赵雅慧同学在全息存储研究中取得新进展
由于复杂噪声的影响和相位重建方法的局限性，相位调制型全息存储系统的接收图像和重建相位很容易出现错误。较高的错误率严重阻碍了相位调制型全息存储的实用化。低密度奇偶校验（low-density parity-check，LDPC）码作为一类广泛使用的纠错码，可以用于纠正系统中出错的相位数据。然而如果直接将传统的LDPC码应用于相位调制型全息存储系统，译码所需的初始LLR信息只能通过读取数据中各个比特的取值获取。获取的初始LLR由于没有充分考虑相位解调数据的特征，因而不够准确。不准确的初始LLR会限制LDPC的译码性能，进而限制全息存储系统的可靠性。华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生赵雅慧等人在与福建师范大学信息光子学研究中心合作研究中通过分析和利用相位解调特征，提出了一种可靠比特感知的LDPC码，简称 RaLDPC。RaLDPC具有更强的纠错性能，可以提高相位调制全息存储的数据可靠性。 该研究首先对重建相位组进行了观察。重建相位组可以按照其包含的相位类型分成case1、case2、case3和case4四类。四类case包含的相位类型数目分别为1、2、3和4。相位错误主要来自case2。假设case2包含的两种相位为Pi和Pj，记录相位要么来自Pi，要么来自Pj，基本不可能来自其他相位。于是对Pi和Pj的所有取值情况进行了进一步的观察。观察发现，在某些取值情况下Pi和Pj所对应的码元Ci和Cj存在取值相同的比特。如表1所示，对于Situation 1、4、9和12，Ci和Cj的最低有效位（LSB）相同；对于Situation 3、5、8和10，Ci和Cj的最高有效位（MSB）相同。当重建相位组符合这些情况时，无论记录的是何种相位，总可以确定一个比特的取值。取值确定的比特比其他比特更可靠，称为可靠比特。RaLDPC可以利用可靠比特特征优化初始LLR的设置。 |
| 表1. 相位Pi和Pj的取值情况 |
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RaLDPC包括两个部分。第一个部分是可靠比特识别。如图1所示，对于相位重建得到的每个相位组，首先判断相位组包含的相位类型数目，然后按照相位类型数目确定相位组所属的case，之后对case2包含的两种相位执行相位解调并获得相应的两个码元。当两个码元的某个比特取值相同时，该比特便是可靠比特。 |
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| 图1. 可靠比特识别过程 |
第二个部分是初始LLR的设置。如图2所示，初始LLR的设置分为初始LLR极性的设置和初始LLR权重的设置。初始LLR的极性通过相位解调数据的比特值确定。如果比特值为1则极性为“+”，如果比特值为0则极性为“-”。初始LLR的权重通过可靠比特特征来确定。如果为可靠比特则权重为k，如果不为可靠比特则权重为1。注意k大于1。 |
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| 图2. 初始LLR配置过程 |
在图3所示的系统上进行了实验以评估RaLDPC的效果。实验中总共记录和读取了1000个数据帧。对于每一个数据帧，分别使用传统LDPC和RaLDPC执行译码操作，记录了两种方法下的比特错误率(BER)。 |
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| 图3. 相位调制全息存储系统装置 |
实验结果如图4所示。相比于传统LDPC码，RaLDPC在各个码率下都能获得0.2dB的性能增益。无论使用哪一种码率，RaLDPC码在相同的信噪比下都能得到比传统LDPC更小的BER。由此可见RaLDPC确实可以提高相位调制型全息存储系统的可靠性。 |
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| 图4. 各个信噪比下传统LDPC译码和RaLDPC译码后的比特错误率 |
上述研究成果以“Improving the data reliability of phase modulated holographic storage using a reliable bit aware low-density parity-check code ”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optical Express, Vol.30, No.21, 37579-37594 (2022)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.464537 |
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(2022.09.12)
