體全息存儲系統(tǒng)的設(shè)計

楊 飛，王安梅

（許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461500）

體全息存儲系統(tǒng)的設(shè)計

楊 飛，王安梅

（許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461500）

體全息存儲技術(shù)以其存儲密度和數(shù)據(jù)讀出率高及相關(guān)內(nèi)容尋址等特點而具有廣闊的應(yīng)用前景.本文從硬件和軟件兩方面著手，設(shè)計并實現(xiàn)了一套體全息數(shù)據(jù)存儲控制系統(tǒng).采用雙頭顯卡，雙顯示器和視頻分配器實現(xiàn)對空間光調(diào)制器(SLM)的控制，以面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言C++為工具，大量采用開源程序庫及類庫實現(xiàn)了編碼解碼以及對硬件的控制操作.本系統(tǒng)緊湊協(xié)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲和讀取的自動化.

體全息數(shù)據(jù)存儲；空間光調(diào)制器；編碼解碼

1 引言

體全息存儲具有存儲密度高、并行傳輸、冗余度高、尋址速度快和具有關(guān)聯(lián)尋址功能等諸多優(yōu)點，是光信息存儲最重要的研究領(lǐng)域之一.為了降低其誤碼率，人們將通信理論中的糾錯碼、調(diào)制碼等技術(shù)移植到體全息數(shù)據(jù)存儲中[1]，極大地改善了這一技術(shù)的系統(tǒng)性能.

在體全息存儲系統(tǒng)中，用空間光調(diào)制器來加載編碼后的圖像，用CCD攝像機來讀取存儲在光折變介質(zhì)中的信息，用電控位移平臺或聲光調(diào)制器(AOD)等設(shè)備來實現(xiàn)角度復(fù)用，用電子快門來控制物光和參考光的通斷.所有這些的實現(xiàn)都必須靠包括軟件和硬件在內(nèi)的一套控制系統(tǒng)來實現(xiàn).

2 體全息存儲實驗光路

體全息存儲采用光路圖如圖1所示.在體全息存儲系統(tǒng)中，用空間光調(diào)制器來加載編碼后的圖像，用C C D攝像機來讀取存儲在光折變介質(zhì)中的信息，用電控位移平臺或聲光調(diào)制器(AOD)等設(shè)備來實現(xiàn)角度復(fù)用，用電子快門來控制物光和參考光的通斷.所有這些的實現(xiàn)都必須靠包括軟件和硬件在內(nèi)的一套控制系統(tǒng)來實現(xiàn).

3 編碼解碼

圖1 體全息存儲實驗光路圖

糾錯編碼是在原始數(shù)據(jù)流后按照一定的算法加上一些校驗位來保證數(shù)據(jù)流的正確性.本系統(tǒng)采用糾錯能力極強的Reed-Solomon編碼[2].本設(shè)計采用6:8平衡調(diào)制碼.6:8平衡調(diào)制碼是體全息存儲中一種非常有效的平衡調(diào)制編碼.它是將6位信息數(shù)據(jù)映射到8位平衡碼中，即編碼后的碼字中含有4個0和4個1.4個0和4個1的不同組合數(shù)為70（在8個位置中選4個位置放入1，其余的放入0，即C48=70），而6位數(shù)據(jù)的信息量為26＝64，所以映射是沒有問題的，而且還有6個碼字閑置.具體操作是我們預(yù)先編制一個編碼表和一個譯碼表.編碼和譯碼分別通過查編碼表和譯碼表來實現(xiàn).

4 信息圖像的加載和采集

本設(shè)計利用光學(xué)全息技術(shù)進行存儲，需要將信息編碼成圖像，這樣信息才能被加載到物光波中.本設(shè)計采用空間光調(diào)制器（SLM）完成圖像加載功能.為了控制圖像的加載，本設(shè)計采用雙頭顯卡，雙顯示器，再加上視頻分配器來解決這個問題.雙頭顯卡的一個輸出口接在主顯示器上，另一個輸出口接在視頻分配器上，視頻分配器分出來的兩個VGA接口一個接從顯示器，另一個接SLM，這樣從顯示器上的內(nèi)容和SLM上的內(nèi)容完全一樣.

在體全息存儲讀取過程中需要用CCD攝像機來采集存儲在光折變介質(zhì)中的信息圖像.該攝像機提供有IEEE 1394接口，該接口它支持熱插拔，數(shù)據(jù)傳輸速率快，是一種純數(shù)字接口(無需數(shù)模轉(zhuǎn)換).DH-HV 1300FM攝像機符合IIDC規(guī)范，能提供了一套完整的應(yīng)用程序接口對這類攝像機進行控制.

電子快門用來控制物光和參考光的通斷，以實現(xiàn)存儲和讀取的自動化.它主要包括機械部分、電路部分以及軟件部分.電路以ATMEL公司的單片機芯片AT 89C 51為核心，主要包括兩部分：一是和PC機通信部分，另一是驅(qū)動電磁繼電器控制快門開合部分.由于單片機I/O口的驅(qū)動能力有限，不能直接驅(qū)動電磁繼電器，所以先用單片機的I/O口來驅(qū)動8050三極管，然后由此三極管來驅(qū)動繼電器.電子快門串連在繼電器的常開開關(guān)上，繼電器斷電時，常開開關(guān)是斷開的，當(dāng)繼電器上電時，常開開關(guān)閉合，電子快門打開.可以用軟件定時來控制快門打開關(guān)閉的時間.

在全息存儲過程中，數(shù)據(jù)首先經(jīng)Reed-Solomon糾錯編碼，然后進行6:8平衡調(diào)制編碼，之后將編碼后的數(shù)據(jù)以圖像形式影射到SLM上，調(diào)整參考光角度，打開物光和參考光束進行存儲，存儲完此幅信息圖像后關(guān)閉物光和參考光，查詢是否完成全部數(shù)據(jù)存儲，如未完成，重復(fù)上述過程.若已完成，結(jié)束存儲.如圖2所示.

圖2 存儲過程流程圖

全息讀出與存儲相反的過程，在讀出過程中僅需要參考光，物光始終是關(guān)閉的.讀出時，首先確定參考光的角度，之后就可以觸發(fā)CCD攝像機進行讀取，讀取后經(jīng)調(diào)制解碼，Reed-Solomom糾錯解碼還原為原始數(shù)據(jù).接下來查詢是否讀取完想要的數(shù)據(jù)，若未完重復(fù)上述過程，若完成結(jié)束讀取.如圖3所示.

5 存儲效果和讀取的效果圖

按照前面設(shè)計的方法，我們對存儲介質(zhì)進行了存儲和讀取，效果如圖4所示.

6 結(jié)語

本設(shè)計從軟件和硬件兩方面入手，設(shè)計并實現(xiàn)了一套能夠自動存儲和讀取的控制系統(tǒng).系統(tǒng)緊湊協(xié)調(diào)，易于編程實現(xiàn)各個單元部件間的協(xié)調(diào)工作.

圖3 讀取過程流程圖

圖4 讀取的效果圖

通過本設(shè)計方案能很好的完成信息的記錄和讀取，但存儲過程中存在幾種噪聲嚴(yán)重影響信息的存儲和讀出的質(zhì)量.主要有像差，存儲晶體噪聲，探測器的電噪聲.要提高存儲的質(zhì)量就必須從光路的設(shè)計、晶體的光學(xué)質(zhì)量和探測器的性能等幾個方面共同提高.

〔1〕J.Ashley,M.-P.Bernal,G.W.Burr et al.Holographic Data Storage[J].IBM J.Res.Develop.,2000,44(3):341-368.

〔2〕M.-P.Bernal,G.W.Burr,H.Coufal et al.Balancing InterpixelCrosstalk and DetectorNoiseto Optimize Areal Density in olographic Storage Systems[J].Appl. Opt.1998,37:5377–5385.

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1673-260X（2010）08-0037-02