4. Коррекция ошибок в формате BluRay

Защита информации от ошибок в формате BluRay осуществляется следующим образом. Последовательность информационных байт делится на массивы по 64 кб в каждом (1 кб равен 1024 байтам, следовательно, 64 кб = 1024 × 64 = 65536 байт). Из этого массива данных формируется блок коррекции ошибок или ЕСС-блок (ECC – Error Correction Code). Для образования кодовых слов весь массив данных делится на 304 группы из 216 байт. Эти 216 байт являются информационными символами кодового слова кода Рида-Соломона [248,216,32]. По этим 216 символам кодер рассчитывает 32 проверочных символа, формируя, таким образом, кодовое слово из 248 байт. Затем над полученными кодовыми словами производится операция перемежения, в результате которой из них формируется таблица, показанная на рис. 4.1. Физически такая таблица реализуется как область оперативной памяти с соответствующей адресацией.

Направление считывания данных для записи на диск

155 байт

S

38 байт

38 байт

38 байт

38 байт

1

1

1

- байты данных

- ошибочные пикет-байты

- проверочные байты

- ошибочные байты данных (стирания)

- байты синхронизации

- пикет-байты

Рис. 4.1. Структура блока ЕСС в формате BluRay

Последовательность кодовых слов размещается по столбцам таблицы, по два кодовых слова в столбце. В крайнем левом столбце верхние 216 ячеек занимают информационные символы первого кодового слова (первый байт – самый верхний, второй на строчку ниже и т.д.). Следующие 216 ячеек занимают информационные символы второго кодового слова. Еще ниже располагаются 32 проверочных символа первого кодового слова, а под ними – 32 проверочных символа второго кодового слова. Таким же образом заполняется второй столбец таблицы: верхние 216 ячеек занимают информационные символы третьего кодового слова, под ними – 216 информационных символов четвертого кодового слова, ниже – 32 проверочных символа третьего кодового слова, еще ниже – 32 проверочных символа четвертого кодового слова. Подобным же образом заполняются и оставшиеся 150 столбцов.

Считывание информации для кодирования канальным кодом и дальнейшей записи на диск производится по строкам таблицы. Поэтому в результате перемежения символы (байты) одного и того же кодового слова оказываются равномерно распределены на интервале в 65536 байт. Это означает, что при записи на диск они окажутся равномерно распределены на достаточно длинном участке дорожки, благодаря чему достигается очень хорошая защита информации от повреждения при наличии на поверхности диска царапин, пылинок или отпечатков пальцев.

Код Рида-Соломона [248,216,32] относится к классу кодов с большим минимальным расстоянием, или кодам LDC (Long Distance Code).

Как известно из теории помехоустойчивого кодирования, минимальное расстояние кода d характеризует его обнаруживающую и исправляющую способность. В соответствии с определением границы Синглтона, минимальное расстояние любого линейного [n,k]-кода удовлетворяет неравенству

где n – общее число символов в кодовом слове, а k – число информационных символов. Количество ошибок t_o, которое код гарантированно может обнаружить, равно

t_o ≥ d -1.

Количество ошибок t_и, которое код может гарантированно обнаружить и исправить, равно

Если позиция ошибки в кодовом слове известна, то такая ошибка называется стиранием. Исправлять стирание легче, поскольку не требуются вычисления для определения позиции. Поэтому количество стираний t_c, которое код может исправить, равно количеству ошибок, которые он может обнаружить. Т.е. t_c = t_o.

У рассматриваемого кода Рида-Соломона n = 248, а k = 216. Тогда

d ≤ 1 + n – k = 1 + 248 –216 = 33.

Следовательно, он способен гарантированно обнаружить 32 ошибки, и гарантированно исправить 16 ошибок с неизвестными позициями или 32 ошибки, позиции которых известны заранее (стирания).

Ошибки бывают двух типов: случайные ошибки, длина которых редко превышает один символ, и пакеты ошибок, длина которых может достигать нескольких десятков и даже сотен символов. Случайные ошибки вызваны в основном дефектами тиражирования или мелкими пылинками и встречаются намного чаще пакетов ошибок. Такие ошибки, несмотря на их многочисленность, неопасны, поскольку легко исправляются кодами Рида-Соломона. Пакеты ошибок возникают при наличии крупных царапин или отпечатков пальцев на поверхности диска. И хотя встречаются они достаточно редко, исправлять их гораздо труднее, поскольку используемый код Рида-Соломона способен исправить только 16 ошибок в кодовом слове. Для того чтобы облегчить работу декодера, в системе BluRay, как и в любой другой системе записи информации, используется перемежение данных, благодаря чему, как говорилось выше, символы одного кодового слова равномерно распределяются на большом участке дорожки записи и никакая, даже самая глубокая и длинная царапина или отпечаток пальца, не смогут стать причиной искажения более чем нескольких символов одного кодового слова.

Тем не менее, для того чтобы можно было обнаружить длинные пакеты ошибок, в системе BluRay используется еще один прием. Между каждыми 38 столбцами байт данных вставляются столбцы из так называемых пикет-байт (см. рис. 4.1). Эти пикет-байты также кодируются кодом Рида-Соломона [62,30,32], который называется BIS-кодом (BIS – Burst Indicator Subcode) или пикет-кодом. Кодовые слова BIS-кода содержат по 30 информационных и 32 проверочных символа в каждом слове. Таким образом, в одном столбце из 496 символов содержится 8 кодовых слов BIS-кода (62×8 = 496). Кроме того, над символами BIS-кода также выполняется операция перемежения – эти символы перераспределяются по определенному закону между тремя столбцами. Следует отметить, что и BIS-код и основной код имеют по 32 проверочных символа, что позволяет при декодировании использовать один и тот же декодер.

Самый левый столбец содержит байты синхронизации, которые обозначают начало каждой строки таблицы и, также как и пикет-байты, могут использоваться для обнаружения пакетов ошибок.

При воспроизведении диска пикет-код декодируется первым, и если при этом обнаруживается картина ошибок, подобная той, что показана на рис. 4.1, то считается, что символы основных данных в строках между ошибочными пикет-байтами также ошибочны, и в дальнейшем эти символы корректируются как стирания. Если байт синхронизации не опознается, то считается, что он также содержит ошибку и используется как ошибочный пикет-байт. Это позволяет вдвое увеличить корректирующую способность основного кода Рида-Соломона.

Информационные символы BIS-кода содержат адресные данные. Они также кодируются кодом Рида-Соломона [9,5,4], т.е. кодовое слово этого кода содержит 5 информационных символов и 4 проверочных. Эти данные декодируются независимо от данных ЕСС.

Таким образом, помехоустойчивое кодирование с большой конструктивной длиной вместе с эффектом расфокусировки светового луча на поверхности диска образуют мощную систему защиты информации, содержащейся на диске, от воздействия пыли и грязи (рис. 4.2).

На рис. 4.3 приведены сравнительные характеристики блоков ЕСС в форматах BD и DVD в предположении, что информационный слой у диска DVD, так же, как и у диска BD, находится на расстоянии 0,1 мм от внешней поверхности. Диаметр светового пятна на поверхности диска в обоих случаях будет одинаков – 138 мкм. Размер дефекта, показанный на рисунке, всего 30 мкм, и влияние его на интенсивность отраженного пучка незначительно.

Размер блока ЕСС в формате BD в 2 раза больше размера блока ЕСС в формате DVD – 64 кБ против 32, соответственно. К тому же количество проверочных байт в каждом кодовом слове кода РС формата BD (32) в 2 раза больше количества проверочных байт в кодовом слове кода РС формата DVD (16). В процессе кодирования информационные байты в формате BD дважды подвергаются процедуре перемежения внутри большого блока ЕСС, поэтому после воспроизведения и выполнения обратной процедуры деперемежения, пакеты ошибок, возникающие из-за наличия крупных дефектов, преобразуются в небольшое число случайных ошибок, которые легко корректируются кодами Рида-Соломона.