Введение

Метод интерпретации данных в цифровых системах хранения

В компьютерном хранении данных, метод максимального правдоподобия частичного отклика (PRML) – это способ восстановления цифровых данных из слабого аналогового сигнала обратного чтения, принимаемого головкой магнитного дискового или ленточного накопителя. PRML был разработан для более надежного восстановления данных или достижения большей плотности записи по сравнению с более простыми схемами, такими как пиковое детектирование. Эти усовершенствования важны, поскольку большая часть цифровых данных в мире хранится на магнитных носителях – жестких дисках или магнитных лентах. Компания Ampex впервые применила PRML в ленточном накопителе в 1984 году. Компания IBM представила PRML в дисковом накопителе в 1990 году и также предложила аббревиатуру PRML. С момента первоначального внедрения было достигнуто значительное развитие. Современные каналы чтения/записи работают на гораздо более высоких скоростях передачи данных, полностью адаптивны и, в частности, способны обрабатывать нелинейные искажения сигнала и нестационарный, окрашенный, шумовой сигнал, зависящий от данных (PDNP или NPML). Термин "частичный отклик" относится к тому факту, что часть отклика на отдельный бит может проявляться в один момент времени выборки, а остальная часть – в другие моменты. "Максимальное правдоподобие" означает, что детектор определяет наиболее вероятную последовательность битов, которая могла сформировать полученную форму сигнала обратного чтения.

Теоретическая разработка

Частичный отклик был впервые предложен Адамом Лендером в 1963 году. Метод был обобщен Кретцмером в 1966 году. Кретцмер также классифицировал несколько различных возможных откликов, например, PR1 является дуобинарным, а PR4 – откликом, используемым в классической PRML. В 1970 году Кобаяси и Тан признали ценность PR4 для канала магнитной записи. Декодирование с максимальным правдоподобием с использованием одноименного алгоритма Витерби было предложено в 1967 году Эндрю Витерби как способ декодирования сверточных кодов. К 1971 году Хисаси Кобаяси в IBM понял, что алгоритм Витерби можно применить к аналоговым каналам с межсимвольной помехой и, в частности, к использованию PR4 в контексте магнитной записи (впоследствии названной PRML). (Широкий спектр применений алгоритма Витерби хорошо описан в обзорной статье Дэйва Форни.) В ранних реализациях использовался упрощенный алгоритм, основанный на разностной метрике. Это заслуга Фергюсона из Bell Labs.

Реализация в продуктах

Первые две реализации были реализованы на магнитной ленте (Ampex, 1984) и затем на жестких дисках (IBM, 1990). Обе являются важными вехами: реализация Ampex была ориентирована на очень высокую скорость передачи данных для цифрового измерительного регистратора, а реализация IBM – на высокую степень интеграции и низкое энергопотребление для жесткого диска массового производства. В обоих случаях начальная эквализация для формирования отклика PR4 выполнялась с помощью аналоговой схемотехники, а алгоритм Витерби – с использованием цифровой логики. В применении с магнитной лентой PRML пришел на смену "плоской эквализации". В применении с жесткими дисками PRML заменил коды RLL с "детектированием пиков".

Запись на пленку

Первая реализация PRML была поставлена в 1984 году в составе цифровой кассетной системы Ampex (DCRS). Главным инженером проекта DCRS был Чарльз Коулман. Система произошла от 6-голового цифрового видеомагнитофона с поперечным сканированием. DCRS представлял собой кассетный цифровой прибор для регистрации данных, обеспечивающий длительное время записи при очень высокой скорости передачи данных. Это был самый успешный цифровой продукт Ampex. Головки и канал чтения/записи работали на (для того времени) исключительно высокой скорости 117 Мбит/с. Электроника PRML была реализована с использованием четырех 4-битных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) Plessey и 100k логических элементов на основе ЭКЛ (ECL). Канал PRML продемонстрировал превосходство над конкурирующей реализацией, основанной на методе "обнаружения нулевой зоны". Прототип канала PRML был ранее реализован на скорости 20 Мбит/с на прототипе 8-дюймового жесткого диска, однако в 1985 году Ampex прекратил деятельность в сфере производства жестких дисков. Эти реализации и принципы их работы подробно описаны в статье Вуда и Петерсена. Петерсен получил патент на канал PRML, но Ampex так и не воспользовался им.

Жёсткие диски

В 1990 году компания IBM начала поставки первого PRML-канала в жестком диске IBM 0681. Он имел форм-фактор полной высоты 5¼ дюйма и поддерживал до 12 дисков диаметром 130 мм, обеспечивая максимальную емкость 857 МБ. PRML-канал для IBM 0681 был разработан в лаборатории IBM в Рочестере (штат Миннесота) при поддержке исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария). Параллельные научно-исследовательские работы, проводившиеся в IBM San Jose, не привели к созданию готового продукта. Конкурирующей технологией в то время была 17ML – пример поиска с ограниченной глубиной (FDTS). Канал чтения/записи IBM 0681 работал на скорости передачи данных 24 Мбит/с, но отличался высокой степенью интеграции: весь канал был размещен в одной 68-выводной интегральной схеме PLCC, работающей от 5-вольтового питания. Помимо фиксированного аналогового эквалайзера, канал включал простой адаптивный цифровой косинусный эквалайзер, установленный после АЦП, для компенсации изменений радиуса и/или изменений магнитных характеристик.

Запишите предварительную компенсацию

Наличие нелинейного искажения переходного сдвига (NLTS) в NRZ-записи при высокой плотности и/или высокой скорости передачи данных было выявлено в 1979 году. Величину и источники NLTS можно определить с помощью метода "извлеченного дипольного импульса". Компания Ampex первой осознала влияние NLTS на PR4 и впервые реализовала предварительную компенсацию записи для PRML NRZ-записи. "Предкомпенсация" значительно ослабляет эффект NLTS, хотя сейчас это осуществляется автоматически жестким диском.

Общая ЛПМР

PR4 характеризуется целевой характеристикой эквализации (+1, 0, 1) в значениях отклика на бит или (1 D)(1+D) в полиномиальной форме записи (где D – оператор задержки, соответствующий задержке в один отсчет). Целевая характеристика (+1, +1, 1, 1) или (1 D)(1+D)^2 называется расширенной PRML (или EPRML). Вся эта семья, (1 D)(1+D)^n, была исследована Тапаром и Пателем. Целевые характеристики с большим значением n, как правило, лучше подходят для каналов с плохой высокочастотной характеристикой. Все эти целевые характеристики имеют целочисленные значения отсчетов и формируют открытый диаграмму "глаз" (например, PR4 формирует троичную диаграмму "глаз"). Однако в общем случае целевая характеристика может иметь и нецелочисленные значения. Классический подход к обнаружению по максимальному правдоподобию на канале с межсимвольной интерференцией (ISI) заключается в эквализации до минимально-фазовой, отбеленной, согласованной фильтрующей целевой характеристики. Сложность последующего детектора Витерби экспоненциально возрастает с увеличением длины целевой характеристики – количество состояний удваивается с каждым увеличением длины целевой характеристики на 1 отсчет.

Архитектура постпроцессора

Учитывая быстрое увеличение сложности при работе с более длинными последовательностями, была предложена архитектура постпроцессора, изначально для EPRML. В этом подходе относительно простой детектор (например, PRML) дополняется постпроцессором, который анализирует остаточную ошибку сигнала и выявляет возможные ошибки в последовательности битов. Этот подход оказался эффективным при его расширении на системы, использующие простую проверку чётности.

PRML с нелинейными и сигнально-зависимыми шумами

По мере усложнения детекторов данных, стало важным учитывать любые остаточные нелинейности сигнала, а также шум, зависящий от шаблона данных (шум обычно максимален при магнитном переходе между битами), включая изменения спектра шума в зависимости от шаблона данных. В связи с этим детектор Витерби был модифицирован для распознавания ожидаемого уровня сигнала и ожидаемой дисперсии шума, связанных с каждым битовым шаблоном. На заключительном этапе детекторы были дополнены "фильтром предсказания шума", что позволило каждому шаблону иметь свой собственный спектр шума. Такие детекторы называют детекторами предсказания шума, зависящего от шаблона (PDNP), или детекторами максимального правдоподобия с предсказанием шума (NPML). В последнее время эти методы стали применяться и к цифровым магнитофонам.

Современная электроника

Хотя акроним PRML все еще иногда используется, современные детекторы сложнее и работают на более высоких скоростях передачи данных, чем PRML. Аналоговый фронтенд обычно включает в себя автоматическую регулировку усиления (AGC), коррекцию нелинейной характеристики считывающего элемента и фильтр нижних частот с управлением высокочастотным усилением или ослаблением. Эквалайзация выполняется после аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с помощью цифрового FIR-фильтра. (TDMR использует эквалайзер с 2 входами и 1 выходом.) Детектор использует подход PDNP/NPML, но алгоритм принятия жесткого решения Витерби заменен детектором, предоставляющим мягкие выходные данные (дополнительную информацию о надежности каждого бита). Такие детекторы, использующие алгоритм мягкого Витерби или алгоритм BCJR, необходимы для итеративного декодирования кода с низкой плотностью четности, 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 существует два поставщика: Broadcom и Marvell.