Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В хранении данных компьютера , частичный ответ максимальное правдоподобие ( PRML ) представляет собой способ для восстановления цифровых данных от слабого аналогового обратного чтения сигнала подобран с помощью головки магнитного диска или накопителя на магнитной ленте . PRML был введен для более надежного восстановления данных или с большей поверхностной плотностью, чем более ранние более простые схемы, такие как обнаружение пиков. [1] Эти достижения важны, потому что большая часть цифровых данных в мире хранится с использованием магнитной записи на жестких дисках (HDD) или цифровых магнитофонах.

Компания Ampex представила PRML в ленточном накопителе в 1984 году. IBM представила PRML для дисковода в 1990 году, а также придумала аббревиатуру PRML. С момента первого внедрения было сделано много успехов. Последние каналы чтения / записи работают с гораздо более высокими скоростями передачи данных, являются полностью адаптивными 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 отклика на отдельный бит может произойти в один момент выборки, в то время как другие части попадают в другие моменты выборки. Максимальное правдоподобие относится к обнаружению детектором битовой последовательности, которая, скорее всего, ответственна за форму сигнала обратного чтения.

Теоретическая разработка [ править ]

Непрерывный частичный ответ (класс 4) и соответствующая глазковая диаграмма

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 двузначным, а PR4 - ответом, используемым в классический PRML. В 1970 году Кобаяши и Тан признали ценность PR4 для канала магнитной записи . [4]

Декодирование с максимальным правдоподобием с использованием одноименного алгоритма Витерби было предложено в 1967 году Эндрю Витерби как средство декодирования сверточных кодов . [5]

К 1971 году Хисаши Кобаяши из IBM осознал, что алгоритм Витерби может применяться к аналоговым каналам с межсимвольными помехами и, в частности, к использованию PR4 в контексте магнитной записи [6] (позже названной PRML). (Широкий спектр приложений алгоритма Витерби хорошо описан в обзорной статье Дэйва Форни . [7] ) В ранних реализациях использовался упрощенный алгоритм, основанный на разностной метрике. Это связано с Фергюсоном из Bell Labs . [8]

Реализация в продуктах [ править ]

Ранняя хронология PRML (создана примерно в 1994 г.)

Первые две реализации были на магнитной ленте (Ampex - 1984), а затем на жестких дисках (IBM - 1990). Оба являются важными вехами в реализации Ampex, ориентированной на очень высокую скорость передачи данных для цифрового приборного регистратора, а IBM сосредоточилась на высоком уровне интеграции и низком энергопотреблении для жестких дисков массового рынка. В обоих случаях первоначальное выравнивание отклика PR4 было выполнено с помощью аналоговой схемы, но алгоритм Витерби был выполнен с помощью цифровой логики. В ленточном приложении PRML заменил «плоскую эквализацию». В приложении для жестких дисков PRML заменил коды RLL на «обнаружение пиков».

Запись на магнитную ленту [ править ]

Первая реализация PRML была отправлена ​​в 1984 году в систему цифровой кассетной записи Ampex (DCRS). Главным инженером DCRS был Чарльз Коулман . Машина эволюционировала из 6-головного цифрового видеомагнитофона с поперечным сканированием . DCRS был кассетным цифровым приборным рекордером, способным 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 (тогда) скоростью передачи данных 117 Мбит / с. [11] Электроника PRML была реализована с использованием четырех 4-битных аналого-цифровых преобразователей Plessey (A / D) и логики 100k ECL . [12] Канал PRML превзошел конкурирующую реализацию на основе «Обнаружения нулевой зоны». [13] Прототип канала PRML был реализован ранее на скорости 20 Мбит / с на прототипе 8-дюймового жесткого диска [14], но Ampex покинула рынок жестких дисков в 1985 году. Эти реализации и их режим работы лучше всего описаны в статье Вуда. и Петерсен. [15] Петерсену был предоставлен патент на канал PRML, но он никогда не использовался Ampex.[16]

Жесткие диски [ править ]

В 1990 году IBM поставила первый канал PRML на жестком диске в IBM 0681. Это был полноразмерный 5¼-дюймовый форм-фактор с 12 дисками по 130 мм и максимальной емкостью 857 МБ.

Канал PRML для IBM 0681 был разработан в лаборатории IBM в Рочестере . в Миннесоте [17] при поддержке лаборатории IBM Zurich Research. в Швейцарии . [18] Параллельные исследования и разработки в IBM San Jose не привели напрямую к продукту. [19] В то время конкурирующей технологией была 17ML [20] , пример поиска по дереву с конечной глубиной (FDTS). [21] [22]

Канал чтения / записи IBM 0681 работал со скоростью 24 Мбит / с, но был более интегрирован со всем каналом, содержащимся в одной 68-контактной интегральной схеме PLCC, работающей от источника питания 5 В. Помимо фиксированного аналогового эквалайзера, канал имел простой адаптивный цифровой косинусоидальный эквалайзер [23] после аналого-цифрового преобразователя для компенсации изменений радиуса и / или изменений магнитных составляющих.

Напишите предварительную компенсацию [ править ]

Присутствие нелинейного искажения переходного сдвига (NLTS) при записи NRZ с высокой плотностью и / или высокой скоростью передачи данных было обнаружено в 1979 году. [24] Величина и источники NLTS могут быть идентифицированы с использованием метода «извлеченного дипульса». [25] [26]

Компания Ampex первой осознала влияние NLTS на PR4. [27] и был первым, кто реализовал предварительную компенсацию записи для записи PRML NRZ. Precomp. в значительной степени отменяет эффект NLTS. [14] Предварительная компенсация рассматривается как необходимость для системы PRML и достаточно важна, чтобы появиться в настройках жесткого диска BIOS [28], хотя теперь она выполняется автоматически жестким диском.

Дальнейшее развитие [ править ]

Обобщенный PRML [ править ]

PR4 характеризуется целью выравнивания (+1, 0, -1) в значениях выборки битового ответа или (1-D) (1 + D) в полиномиальной нотации (здесь D - оператор задержки, относящийся к задержке в 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 было исследовано Тапаром и Пателем. [29] Цели с большим значением n, как правило, больше подходят для каналов с плохой высокочастотной характеристикой. Все эти серии целей имеют целочисленные значения выборки и образуют открытую глазковую диаграмму.(например, PR4 образует тройной глаз). В общем, однако, цель может также легко иметь нецелые значения. Классический подход к обнаружению максимального правдоподобия на канале с межсимвольными помехами (ISI) заключается в выравнивании до минимально-фазовой, отбеленной цели согласованного фильтра. [30] Сложность последующего детектора Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины мишени - количество состояний удваивается при увеличении длины мишени на каждый 1 отсчет.

Постпроцессорная архитектура [ править ]

Учитывая быстрое увеличение сложности с более длинными задачами, была предложена постпроцессорная архитектура, 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 появление вероятных ошибок битовой комбинации. Этот подход оказался ценным, когда он был распространен на системы, использующие простую проверку четности [32] [33]

PRML с нелинейностями и сигнально-зависимым шумом [ править ]

По мере того, как детекторы данных становились все более сложными, было обнаружено, что важно иметь дело с любыми остаточными нелинейностями сигнала, а также с шумом, зависящим от структуры (шум имеет тенденцию быть самым большим при магнитном переходе 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, чтобы включить в них «фильтр-предиктор шума», что позволило каждому образцу иметь различный шумовой спектр. Такие детекторы называются детекторами с предсказанием шума в зависимости от модели (PDNP) [34] или детекторами максимального правдоподобия с предсказанием шума (NPML). [35] Такие методы совсем недавно были применены к цифровым магнитофонам. [36]

Современная электроника [ править ]

Хотя аббревиатура PRML все еще иногда используется, современные детекторы более сложны. PRML работает с более высокими скоростями передачи данных. Аналоговый интерфейс обычно включает в себя АРУ , коррекцию нелинейного отклика считывающего элемента и фильтр нижних частот с контролем повышения или понижения высоких частот. Выравнивание выполняется после АЦП с цифровым КИХ-фильтром . ( TDMR использует эквалайзер с 2 входами и 1 выходом.) В детекторе используется подход PDNP / NPML, но алгоритм Витерби с жестким решением заменен детектором, обеспечивающим мягкие выходные данные (дополнительную информацию о надежности каждого бита). Такие детекторы, использующие мягкий алгоритм Витерби или алгоритм BCJR , необходимы для итеративного декодирования кода проверки на четность с низкой плотностью.используется в современных жестких дисках. Одна интегральная схема содержит все каналы чтения и записи (включая итерационный декодер), а также все функции управления диском и интерфейса. В настоящее время существует два поставщика: Broadcom и Marvell . [37]

См. Также [ править ]

  • Максимальная вероятность
  • Алгоритм Витерби

Ссылки [ править ]

  1. ^ Г. Фишер, В. Эбботт, Дж. Зоннтаг, Р. Несин, « Обнаружение PRML увеличивает емкость жесткого диска », IEEE Spectrum, Vol. 33, No. 11, pp. 70-76, ноябрь 1996 г.
  2. ^ А. Лендер, " Двубинарная техника для высокоскоростной передачи данных ", Пер. AIEE, Часть I: Связь и электроника, Том. 82, No. 2, pp. 214-218, May 1963.
  3. ^ Э. Крецмер, " Обобщение метода передачи двоичных данных ", IEEE Trans. Comm., Vol. 14, No. 1, pp. 67-68, февраль 1966 г.
  4. ^ Х. Кобаяши и Д. Тан, " Применение кодирования канала с частичным откликом в системах магнитной записи ", IBM J. Res. Dev., Vol, 14, No. 4, pp. 368-375, июль 1970 г.
  5. ^ А. Витерби, " Границы ошибок для сверточных кодов и асимптотически оптимальный алгоритм декодирования ", IEEE Trans. Информация. Теория, т. 13, No. 2, pp. 260-269, апрель 1967 г.
  6. ^ Х. Кобаяши, " Корреляционное кодирование уровня и декодирование с максимальным правдоподобием ", IEEE Trans. Сообщить. Теория, т. ИТ-17, пп. 586-594, сентябрь 1971 г.
  7. ^ Д. Форни, « Алгоритм Витерби », Proc. IEEE, Vol. 61, No. 3, pp. 268-278, март 1973 г.
  8. ^ М. Фергюсон, " Оптимальный прием для двоичных каналов с частичным откликом " Bell Syst. Tech. J., т. 51, стр. 493-505, февраль 1972 г.
  9. ^ Т. Вуд, " Цифровая кассетная записывающая система Ampex (DCRS) ", собрание THIC, Элликотт-Сити, Мэриленд, 16 октября 1996 г. (PDF)
  10. ^ Р. Вуд, К. Халламасек, " Обзор прототипа первого коммерческого канала PRML ", Computer History Museum, # 102788145, 26 марта 2009 г.
  11. ^ К. Коулман, Д. Линдхольм, Д. Петерсен и Р. Вуд, " Магнитная запись с высокой скоростью передачи данных в одном канале ", J. IERE, Vol., 55, No. 6, pp. 229-236, июнь 1985. (приглашен) (Премия Чарльза Бэббиджа за лучшую работу)
  12. ^ Музей истории компьютеров, № 102741157, « Схема прототипа Ampex PRML », около 1982 г.
  13. ^ Дж. Смит, " Контроль ошибок в двойных системах данных с помощью обнаружения нулевой зоны ", IEEE Trans. Comm., Vil 16, No. 6, pp. 825-830, декабрь 1968 г.
  14. ^ a b Р. Вуд, С. Алгрим, К. Халламасек, Р. Стенерсон, " Экспериментальный восьмидюймовый дисковод с сотней мегабайт на поверхность ", IEEE Trans. Mag., Т. МАГ-20, № 5, стр. 698-702, сентябрь 1984 г. (приглашен)
  15. ^ Р. Вуд и Д. Петерсен, " Обнаружение Витерби частичного отклика класса IV на магнитном канале записи ", IEEE Trans. Comm., Vol., COM-34, No. 5, pp. 454-461, May 1986 (приглашено)
  16. ^ Д. Петерсен, " Цифровой детектор максимального правдоподобия для частичного отклика класса IV ", патент США 4504872, поданный 8 февраля 1983 г.
  17. ^ Дж. Кокер, Р. Гэлбрейт, Г. Кервин, Дж. Рэй, П. Зиперович, " Реализация PRML на жестком диске ", IEEE Trans. Magn., Vol. 27, No. 6, pp. 4538-43, ноябрь 1991 г.
  18. ^ R.Cidecyan, F.Dolvio, R. Hermann, W.Hirt, W. Schott " Система PRML для цифровой магнитной записи ", Журнал IEEE по избранным областям связи, том 10, № 1, стр. 38- 56, янв 1992 г.
  19. ^ Т. Хауэлл и др. « Показатели частоты ошибок экспериментальных записывающих компонентов с гигабитами на квадратный дюйм », IEEE Trans. Magn., Vol. 26, No. 5, pp. 2298-2302, 1990.
  20. ↑ A. Patel, « Данные о рабочих характеристиках для канала обнаружения 17ML с опережением по шести выборкам », IEEE Trans. Magn., Vol. 29, No. 6, pp. 4012-4014, декабрь 1993 г.
  21. ^ Р. Карли, J. Луна, « Устройство и способ для фиксированной задержки поиска по дереву », поданный 30 октября 1989
  22. ^ Р. Вуд, « Новый детектор для кодов 1, k, уравновешенных частичным ответом класса II », IEEE Trans. Magn., Vol. МАГ-25, № 5, стр. 4075-4077, сентябрь 1989 г.
  23. ^ Т. Камеяма, С. Таканами, Р. Араи, " Улучшение плотности записи с помощью косинусного эквалайзера ", IEEE Trans. Magn., Vol. 12, No. 6, pp. 746-748, ноябрь 1976 г.
  24. ^ Р. Вуд, Р. Дональдсон, " Магнитный магнитофон со спиральной разверткой как канал цифровой связи ", IEEE Trans. Mag. т. МАГ-15, вып. 2, стр. 935-943, март 1979 г.
  25. ^ Д. Палмер, П. Зиперович, Р. Вуд, Т. Хауэлл, « Идентификация нелинейных эффектов записи с использованием псевдослучайных последовательностей », IEEE Trans. Magn., Vol. МАГ-23, вып. 5, pp. 2377-2379, сентябрь 1987 г.
  26. ^ Д. Палмер, Дж. Хонг, Д. Станек, Р. Вуд, " Характеристика процесса чтения / записи для магнитной записи ", IEEE Trans. Magn., Vol. MAG-31, No. 2, pp. 1071-1076, март 1995 г. (приглашен)
  27. ^ П. Ньюби, Р. Вуд, " Влияние нелинейных искажений на частичный отклик класса IV ", IEEE Trans. Magn., Vol. МАГ-22, № 5, стр. 1203-1205, сентябрь 1986 г.
  28. ^ Курск: Настройки BIOS - Стандартная настройка CMOS, 12 февраля 2000 г.
  29. ^ H.Thapar, A.Patel, " Класс систем частичного отклика для увеличения плотности хранения при магнитной записи ", IEEE Trans. Магн., Т. 23, No. 5, pp. 3666-3668, сентябрь 1987 г.
  30. ^ Д. Форни, " Оценка последовательности с максимальной вероятностью цифровых последовательностей при наличии межсимвольных помех ", IEEE Trans. Информация. Теория, т. ИТ-18, стр. 363-378, май 1972 г.
  31. ^ Р. Вуд, " Turbo-PRML, Компромиссный детектор EPRML ", IEEE Trans. Magn., Vol. МАГ-29, № 6, стр. 4018-4020, ноябрь 1993 г.
  32. ^ Р. Cideciyan, Дж. Кокер; Э. Элефтериу; Р. Гэлбрейт, " Обнаружение NPML в сочетании с постобработкой на основе четности ", IEEE Trans. Magn. Vol. 37, No. 2, pp. 714–720, март 2001 г.
  33. ↑ М. Деспотович, В. Сенк, «Обнаружение данных», глава 32 в « Кодировании и обработке сигналов для систем магнитной записи» под редакцией Б. Васича, Э. Куртаса, CRC Press 2004
  34. ^ Дж. Мун, Дж. Парк, " Прогнозирование шума, зависящего от модели, в шуме, зависящем от сигнала " IEEE J. Sel. Коммунальные районы, т. 19, нет. 4, pp. 730–743, апрель 2001 г.
  35. ^ Э. Элефтериу, В. Хирт, " Повышение производительности PRML / EPRML с помощью прогнозирования шума ". IEEE Trans. Magn. Vol. 32, No. 5, pp. 3968–3970, сентябрь 1996 г.
  36. ^ Э. Элефтериу, С. Олчер, Р. Хатчинс, " Адаптивное обнаружение данных с прогнозированием максимального правдоподобия (NPML) для систем хранения на магнитной ленте ", IBM J. Res. Dev. Vol. 54, No. 2, pp. 7.1-7.10, март 2010 г.
  37. ^ "Контроллер жестких дисков Marvell 88i9422 Soleil SATA" (PDF) . Сентябрь 2015. Архивировано из оригинального (PDF) 13 декабря 2016 года . Проверено 9 октября 2019 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Руководство для ПК: PRML
  • Онлайн-глава «Введение в PRML» из книги Алекса Тараторина « Характеристика систем магнитной записи: практический подход»

Эта статья основана на материалах, взятых из Free On-line Dictionary of Computing до 1 ноября 2008 г. и включенных в соответствии с условиями «перелицензирования» GFDL версии 1.3 или новее.