Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Цифрлық сақтау жүйелеріндегі деректерді түсіндіру әдісі
Method for interpreting data in digital storage systems
Компьютерлік деректерді сақтауда, ішінара жауап берудің ең жоғары ықтималдығы (PRML) – магниттік дискінің немесе таспа дискінің басымен алынған әлсіз аналогтық қайта оқу сигналынан цифрлық деректерді қалпына келтіру әдісі. PRML деректерді бұрынғы қарапайым схемаларға қарағанда, мысалы, шыңдарды анықтау сияқты, сенімдірек немесе жоғары тығыздықпен қалпына келтіру үшін енгізілді. Бұл жетістіктер маңызды, себебі әлемдегі цифрлық деректердің көп бөлігі магниттік сақтауды пайдалана отырып, қатты дискілерде немесе таспа құрылғыларында сақталады. Ampex 1984 жылы таспалық дискіге PRML-ді енгізді. IBM 1990 жылы дискіге PRML-ді енгізді және PRML аббревиатурасын да ойлап тапты. Алғашқы енгізілгеннен бері көптеген жетістіктер болды. Қазіргі оқу/жазу арналары әлдеқайда жоғары деректер жылдамдығымен жұмыс істейді, толық бейімделеді және әсіресе сызықтық емес сигнал бұрмалауын және стационарлық емес, түрлі, деректерге тәуелді шуды (PDNP немесе NPML) өңдеуге қабілетті. Ішінара жауап беру дегеніміз, жеке битке жауаптың бір бөлігі бір үлгілік сәтте, ал қалған бөліктері басқа үлгілік сәттерде болуы мүмкін. Ең жоғары ықтималдылық – детектордың қайта оқылатын толқын формасына жауапты болуы мүмкін бит үлгісін табуын білдіреді.
In computer data storage, partial response maximum likelihood (PRML) is a method for recovering the digital data from the weak analog read back signal picked up by the head of a magnetic disk drive or tape drive. PRML was introduced to recover data more reliably or at a greater areal density than earlier simpler schemes such as peak detection. These advances are important because most of the digital data in the world is stored using magnetic storage on hard disk or tape drives. Ampex introduced PRML in a tape drive in 1984. IBM introduced PRML in a disk drive in 1990 and also coined the acronym PRML. Many advances have taken place since the initial introduction. Recent read/write channels operate at much higher data rates, are fully adaptive, and, in particular, include the ability to handle nonlinear signal distortion and non stationary, colored, data dependent noise (PDNP or NPML). Partial response refers to the fact that part of the response to an individual bit may occur at one sample instant while other parts fall in other sample instants. Maximum likelihood refers to the detector finding the bit pattern most likely to have been responsible for the read back waveform.
Теориялық дамуы
Қисмалық жауапты Адам Лендер алғаш рет 1963 жылы ұсынды. Бұл әдісті Кретцмер 1966 жылы жалпылады. Кретцмер сондай-ақ, бірнеше түрлі мүмкін жауаптарды жіктеді, мысалы, PR1 – дуобинарлық, ал PR4 – классикалық PRML-де қолданылатын жауап. 1970 жылы Кобаяши мен Тан PR4-тің магниттік жазба арнасы үшін маңызды екенін атап өтті. 1967 жылы Эндрю Витерби конволюциялық кодтарды декодтау үшін осы атпен белгілі Витерби алгоритмін қолдану арқылы максималды ықтималдық декодтауды ұсынды. 1971 жылы IBM-дегі Хисаши Кобаяши Витерби алгоритмін символдар арасындағы кедергісі бар аналогтық арналарға, әсіресе PR4-ті Магниттік Жазу контекстінде (кейін PRML деп аталды) қолдануға болатынын түсінді. (Витерби алгоритмінің кең қолданылу саласы Дейв Форнидің шолу мақаласында жақсы сипатталған.) Алғашқы жүзеге асыруларда айырмашылық метрикасына негізделген жеңілдетілген алгоритм пайдаланылды. Бұл Фергюсонның Белл Лабораториясындағы жұмысының нәтижесі.
Partial response was first proposed by Adam Lender in 1963. The method was generalized by Kretzmer in 1966. Kretzmer also classified the several different possible responses, for example, PR1 is duobinary and PR4 is the response used in the classical PRML. In 1970, Kobayashi and Tang recognized the value of PR4 for the magnetic recording channel. Maximum likelihood decoding using the eponymous Viterbi algorithm was proposed in 1967 by Andrew Viterbi as a means of decoding convolutional codes. By 1971, Hisashi Kobayashi at IBM had recognized that the Viterbi algorithm could be applied to analog channels with inter symbol interference and particularly to the use of PR4 in the context of Magnetic Recording (later called PRML). (The wide range of applications of the Viterbi algorithm is well described in a review paper by Dave Forney.) A simplified algorithm, based upon a difference metric, was used in the early implementations. This is due to Ferguson at Bell Labs.
Өнімдерге енгізу
Алғашқы екі іске асыру таспа құрылғысында (Ampex 1984) және кейін қатты дискілерде (IBM 1990) жүзеге асырылды. Екеуі де маңызды кезеңдер болып табылады, Ampex іске асыру цифрлық өлшеу құралының деректерді өте жоғары жылдамдықпен беруіне, ал IBM – жаппай нарыққа арналған қатты дискілер үшін интеграцияның жоғары деңгейіне және төмен қуат тұтынуына бағытталды. Екі жағдайда да PR4 жауабына бастапқы теңдеу аналогтық схемалар арқылы жасалды, бірақ Витерби алгоритмі цифрлық логикамен орындалды. Таспа қолданылымында PRML "жаппай теңдеуді" ығыстырды. Қатты дискілерде PRML "пик анықтау" арқылы RLL кодтарын ығыстырды.
The first two implementations were in Tape (Ampex 1984) and then in hard disk drives (IBM 1990). Both are significant milestones with the Ampex implementation focused on very high data rate for a digital instrumentation recorder and IBM focused on a high level of integration and low power consumption for a mass market HDD. In both cases, the initial equalization to PR4 response was done with analog circuitry but the Viterbi algorithm was performed with digital logic. In the tape application, PRML superseded 'flat equalization'. In the HDD application, PRML superseded RLL codes with 'peak detection'.
Таспаға жазу
PRML-нің алғашқы нұсқасы 1984 жылы Ampex Digital Cassette Recording System (DCRS) жүйесінде қолданысқа енгізілді. DCRS-тің бас инженері Чарльз Коулман болды. Бұл машина 6 басты, көлденең сканерлеулі цифрлық бейнежазғыштан дамытылды. DCRS – кассеталық, цифрлық, өлшеу құралын жазатын құрылғы болып табылады, ол өте жоғары деректер жылдамдығында ұзақ уақыт жазу мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Ол Ampex компаниясының ең табысты цифрлық өніміне айналды. Бастар мен оқу/жазу арнасы (сол кезде) өте жоғары 117 Мбит/с деректер жылдамдығымен жұмыс істеді. PRML электроникасы төрт 4 биттік Plessey аналогты-цифрлық түрлендіргіштері (A/D) және 100к ECL логикасымен іске асырылды. PRML арнасы "Нөлдік аймақты анықтау" әдісіне негіделген бәсекелес нұсқадан жоғары өнімділік көрсетті. PRML арнасының прототипі бұрын 20 Мбит/с жылдамдықпен 8 дюймдік HDD прототипінде сынақтан өтті, бірақ Ampex 1985 жылы HDD бизнесінен шықты. Бұл іске асырулар мен олардың жұмыс принципі Вуд пен Петерсеннің мақаласында ең жақсы сипатталған. Петерсен PRML арнасына патент алды, бірақ Ampex оны пайдаланған жоқ.
The first implementation of PRML was shipped in 1984 in the Ampex Digital Cassette Recording System (DCRS). The chief engineer on DCRS was Charles Coleman. The machine evolved from a 6 head, transverse scan, digital video tape recorder. DCRS was a cassette based, digital, instrumentation recorder capable of extended play times at very high data rate. It became Ampex' most successful digital product. The heads and the read/write channel ran at the (then) remarkably high data rate of 117 Mbits/s. The PRML electronics were implemented with four 4 bit, Plessey analog to digital converters (A/D) and 100k ECL logic. The PRML channel outperformed a competing implementation based on "Null Zone Detection". A prototype PRML channel was implemented earlier at 20 Mbit/s on a prototype 8 inch HDD, but Ampex exited the HDD business in 1985. These implementations and their mode of operation are best described in a paper by Wood and Petersen. Petersen was granted a patent on the PRML channel but it was never leveraged by Ampex.
Қатты дискілер
1990 жылы IBM алғашқы PRML арнасын IBM 0681 қатты дискісінде (HDD) пайдалануға берді. Ол толық биіктіктегі 5¼ дюймдік форматта, 130 мм дисктердің 12-сіне дейін сыйымдылығы бар және максималды сыйымдылығы 857 МБ құрады. IBM 0681 үшін PRML арнасы Миннесота штатындағы IBM Rochester зертханасында, Швейцариядағы IBM Zurich зерттеу орталығының қолдауымен әзірленді. IBM San Jose-дегі параллель ғылыми-зерттеу жұмысы тікелей өнімге әкелген жоқ. Сол кездегі бәсекелес технология – 17ML, шекті тереңдіктегі ағаш іздеудің (FDTS) мысалы еді. IBM 0681 оқу/жазу арнасы 24 Мбит/с деректерді беру жылдамдығымен жұмыс істеді, бірақ 5 вольттан қуат алатын бір 68 контактілі PLCC интегралды схемасында толығымен біріктірілген. Қолданылатын аналогтық теңестіргіштен басқа, арнада радиус немесе магниттік компоненттердің өзгеруін өтеу үшін А/Д түрлендіргіштен кейін қарапайым адаптивті цифрлық косинус теңестіргіші болды.
In 1990, IBM shipped the first PRML channel in an HDD in the IBM 0681 It was full height 5¼ inch form factor with up to 12 of 130 mm disks and had a maximum capacity of 857 MB. The PRML channel for the IBM 0681 was developed in IBM Rochester lab. in Minnesota with support from the IBM Zurich Research lab. in Switzerland. A parallel R&D effort at IBM San Jose did not lead directly to a product. A competing technology at the time was 17ML an example of Finite Depth Tree Search (FDTS). The IBM 0681 read/write channel ran at a data rate of 24 Mbits/s but was more highly integrated with the entire channel contained in a single 68 pin PLCC integrated circuit operating off a 5 volt supply. As well as the fixed analog equalizer, the channel boasted a simple adaptive digital cosine equalizer after the A/D to compensate for changes in radius and/or changes in the magnetic components.
Алдын ала өтемақыны жазу
1979 жылы жоғары тығыздық және/немесе жоғары дерек жылдамдығында NRZ жазудағы сызықтық емес ауысу қателігінің (NLTS) болуы анықталды. NLTS-тің шамасы мен көздері "құрастырылған дипульс" әдісі арқылы анықталуы мүмкін. Ampex компаниясы PR4-ке NLTS-тің әсерін бірінші болып байқады және PRML NRZ жазу үшін жазуды алдын ала өтеуді енгізді. "Алдын ала өтеу" NLTS әсерін көбінесе жояды, бірақ қазір бұл HDD арқылы автоматты түрде жүзеге асырылады.
The presence of nonlinear transition shift (NLTS) distortion on NRZ recording at high density and/or high data rate was recognized in 1979. The magnitude and sources of NLTS can be identified using the 'extracted dipulse' technique. Ampex was the first to recognize the impact of NLTS on PR4. and was first to implement Write precompensation for PRML NRZ recording. 'Precomp.' largely cancels the effect of NLTS. although it is now handled automatically by the HDD.
Жалпыланған PRML
PR4 біттік жауаптың үлгілік мәндерінде (+1, 0, 1) немесе полиномдық жазбада (1 D)(1+D) нысанасымен сипатталады (мұнда D – бір үлгілік кешіктіру операторы). (+1, +1, 1, 1) немесе (1 D)(1+D)^2 нысанасы кеңейтілген PRML (немесе EPRML) деп аталады. Тапар және Патель (1 D)(1+D)^n отбасының барлығын зерттеді. Үлкен n мәніне ие нысаналар жоғары жиілікті жауабы нашар каналдарға жақсырақ сәйкес келеді. Бұл нысаналардың барлығы бүтін сандық үлгілік мәндерге ие және ашық «көз» пішінін құрайды (мысалы, PR4 үштік «көз» пішінін құрайды). Дегенмен, нысана бүтін емес мәндерге де ие болуы мүмкін. Символдар аралық кедергісі (ISI) бар каналда максималды ықтималдықпен анықтаудың классикалық тәсілі – минималды фазалық, ақталған, сәйкес келетін сүзгі нысанасына теңестіру болып табылады. Ал кейінгі Витерби детекторының күрделілігі нысана ұзындығымен бірге экспоненциалды түрде өседі – нысана ұзындығының әрбір 1 үлгісіне қарай күйлердің саны екі есе артады.
PR4 is characterized by an equalization target (+1, 0, 1) in bit response sample values or (1 D)(1+D) in polynomial notation (here, D is the delay operator referring to a one sample delay). The target (+1, +1, 1, 1) or (1 D)(1+D)^2 is called Extended PRML (or EPRML). The entire family, (1 D)(1+D)^n, was investigated by Thapar and Patel. The targets with larger n value tend to be more suited to channels with poor high frequency response. This series of targets all have integer sample values and form an open eye pattern (e. g. PR4 forms a ternary eye). In general, however, the target can just as readily have non integer values. The classical approach to maximum likelihood detection on a channel with intersymbol interference (ISI) is to equalize to a minimum phase, whitened, matched filter target. The complexity of the subsequent Viterbi detector increases exponentially with the target length the number of states doubling for each 1 sample increase in target length.
Пост-процессорлық архитектура
Ұзақ нысандардың күрделілігінің жылдам өсуін ескере отырып, алдымен EPRML үшін постпроцессорлық архитектура ұсынылды. Бұл тәсілде салыстырмалы түрде қарапайым детектор (мысалы, PRML) қалдық толқын пішінінің қатесін зерттейтін және ықтимал бит үлгісі қателерінің болуын анықтайтын постпроцессормен жұмыс істейді. Бұл тәсіл қарапайым жұптық тексеруді қолданатын жүйелерге де пайдалы екені анықталды.
Given the rapid increase in complexity with longer targets, a post processor architecture was proposed, firstly for EPRML. With this approach a relatively simple detector (e. g. PRML) is followed by a post processor which examines the residual waveform error and looks for the occurrence of likely bit pattern errors. This approach was found to be valuable when it was extended to systems employing a simple parity check
Сызықтық емес және сигналға тәуелді шулы PRML
Деректерді анықтағыштар күрделене түскен сайын, қалған сигналдың сызықтық еместіктерімен және үлгіге тәуелді шумен (шу биттер арасында магниттік өту кезінде ең жоғары болады), соның ішінде деректер үлгісіне байланысты шу спектрінің өзгеруімен күресу маңызды болды. Осы мақсатта Viterbi анықтағышы әрбір бит үлгісі үшін күтілетін сигнал деңгейін және күтілетін шу дисперсиясын анықтау үшін өзгертілді. Соңғы қадам ретінде, анықтағыштарға «шу болжау сүзгісі» қосылды, бұл әрбір үлгіге әртүрлі шу спектрін беруге мүмкіндік берді. Мұндай анықтағыштар үлгіге тәуелді шу болжау (PDNP) анықтағыштары немесе шуды болжаудың максималды ықтималдық анықтағыштары (NPML) деп аталады. Бұл техникалар соңғы кезде сандық таспа жазғыштарына қолданылды.
As data detectors became more sophisticated, it was found important to deal with any residual signal nonlinearities as well as pattern dependent noise (noise tends to be largest when there is a magnetic transition between bits) including changes in noise spectrum with data pattern. To this end, the Viterbi detector was modified such that it recognized the expected signal level and expected noise variance associated with each bit pattern. As a final step, the detectors were modified to include a 'noise predictor filter' thus allowing each pattern to have a different noise spectrum. Such detectors are referred to as Pattern Dependent Noise Prediction (PDNP) detectors or noise predictive maximum likelihood detectors (NPML). Such techniques have been more recently applied to digital tape recorders.
Қазіргі заманғы электроника
PRML аббревиатурасы әлі кейде қолданылса да, жетілген детекторлар PRML-ге қарағанда күрделірек және жоғары дерек жылдамдықтарымен жұмыс істейді. Аналогтық алдыңғы бөлімде әдетте AGC, сызықтық емес оқу элементінің жауабын түзету және жоғары жиілікті күшейтуді немесе әлсіретуді басқаруға мүмкіндік беретін төмен өткіргіш сүзгі болады. АДК-дан кейін цифрлық FIR-сүзгісімен теңестіру жасалады. (TDMR 2 кіріс, 1 шығыс теңестіргішін пайдаланады.) Детектор PDNP/NPML тәсілін қолданады, бірақ қатты шешім қабылдайтын Viterbi алгоритмі жұмсақ шығыстарды (әр биттің сенімділігі туралы қосымша ақпарат) беретін детектормен алмастырылады. Мұндай жұмсақ Viterbi алгоритмін немесе BCJR алгоритмін пайдаланатын детекторлар қазіргі заманғы HDD-лерде қолданылатын төмен тығыздықпен тексеру кодын итеративті түрде декодтау үшін өте маңызды. Бір интегралдық микросхемада барлық оқу және жазу арналары (итеративті декодерді қоса алғанда), сондай-ақ дискіні басқарудың және интерфейстің барлық функциялары біріктірілген. Қазіргі таңда Broadcom және Marvell деген екі жеткізуші бар.
Although the PRML acronym is still occasionally used, advanced detectors are more complex PRML operate at higher data rates. The analog front end typically includes AGC, correction for the nonlinear read element response, and a low pass filter with control over the high frequency boost or cut. Equalization is done after the ADC with a digital FIR filter. (TDMR uses a 2 input, 1 output equalizer.) The detector uses the PDNP/NPML approach but the hard decision Viterbi algorithm is replaced with a detector providing soft outputs (additional information about the reliability of each bit). Such detectors using a soft Viterbi algorithm or BCJR algorithm are essential in iteratively decoding the low density parity check code used in modern HDDs. A single integrated circuit contains the entire read and write channels (including the iterative decoder) as well as all the disk control and interface functions. There are currently two suppliers: Broadcom and Marvell.