一种通过实现Reed-Solomon乘积码用于螺旋扫描 数据记录的方法和设备、包含这类数据的单 一媒体和包含这类媒体的盒式带 【发明领域】
该发明涉及一种通过沿每个记录轨道提供一种在第一码字中定义的第一字式Reed-Solomon代码和一种在第二码字中定义的第二Reed-Solomon代码、应用于旋转磁头螺旋扫描磁带记录的防误数据编码方法，所说第一和第二Reed-Solomon代码共同构成一种乘积码格式。该方法曾由John Watkinson在The Art of Digital Video，ButterworthScientific，Borough Green，Kent，UK，1990，PP.416-434中提到。虽然旋转扫描技术是特地为视频技术开发的，但是，它对于数据记录和音频记录也同样适用。以下是多个常见误差类型：
·随机误差，其有限的平均大小将不会比一个码位大多少，因此，随机误差将不会直接影响对邻接随机误差的防误性能
·横跨磁带误差或横向猝发误差(图4.2)，可能由横跨磁带的机械部件引起，可能会引发一种磁带折叠
·螺旋猝发误差(图4.3)由旋转磁头运动引起，因此造成一个相对于磁带运动的小偏角。
·纵向猝发误差，可能由绞盘的变形等引起，可能会在均匀的横向位置处产生一系列的误差。
通常猝发区的宽度相对于其长度而言要小。不过，这个宽度可能与单个存储轨道的宽度数量级相同，甚至还要大一些。所以，一旦出现无法纠正或误纠正地猝发误差，将会大大降低整个系统的性能。
发明概述
因此，其中，本发明的一个目的在于为对各种类型的猝发误差包括横跨猝发误差在内，提供基本上相同水平的防误，仅以低的开销为代价，并且与猝发误差位置无关。这样，从其一个方面来看，本发明特征在于提供作为跨多个轨道的码位序列的每个第二码字。单个第二码字的所说码位如此设置，使得在平行于据说磁带长度的第一方面上、以及垂直于所说带方向的第二方向上相邻码位间位移基本上一致，每个第二码字基本上沿与所说记录有关的所说轨道的长度方向延伸。这里，在特定方向上“相邻”的含义是指，这些码位在沿所述方向的轴上的映射是直接相继的。基本一致的位移意味着最大和最小距离之间的比值是限定的。在实施方案中，这个比值约为2(图6a)，或者甚至很接近1(图6)，依据其他存储要求而定。由于在大多数情况下，仅需提供两层防误代码，因此在合理开销下，防误便足够了，特别是，由于第二码字的各码位之间的间隔在两个所述方向的每个上相同，所以，横向和纵向误差猝发脉冲的加载基本上被均匀地分布在相应的第二码字中，这提供近乎完美的防误性能。解决办法之一是在相应的乘积码块中将码位作恰当的跨轨道移动。这将形成防误的较好分布，因此，这种防误极少被过度加载。
实际上，术语“垂直于所说带长度的方向上相邻码位位移基本一致”表明，当下一个码位位于下一个后续或下一个居先轨道上时，这样的位移为单一相同值。当其后到达与所述码字有关的最后轨道时，下一个码位跳回到位于磁带另一面的轨道中。依据本发明，这种跳跃将不会产生比先前情形更大的向前跳跃。这种较大的跳跃确实会引起误差加载的不均匀分布。相反，这种跳跃可能较小，甚或是一个在磁带方向上的回跳。正如上文所提及，本发明的解决方法将导致上述误差加载的极不均匀分布。在所述的方法论中，各个方向上的猝发或毛刺将由同一个防误系统有效地进行处理。多个轨道在实际上相邻与否，视进一步的要求而定。通常，如果有间隔，则间隔将是均匀的。
优点之一，本方法沿单个轨道提供单个第二码字的相应码位，使相邻码位之间位移基本一致。这对于如同前面所提及的，这是进行与上述意义相同的加载均衡的又一个策略。显然，这样的单个轨道仅有这样的第二码字所有码位的一部分。
优点之二，每个第一码字与在相关的单个轨道上相邻的相继码位有关。这就允许进行低复杂度的解码，对第一代码的编码/解码的存储要求也就较低。另一方面，第一代码的各字可能相互交织在它们相应的单个轨道上。
优点之三，所说第一和第二Reed-Solomon代码是存储系统级别的、专门的防误代码。鉴于并不复杂的防误格式，较低的开销，即可获得良好的防误效果。当然，除存储系统级别外，某些重要的信息也可在应用层级别被保护，而依据本发明，这后一个的保护对于编码和解码来说将是显而易见的。
优点之四，该方法预示了除通过在与此有关的第二码字中均匀自我交织、使得留给所说辅助信息的区域缩小之外，使用与所述数据相似的格式参数对与所说多轨道有关的辅助信息进行编码。这样，用于主要数据记录的可靠度可以同样适用于音频或其他与视频并行的信息。这里，“相似格式”意味着，相对于各种类型的误差猝发，(见图4、图6的A、B带)，保留码字的有益的空间间隔。当然，码字的长度及其数目可被调节至有效存储区域的大小。
本发明也涉及一种编码设备，一种解码设备，一种包括基于此发明的编码器和解码器数字视频录像机，还涉及一种加载基于本发明防误格式的单一存储媒质，特别地但非唯一地指一种磁带，以及一种装有这种单一存储媒质的数字视频盒式带。在从属的权利要求部分将进一步阐述其优越性。
附图简述
本发明的诸多方面及优越性将在下文参考优选的实施方案，尤其参考附图作详细论述，其中：
图1图示磁带轨道布局；
图2表示例示的轨道格式扇区布局；
图3扫描器示例；
图4表示基于本发明的第一代码格式；
图5对图4放大后的详细图示；
图6表示基于本发明的另一种代码格式；
图6a表示基于本发明的又一种代码格式；
图6b表示基于本发明的又一种代码格式；
图7表示用于本发明的设备；
图8表示图6的第一种变化；
图9表示图6的第二种变化。
优选实施方案的详细内容
图1示意表示了磁带轨道的布局，除信息的数字化存储外，布局格式也符合众所周知的模拟视频信号记录的VHS标准。在读和写操作过程中，磁带相对记录器头结构作水平移动。此外，旋转磁头的旋转导致在相对图中磁带的垂直方向上将产生分量。两种运动结合成相继的轨道，以倾斜带表示，在沿轨道纵向的一次扫描过程中，每个被伴随的磁头扫描。为简便计，有关扫描的许多细节和不同解决方法此处略去不提。倾斜角可能约为6°。每个轨道包括单个的相邻比特串。关于视频记录的优选实施方案，数字化存储格式应该向后兼容众所周知的VHS标准。根据这一标准，连续的轨道应将其扫描线同步脉冲对准跨轨道方向，它表明在相邻轨道的扫描线之间有纵向偏差。这就避免了轨道上的同步脉冲同来自邻近轨道的视频信号相互干扰：这种干涉在其它情况下可由邻近轨道之间不那么无限的电信号隔离引起。对数字化视频记录，这种轨道间同步，优选地意味着在相邻的轨道上，相应的MPEG数据包应同样被对准。
图2表示例示性的轨道格式扇区布局。随着磁头的扫描运动，顺序依次为：空白(m)2625字节，段首标记(pr)875字节，辅助信息(Aux)24500字节，段尾标记(po)1750字节，编辑间隔(gap)1750字节，段首标记(pr)875字节，主要信息(main)269500字节，段尾标记(po)1750字节，空白(m)2625字节。总信息量为每个轨道306250字节。图中沿轨道各部分长度并非按真实长度的比例。轨道的实际倾斜角为5.93538°，轨道宽度为0.029mm，“main”部分长度为84.7mm。从下文中可见，仅“main”部分包含视频数据。“Aux”部分包含其他数据，例如音频。在实施方案中，视频的防误是基于一串十二个相邻的轨道。对音频信号的防误原理与视频相同，只是参数值不同。音频信号格式的一个特性在于，单个视频通道总是同两个平行音频通道相伴随的。这就意味着，音频部分的6个相邻轨道会包含一个音频块，它的编辑与同一视频块或邻近的视频块中其他音频通道是分开的。为了简洁，下面将不打算详细论述音频格式。存储的其他部分将寄存硬件的各种操作延迟，通常不需要根据本发明的高级别防误处理。
图3给出了一个扫描器示例。记录器中，磁带在直径为62mm的磁鼓处卷过大约180°。前置角给出磁鼓相对于磁带的倾斜方位。由于磁带随磁鼓运动，轨道的有效倾斜角同磁鼓的倾斜方向存在百分之几的差别。由图可见，磁鼓携4个不同磁头，每次访问两条轨道，而一次全程旋转操作则访问四条轨道。
图4给出第一代码格式，该代码是基于在Galois Feild GF(256)上定义的经缩短的Reed-Solomon代码的乘积码。图中显示一串12条轨道，其中信息构成了十二个相应的乘积代码块，其中仅有一个通过加黑突出出来。为使图示清晰，轨道的倾斜角被增大至将近90°，但这并不影响各个码位相对于磁带的横向坐标。这样，第一或C1代码的每个字均沿单条轨道作纵向放置：每个加黑块表示一个205字节的防误C1码字的长度，它与下一个加黑块被图中以白色表示的11个C1码字的位置所隔离。此外，每个加黑块还包括5个系统字节(同步/识别)，为简便计不作考虑。单个轨道上C1码字的数目为154。于是，黑色C1码字相关的第二或C2码字，被排列在所示黑色块交错的位置。由此，一排黑色块代表205个C2码字，每个码字154字节，它们共同构成一个完全的乘积码块。形式相似的白色码字被分成11组乘积码块。因此，所示磁带扇区的总字节数等于205×154×12。C1码字的最小距离为12，C2的最小距离为14。对C1和C2的防误开销约为15％，这对于获得一个满意的数据率和实现简单的2级解码方案来说均是可接受的。实际上，基于本发明，在存储系统的级别上，不再需要进一步的防误措施。
图5是对图4一部分放大后的详细图示。图4中的黑色块此处被表示为打叉块。在轨道1上的是第一块，在轨道2上的是第二块，以此类推，直至位于轨道12上的第12块。然后，具有同样乘积码格式的下一块是轨道1的第十三块。于是，每下一个块以及C2码字中每下一个码位的跨轨道的移动量是一个轨道，对块中轨道数目由12取模。所以，实际上C2码字延伸至用于此处所考虑数据类型(视频对音频)的整个轨道部分。
该防误能力对于随机误差、纵向猝发误差和轨道内部猝发误差而言是足够的。图4即能说明这一点。带A代表纵向猝发误差带区域。带A沿与磁带边完全平行的方向行进，它亦平行于相继轨道的尾部。这意味着，将轨道逆时针旋转以重新获得其实际方向，总是使该带与磁带边沿保持平行。而且，该带跨磁带的移动总会导致一种关于相继黑色块的均匀相交类型：不论横向位置如何，总有约4个黑色块在一个带内。当然，这个数字是与脉冲宽度成比例的，相交类型的均匀性保证了在给定数量的冗余下所能得到的误差在防止上的最佳扩散。
但是，对于横向猝发误差的防误是非均匀的，这在图4中以带B表示，带B与磁带边沿不完全平行，而是存在一个小的倾斜。图中，倾斜角看起来仅有几度(如5°)，但由于轨道的顺时针旋转，再加上其长度相对于磁带宽度的变化，这个误差带B的实际倾斜几乎正好与磁带的纵向方向相垂直。因此，这个带与横向猝发误差的位置相对应。于是，在图中所示情形下，误差带B不会触及由黑色块代表的C2码字，除非C2码字出现在白色区域。这对于所有的具有如所示带B内较窄宽度的带同样成立。经常会出现这种较窄宽度的情形。图示的情形意味着各种C2码字的误差性能通常被横向猝发误差以非均匀方式加重：要么一点没有，要么非常严重。由于负担在C2码字中分配不均，如此地将误差类型集中于一部分码字上，使得防误性能不再最佳。从图中应注意，带B可平行于自己移动，而继续保持大致与实际的磁带长度方向正交。还应注意到，如果窄带B的方位改变一点点，同样的问题也将出现，以至于相对于磁带的长度方向，在误差脉冲相对于磁带长度倾斜的相当宽范围上同样的问题也可能出现。
在这种情况下，图6给出了基于本发明的另一种代码格式。这里，与图4相同的黑色块更多地随机分布在所示区域内。实现它的方法之一是，将偶数序号轨道在整个块的半轨道宽度，即6条轨道上旋转。这相当于一个码字的每下一个码位跨轨道移动7条轨道。图5中，这种修正后的乘积代码格式的最初6个块以阴影线表示。图4的相同误差带A和带B在图6中再次被表示出来，假定在各个C2码字上，对这两个带而言，误差分布得更加均匀。原因在于，图4中黑色块均匀移动后的位置，造成了一系列戏剧性的边翼或光栅的效果，它们在某些方向上可以传送，而在其他方向，至少在那些代表经常发生猝发误差类型的方向之一上不可传送。实际上，随机化分布是按一种如图6例示的整齐方式实现的。实际上该图实现了在垂直于磁带长度的方向上一个最小的码位对码位的位移。在所示情形中它也实现了在与C2代码的磁带长度相垂直的方向上，码字对码字最小的位移。
根据以上所述，C2码字跨轨道的移动有相同值，在图4中为+1，在图6中为+7。进一步的图示给出比图6稍差，但比图4更好的其他可能的情形。这里，跨轨道的移动分别为：
a.445445445445(非均匀)；图8给出对图6的第一种变化
b.555555555555(均匀)：图9给出对图的第二种变化
在本发明范围之中还包括其他许多种组合。这些及其他的在相继代码码位之间的移动，可以同样地以其它方式表述为单独轨道沿各自长度的旋转。这些旋转的某些，从它们的部分，不能以上述形式简便表示，但仍在本发明的范围及目的范围之内。
图6a给出基于本发明的另一种代码格式。这里，属于一个特定的C2码字的轨道数目仅为6。这种轨道数目的减小降低了记录器的存储要求，而这分别对于编码和解码是必需的。再一次，跨轨道的移动量选择与轨道数目互质。最佳的数目为5。这将造成在与图4相反方向上明显的“阶梯”类型。与图4截然相反，在连续的阶梯之间没有B型间隙(grap)。相继的阶梯会出现重叠，即下一个阶梯的第一个码位位于前一个阶梯最后两个梯级之间。即使如此，这将使来自跨轨道猝发脉冲的误差负担更均匀地在各个C2码字中共享。
为了便于更好理解，下文以方程式形式简单地进行了解释说明。所谓内码限于单个轨道，而进行交织如下：
内码字由下列码位组成：Codeword(t,s)=Σd=0106Datat,s,d×X(106-d)(t=0..5,s=0..335)]]>
其中Datat，s，d为码位，其位置为轨道数：t，同步块数：S，数据字节数：d。
最后8个码位(d＝99…106)是奇偶位。
该方程式表示其位置为轨道数：t、同步块数：s的内码字。
内纠错代码的生成多项式如下：G(x)=Πi=07(X+αi)]]>另一方面，外码在六条轨道内交织如下：一个外码字由下列符号组成：Codeword(t,s,d)=Σi=0111DataT,S,D×X(111-i)]]>
(t＝0..5，s＝0..2，d＝0..98)
其中，变量i为码字中码位的阶数。
T＝(t+5×i)mod6
S＝S+3×I
D＝d
DataT，S，D表示其位置为轨道数：T、同步块数：S、数据字节数：D的码位。最后10个码位(i＝102……111)为奇偶位。该方程式表示其第一码位位置为轨道数：t、同步块数：S、数据类型数：d的外码字。
外纠错码的生成多项式如下：G(x)=Πi=09(X+αi)]]>
通过变化，图6a也给出一复合格式。上文讨论的代码被置于块52中。在记号54处的带给出一个乘积代码块序列，它通过垂直投影于轨道方向而被突出。连续的C1码字之间的距离有单倍或两倍大小。
此外，记号为50的块可以叠加到块52的一部分上；在实施方案中，它可以覆盖其少于10％的部分。这种情况下，块52的待被块50覆盖的码位将同样设置为零。这不会破坏原代码的格式。块50的附加信息可涉及非视频数据。块50的这种格式被放大成图6b中。如所示，它可能也从属于图2的AUX部分：这就排除了上述重叠的可能。这样，轨道数又等于6，而图的大小在两个方向均放大三倍。黑色矩形有相同的大小，这与图6和图6a中的那些相对应。在磁带断面边沿处，那些看上大一些的宽度实为绘图软件造成的假象。对于AUX部分，存储要求大约为对于MAIN部分要求的十分之一。因此，较短的C2码字长被选成46个码位，而单个轨道上相继黑色块之间的距离仅相当于2个这样的块。所以，白色区域的宽度等于黑色区域宽度的2倍。这种格式通过提供与如图6a相同的偏移加以实现，伴以在格式自身内的交织。于是，图6b的格式可以通过在图6a“阶梯”之间再放一些“阶梯”得到，用于共同使得单个C2码字的码位数达到期望的水平，正如图6a所示情形一样，跨轨道误差猝发的加载分布，将在各个C2码字中被均匀共享。
相应于图6a的视频部分，对限于单个轨道内的内码来说，附加代码格式在下面给出：一个内码字由下列码位组成：Codeword(t,s,d)=Σd=0106DataT,S,D×X(106-d)]]>(t＝0…55，S＝0…22)
其中，Datat，s，d表示一个码位，其位置为轨道数：t、同步块数：3、数据字节数：d。
最后8个码位(d＝99…106)为奇偶位。
该方程式表示其位置为轨道数：t、同步块数：s的内码字。
内纠错码的生成多项式如下：G(x)=Πi=07(X+αi)]]>另一方面，外码在6条轨道内交织如下：一个外码字由下列符号组成：Codeword(t,d)=Σi=045Datat,s,d×X(45-i)]]>(t＝0…2，d＝0…98)
其中，变量i为码字中码位的阶数。
T＝(t+3×(imod2)+5×int(i/2))mod6
s＝int(i/2)
D＝d
DataT，S，D指一个码位，其位置为轨道数：T、同步块数：S、数据字节数：D。
最后10个码位(1＝36…45)为奇偶位。
该方程表示第一码位位置为轨道数：t、同步块数：0、数据字节数：d的外码字。
外纠错码的生成多项式如下：G(x)=Πi=07(X+αi)]]>
图7表示供本发明使用的设备。在该第一实施方案中，该设备将处理图4或6格式的解码。图6a格式的处理只需较少的存储。而且也同样能够对图6b的AUX格式进行解码。
为了简化问题，此处省略了各种机电子系统。在对磁带20进行读或写操作时，它均被未示出的马达所驱动。磁鼓22绕它的轴24旋转，并装备了一个检测装置26，该装置在全程旋转间隙处给出一个同步信号。首先说明读操作。互连件28从四个磁头获得数据信号。由在线26脉冲同步的多路调制器块30将恰当的磁头输出互连到C1字解码器32。首先，C1解码器包括一个模拟部件，它同步于图2中的段首标记Pr2，这样对从原始磁带信号中提取经编码的比特流过程起作用。其次，对每个C1码字，经过传统的矩阵乘法运算，算得校正码位。当非零的校正码位表示一个误差类型时，解码器32执行一个纠错操作。为此，解码器32具有足够的中等存储容量，图中未示。几乎普遍地，这足以用来计算随机误差。如果发生猝发误差，这通常将导致对无法纠正误差类型的检测和作标志。随之而来的，解多路调制器34通过内连类型36，将每个C1码字的码位分派至RAM38的12个RAM扇区中的一个，而RAM38被分派给相关的单个乘积代码块。RAM扇区可能会因此包含了图4所示的所有黑色块。多路调制器42随即将每个相应C2码字的内容送到解码器44，解码器44可能经输出46输出经纠正的信息。为了允许纠错最大灵活性，RAM38应可容纳12条满存轨道的内容。在纠错的执行过程中，RAM应该已经开始下十二条轨道的输入，同时还应继续前12条轨道的输出。实际上，发明者发现，如果考虑到纠错存取频率与从磁带或读出装置到用户的写入存取频率相比有所提高的话，那么大约17条轨道的容量就已足够了。在一个改进型的解码器中，可以运用各种更高级别的技巧，比如在解码器44操作之后对尚未完全解码的信息改线，使之回到块32的解码器部分。不过这不一定要求较高的存储容量。如果乘积码块的格式不同，图2中“main”和“Aux”部分的解码可能基本上同样地受到影响。对编码而言，处理过程基本上以相反方式进行。所以，块44对应于编码器，块42对应于多路解码器，块34对应于多路调制器，块32对应于编码器，块30对应于多路解调器。