En el almacenamiento de datos informáticos , la máxima probabilidad de respuesta parcial ( PRML ) es un método para recuperar los datos digitales de la señal de lectura analógica débil captada por el cabezal de una unidad de disco magnético o una unidad de cinta . PRML se introdujo para recuperar datos de manera más confiable o con una mayor densidad de área que los esquemas anteriores más simples, como la detección de picos. [1] Estos avances son importantes porque la mayoría de los datos digitales del mundo se almacenan mediante grabación magnética en unidades de disco duro (HDD) o grabadoras de cinta digitales.
Ampex introdujo PRML en una unidad de cinta en 1984. IBM introdujo PRML en una unidad de disco en 1990 y también acuñó el acrónimo PRML. Se han producido muchos avances desde la introducción inicial. Los canales de lectura / escritura recientes operan a velocidades de datos mucho más altas, son totalmente adaptables y, en particular, incluyen la capacidad de manejar distorsión de señal no lineal y ruido no estacionario, coloreado y dependiente de datos ( PDNP o NPML ).
La respuesta parcial se refiere al hecho de que parte de la respuesta a un bit individual puede ocurrir en un instante de muestra mientras que otras partes caen en otros instantes de muestra. La máxima verosimilitud se refiere al detector que encuentra el patrón de bits que más probablemente haya sido responsable de la forma de onda de lectura.
Desarrollo teórico
La respuesta parcial fue propuesta por primera vez por Adam Lender en 1963. [2] El método fue generalizado por Kretzmer en 1966. Kretzmer también clasificó las diferentes respuestas posibles, [3] por ejemplo, PR1 es duobinaria y PR4 es la respuesta utilizada en el PRML clásico. En 1970, Kobayashi y Tang reconocieron el valor de PR4 para el canal de grabación magnética . [4]
La decodificación de máxima verosimilitud utilizando el algoritmo homónimo de Viterbi fue propuesta en 1967 por Andrew Viterbi como un medio para decodificar códigos convolucionales . [5]
En 1971, Hisashi Kobayashi en IBM había reconocido que el algoritmo de Viterbi podía aplicarse a canales analógicos con interferencia entre símbolos y particularmente al uso de PR4 en el contexto de Grabación Magnética [6] (más tarde llamado PRML). (La amplia gama de aplicaciones del algoritmo de Viterbi está bien descrita en un artículo de revisión de Dave Forney . [7] ) En las primeras implementaciones se utilizó un algoritmo simplificado, basado en una métrica de diferencia. Esto se debe a Ferguson de Bell Labs . [8]
Implementación en productos
Las dos primeras implementaciones fueron en Tape (Ampex - 1984) y luego en unidades de disco duro (IBM - 1990). Ambos son hitos importantes con la implementación de Ampex centrada en una velocidad de datos muy alta para una grabadora de instrumentación digital e IBM centrada en un alto nivel de integración y bajo consumo de energía para un HDD de mercado masivo. En ambos casos, la ecualización inicial a la respuesta PR4 se realizó con circuitos analógicos, pero el algoritmo de Viterbi se realizó con lógica digital. En la aplicación de cinta, PRML reemplazó a la "ecualización plana". En la aplicación HDD, PRML reemplazó los códigos RLL con 'detección de picos'.
Grabación en cinta
La primera implementación de PRML se envió en 1984 en el Sistema de grabación de casetes digitales Ampex (DCRS). El ingeniero jefe de DCRS fue Charles Coleman . La máquina evolucionó a partir de una grabadora de video digital de escaneo transversal de 6 cabezales . DCRS era una grabadora de instrumentación digital basada en casetes capaz de prolongar los tiempos de reproducción a una velocidad de datos muy alta. [9] Se convirtió en el producto digital más exitoso de Ampex. [10]
Los cabezales y el canal de lectura / escritura funcionaron a la (entonces) notablemente alta velocidad de datos de 117 Mbits / s. [11] La electrónica PRML se implementó con cuatro convertidores analógico-digital (A / D) Plessey de 4 bits y lógica ECL de 100k . [12] El canal PRML superó a una implementación de la competencia basada en la "Detección de zona nula". [13] Anteriormente se implementó un canal PRML prototipo a 20 Mbit / s en un HDD prototipo de 8 pulgadas, [14] pero Ampex abandonó el negocio de HDD en 1985. Estas implementaciones y su modo de operación se describen mejor en un artículo de Wood. y Petersen. [15] Petersen obtuvo una patente en el canal PRML, pero Ampex nunca la aprovechó. [dieciséis]
Discos Duros
En 1990, IBM envió el primer canal PRML en un disco duro en el IBM 0681. Tenía un factor de forma de 5¼ pulgadas de altura completa con hasta 12 discos de 130 mm y tenía una capacidad máxima de 857 MB.
El canal PRML para IBM 0681 se desarrolló en el laboratorio de IBM Rochester . en Minnesota [17] con el apoyo del laboratorio de investigación de IBM Zurich . en Suiza . [18] Un esfuerzo paralelo de I + D en IBM San José no condujo directamente a un producto. [19] Una tecnología competidora en ese momento era 17ML [20], un ejemplo de búsqueda de árboles de profundidad finita (FDTS). [21] [22]
El canal de lectura / escritura IBM 0681 funcionaba a una velocidad de datos de 24 Mbits / s, pero estaba más integrado con todo el canal contenido en un solo circuito integrado PLCC de 68 pines que operaba con un suministro de 5 voltios. Además del ecualizador analógico fijo, el canal contaba con un ecualizador de coseno digital adaptable simple [23] después del A / D para compensar los cambios en el radio y / o los cambios en los componentes magnéticos.
Escribir precompensación
En 1979 se reconoció la presencia de distorsión de cambio de transición no lineal (NLTS) en la grabación NRZ a alta densidad y / o alta velocidad de datos. [24] La magnitud y las fuentes de NLTS pueden identificarse utilizando la técnica de "dipulso extraído". [25] [26]
Ampex fue el primero en reconocer el impacto de NLTS en PR4. [27] y fue el primero en implementar la precompensación de escritura para la grabación PRML NRZ. 'Precomp.' cancela en gran medida el efecto de NLTS. [14] La precompensación se considera una necesidad para un sistema PRML y es lo suficientemente importante como para aparecer en la configuración del BIOS HDD [28], aunque ahora es manejada automáticamente por el HDD.
Nuevos desarrollos
PRML generalizado
PR4 se caracteriza por un objetivo de ecualización (+1, 0, -1) en valores de muestra de respuesta de bit o (1-D) (1 + D) en notación polinomial (aquí, D es el operador de retardo que se refiere a un retardo de una muestra ). El objetivo (+1, +1, -1, -1) o (1-D) (1 + D) ^ 2 se llama PRML extendido (o EPRML). La familia completa, (1-D) (1 + D) ^ n, fue investigada por Thapar y Patel. [29] Los objetivos con un valor de n mayor tienden a ser más adecuados para canales con una respuesta deficiente de alta frecuencia. Esta serie de objetivos tienen todos valores de muestra enteros y forman un patrón de ojo abierto (por ejemplo, PR4 forma un ojo ternario). En general, sin embargo, el objetivo puede tener valores no enteros con la misma facilidad. El enfoque clásico para la detección de máxima verosimilitud en un canal con interferencia entre símbolos (ISI) es igualar a un objetivo de filtro emparejado, blanqueado y de fase mínima. [30] La complejidad del detector Viterbi posterior aumenta exponencialmente con la longitud del objetivo: el número de estados se duplica por cada aumento de 1 muestra en la longitud del objetivo.
Arquitectura de posprocesador
Dado el rápido aumento de la complejidad con objetivos más largos, se propuso una arquitectura de postprocesador, en primer lugar para EPRML. [31] Con este enfoque, un detector relativamente simple (por ejemplo, PRML) es seguido por un postprocesador que examina el error de forma de onda residual y busca la ocurrencia de probables errores de patrón de bits. Se encontró que este enfoque era valioso cuando se extendió a sistemas que empleaban una simple verificación de paridad [32] [33] [34]
PRML con no linealidades y ruido dependiente de la señal
A medida que los detectores de datos se volvieron más sofisticados, se consideró importante lidiar con cualquier señal residual no lineal, así como con el ruido dependiente del patrón (el ruido tiende a ser mayor cuando hay una transición magnética entre bits), incluidos los cambios en el espectro de ruido con el patrón de datos. . Con este fin, el detector de Viterbi se modificó de modo que reconociera el nivel de señal esperado y la variación de ruido esperada asociada con cada patrón de bits. Como paso final, los detectores se modificaron para incluir un "filtro predictor de ruido", lo que permite que cada patrón tenga un espectro de ruido diferente. Estos detectores se denominan detectores de predicción de ruido dependiente del patrón (PDNP) [35] o detectores de máxima verosimilitud de predicción de ruido (NPML). [36] Estas técnicas se han aplicado más recientemente a las grabadoras de cinta digitales. [37]
Electrónica moderna
Aunque el acrónimo PRML todavía se usa ocasionalmente, los detectores avanzados son más complejos. Los PRML operan a velocidades de datos más altas. El front-end analógico generalmente incluye AGC , corrección para la respuesta del elemento de lectura no lineal y un filtro de paso bajo con control sobre el realce o corte de alta frecuencia. La ecualización se realiza después del ADC con un filtro FIR digital . ( TDMR usa un ecualizador de 2 entradas y 1 salida). El detector usa el enfoque PDNP / NPML pero el algoritmo de Viterbi de decisión estricta se reemplaza con un detector que proporciona salidas suaves (información adicional sobre la confiabilidad de cada bit). Dichos detectores que utilizan un algoritmo de Viterbi suave o un algoritmo BCJR son esenciales para decodificar iterativamente el código de verificación de paridad de baja densidad utilizado en los discos duros modernos. Un solo circuito integrado contiene todos los canales de lectura y escritura (incluido el decodificador iterativo), así como todas las funciones de interfaz y control del disco. Actualmente hay dos proveedores: Broadcom y Marvell . [38]
Ver también
- Máxima verosimilitud
- Algoritmo de Viterbi
Referencias
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Otras lecturas
- La guía para PC: PRML
- Capítulo en línea "Introducción a PRML" , del libro de Alex Taratorin Caracterización de sistemas de grabación magnética: un enfoque práctico
Este artículo se basa en material extraído del Diccionario de Computación en línea gratuito antes del 1 de noviembre de 2008 e incorporado bajo los términos de "renovación de licencias" de la GFDL , versión 1.3 o posterior.