Максимальное правдоподобие частичного ответа
В компьютерном хранении данных метод максимального правдоподобия с частичным ответом ( PRML ) — это метод восстановления цифровых данных из слабого аналогового сигнала обратного считывания, принимаемого головкой магнитного диска или ленточного накопителя . PRML был введен для более надежного восстановления данных или с большей плотностью размещения, чем более ранние более простые схемы, такие как обнаружение пиков. [1] Эти достижения важны, поскольку большая часть цифровых данных в мире хранится с помощью магнитных носителей на жестких дисках или ленточных накопителях .
Ampex представила PRML в ленточном накопителе в 1984 году. IBM представила PRML в дисковом накопителе в 1990 году, а также придумала аббревиатуру PRML. С момента первого внедрения произошло много достижений. Современные каналы чтения/записи работают на гораздо более высоких скоростях передачи данных, полностью адаптивны и, в частности, включают возможность обработки нелинейных искажений сигнала и нестационарного цветного шума, зависящего от данных ( PDNP или NPML ).
Частичный ответ относится к тому факту, что часть ответа на отдельный бит может возникнуть в один момент выборки, в то время как другие части приходятся на другие моменты выборки. Под максимальным правдоподобием подразумевается обнаружение детектором битовой комбинации, которая, скорее всего, была ответственна за форму сигнала обратного считывания.
Теоретическая разработка
[ редактировать ]
Частичный ответ был впервые предложен Адамом Лендером в 1963 году. [2] Метод был обобщен Крецмером в 1966 году. Крецмер также классифицировал несколько различных возможных ответов: [3] например, PR1 является двухбинарным, а PR4 — это ответ, используемый в классическом PRML. В 1970 году Кобаяши и Тан осознали ценность PR4 для канала магнитной записи . [4]
Декодирование максимального правдоподобия с использованием одноименного алгоритма Витерби было предложено в 1967 году Эндрю Витерби как средство декодирования сверточных кодов . [5]
К 1971 году Хисаси Кобаяши из IBM осознал, что алгоритм Витерби можно применять к аналоговым каналам с межсимвольными помехами и, в частности, к использованию PR4 в контексте магнитной записи. [6] (позже названный PRML). (Широкий спектр применения алгоритма Витерби хорошо описан в обзорной статье Дэйва Форни . [7] ) В ранних реализациях использовался упрощенный алгоритм, основанный на разностной метрике. Это заслуга Фергюсона из Bell Labs . [8]
Внедрение в продукты
[ редактировать ]
Первые две реализации были реализованы на ленточных носителях (Ampex, 1984 г.), а затем на жестких дисках (IBM, 1990 г.). Оба являются важными вехами: реализация Ampex ориентирована на очень высокую скорость передачи данных для цифрового инструментального записывающего устройства, а IBM сосредоточилась на высоком уровне интеграции и низком энергопотреблении для жестких дисков массового рынка. В обоих случаях первоначальное выравнивание отклика PR4 выполнялось с помощью аналоговой схемы, а алгоритм Витерби выполнялся с использованием цифровой логики. В ленточных приложениях PRML заменил «плоскую эквализацию». В приложении HDD PRML заменил коды RLL на «обнаружение пиков».
Запись на магнитную ленту
[ редактировать ]Первая реализация PRML была реализована в 1984 году в системе цифровой кассетной записи Ampex (DCRS). Главным инженером DCRS был Чарльз Коулман . Машина произошла от 6-головочного цифрового видеомагнитофона с поперечным сканированием . DCRS представлял собой кассетный цифровой инструментальный рекордер, способный увеличивать время воспроизведения при очень высокой скорости передачи данных. [9] Он стал самым успешным цифровым продуктом Ampex. [10]
Головки и канал чтения/записи работали с удивительно высокой (на тот момент) скоростью передачи данных — 117 Мбит/с. [11] Электроника PRML была реализована с помощью четырех 4-битных Plessey аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и логики 100 тыс. ECL . [12] Канал PRML превзошел конкурирующую реализацию, основанную на «обнаружении нулевой зоны». [13] Прототип канала PRML был реализован ранее на скорости 20 Мбит/с на прототипе 8-дюймового жесткого диска. [14] но Ampex вышла из бизнеса по производству жестких дисков в 1985 году. Эти реализации и принцип их работы лучше всего описаны в статье Вуда и Петерсена. [15] Петерсену был выдан патент на канал PRML, но компания Ampex так и не воспользовалась им. [16]
Жесткие диски
[ редактировать ]В 1990 году IBM поставила первый канал PRML на жестком диске в IBM 0681. Он имел полноразмерный 5¼-дюймовый форм-фактор, имел до 12 дисков диаметром 130 мм и имел максимальную емкость 857 МБ.
Канал PRML для IBM 0681 был разработан в лаборатории IBM в Рочестере . в Миннесоте [17] при поддержке исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе . в Швейцарии . [18] Параллельные исследования и разработки в IBM в Сан-Хосе не привели непосредственно к созданию продукта. [19] Конкурирующей технологией в то время была 17ML. [20] пример поиска по дереву конечной глубины (FDTS). [21] [22]
Канал чтения/записи IBM 0681 работал со скоростью передачи данных 24 Мбит/с, но был более тесно интегрирован, поскольку весь канал содержался в одной 68-контактной PLCC, интегральной схеме работающей от источника питания 5 В. Помимо фиксированного аналогового эквалайзера, канал имел простой адаптивный цифровой косинусный эквалайзер. [23] после АЦП для компенсации изменений радиуса и/или изменений магнитных компонентов.
Запись предкомпенсации
[ редактировать ]Наличие нелинейного искажения перехода-сдвига (NLTS) при записи NRZ с высокой плотностью и/или высокой скоростью передачи данных было обнаружено в 1979 году. [24] Величину и источники NLTS можно определить с помощью метода «извлеченного дипульса». [25] [26]
Компания Ampex была первой, кто осознал влияние NLTS на PR4. [27] и первым внедрил предкомпенсацию записи для записи PRML NRZ. «Прекомп.» в значительной степени отменяет эффект NLTS. [14] Предварительная компенсация рассматривается как необходимость для системы PRML и достаточно важна, чтобы появиться в в BIOS. настройке жесткого диска [28] хотя теперь это автоматически обрабатывается жестким диском.
Дальнейшие разработки
[ редактировать ]Обобщенный PRML
[ редактировать ]PR4 характеризуется целью выравнивания (+1, 0, -1) в значениях выборки битового отклика или (1-D)(1+D) в полиномиальной записи (здесь D — оператор задержки, относящийся к задержке на одну выборку ). Цель (+1, +1, -1, -1) или (1-D)(1+D)^2 называется расширенным PRML (или EPRML). Все семейство (1-D)(1+D)^n исследовали Тапар и Патель. [29] Цели с большим значением n, как правило, больше подходят для каналов с плохим высокочастотным откликом. Все эти серии целей имеют целочисленные значения выборки и образуют структуру открытого глаза (например, PR4 образует тройной глаз). Однако в целом цель может с таким же успехом иметь и нецелые значения. Классический подход к обнаружению максимального правдоподобия в канале с межсимвольной интерференцией (ISI) заключается в выравнивании по минимально-фазовой, забеленной цели согласованного фильтра. [30] Сложность последующего детектора Витерби увеличивается экспоненциально с увеличением длины цели - количество состояний удваивается для каждого увеличения длины цели на 1 выборку.
Постпроцессорная архитектура
[ редактировать ]Учитывая быстрый рост сложности с более длинными целями, была предложена архитектура постпроцессора, в первую очередь для EPRML. [31] При таком подходе за относительно простым детектором (например, PRML) следует постпроцессор, который исследует остаточную ошибку формы сигнала и ищет возникновение вероятных ошибок битовой структуры. Этот подход оказался ценным, когда он был распространен на системы, использующие простую проверку четности. [32] [33] [34]
PRML с нелинейностями и шумом, зависящим от сигнала
[ редактировать ]По мере того, как детекторы данных становились все более сложными, стало важно иметь дело с любыми остаточными нелинейностями сигнала, а также с шумом, зависящим от шаблона (шум имеет тенденцию быть самым большим, когда существует магнитный переход между битами), включая изменения в спектре шума с шаблоном данных. . С этой целью детектор Витерби был модифицирован таким образом, чтобы он распознавал ожидаемый уровень сигнала и ожидаемую дисперсию шума, связанную с каждой битовой комбинацией. На последнем этапе детекторы были модифицированы и включили в себя «фильтр прогнозирования шума», что позволило каждому шаблону иметь различный спектр шума. Такие детекторы называются детекторами с предсказанием шума, зависящим от шаблона (PDNP). [35] или детекторы максимального правдоподобия с прогнозированием шума (NPML). [36] Такие методы совсем недавно были применены к цифровым магнитофонам. [37]
Современная электроника
[ редактировать ]Хотя аббревиатура PRML до сих пор иногда используется, усовершенствованные детекторы более сложны, чем PRML, и работают на более высоких скоростях передачи данных. Аналоговый интерфейс обычно включает в себя АРУ , коррекцию нелинейного отклика считываемого элемента и фильтр нижних частот с контролем повышения или ослабления высоких частот. Эквализация осуществляется после АЦП с помощью цифрового КИХ-фильтра . ( TDMR использует эквалайзер с 2 входами и 1 выходом.) Детектор использует подход PDNP/NPML, но алгоритм Витерби с жестким решением заменяется детектором, обеспечивающим мягкие выходы (дополнительную информацию о надежности каждого бита). Такие детекторы, использующие мягкий алгоритм Витерби или алгоритм BCJR, необходимы для итеративного декодирования кода проверки четности низкой плотности, используемого в современных жестких дисках. Одна интегральная схема содержит все каналы чтения и записи (включая итеративный декодер), а также все функции управления диском и интерфейса. В настоящее время есть два поставщика: Broadcom и Marvell . [38]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Г. Фишер, В. Эбботт, Дж. Зоннтаг, Р. Несин, « Обнаружение PRML увеличивает емкость жесткого диска », IEEE Spectrum, Vol. 33, № 11, стр. 70-76, ноябрь 1996 г.
- ^ А. Лендер, « Двубинарный метод высокоскоростной передачи данных », Пер. AIEE, Часть I: Связь и электроника, Том. 82, № 2, стр. 214–218, май 1963 г.
- ^ Э. Крецмер, « Обобщение метода передачи двоичных данных », IEEE Trans. Сообщение, Том. 14, № 1, стр. 67-68 февраль 1966 г.
- ^ Х. Кобаяши и Д. Тан, « Применение кодирования каналов с частичным ответом к системам магнитной записи », IBM J. Res. Дев., Том, 14, № 4, стр. 368–375, июль 1970 г.
- ^ А. Витерби, « Оценки ошибок для сверточных кодов и асимптотически оптимальный алгоритм декодирования », IEEE Trans. Информация. Теория, Том. 13, № 2, стр. 260–269, апрель 1967 г.
- ^ Х. Кобаяши, « Кодирование на корреляционном уровне и декодирование с максимальным правдоподобием », IEEE Trans. Информ. Теория, том. ИТ-17, ПП. 586–594, сентябрь 1971 г.
- ^ Д. Форни, « Алгоритм Витерби », Proc. IEEE, Том. 61, № 3, стр. 268-278, март 1973 г.
- ^ М. Фергюсон, « Оптимальный прием для двоичных каналов с частичной характеристикой » Bell Syst. Тех. Дж., вып. 51, стр. 493–505, февраль 1972 г.
- ^ Т. Вуд, « Цифровая кассетная записывающая система Ampex (DCRS) », встреча THIC, Элликотт-Сити, Мэриленд, 16 октября 1996 г. (PDF)
- ^ Р. Вуд, К. Халламасек, « Обзор прототипа первого коммерческого канала PRML », Музей истории компьютеров, № 102788145, 26 марта 2009 г.
- ^ К. Коулман, Д. Линдхольм, Д. Петерсен и Р. Вуд, « Магнитная запись с высокой скоростью передачи данных в одном канале », J. IERE, Vol., 55, № 6, стр. 229–236, июнь. 1985 г. (приглашен) (Премия Чарльза Бэббиджа за лучшую работу)
- ^ Музей истории компьютеров, № 102741157, « Прототип схемы Ampex PRML », около 1982 г.
- ^ Дж. Смит, « Контроль ошибок в дуобинарных системах данных посредством обнаружения нулевой зоны », IEEE Trans. Сообщение, Вил 16, № 6, стр. 825-830, декабрь 1968 г.
- ^ Перейти обратно: а б Р. Вуд, С. Альгрим, К. Халламасек, Р. Стенерсон, « Экспериментальный восьмидюймовый дисковод со ста мегабайтами на поверхность », IEEE Trans. Маг., вып. МАГ-20, № 5, стр. 698-702, сентябрь 1984 г. (приглашен)
- ^ Р. Вуд и Д. Петерсен, « Обнаружение Витерби частичного отклика класса IV на канале магнитной записи », IEEE Trans. Comm., Vol., COM-34, № 5, стр. 454–461, май 1986 г. (приглашен)
- ^ Д. Петерсен, « Цифровой детектор максимального правдоподобия для частичного отклика класса IV », патент США 4504872, подан 8 февраля 1983 г.
- ^ Дж. Кокер, Р. Гэлбрейт, Г. Кервин, Дж. Рэй, П. Зиперович, « Реализация PRML в жестком диске », IEEE Trans. Магн., Том. 27, № 6, стр. 4538-43, ноябрь 1991 г.
- ^ Р.Сидецян, Ф.Дольвио, Р. Херманн, В.Хирт, В. Шотт « Система PRML для цифровой магнитной записи », Журнал IEEE по избранным областям связи, том 10, № 1, стр. 38- 56 января 1992 г.
- ^ Т. Хауэлл и др. « Коэффициент ошибок экспериментальных записывающих компонентов с гигабитной частотой на квадратный дюйм », IEEE Trans. Магн., Том. 26, № 5, стр. 2298-2302, 1990 г.
- ^ А. Патель, « Данные о производительности для канала обнаружения 17ML с шестью выборками », IEEE Trans. Магн., Том. 29, № 6, стр. 4012-4014, декабрь 1993 г.
- ^ Р. Карли, Дж. Мун, « Устройство и метод для поиска в дереве с фиксированной задержкой », подано 30 октября 1989 г.
- ^ Р. Вуд, « Новый детектор для кодов 1,k, эквивалентных частичному отклику класса II », IEEE Trans. Магн., Том. МАГ-25, № 5, стр. 4075-4077, сентябрь 1989 г.
- ^ Т. Камеяма, С. Таканами, Р. Араи, « Улучшение плотности записи с помощью косинусного эквалайзера », IEEE Trans. Магн., Том. 12, № 6, стр. 746–748, ноябрь 1976 г.
- ^ Р. Вуд, Р. Дональдсон, « Магнитный магнитофон со спиральной разверткой как цифровой канал связи », IEEE Trans. Маг. том. МАГ-15, нет. 2, стр. 935–943, март 1979 г.
- ^ Д. Палмер, П. Зиперович, Р. Вуд, Т. Хауэлл, « Идентификация эффектов нелинейной записи с использованием псевдослучайных последовательностей », IEEE Trans. Магн., Том. МАГ-23, нет. 5, стр. 2377-2379, сентябрь 1987 г.
- ^ Д. Палмер, Дж. Хонг, Д. Станек, Р. Вуд, « Характеристика процесса чтения/записи магнитной записи », IEEE Trans. Магн., Том. МАГ-31, № 2, стр. 1071-1076, март 1995 г. (приглашен)
- ^ П. Ньюби, Р. Вуд, « Влияние нелинейных искажений на частичный отклик класса IV », IEEE Trans. Магн., Том. МАГ-22, № 5, стр. 1203-1205, сентябрь 1986 г.
- ^ "Курск: Настройки BIOS - Стандартная настройка CMOS, 12 февраля 2000 г." . Архивировано из оригинала 4 октября 2018 года . Проверено 8 октября 2019 г.
- ^ Х.Тапар, А.Патель, « Класс систем частичного отклика для увеличения плотности хранения при магнитной записи », IEEE Trans. Магн., вып. 23, № 5, стр. 3666-3668, сентябрь 1987 г.
- ^ Д. Форни, « Оценка цифровых последовательностей с максимальным правдоподобием в присутствии межсимвольных помех », IEEE Trans. Информация. Теория, том. IT-18, стр. 363–378, май 1972 г.
- ^ Р. Вуд, « Turbo-PRML, детектор компрометации EPRML », IEEE Trans. Магн., Том. МАГ-29, № 6, стр. 4018-4020, ноябрь 1993 г.
- ^ Конвей, Т. (июль 1998 г.). «Новый целевой ответ с кодированием четности для каналов магнитной записи высокой плотности» . Транзакции IEEE по магнетизму . 34 (4): 2382–2386. дои : 10.1109/20.703887 .
- ^ Р. Сидечиян, Дж. Кокер; Э. Элефтериу; Р. Гэлбрейт, « Обнаружение NPML в сочетании с постобработкой на основе четности », IEEE Trans. Магн. Том. 37, № 2, стр. 714–720, март 2001 г.
- ^ М. Деспотович, В. Сенк, «Обнаружение данных», глава 32 « Кодирование и обработка сигналов для систем магнитной записи» под редакцией Б. Васича, Э. Куртаса, CRC Press, 2004 г.
- ^ Дж. Мун, Дж. Парк, « Прогнозирование шума, зависящего от шаблона, в шуме, зависящем от сигнала » IEEE J. Sel. Районы Сообщества, вып. 19, нет. 4, стр. 730–743, апрель 2001 г.
- ^ Э. Элефтериу, В. Хирт, « Повышение производительности PRML/EPRML посредством прогнозирования шума ». IEEE Транс. Магн. Том. 32, № 5, стр. 3968–3970, сентябрь 1996 г.
- ^ Э. Элефтериу, С. Олсер, Р. Хатчинс, « Обнаружение данных максимального правдоподобия с адаптивным прогнозированием шума (NPML) для систем хранения на магнитной ленте », IBM J. Res. Дев. Том. Т. 54, № 2, стр. 7.1-7.10, март 2010 г.
- ^ «Контроллер жестких дисков Marvell 88i9422 Soleil SATA» (PDF) . Сентябрь 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2016 г. Проверено 9 октября 2019 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Руководство для ПК: PRML
- Онлайн-глава «Введение в PRML» из книги Алекса Тараторина «Характеристика систем магнитной записи: практический подход».