态1，2，和3各具有76个代码字，在状态4和5各有1个代码字。以状态1为例，在状态1中，“代码字-状态方向”组合的数目为5×76+3×44＝512，这表明可以分配9位信息字。记住，每一个第一类的代码字可以分配五个不同状态中的任意一个作为状态方向，因此在一个状态中使用5次；而由于d＝1的限制，第二类的各个代码字仅能够分配第一种的三个状态中的一个，从而在一个状态中使用3次。
可以证实，从图2所示的r＝5的编码状态的任何一个中，至少可以将512个信息字分配给代码字，这对于安排9位信息字而言是足够的。如上所述的方式中，9位信息字的任意系列均能够单独地转换成为一系列代码字。
图4A-4H显示的是根据这个实施例的将9位信息字转换为13位代码字时完整的转换表。图4A-4H中转换表中包含的是分配给各个代码字的状态方向。尤其是，在图4A-4H中，第一列显示的是在第二列中信息字的十进制表示。第三、第五、第七、第九和第十一列分别显示的是分配给1，2，3，4，5状态中信息字的代码字(在本领域中也称为信道位)。第四，第六，第八，第十和十二列是通过单独的数字1，2，3，4和5分别显示在第三、第五、第七、第九和第十一列中的相关代码字的状态方向。
参照图5，进一步解释从信息字系列到代码字系列的转换。图5的第一列从顶部到底部显示的是连续9位信息字的系列，第二列括号中显示的是这些信息字的十进制值。第三列“状态”是将要用于信息字转换的编码状态。当发出前面的代码字时(即，前一个代码字的状态方向)，则设置好了“状态”。第四列“代码字”包括根据图4A-H的转换表分配给信息字的代码字。第五列“下一个状态”是和第四列中代码字相关的状态方向，也是根据图4A-H的转换表而确定。
图5中第一列所示信息字系列中的第一个字具有十进制值为“1”的字值。当启动对信息字系列的转换时，我们假设编码状态为1(S1)。因此，根据转换表代码字状态1的设定，将第一个字转换为代码字“0000000000100”。同时，由于分配给代码字“0000000000100”且表示状态1中的十进制值为1的状态方向为状态2，下一个状态变为2(S2)。这表示将要使用状态2中的代码字对下一个信息字(十进制值“3”)进行转换。因此，将其十进制值为“3”的下一个信息字。转换为代码字“0001010001010”。和上面所述的方式相似，对十进制值为“5”，“12”和“19”的信息字进行转换。解码方法
下面，参照图4A-4H，进一步解释对从记录介质接收到的n位代码字(此例是13位字)进行解码。为了描述的目的，假设从记录介质上接收到的连续代码字系列的字值例如为“0001010000100”，“0001010001010”，“0101001001001”。从图4A-4H中的转换表可知，第一个代码字“0001010000100”被分别分配给信息字“0”，“1”，“2”，“3”和“4”，以及状态方向1，2，3，4和5。下一个代码字的值为“0001010001010”，并属于状态2中的代码字集合。这表示第一个代码字“0000000000100”具有值为2的状态方向。具有值为2的状态方向的第一个代码字“0000000000100”表示具有十进制值“1”的信息字。因此，确定第一个代码字表示具有十进制值“1”的信息字“000000001”。
还有，第三个代码字“0101001001001”是状态4的成员。因此，按照上述同样的方法，确定第二个代码字“0001010001010”表示具有十进制值“3”的信息字。以同样的方式，可以对其他的代码字进行解码。注意当前代码字和下一个代码字均将当前代码字解码为唯一的信息字。编码设备
图3显示的是根据本发明的编码设备124的实施例。编码设备124将m位信息字转换成为n位代码字，这里用s位表示不同编码状态r的数目。例如，当编码状态数目r＝5时，s＝3。如上所示，编码设备124包括转换器50，用于将(m+s)个二进制输入信号转换成为(n+s)个二进制输出信号。在优选实施例中，转换器50仅包括只读存储器(ROM)，用于存储根据本发明至少一个实施例的转换表和用于根据m+s个二进制输入信号对转换表进行寻址的地址电路。然而，除了ROM外，转换器50可以包括一个组合的逻辑电路，用于产生和根据本发明至少一个优选实施例的转换表同样的结果。
在转换器50的输入端中，将m个输入端连接于第一总线51，用于接收m位信息字。在转换器50的输出端中，将n个输出端连接于第二总线52，用于传送n位代码字。还有，将s个输入端连接于s位的第三总线53，用于接收标明即时编码状态的状态字。该状态字由包含例如s个触发器的缓冲存储器54传送。该缓冲存储器54具有连接于第四总线55的输入端，用于接收状态字，以作为状态字装载到缓冲存储器54中。要传送装载到缓冲存储器54中的状态方向，使用转换器50的s个输出端。
将第二总线52连接到并行-串行转换器56的并行输入端，它将通过第二总线52接收到的代码字转换成为串行位串。信号线57将串行位串传送到调制器电路58，它将位串转换为调制信号。然后通过总线60传送调制信号。调制器电路58是公知的用于将二进制数据转换为调制信号的电路，例如模2积分器。
为了编码设备操作同步的目的，编码设备包括一个传统类型的时钟发生电路(未显示)，用于产生控制(例如)并行/串行转换器58和缓冲存储器54的装载的定时的时钟信号。
在操作中，转换器50分别从第一总线51和第三总线53接收m位信息字和s位状态字。s位状态字表示在转换m位信息字时所要使用的转换表中的状态。因此，根据m位信息字的值，从由s位状态字所标识的状态的代码字中确定了n位代码字。同样，确定了和n位代码字相关的状态方向。状态方向，即其值转换为s位二进制字；或者可选择地将存储在转换表中的状态方向作为s位二进制字。转换器50在第二总线52输出n位代码字，并在第四总线55输出s位状态方向。缓冲存储器54存储s位状态方向作为状态字，并且通过第三总线53，和由转换器50接收的下一个m位信息字一起，同步传送s位状态字到转换器50。本同步基于上面任何已知方式生成的时钟信号而进行。
第二总线52上的n位代码字由并行/串行转换器56转换成为串行数据，然后，将串行数据由调制器58转换成为调制信号。
调制信号可以进一步进行处理，以进行记录或者传输。记录设备
图6显示的是用于记录信息的记录设备，其包括图3所示根据本发明的编码设备124。如图6所示，m位信息通过编码设备124转换成为调制信号。将由编码设备124所产生的调制信号传送到控制电路123。控制电路123可以是任何传统的控制电路，响应施加给控制电路123的调制信号，用于控制光学拾取器或者激光二极管122，从而，在记录介质110上记录对应于调制信号的标记图案。
图7通过实例显示的是根据本发明的记录介质110。显示的记录介质110是只读存储器(ROM)类型的光盘。然而，本发明的记录介质不限于只读存储器(ROM)类型的光盘，可以是任何类型的光盘，比如一次写多次读(WORM)光盘，随机存取存储器(RAM)光盘等等。还有，记录介质110不限于光盘，还可以是任何类型的记录介质，比如磁盘，磁光盘，存储卡，磁带等等。
如图7所示，根据本发明一个实施例的记录介质110包括安置在磁道111上的信息图案。尤其是，图7显示的是磁道111沿着磁道111的114方向的放大视图。如图所示，磁道111包括信息坑区域112和非信息坑区域113。通常，信息坑区域112和非信息坑区域113表示调制信号115的恒定信号区域(代码字中的0值)，而信息坑区域和非信息坑区域之间的过渡代表调制信号115的逻辑状态转换(代码字中的1值)。
如上所述，记录介质110可以通过首先生成调制信号，然后在记录介质上进行记录而获得。或者，如果记录介质是光盘，记录介质110也可以使用周知的母版制作法和再生技术获得。传输设备
图8显示的是用于传输信息的传输设备，它包含图3中所示的根据本发明的编码设备124。如图8所示，将m位信息字通过编码设备124转换成为调制信号。然后传输器150进一步处理调制信号，根据传输器所属通信系统，将调制信号转换为传输的形式，并且通过诸如空气(或者空间)、光缆、电缆、导体等等之类的传输介质来传输转换的调制信号。解码设备
图9显示的是根据本发明的解码器。解码器进行和图3中转换器相反的处理过程，将本发明的n位代码字转换成为m位信息字。如图所示，解码器100包括第一查询表(LUT)102和第二查询表(LUT)104。第一和第二查询表102和104存储用于创建进行解码的n位代码字所需要的转换表。其中K代表时间，第一查询表102接收第(K+1)个n位代码字，而第二查询表104接收第一查询表102的输出和第K个n位代码字。因此，该解码器100作为一个滑块解码器来操作。在每个块时刻解码器100将一个n位代码字解码成为一个m位信息字，并且继续处理串行数据中的下一个n位代码字(也称为信道位流)。
在操作中，第一LUT 102从存储的转换表中确定第(K+1)个代码字的状态，并且输出该状态到第二LUT 104。从而第一LUT 102的输出是1，2，...，r(这里r指的是转换表中的状态数目)范围内的二进制数。第二LUT 104使用所存储的转换表从第k个代码字中，确定和第k个代码字相关的可能的m位信息字，然后使用第一LUT 102和所存储的转换表中的状态信息，确定可能的由n位代码字所表示的m位信息字中的特定一个。
仅为了进一步解释的目的，假设n位代码字是使用图4A-4H中的转换表所产生的13位代码字。然后，参照图5，如果第(K+1)个13位代码字是“0001010001010”，第一LUT 102确定该状态为状态2。还有，如果第K个13位代码字为“0000000000100”，然后第二LUT104确定第K个13位代码字代表一个具有十进制指值为0，1，2，3，或者4的9位信息字。并且，由于下一个状态或者状态2的状态方向由第一LUT 102提供，因为和状态2的状态方向相关的13位代码字“0000000000100”代表具有十进制值为1的9位信息字，所以第二LUT 104确定第K个13位代码字代表具有十进制值为1的9位信息字。再生设备
图10显示的是包括图9所示根据本发明的解码器100的再生设备。如图所示，读取设备包括一个传统类型的用于读取根据本发明的记录介质110的光学拾取器122，记录介质110可以是前面讨论的记录介质的任何一种。光学拾取器122根据记录介质上110上的信息图案产生调制的模拟读取信号。检测电路125以传统方式将此读取信号转换成为解码器100可以接收形式的二进制信号。解码器100将此二进制信号解码，以获取m位信息字。接收设备
图11显示的是根据本发明图9所示的包括解码器100的接收设备。如图所示，接收设备包括一个接收器160，用于接收通过诸如空气(或者空间)、光缆、电缆、导体等之类的媒介传输的信号。接收器160将接收到的信号转换成为解码器100可以接收形式的二进制信号。解码器100将此二进制信号解码，以获取m位信息字。根据第二个实施例的编码方法
图12和图13A-13C显示的是本发明的另外一个实施例。根据这个实施例，通过将9位信息字转换成为13位代码字，可达到大于2/3的比率；其中编码状态数r等于13，其中8个编码状态是第一种编码状态，5个编码状态是第二种编码状态。同时，代码字满足(1，k)约束。图12对应于第一个实施例的图2，显示的是在第二个实施例中各状态中代码字的分类。
如上所述，以“0”结尾的代码字，即在分组E00和E10中的代码字，允许进入r＝13个状态中的任何一个，而以“1”结尾的代码字，即在分组E01和E11中的代码字，仅允许进入第一种状态中的状态(状态1到状态8)。
因此，可以将分组E00和E10中的代码字13次分配给不同的信息字，而将分组E01和E11中的代码字8次分配给不同的信息字。参考图12，分组E00在状态1中具有24个代码字，而分组E01在状态1中具有25个代码字。所以“代码字-状态方向”组合的数目为(13×24)+(8×25)＝512，这意味着可以分配9位信息字。可以证实，从r＝13个编码状态的任意一个中，至少有512个信息字可以分配给代码字，这对于满足9位信息字是足够的。
图13A-13C显示的是和图4A-4H中所示的第一个实施例的转换表具有同样方式的第二个实施例中转换表的开始、中间和结尾部分。根据第三个实施例的编码方法
图14和图15A-15C显示的是本发明的另外一个实施例。根据本实施例，通过将11位信息字转换成为16位代码字，达到了大于2/3的比率；其中编码状态数r等于13，并且8个编码状态是第一种编码状态，而5个编码状态是第二种编码状态。同时，代码字满足(1，k)约束。图14对应于第一个实施例的图2，显示的是在第三个实施例中各状态中代码字的分类。可以证实，从r＝13个编码状态中的任意一个中，至少有2048个信息字可以分配给代码字，这对于满足11位信息字是足够的。
图15A-15C显示的是和图4A-4H中所示的第一个实施例的转换表具有同样方式的第三实施例中转换表的开始、中间和结尾部分。根据第四个实施例的编码方法
图16和图17A-17C显示的是本发明的另外一个实施例。根据本实施例，通过将13位信息字转换成为19位代码字，达到了大于2/3的比率；其中编码状态数r等于5，且3个编码状态是第一种编码状态，2个编码状态是第二种的编码状态。同时，代码字满足(1，k)约束。图16对应于第一个实施例的图2，显示的是在第四个实施例中各状态中代码字的分类。可以证实，从r＝5个编码状态中的任意一个中，至少有8192个信息字可以分配给代码字，这对于满足13位信息字是足够的。
图17A-17C显示的是和图4A-4H中所示的第一个实施例的转换表具有同样方式的第四实施例中转换表的开始、中间和结尾部分。工业实用性
如上所述，在大于2/3的比率时，将m位信息字转换成为n位代码字。因此，可以在较小的空间中记录同样数量的信息，并且可以提高信息密度。
参照优选实施例对本发明进行了详细的描述，但是显而易见，在本发明的宗旨和范围之内，显然可以有各种改进和变化。