JP7212543B2 - Decoding device, hologram reproducing device, and decoding method - Google Patents
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Description
本発明は、復号装置、ホログラム再生装置、及び復号方法に関し、特に、2次元符号化信号の復号に適した復号装置、ホログラム再生装置、及び復号方法に関する。なお、本発明をホログラムの再生装置の例に基づいて説明するが、本発明の復号装置及び復号方法は、ホログラム再生装置に限定されるものではない。 The present invention relates to a decoding device, a hologram reproducing device, and a decoding method, and more particularly to a decoding device, a hologram reproducing device, and a decoding method suitable for decoding two-dimensional encoded signals. Although the present invention will be described based on an example of a hologram reproducing apparatus, the decoding apparatus and decoding method of the present invention are not limited to the hologram reproducing apparatus.
近年、大容量のデータを効率的に記録することができる媒体として、ホログラム光メモリー媒体(ホログラム記録媒体)が注目されている。ホログラフィックメモリーは、画像や音声、コンピュータ等の大容量メモリーとしての利用が期待されている。 In recent years, hologram optical memory media (hologram recording media) have attracted attention as media capable of efficiently recording large amounts of data. Holographic memory is expected to be used as a large-capacity memory for images, sounds, computers, and the like.
ホログラフィックメモリー記録システムでは、一般に、デジタルデータを担持した物体光を参照光とともにホログラム記録媒体に同時に照射し、ホログラム記録媒体中に形成される干渉縞を光記録媒体に書き込むことによって、該デジタルデータを記録する。一方、デジタルデータが記録されたホログラム記録媒体に参照光を照射すると、ホログラム記録媒体中に書き込まれた干渉縞により光の回折を生じて、上記物体光が担持していたデジタルデータを再生することができる。現在用いられているホログラフィックメモリー記録システムの一例について図10及び図11を参照しながら簡単に説明する。 In a holographic memory recording system, generally, a holographic recording medium is irradiated with an object beam carrying digital data together with a reference beam at the same time, and interference fringes formed in the holographic recording medium are written in the optical recording medium to obtain the digital data. record. On the other hand, when a hologram recording medium on which digital data is recorded is irradiated with reference light, diffraction of light occurs due to interference fringes written in the hologram recording medium, and the digital data carried by the object light is reproduced. can be done. An example of a currently used holographic memory recording system will be briefly described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG.
まず、記録時から説明する。図10は、ホログラフィックメモリー記録システム100の記録時の光学配置と光路(太い一点鎖線)の一例を示す図である。なお、記録時に使用されない光学要素は、細い二点鎖線で描かれている。記録時に用いる光学素子のみを用いて、ホログラム記録装置を構成することができる。
First, the recording will be explained. FIG. 10 is a diagram showing an example of an optical arrangement and an optical path (thick chain line) during recording in the holographic
レーザ光源101から出力され、シャッタ102を通過したレーザ光(ここではS偏光(縦偏光))が1/2波長板103によって45度偏光に偏光面を回転させられた後、PBS(偏光ビームスプリッタ)104にてP偏光およびS偏光とに分けられる。P偏光はPBS104を透過後、シャッタ105を通過する。その後、拡大レンズ106により拡大された後、PBS107を透過し、反射型液晶素子等からなるSLM(空間光変調素子)108上に照射される。この照射された光は、SLM108の素子面に映出された白と黒のビットパターン(ピクセルパターン)による2次元画像のデジタルデータを担持されるとともに、S偏光に変換されて(実際には、白表示とされた素子からの光がS偏光に変換される)反射され、物体光としてPBS107に戻る。このSLM108から戻った物体光は、PBS107により反射され、FT(フーリエ変換)レンズ109を通過後、空間フィルタ110でナイキスト周波数分を透過し、それ以上の周波数成分をカットし、再度、FT(フーリエ変換)レンズ111、FT(フーリエ変換)レンズ112を介してホログラム記録媒体113上に照射される。
After the laser light (here, S-polarized light (vertically polarized light)) that is output from the
一方、PBS104によって反射されたS偏光は1/2波長板117を通過するが、ここでは、1/2波長板117とビームの偏光軸を合わせておき、ビームの偏光面は回転させない。次にPBS116に入射し、ここで、反射され、ミラー120、ガルバノミラー121と反射され、リレーレンズ122を通過後、ホログラム記録媒体113上に照射される。このようにしてホログラム記録媒体113上に照射された参照光と物体光はいずれもS偏光とされているので、このホログラム記録媒体113上で干渉して干渉縞が形成され、該干渉縞がホログラム記録媒体113に書き込まれることになる。こうして、SLM108上に映出された2次元データが記録される。
On the other hand, the S-polarized light reflected by the PBS 104 passes through the half-
次に再生時について図11を用いて説明する。図11は、ホログラフィックメモリー記録システム100の再生時の光学配置と光路(太い一点鎖線)の一例を示す図である。なお、再生時に使用されない光学要素は、細い二点鎖線で描かれている。再生時に用いる光学素子のみを用いて、ホログラム再生装置を構成することができる。
Next, reproduction will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram showing an example of an optical arrangement and an optical path (thick chain line) during reproduction of the holographic
PBS104までは記録時と同様であるが、透過したP偏光はシャッタ105で止められる。一方、反射されたS偏光は1/2波長板117の軸を45度の設定値へ変更して偏光面を90度回転され、P偏光となる。このP偏光はPBS116を通過後、ガルバノミラー115によって反射され、リレーレンズ114を通過後ホログラム記録媒体113に入射する。ホログラム記録媒体113に書かれた干渉縞によって回折された信号光はFTレンズ112、FTレンズ111、空間フィルタ110、FTレンズ109、と通過後、PBS107を通過して2次元撮像素子118で撮像され、演算装置119で処理することにより、記録されたデジタルデータが復元されることになる。
Up to the PBS 104, it is the same as during recording, but the transmitted P-polarized light is stopped by the
このようなホログラフィックメモリー記録システムにおいて、FTレンズを通過する光は一種のローパスフィルタの効果を受け、信号再生する2次元撮像素子118では、点像が大きく広がり、また、近隣の点像が近い場合はその点像同士が接合してしまう再生像となる。また、レーザ光源101から出射する光を拡大レンズ106でSLM108の大きさまで大きくするので、SLM108の中心部が明るく、周辺部がやや暗い再生像となる。
In such a holographic memory recording system, the light passing through the FT lens is subjected to the effect of a kind of low-pass filter, and the two-
この場合のピクセルパターンの閾値判定においては、輝度分布に応じて周辺部と中心部で閾値を変化させなければならない。しかしながら、輝度分布は記録条件、再生条件など種々の依存性があるので、一概には決定できない。そこで、記録コードとして、ある一定の範囲中で白と黒との判定を行う差分コードが提案されている。この手法をとることにより、ある一定の範囲内での白と黒との判別により、データを再生できる特徴がある。 In the pixel pattern threshold determination in this case, the threshold must be changed between the peripheral portion and the central portion according to the luminance distribution. However, since the luminance distribution has various dependencies such as recording conditions and reproduction conditions, it cannot be determined in a general way. Therefore, as a recording code, a difference code has been proposed for determining white and black within a certain range. By adopting this method, there is a feature that data can be reproduced by distinguishing between white and black within a certain range.
また、ホログラフィックメモリー記録システムにおいては、差分コードを発展させた2次元符号(2次元コード)を用いることも行われている。例えば、ホログラム記録では、2×2の4ピクセル(pixel:画素)に対し、中から1つのピクセルのみ白とし、そのほかを黒とする、つまり2bitの情報を4ピクセル使って記録再生することがある(特許文献1)。以下、nbitの情報を、rピクセルを使って表現する変調方法を「n:r変調」と呼ぶことにする。上記の2bitの情報を4ピクセル使って記録再生する方法は、「2:4変調」である。n:r変調は、nbitの情報を、rピクセルの2次元符号(以下、「シンボル」と呼ぶ。)を用いて、2次元信号に変換することができる。 Further, in the holographic memory recording system, a two-dimensional code (two-dimensional code) developed from the differential code is also used. For example, in hologram recording, only one pixel out of 2×2=4 pixels (pixels) is made white and the others are made black. In other words, 2-bit information is recorded and reproduced using 4 pixels. (Patent Document 1). Hereinafter, a modulation method for expressing n-bit information using r pixels will be referred to as "n:r modulation". A method of recording and reproducing the above 2-bit information using 4 pixels is "2:4 modulation". The n:r modulation can convert n-bit information into a two-dimensional signal using a two-dimensional code (hereinafter referred to as a "symbol") of r pixels.
一方、ホログラフィックメモリー記録システムでは、輝度むらの他にも光学系、記録媒体からのノイズ、多重した記録ページからの漏洩などさまざまなノイズも加わる。このため、上述の差分コードのみで、そのまま誤りなく記録再生することは困難なため、通常誤り訂正コードを付加する。 On the other hand, in the holographic memory recording system, in addition to luminance unevenness, various noises such as noise from the optical system and recording medium, and leakage from multiplexed recording pages are added. For this reason, since it is difficult to record and reproduce without errors using only the differential code, an error correction code is usually added.
誤り訂正コード(誤り訂正符号)には大きく分けて、ブロック符号と畳み込み符号とに分かれる。近年、ブロック符号では、LDPC(Low Density Parity Check)が、畳み込み符号では、ターボ符号がシャノン限界に迫る誤り訂正能力を示すことで、よく使われている。 Error correction codes (error correction codes) are roughly divided into block codes and convolutional codes. In recent years, LDPC (Low Density Parity Check) has been widely used in block codes, and turbo codes have been widely used in convolutional codes because they show an error correction capability approaching the Shannon limit.
このうち、ターボ符号は復号処理が複雑でレイテンシが比較的大きいところから、記録装置の誤り訂正といった点から考えると、適当ではない。一方、LDPCは線形時間復号である、並列実装に適している、などの点から、衛星放送、無線LANや無線インターネットをはじめとしてさまざまなところで使われている。ホログラフィックメモリー記録システムでも同様に、誤り訂正符号としてLDPCの使用が有望である(特許文献2、特許文献3)。
Among them, the turbo code is not suitable from the point of view of error correction of the recording device because the decoding process is complicated and the latency is relatively large. On the other hand, LDPC is used in various fields such as satellite broadcasting, wireless LAN, and wireless Internet because it is linear time decoding and suitable for parallel implementation. Similarly, in the holographic memory recording system, the use of LDPC as an error correction code is promising (
次に、LDPC符号化/復号化の概要について説明する。 Next, an outline of LDPC encoding/decoding will be described.
LDPCにおいては、符号化の対象とするビットが、一般に「情報ビット」と呼ばれる。また、LDPCの符号化を行うにあたっては、予め「検査行列」(Hと表記される)が定められる。符号化においては、先ず、入力された情報ビット列と上記検査行列Hとに基づき、「検査ビット列」(パリティ)が生成される。検査ビットが付加されたデータ単位、すなわち「情報ビット+検査ビット」の単位が、LDPC符号化/復号化の最小単位である「1LDPCブロック」となる。このようにLDPC符号化されたデータ(LDPC符号列)が、通信路に対して送出され、或いは記録媒体に対して記録される。 In LDPC, the bits to be encoded are generally called "information bits". Also, when performing LDPC encoding, a “parity check matrix” (denoted as H) is determined in advance. In encoding, first, a "check bit string" (parity) is generated based on the input information bit string and the parity check matrix H described above. A data unit to which check bits are added, that is, a unit of “information bit+check bit” becomes “one LDPC block” which is the minimum unit of LDPC encoding/decoding. The data (LDPC code string) LDPC-encoded in this way is transmitted to a communication channel or recorded on a recording medium.
LDPC符号の復号では、先ず、受信信号(又は読出し信号)から、LDPC符号列を構成する各ビットの「対数尤度比」(Log Likelihood Ratio:LLR)を計算する。この「対数尤度比」は、各ビットの値(「0」又は「1」)の尤度を表す情報として用いられるものであり、以下では「LLR」と略称する。 In the decoding of the LDPC code, first, the "Log Likelihood Ratio (LLR)" of each bit forming the LDPC code string is calculated from the received signal (or the readout signal). This "log-likelihood ratio" is used as information representing the likelihood of each bit value ("0" or "1"), and is abbreviated as "LLR" below.
ここで、送信信号をXn(Xnは、+1又は-1)、受信信号をYnとしたときの、LLR(λnとおく)の求め方について説明する。通信路の条件付き確率P(Yn|Xn)より、LLRは一般に次式(1)で計算できる。 Here, how to obtain the LLR (where λn is assumed) when the transmission signal is Xn (Xn is +1 or -1) and the reception signal is Yn will be described. LLR can be generally calculated by the following equation (1) from the conditional probability P(Yn|Xn) of the communication channel.
一般的なAWGN(Additive white Gaussian noise:加法白色ガウス雑音)通信路を想定した場合のLDPC符号化・復号化のモデルの場合、通信路の条件付き確率PAWGNは、次式(2)とおくことができる。但し、σ2はガウス雑音の分散であり、μは+1と-1の値をとる。 In the case of an LDPC encoding/decoding model assuming a general AWGN (Additive white Gaussian noise) channel, the conditional probability P AWGN of the channel is given by the following equation (2). be able to. where σ 2 is the variance of Gaussian noise and μ takes values of +1 and -1.
ここで、(1)式に、(2)式を代入すると、LLR(λn)は、次式(3)となる。 Here, when formula (2) is substituted for formula (1), LLR(λn) is given by formula (3) below.
したがって、最終的に、対数尤度比(LLR)は、式(4)の形となる。 Therefore, the final log-likelihood ratio (LLR) takes the form of equation (4).
受信信号からビットごとのLLRを計算し、求めたLLRと、予め定められた検査行列(H)とに基づき、LDPC復号アルゴリズムにより、LDPCブロックごとに情報ビットの各ビット値を推定するのがLDPC復号である。 LDPC is to calculate the LLR for each bit from the received signal, and estimate each bit value of the information bit for each LDPC block by the LDPC decoding algorithm based on the obtained LLR and a predetermined parity check matrix (H). Decryption.
LDPC復号アルゴリズムは、いわゆるMAP(Maximum A posteriori Possibility)復号法を基礎としたものとなる。MAP復号法では、符号語Xを送信したとき受信語Yが受信される確率を表す条件付き確率を計算し、該条件付き確率Pを最大とする「0」又は「1」のシンボルをその推定値とする。但し、すべての符号語について事後確率P(Yn|Xn)の値を加算することでビットごとの事後確率を計算する手順を、定義に従ってそのまま実行するとした場合、計算量は膨大なものとなるので、この計算量を削減するためのLDPC復号アルゴリズムとして、例えばsum-productアルゴリズムが提案されている。このsum-productアルゴリズムは、MAP復号法の近似アルゴリズムといえる。sum-productアルゴリズムについては、既に多数の文献に説明されている(非特許文献1~3)。 The LDPC decoding algorithm is based on the so-called MAP (Maximum A posteriori Possibility) decoding method. In the MAP decoding method, a conditional probability representing the probability that a received word Y is received when a codeword X is transmitted is calculated, and the symbol of "0" or "1" that maximizes the conditional probability P is estimated. value. However, if the procedure of calculating the posterior probability for each bit by adding the posterior probability P(Yn|Xn) for all codewords is executed as it is according to the definition, the amount of calculation will be enormous. , for example, a sum-product algorithm has been proposed as an LDPC decoding algorithm for reducing the amount of calculation. This sum-product algorithm can be said to be an approximation algorithm of the MAP decoding method. The sum-product algorithm has already been described in many documents (Non-Patent Documents 1-3).
本発明者らは、LDPCによる誤り訂正符号化され、n:r変調された信号を、効率的に復号する復号装置及び復号方法を既に提案している(特許文献4)。この復号装置及び復号方法により、n:r変調信号から、nbitデータの尤度(LLR)を四則演算のみで簡略に、且つ、正確に決定することができる。なお、この復号方法では、各ビットの尤度を、規格化した測定値(信号値)に基づいて算出することから、以下では、特許文献4に基づくLLRの求め方を「測定値基準方式」と呼ぶことがある。
The inventors of the present invention have already proposed a decoding device and a decoding method for efficiently decoding a signal error-correction coded by LDPC and n:r modulated (Patent Document 4). With this decoding device and decoding method, it is possible to simply and accurately determine the likelihood (LLR) of nbit data from an n:r modulated signal only by arithmetic operations. In this decoding method, since the likelihood of each bit is calculated based on the standardized measurement value (signal value), the method for obtaining LLR based on
このように、n:r変調信号に基づく2次元符号を利用した符号化・復号装置の開発が進められているが、白と黒との記録だけでは限界があるため、さらに、その中間値も用いて、容量、転送速度を高める多値記録の研究も盛んにされている。例えば、白と黒との中間値を用いて多値化する振幅多値や光の位相情報も用いて多値化する位相多値を利用した光情報記録・再生装置が提案されている(特許文献5)。 In this way, the development of encoding/decoding devices using two-dimensional codes based on n:r modulated signals is progressing. Multi-valued recording is also actively researched to increase capacity and transfer speed. For example, there has been proposed an optical information recording/reproducing apparatus that utilizes amplitude multi-values that convert to multi-values using intermediate values between white and black, and phase multi-values that converts to multi-values using phase information of light (Patent Reference 5).
伝送路を介して又は記録媒体から再生された信号、例えば2次元符号化信号は、雑音強度に対して読み取り誤りが生じる。また、各ピクセルの輝度も様々な要因でレベル変動が生じる。そのため、復号データに誤りが生じやすく、誤り訂正符号を付加しても尤度の確度が小さくなり、誤り訂正能力が発揮できないといった課題があった。 A signal reproduced via a transmission path or from a recording medium, such as a two-dimensional coded signal, suffers from reading errors with respect to noise intensity. In addition, the luminance level of each pixel also fluctuates due to various factors. Therefore, there is a problem that errors are likely to occur in the decoded data, and even if the error correction code is added, the accuracy of the likelihood becomes small, and the error correction capability cannot be exhibited.
この課題は、ホログラフィックメモリー記録システムにおいても同様であり、2次元符号化データを使用して記録・再生を行う際に、再生データに誤りが生じやすく、また、輝度レベル変動のために、誤り訂正能力を発揮できないという課題があった。 This problem also applies to the holographic memory recording system. When recording and reproducing using two-dimensional encoded data, errors are likely to occur in the reproduced data. There was a problem that the correction ability could not be exhibited.
また、ホログラフィックメモリー記録システムは、角度多重、位相コード多重、球面参照光シフト多重などの様々な多重方式を用いることで、同一箇所にホログラムを多重記録可能であり、これにより高密度に情報を記録することができる。しかしながら、光学系や記録媒体に付着した埃等の汚れが、再生信号においてビット欠けを生じさせたり、レンズ等の光学部品の収差がページデータ像をぼやけさせ、符号間干渉を引き起こす。これらのノイズはいずれもページデータの位置に依存して発生する固定的なノイズとなるが、固定的なノイズを除去する適切な手段は提案されていない。 In addition, the holographic memory recording system uses various multiplexing methods such as angle multiplexing, phase code multiplexing, and spherical reference beam shift multiplexing, enabling multiplex recording of holograms at the same location. can be recorded. However, dirt such as dust adhering to the optical system or recording medium causes bit defects in the reproduced signal, and aberration of optical parts such as lenses blurs the page data image, causing intersymbol interference. All of these noises are fixed noises that occur depending on the position of page data, but no suitable means for removing the fixed noises has been proposed.
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、再生された符号化信号から情報の復号を行う際に、固定的ノイズを除去するとともにデータ誤りを低減することができ、さらに、十分な誤り訂正能力を発揮することのできる復号装置、ホログラム再生装置、及び復号方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention, which has been made in view of the above problems, is to eliminate fixed noise and reduce data errors when decoding information from a reproduced encoded signal. A further object of the present invention is to provide a decoding device, a hologram reproducing device, and a decoding method capable of exhibiting sufficient error correction capability.
上記課題を解決するために本発明に係る復号装置は、再生符号化信号を復号する復号装置であって、学習済みのニューラルネットワークにより前記再生符号化信号を復調判定して再生ビット列を生成し、前記ニューラルネットワークで計算されたクラス確率から各ビットの対数尤度比を求め、前記再生ビット列の誤り訂正を行うことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a decoding device according to the present invention is a decoding device for decoding a reproduced coded signal, wherein the reproduced coded signal is demodulated and determined by a trained neural network to generate a reproduced bit string, A log-likelihood ratio of each bit is obtained from the class probabilities calculated by the neural network, and error correction of the reproduced bit string is performed.
また、前記復号装置は、前記再生符号化信号を2次元符号化信号とし、前記ニューラルネットワークを畳み込みニューラルネットワークとすることが望ましい。 Moreover, it is preferable that the decoding device uses the reproduced encoded signal as a two-dimensional encoded signal and the neural network as a convolutional neural network.
また、前記復号装置は、前記2次元符号化信号から、所定数のピクセルからなるシンボルを抽出するシンボル抽出部と、学習済みの前記畳み込みニューラルネットワークにより、抽出された前記シンボルを復調判定して再生ビット列を生成するCNN(畳み込みニューラルネットワーク)復調判定部と、前記CNN復調判定部で計算されたクラス確率を規格化した規格化確率に基づいて、前記再生ビット列の各ビットの対数尤度比(LLR)を算出するLLR算出部と、前記対数尤度比に基づいて、前記再生ビット列の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、を備えることが望ましい。 Further, the decoding device includes a symbol extraction unit for extracting a symbol consisting of a predetermined number of pixels from the two-dimensional encoded signal, and a convolutional neural network that has been trained to demodulate and judge the extracted symbol and reproduce it. Based on a CNN (convolutional neural network) demodulation determination unit that generates a bit string and a normalized probability obtained by normalizing the class probability calculated by the CNN demodulation determination unit, the log likelihood ratio (LLR) of each bit of the reproduced bit string ), and an error correction decoding unit that performs error correction on the reproduced bit string based on the log-likelihood ratio.
また、前記復号装置は、前記シンボル抽出部が、前記シンボルを、前記シンボルの周囲ピクセルを含めて抽出することが望ましい。 Also, in the decoding device, the symbol extraction unit preferably extracts the symbol including surrounding pixels of the symbol.
また、前記復号装置は、前記クラス確率を規格化した規格化確率を求め、前記再生ビット列に基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1再生ビット列と、尤度を算出するビットを0とした第2再生ビット列を作成し、前記第1再生ビット列に対応する前記規格化確率と前記第2再生ビット列に対応する前記規格化確率との差分を、誤り訂正における前記対数尤度比とすることが望ましい。 Further, the decoding device obtains normalized probabilities obtained by normalizing the class probabilities, and, based on the reproduced bit string, obtains a first reproduced bit string in which a bit for calculating the likelihood is set to 1 and a bit for calculating the likelihood. creating a second reproduced bit string set to 0, and calculating the difference between the normalized probability corresponding to the first reproduced bit string and the normalized probability corresponding to the second reproduced bit string as the logarithmic likelihood ratio in error correction; It is desirable to
また、前記復号装置は、前記クラス確率を規格化した規格化確率を求め、前記再生ビット列に基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1再生ビット列と、尤度を算出するビットを0とした第2再生ビット列を作成し、前記第1再生ビット列に対応する前記規格化確率と前記第2再生ビット列に対応する前記規格化確率との差分の2乗を、誤り訂正における前記対数尤度比とすることが望ましい。 Further, the decoding device obtains normalized probabilities obtained by normalizing the class probabilities, and, based on the reproduced bit string, obtains a first reproduced bit string in which a bit for calculating the likelihood is set to 1 and a bit for calculating the likelihood. A second reproduced bit string with 0 is created, and the square of the difference between the normalized probability corresponding to the first reproduced bit string and the normalized probability corresponding to the second reproduced bit string is defined as the logarithmic likelihood in error correction. It is desirable to use the degree ratio.
上記課題を解決するために本発明に係るホログラム再生装置は、前記の復号装置を備えたホログラム再生装置であって、前記再生符号化信号がホログラム記録媒体から再生された信号であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a hologram reproducing apparatus according to the present invention is a holographic reproducing apparatus comprising the above-described decoding device, wherein the reproduced encoded signal is a signal reproduced from a hologram recording medium. do.
上記課題を解決するために本発明に係る復号方法は、再生符号化信号を復号する復号方法であって、学習済みのニューラルネットワークにより前記再生符号化信号を復調判定して再生ビット列を生成する工程と、前記ニューラルネットワークで計算されたクラス確率から各ビットの対数尤度比を算出する工程と、算出した前記対数尤度比に基づいて、前記再生ビット列の誤り訂正を行う工程と、を備えることを特徴とする。 A decoding method according to the present invention for solving the above problems is a decoding method for decoding a reproduced coded signal, comprising a step of determining demodulation of the reproduced coded signal by a trained neural network to generate a reproduced bit string. and calculating a log-likelihood ratio of each bit from the class probabilities calculated by the neural network; and performing error correction on the reproduced bit string based on the calculated log-likelihood ratio. characterized by
本発明における復号装置、ホログラム再生装置、及び復号方法によれば、再生された符号化信号から情報の復号を行う際に、固定的ノイズを除去するとともにデータ誤りを低減することができ、さらに、十分な誤り訂正能力を発揮することができる。 According to the decoding device, hologram reproducing device, and decoding method of the present invention, fixed noise can be removed and data errors can be reduced when information is decoded from a reproduced encoded signal, and furthermore, Sufficient error correction capability can be exhibited.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
再生信号(再生符号化信号)として2次元符号化信号を用い、再生信号から情報の復号を行う復号装置について説明する。図1は、本発明の実施の形態1の復号装置の一例のブロック図である。本実施形態では、再生信号(例えば、ホログラム記録媒体から再生された信号)が復号装置1に入力され、誤り訂正復号されたビット列が出力される。再生信号として、多値情報を有するピクセル(多値ピクセル)を用いてn:r変調されている2次元符号化信号を例として、説明する。
(Embodiment 1)
A decoding apparatus that uses a two-dimensional coded signal as a reproduced signal (reproduced coded signal) and decodes information from the reproduced signal will be described. FIG. 1 is a block diagram of an example of a decoding device according to
復号装置1は、シンボル抽出部10と、CNN復調判定部20と、LLR算出部30と、誤り訂正復号部40を備える。入力される再生信号(2次元符号化信号)としては、図11のホログラフィックメモリー記録システム(ホログラム再生装置)において、2次元撮像素子118で撮像(読取)された測定データを用いることができる。
The
[2次元符号化信号]
本実施形態で用いた、多値情報を有するピクセルを用いてn:r変調されている2次元符号化信号について説明する。
[Two-dimensional encoded signal]
A two-dimensional coded signal that is n:r-modulated using pixels having multilevel information and used in this embodiment will be described.
n:r変調の一例として、10:9変調を用いて説明する。10:9変調は、10bitのデータを9個(3×3)のピクセル(シンボル)からなる2次元符号で表わす変調方式である。ここでは、多値記録の方法として、振幅多値記録(光の輝度を利用した多値記録)を例として説明する。9個のピクセルのうち、3個を輝点とし、そのほかを暗点(黒)とするとともに、その輝点に中間値(中間輝度)を設定する。 As an example of n:r modulation, 10:9 modulation will be used for explanation. 10:9 modulation is a modulation method that expresses 10-bit data with a two-dimensional code consisting of 9 (3×3) pixels (symbols). Here, amplitude multi-value recording (multi-value recording using light luminance) will be described as an example of the multi-value recording method. Three of the nine pixels are set as bright points, the others are set as dark points (black), and an intermediate value (intermediate brightness) is set for the bright points.
設定する輝度は、例えば8bit階調の最小0~最大255の範囲として、輝点を255,170,85の3つの輝度レベルとし、3個の輝点のうち、必ず1つには255(最大輝度)が入るように選択をする。また、暗点(黒)の輝度レベルは、0(最小輝度)とする。これは、基準となる輝度(最大輝度255、最小輝度0)をデータに埋め込むことにより、その他の輝度レベル(170,85)の検出を容易にするためである。すなわち、符号化に使用する全ての2次元符号について、単位シンボルとなるrピクセルの中に、設定された信号値の範囲内で、少なくとも1つ最大値ピクセルと、少なくとも1つの最小値ピクセルとを含む2次元符号を用いる。
The brightness to be set is, for example, an 8-bit gradation in the range of
9個のピクセルから3つの輝点で3つの輝度レベルがあるとし、そのうちのひとつが必ず最大輝度255である場合の通りの総数は、1596通りである。この1596通りのパターンのうち、実際にデータ(2次元符号)として使用する部分は10bitであるので、210=1024である。 If there are 3 brightness levels from 9 pixels and 3 bright spots, and one of them always has the maximum brightness of 255, the total number of ways is 1596. Of these 1596 patterns, the portion actually used as data (two-dimensional code) is 10 bits, so 2 10 =1024.
1596通りから、誤る可能性の高いデータ並び(例えば、3つの輝点が255,85,85の場合等)を削除し、残ったパターンから1024通りのパターンを2次元符号として決定し、記録再生に利用する。 From the 1596 patterns, a data sequence with a high probability of error (for example, when three bright spots are 255, 85, 85, etc.) is deleted, and from the remaining patterns, 1024 patterns are determined as two-dimensional codes, and recorded and reproduced. to use.
なお、ここでは、輝度は3通りとしたが、より多数の中間輝度レベルを使えば、より多くのビットデータを記録できる。より多数の中間輝度レベルを使った場合であっても、以下に説明する本発明の復号方法は、全く同様に適用できる。 Here, although there are three brightness levels, more bit data can be recorded by using a larger number of intermediate brightness levels. Even if a larger number of intermediate luminance levels are used, the decoding method of the invention described below is equally applicable.
[シンボル抽出部]
図1に戻って、シンボル抽出部10は、入力された再生信号(2次元符号化信号)を、所定数のピクセルからなるシンボル(元のnbitに対応するrピクセル、ここでは3×3の9ピクセル)に分割して抽出し、抽出されたシンボルをCNN復調判定部20に出力する。なお、抽出はシンボル単位(3×3ピクセル)でもよいが、符号間干渉の影響を学習して除去するためには、当該シンボルの周囲ピクセルを含めた画像(例えば、5×5ピクセル)とすることが望ましい。
[Symbol extractor]
Returning to FIG. 1, the
[CNN復調判定部]
復調判定部20は、ニューラルネットワークを用いて、シンボル抽出部10から入力されたシンボルの復調判定を行う。本実施形態では、復調判定において使用する機械学習のアルゴリズムとして、2次元信号(画像)に対して効果の高い、畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)を用いた。よって、本実施形態では、CNN(畳み込みニューラルネットワーク)復調判定部20と記述する。
[CNN demodulation determination unit]
The
CNN復調判定部20は、入力画像(シンボル)に対して事前学習ずみのCNNを用いた処理を行い、出力されたクラス確率に基づいて、入力されたシンボルの判定を行い、判定されたシンボルに対応するnbitを再生ビット列(ビット列データ)としてLLR算出部30に出力する。また、後述するように、CNN処理の出力(内部ポテンシャルPCNN又はクラス確率CCNN)についてもLLR算出部30に出力する。CNN復調判定部20は、機械学習(例えば、ディープラーニング等)を用いた画像認識によって、光学系に起因するノイズ等の固定的なノイズを除去することができる。
The CNN
図2に、CNNによる画像(シンボル)認識の系統例を示す。入力信号としては、再生されたページデータ中の各シンボル画像(例えば3×3ピクセル)としてもよいが、本実施形態では、符号間干渉の影響を学習して除去するために、当該シンボルの周囲ピクセルを含む画像(例えば、5×5ピクセル)を入力とした。CNNは、入力信号を受容する複数のニューロン群(ここでは各ピクセルの輝度値を入力とする9個又は25個のニューロン)よりなる入力層21と、前段の層のニューロン群の興奮パターンを受容してパターン変換を行った後、次の段へ興奮パターンを出力するニューロン群(近接したピクセル間の特徴を検出するためのフィルタ処理を行う畳み込み層22、及び、畳み込み層の結果を結合する結合層23)よりなる中間層とを備えている。最終の中間層のニューロンの興奮パターンを受容して変換して出力する。
FIG. 2 shows a system example of image (symbol) recognition by CNN. The input signal may be each symbol image (for example, 3×3 pixels) in the reproduced page data. The input was an image containing pixels (eg, 5×5 pixels). The CNN has an
出力においては、n:r変調のnbit(ここでは10ビット)に対応するニューロン(1010=1024個のニューロン)が、それぞれCNN出力である内部ポテンシャルPCNNを出力する。この内部ポテンシャルPCNNをソフトマックス関数(Softmax function)で処理することにより、推定シンボルのそれぞれのクラス確率が出力される。入力されたシンボルに対する1024通りのクラス確率(図2では、棒グラフのイメージで記述)のうち、最も確率の高いものから直ちに復調判定結果(判定されたシンボル=復調された10ビットの再生ビット列)が得られる。 At the output, neurons (10 10 =1024 neurons) corresponding to n bits (here 10 bits) of n:r modulation output internal potentials P CNN , which are CNN outputs. By processing this internal potential P CNN with a Softmax function, the respective class probabilities of the estimated symbols are output. Of the 1024 class probabilities for the input symbol (denoted as a bar graph image in FIG. 2), the demodulation decision result (decided symbol = demodulated 10-bit reproduced bit string) is immediately displayed from the one with the highest probability. can get.
[CNNの学習]
CNNによる復調判定を行うためには、事前の機械学習が必要である。CNNの学習は次のように行うことができる。
[Learning CNN]
Prior machine learning is required for demodulation determination by CNN. Training a CNN can be done as follows.
図3に、再生ページデータ(記録媒体から読み出された画像データ)の復調系統の概略を示す。図1におけるCNN復調判定部20は、実際にはページデータの各エリア(3×3画素)に対応する複数のCNN復調判定部の集合体であり、構築するCNN復調判定部(畳み込みニューラルネットワークモデル)の数は、再生ページデータに含まれるシンボルの数と同数である。本実施形態のページデータのサイズは、例えば1740画素×1044画素であり、一つのページデータ中に201,840個のシンボルが存在することから、各シンボル1~201,840に対応する、201,840個の畳み込みニューラルネットワークモデルを構築する。この構成により、CNN復調判定部20-1~20-201840のそれぞれから、再生ビット列1~201840を同時に再生することができ、一つのページデータを一度に読み取ることができる。なお、並列的に出力された再生ビット列は、所定の順に配列して、入力された1,009,200ビットの記録ビット列が復調される。
FIG. 3 shows an outline of a demodulation system for reproduced page data (image data read from a recording medium). The CNN
アルゴムリズムの学習に使用する教師データには、同一のホログラム記録再生装置から再生されたページデータ(多重データの一部)と、記録ビット列(記録した元データ)を用いる。多数の再生ページデータは、ページデータ中のシンボル位置ごとに集合化し、CNN(畳み込みニューラルネットワーク)に入力させる。CNNから出力された結果と、記録ビット列を比較し、誤差逆伝播法を用いてCNNの各パラメーターを学習させる。ページデータを分割して位置ごとに、シンボル単位(又は周囲ピクセルを含む5×5ピクセル単位)で機械学習を行うことにより、ページデータ中の位置ごとに依存して生じるノイズや光学的な伝達関数を考慮した10:9変調の復調アルゴリズムを機械的に取得し(すなわち、ホログラム記録再生装置の光学系に含まれるノイズや収差等の光学特性とページデータの復調アルゴリズムを同時に取得し)、高精度にデータを復調可能となる。すなわち、CNNを用いることにより、固定的なノイズを学習し、その影響を除去することができる。 Page data (a part of multiplexed data) reproduced from the same hologram recording/reproducing apparatus and a recording bit string (recorded original data) are used as teacher data used for algorithm learning. A large number of reproduced page data are grouped for each symbol position in the page data and input to a CNN (convolutional neural network). The results output from the CNN are compared with the recorded bit string, and each parameter of the CNN is learned using the error backpropagation method. By dividing the page data and performing machine learning on a per-symbol basis (or per 5 x 5 pixels including surrounding pixels) for each position, noise and optical transfer functions that occur depending on each position in the page data The 10:9 modulation demodulation algorithm is mechanically acquired in consideration of (that is, the optical characteristics such as noise and aberration included in the optical system of the hologram recording and reproducing device and the page data demodulation algorithm are acquired at the same time), and high accuracy data can be demodulated. That is, by using CNN, fixed noise can be learned and its influence can be removed.
[LLR算出部]
LLR算出部30は、CNNの出力(内部ポテンシャルPCNN又はクラス確率CCNN)に基づいて、各ビットの対数尤度比(LLR)を算出し、誤り訂正復号部40に出力する。CNNによって計算された内部ポテンシャルPCNNを利用して、LDPCの尤度を算出する手法について説明する。
[LLR calculation unit]
The
例えば、CNN復調判定部20での判定結果として、クラス確率が最も高かったシンボルの判定が10:9変調で512を示すシンボルであったとすると、復調判定された再生ビット列は「1000000000」(=512)である。このとき、10ビットの各ビット列に対応する1024通りのシンボルの内部ポテンシャルPCNN(n):n=0~1023が同時に求められる。
For example, assuming that the determination result of the CNN
まず、前述の(3)式を念頭に、内部ポテンシャルPCNNのexpをとり、-1から1に規格化した形で、規格化確率PCNN-exp-normalize(n)を計算した。 First, with the above equation (3) in mind, the exp of the internal potential P CNN was taken and normalized from -1 to 1 to calculate the normalized probability P CNN-exp-normalize (n).
なお、CNNのクラス確率CCNNは、ソフトマックス関数を用いて、内部ポテンシャルPCNNから一般に次式(6)で表わされる。 The class probability C CNN of the CNN is generally represented by the following equation (6) from the internal potential P CNN using the softmax function.
すると、上記の(5)式は、クラス確率CCNNを用いて、次式(7)のように表わすこともできる。すなわち、規格化確率PCNN-exp-normalize(n)は、クラス確率を-1から1に規格化したものとも言える。 Then, the above equation (5) can also be expressed as the following equation (7) using the class probability C CNN . That is, the normalized probability P CNN-exp-normalize (n) can be said to be the class probability normalized from −1 to 1.
次に、再生ビット列「1000000000」(=512)の上位1ビットのLLRを求めたいとき、当該ビットを1としたときのビット列(第1再生ビット列)「1000000000」(=512)の規格化確率PCNN-exp-normalize(512)と、当該ビットを0としたときのビット列(第2再生ビット列)「0000000000」(=0)の規格化確率PCNN-exp-normalize(0)とを求める。そして、PCNN-exp-normalize(n)のexpをとることによって、条件付き確率とする。これらから、上位1ビットのLLR(λn)は、次式(8)のように算出される。 Next, to find the LLR of the upper 1 bit of the reproduced bit string "1000000000" (=512), the normalized probability P of the bit string (first reproduced bit string) "1000000000" (=512) when the relevant bit is set to 1 CNN-exp-normalize (512) and the normalized probability P CNN-exp-normalize (0) of the bit string (second reproduced bit string) "0000000000" (=0) when the relevant bit is set to 0 are obtained. The conditional probability is obtained by taking the exp of P CNN-exp-normalize (n). From these, LLR (λ n ) of the upper 1 bit is calculated as shown in the following equation (8).
したがって、上位1ビット目のLLRは、次式(9)で表わされる。 Therefore, the LLR of the first high-order bit is represented by the following equation (9).
なお、後述の検証結果によれば、上記の(9)式の値を二乗した、(10)式によってLLRを求めてもよい。(10)式を用いて、同様に、誤り訂正を行うことができる。 Note that, according to the verification results described later, the LLR may be obtained by the equation (10) obtained by squaring the value of the equation (9). (10) can be used to similarly perform error correction.
参考までに、再生ビット列「1000000000」(=512)の上位から2ビット目のビットのLLRを求めたいときは、当該ビットを1としたときの第1再生ビット列「1100000000」(=768)のPCNN-exp-normalize(768)と、当該ビットを0としたときの第2再生ビット列「1000000000」(=512)のPCNN-exp-normalize(512)とを求める。これらから、上位から2ビット目のビットのLLR(λn)は、次式(11)のように算出される。 For reference, if you want to find the LLR of the second bit from the uppermost bit of the reproduced bit string "1000000000" (=512), the P CNN-exp-normalize (768) and P CNN-exp-normalize (512) of the second reproduced bit string "1000000000" (=512) when the relevant bit is set to 0 are obtained. From these, the LLR (λ n ) of the second bit from the high order is calculated by the following equation (11).
[誤り訂正復号部]
誤り訂正復号部40は、LLR算出部30から入力された各ビットの対数尤度比(LLR)に基づいて、誤り訂正復号を行い、誤り訂正されたビット列を出力する。このビット列が、復号装置1の出力となる。本発明では、符号化手段としてLDPCを用いており、誤り訂正復号部40は、例えば、前述のsum-productアルゴリズムを用いて復号を行うことができる。
[Error correction decoder]
The error
以上のように、CNNを利用して、再生信号の復調判定、及びLLRを用いた誤り訂正復号を行うことができる。 As described above, CNN can be used to perform demodulation determination of reproduced signals and error correction decoding using LLRs.
(実施の形態2)
これまで、多値情報を有する2次元符号化信号から情報の復号を行う復号装置1について説明したが、実施の形態1の復号装置1を、図11のホログラフィックメモリー記録システムの演算装置119で構成することにより、多値の2次元信号の再生・復号を行うホログラム再生装置が実現できる。このホログラム再生装置は、再生信号(2次元符号化信号)をホログラム記録媒体から読みだされた再生信号とし、記録されていたデータを誤り訂正して出力でき、実施の形態1と同様の作用・効果を奏する。
(Embodiment 2)
So far, the
(実施の形態3)
また、上記の実施の形態1では、復号装置1の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、再生信号(2次元符号化信号)から情報の復号を行う復号方法として構成されてもよい。すなわち、図1のデータの流れに従って、再生信号から2次元符号化されたシンボルを抽出する工程と、学習済みのニューラルネットワーク(例えば、CNN)により再生信号(シンボル)を復調判定して再生ビット列を生成する工程と、ニューラルネットワークで計算されたクラス確率から各ビットの対数尤度比を算出する工程と、算出した対数尤度比に基づいて、再生ビット列の誤り訂正を行う工程とを有する復号方法として、構成されてもよい。
(Embodiment 3)
Further, although the configuration and operation of the
(本発明の他の応用形態)
上記の説明では、ホログラム記録媒体から再生した、n:r変調された2次元符号化信号の復号に基づいて説明したが、再生信号は、例えば、所定の記録媒体から読み出した又は伝送路を介して伝送されたQRコード(登録商標)等の他の2次元符号化信号であってもよい。LDPC符号化がなされた2次元信号は、実施の形態1と全く同様に復号処理を行うことができる。
(Other application forms of the present invention)
The above description is based on the decoding of the n:r-modulated two-dimensional encoded signal reproduced from the hologram recording medium. Other two-dimensional coded signals such as a QR code (registered trademark) transmitted through the transmission may also be used. An LDPC-encoded two-dimensional signal can be decoded in exactly the same manner as in the first embodiment.
また更に、再生信号は、2次元符号化信号に限られず、ある伝送路を伝送された時系列の符号化信号であってもよい。なお、このときはニューラルネットワークとして、時系列データの処理を行うことができる、例えば、リカレントニューラルネットワーク(RNN:Recurrent Neural Network)等を用いて復調判定を行うことができる。このときは、伝送路に発生する固定的なノイズ(例えば、テレビジョン放送を地上波で伝送する場合であれば、特定の建築物から生じる反射波ノイズ等)を除去することができ、受信信号(再生信号)について精度の良い復調判定と誤り訂正を行うことができる。 Furthermore, the reproduced signal is not limited to a two-dimensional encoded signal, and may be a time-series encoded signal transmitted through a certain transmission path. In this case, a recurrent neural network (RNN: Recurrent Neural Network) or the like, which can process time-series data, can be used as a neural network to perform demodulation determination. In this case, fixed noise generated in the transmission path (for example, in the case of transmitting television broadcasting by terrestrial waves, reflected wave noise generated from a specific building, etc.) can be removed, and the received signal It is possible to perform highly accurate demodulation determination and error correction for (reproduced signal).
[効果の検証]
様々なノイズを想定・付加し、本発明のCNN方式と、測定値基準方式との違いを検証した。
[Verification of effect]
Various noises were assumed and added, and the difference between the CNN method of the present invention and the measurement value reference method was verified.
まず、比較対象となる測定値基準方式について、簡単に説明する。測定値基準方式の硬判定は、再生信号の測定値に基づいて、rピクセル(例えば9ピクセル)の中から輝度の高い順に3ピクセルを選択し、最も輝度の高いピクセルを最大輝度ピクセルとし、他の2つのピクセルを、所定のしきい値に基づいて、どの輝度レベルであるかを判定する。これにより、輝度の高い3つのピクセルの輝度とその配置が定まるから、これに基づいて1024通りのパターンの内から一致するrピクセルのシンボル(2次元符号)を決定し、これに対応するnbit(10bit)を硬判定結果として出力する。 First, the measurement value reference method to be compared will be briefly described. In the measurement-based hard decision, 3 pixels are selected from r pixels (for example, 9 pixels) in descending order of luminance based on the measured value of the reproduced signal, and the pixel with the highest luminance is set as the maximum luminance pixel, and the other pixels are selected. are determined based on a predetermined threshold to determine which luminance level they are. As a result, the luminance and the arrangement of the three pixels with the highest luminance are determined. Based on this, the matching r-pixel symbol (two-dimensional code) is determined from among the 1024 patterns, and the corresponding nbit ( 10 bits) is output as a hard decision result.
また、測定値基準方式の誤り訂正復号は、特許文献4の方式を、多値ピクセルを利用した2次元符号に拡張して、LLRを算出した。具体的には、誤り訂正復号に用いるLLRを、硬判定されたnbitのデータに基づいて、尤度を算出するビットを1とした第1nbitと、尤度を算出するビットを0とした第2nbitを作成し、第1nbitを対応する第1rピクセルデータに、第2nbitを対応する第2rピクセルデータに変換し、第1及び第2rピクセルデータとrピクセルの測定値(信号値)との距離の二乗の差分に基づいて、算出した。
In addition, for the error correction decoding of the measurement value standard method, the method of
測定値基準方式とCNN方式とのビット誤り率と、誤り訂正復号結果を比較する。ここでは、LDPCブロック(情報ビット+検査ビット)を19500bitの構成とし、100ブロックについてそれぞれ計算した。 The bit error rates and error correction decoding results of the measurement-based method and the CNN method are compared. Here, the LDPC block (information bit+check bit) is assumed to have a configuration of 19500 bits, and the calculation is performed for each of 100 blocks.
図4に、測定値基準方式による硬判定結果の誤り率を示す。横軸は100個のブロック番号であり、縦軸は、ビット誤り率ber(Bit Error Rate)である。硬判定での平均誤り率は6.45×10-2であった。 FIG. 4 shows the error rate of the hard decision result by the measurement value reference method. The horizontal axis is the 100 block number, and the vertical axis is the bit error rate ber. The average error rate in hard decision was 6.45×10 −2 .
図5は、測定値基準方式による誤り訂正の一例である。横軸は、LDPC誤り訂正のsum-productアルゴリズムの繰り返し回数であり、縦軸は、繰り返し処理後の誤り率である。ここでは、サンプルとして、30番目のブロック(ber=0.0588)を用い、前述の方式によりLLRを算出してLDPC誤り訂正したところ、図5に示すように発散してしまい、エラー訂正不可能であった。また、この傾向は100ブロック全てで同じであった。 FIG. 5 is an example of error correction by the measurement value reference method. The horizontal axis is the number of iterations of the sum-product algorithm for LDPC error correction, and the vertical axis is the error rate after iterative processing. Here, the 30th block (ber=0.0588) is used as a sample, and when the LLR is calculated by the above-described method and LDPC error correction is performed, the error diverges as shown in FIG. Met. Moreover, this tendency was the same for all 100 blocks.
一方、図6に、CNN方式による復調判定結果の誤り率を示す。図4と同じく、横軸は100個のブロック番号であり、縦軸は、ビット誤り率ber(Bit Error Rate)である。復調判定結果での平均誤り率は5.57×10-3であった。図6と図4の比較により、CNN方式の復調では平均誤り率で、硬判定より1桁の改善効果があることが分かる。 On the other hand, FIG. 6 shows the error rate of the demodulation decision result by the CNN system. As in FIG. 4, the horizontal axis is 100 block numbers, and the vertical axis is the bit error rate ber. The average error rate in the demodulation judgment result was 5.57×10 −3 . A comparison of FIG. 6 and FIG. 4 reveals that the average error rate in CNN demodulation is improved by one order of magnitude compared to hard decision.
さらに、図7は、CNN方式による誤り訂正の一例である。図5と同様に、横軸は、LDPC誤り訂正のsum-productアルゴリズムの繰り返し回数であり、縦軸は、繰り返し処理後の誤り率である。ここでは、サンプルとして、3番目のブロック(ber=0.0062)を用い、前述の規格化確率PCNN-exp-normalize(n)を用いた(9)式を利用してLLRを算出し、LDPC誤り訂正した。図7より、LDPC訂正アルゴリズムでの収束も、繰り返し回数3回と素早く収束している。誤り訂正能力についても、CNN方式は測定値基準方式よりも優れている。 Furthermore, FIG. 7 is an example of error correction by the CNN method. As in FIG. 5, the horizontal axis represents the number of iterations of the sum-product algorithm for LDPC error correction, and the vertical axis represents the error rate after iterative processing. Here, the third block (ber = 0.0062) is used as a sample, and the LLR is calculated using equation (9) using the normalized probability P CNN-exp-normalize (n) described above, LDPC error corrected. As can be seen from FIG. 7, the LDPC correction algorithm also converges quickly with 3 iterations. The CNN method is also superior to the measurement-based method in terms of error correction capability.
図8は、CNNの内部ポテンシャルPCNNを利用した様々なLLRの算出方法について、それぞれの誤り訂正の特性を比較したものである。図8中の関数の()内の+1と-1は、所定ビットを1(μの+1に対応)としたときと、所定ビットを0(μの-1に対応)としたときの規格化確率を用いることを意味している。 FIG. 8 compares the error correction characteristics of various LLR calculation methods using the internal potential P CNN of the CNN. +1 and -1 in parentheses of the function in FIG. 8 are standardized when the predetermined bit is set to 1 (corresponding to +1 of μ) and when the predetermined bit is set to 0 (corresponding to -1 of μ). It means using probabilities.
なお、尤度(LLR)の計算手法として、前述の(9)式と(10)式以外にも、規格化確率の2乗の引き算を行う(12)式と、expを計算しない(13)式についても比較した。 In addition to formulas (9) and (10), the likelihood (LLR) calculation method includes formula (12) for subtracting the square of the normalized probability and formula (13) for not calculating exp. Formulas were also compared.
図8の横軸はブロック番号であり、100ブロックそれぞれについて計算した結果を示している。縦軸は収束回数を示しており、繰返し計算の上限を30回として設定している。つまり、30回未満の点はその回数で収束しており、30回になっているのは、上限の30回でも収束していない事を示している。図8から明らかなように、(9)式、(10)式の2つの方式はすぐに収束しているが、(12)式についてはひとつも収束せず、(13)式については一部のみが収束している。 The horizontal axis of FIG. 8 is the block number, and indicates the result of calculation for each of the 100 blocks. The vertical axis indicates the number of times of convergence, and the upper limit of iterative calculation is set to 30 times. In other words, points less than 30 converge at that number of times, and 30 times indicates that convergence has not occurred even with the upper limit of 30 times. As is clear from FIG. 8, the two methods of equations (9) and (10) converge immediately, but none of the equations (12) converge, and some of the equations (13) only converges.
したがって、本発明のCNN方式(特に、規格化確率の差分を用いる手法)を用いることにより、全てのデータで訂正可能となり、さらに訂正時の繰返し回数も低減できる事が分かった。 Therefore, by using the CNN method of the present invention (particularly, the method using the difference of normalized probabilities), it is possible to correct all data, and furthermore, it is possible to reduce the number of iterations during correction.
図9に、CNN方式と測定値基準方式の誤り率及び誤り訂正能力の比較を示す。図9の横軸は測定値基準方式による硬判定誤り率、縦軸は本発明のCNN方式による復調判定誤り率であり、グラフの各点は、両方式で同じLDPCブロックを判定したときの誤り率を示している。図4と図6の比較でも示したように、CNN方式の復調判定は硬判定より誤り率が約1桁改善される。 FIG. 9 shows a comparison of the error rate and error correction capability between the CNN scheme and the measurement-based scheme. The horizontal axis of FIG. 9 is the hard decision error rate by the measured value reference method, and the vertical axis is the demodulation decision error rate by the CNN method of the present invention. rate. As shown in the comparison between FIG. 4 and FIG. 6, the demodulation decision of the CNN system improves the error rate by about one order of magnitude compared to the hard decision.
また、図9には、横軸を訂正前の判定結果の誤り率として、CNN方式と測定値基準方式のそれぞれ方式で誤り訂正復号した場合の誤り訂正限界を破線で示している。測定値基準方式による訂正可能な領域は、1.8×10-2が許容限であったのが、CNN方式を使用することにより、2.7×10-1まで許容限を広げることが可能となった。よって、本発明のCNN方式による手法を用いることにより、測定値基準方式では訂正不可能であったデータでも訂正可能となる。 In FIG. 9, the error rate of the determination result before correction is plotted on the horizontal axis, and the error correction limit when error correction decoding is performed by each of the CNN method and the measurement value reference method is indicated by a dashed line. The allowable limit of the correctable area by the measurement value standard method was 1.8×10 -2 , but by using the CNN method, it is possible to expand the allowable limit to 2.7×10 -1 became. Therefore, by using the method according to the CNN method of the present invention, it becomes possible to correct even data that cannot be corrected by the measurement value standard method.
なお、上述した復号装置1として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、復号装置1の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。
A computer can be suitably used to function as the
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。 Although the above embodiments have been described as representative examples, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions may be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as limited by the embodiments described above, and various modifications and changes are possible without departing from the scope of the appended claims. For example, it is possible to combine a plurality of configuration blocks described in the embodiments into one or divide one configuration block.
1 復号装置
10 シンボル抽出部
20 CNN復調判定部
21 入力層
22 畳み込み層
23 結合層
30 LLR算出部
40 誤り訂正復号部
100 ホログラフィックメモリー記録システム
101 レーザ光源
102 シャッタ
103 1/2波長板
104 PBS(偏光ビームスプリッタ)
105 シャッタ
106 拡大レンズ
107 PBS(偏光ビームスプリッタ)
108 SLM(空間光変調素子)
109 FTレンズ
110 空間フィルタ
111 FTレンズ
112 FTレンズ
113 ホログラム記録媒体
114 リレーレンズ
115 ガルバノミラー
116 PBS
117 1/2波長板
118 2次元撮像素子
119 演算装置
120 ミラー
121 ガルバノミラー
122 リレーレンズ
1 decoding
105
108 SLM (spatial light modulator)
109
117 1/2
Claims (8)
学習済みのニューラルネットワークにより前記再生符号化信号を復調判定して再生ビット列を生成し、
前記ニューラルネットワークで計算されたクラス確率から各ビットの対数尤度比を求め、前記再生ビット列の誤り訂正を行うことを特徴とする、復号装置。 A decoding device for decoding a reproduced encoded signal,
determining demodulation of the reproduced coded signal by a trained neural network to generate a reproduced bit string;
A decoding device, wherein a log-likelihood ratio of each bit is obtained from the class probabilities calculated by the neural network, and error correction is performed on the reproduced bit string.
前記2次元符号化信号から、所定数のピクセルからなるシンボルを抽出するシンボル抽出部と、
学習済みの前記畳み込みニューラルネットワークにより、抽出された前記シンボルを復調判定して再生ビット列を生成するCNN(畳み込みニューラルネットワーク)復調判定部と、
前記CNN復調判定部で計算されたクラス確率を規格化した規格化確率に基づいて、前記再生ビット列の各ビットの対数尤度比(LLR)を算出するLLR算出部と、
前記対数尤度比に基づいて、前記再生ビット列の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、
を備えることを特徴とする、復号装置。 In the decoding device according to claim 2,
a symbol extraction unit for extracting a symbol consisting of a predetermined number of pixels from the two-dimensional encoded signal;
a CNN (convolutional neural network) demodulation determination unit that demodulates and determines the extracted symbols by the trained convolutional neural network to generate a reproduced bit string;
an LLR calculation unit that calculates a logarithmic likelihood ratio (LLR) of each bit of the reproduced bit string based on a normalized probability obtained by normalizing the class probability calculated by the CNN demodulation determination unit;
an error correction decoding unit that performs error correction on the reproduced bit string based on the logarithmic likelihood ratio;
A decoding device, characterized by comprising:
前記再生符号化信号がホログラム記録媒体から再生された信号である、ホログラム再生装置。 A hologram reproducing device comprising the decoding device according to any one of claims 1 to 6,
A hologram reproducing apparatus, wherein the reproduced encoded signal is a signal reproduced from a hologram recording medium.
学習済みのニューラルネットワークにより前記再生符号化信号を復調判定して再生ビット列を生成する工程と、
前記ニューラルネットワークで計算されたクラス確率から各ビットの対数尤度比を算出する工程と、
算出した前記対数尤度比に基づいて、前記再生ビット列の誤り訂正を行う工程と、
を備えることを特徴とする、復号方法。 A decoding method for decoding a reproduced encoded signal,
determining demodulation of the reproduced coded signal by a trained neural network to generate a reproduced bit string;
calculating a log-likelihood ratio of each bit from the class probabilities calculated by the neural network;
error correction of the reproduced bit string based on the calculated log-likelihood ratio;
A decoding method, characterized in that it comprises:
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010020813A (en) | 2008-07-08 | 2010-01-28 | Pioneer Electronic Corp | Information decoder and method |
JP2010238316A (en) | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Sony Corp | Reproducing device and reproducing method |
JP2012069179A (en) | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Jvc Kenwood Corp | Equalizer and equalization method |
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Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5497253A (en) * | 1988-07-18 | 1996-03-05 | Northrop Grumman Corporation | Multi-layer opto-electronic neural network |
JP2797035B2 (en) * | 1991-01-31 | 1998-09-17 | 日本ビクター株式会社 | Waveform processing device using neural network and design method thereof |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010020813A (en) | 2008-07-08 | 2010-01-28 | Pioneer Electronic Corp | Information decoder and method |
JP2010238316A (en) | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Sony Corp | Reproducing device and reproducing method |
JP2012069179A (en) | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Jvc Kenwood Corp | Equalizer and equalization method |
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