En el almacenamiento de datos informáticos , la máxima verosimilitud de respuesta parcial ( PRML ) es un método para recuperar los datos digitales de la débil señal de lectura analógica captada por el cabezal de una unidad de disco magnético o una unidad de cinta . El PRML se introdujo para recuperar datos de forma más fiable 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 almacenamiento magnético en discos duros o unidades de cinta .
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 funcionan 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 los 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 ocurren en otros instantes de muestra. La máxima verosimilitud se refiere a que el detector encuentra el patrón de bits con más probabilidades de haber sido responsable de la forma de onda de lectura.
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 distintas 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 de IBM había reconocido que el algoritmo de Viterbi podía aplicarse a canales analógicos con interferencia entre símbolos y, en particular, al uso de PR4 en el contexto de la grabación magnética [6] (posteriormente llamada 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 diferencial. Esto se debe a Ferguson de Bell Labs [8] .
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Las dos primeras implementaciones se realizaron en cinta (Ampex - 1984) y luego en unidades de disco duro (IBM - 1990). Ambas son hitos importantes, ya que la implementación de Ampex se centró en una velocidad de datos muy alta para un grabador de instrumentación digital y la de IBM se centró en un alto nivel de integración y un 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 de HDD, PRML reemplazó a los códigos RLL con "detección de picos".
La primera implementación de PRML se envió en 1984 en el sistema de grabación de casetes digitales (DCRS) de Ampex. El ingeniero jefe del DCRS era Charles Coleman . La máquina evolucionó a partir de una grabadora de cinta de vídeo digital de 6 cabezales y escaneo transversal . El DCRS era una grabadora de instrumentación digital basada en casetes capaz de tiempos de reproducción prolongados 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 funcionaban a una velocidad de datos (en aquel entonces) notablemente alta de 117 Mbits/s. [11] La electrónica PRML se implementó con cuatro convertidores analógico-digitales (A/D) Plessey de 4 bits y lógica ECL de 100k. [12] El canal PRML superó a una implementación de la competencia basada en "Detección de zona nula". [13] Un prototipo de canal PRML se implementó anteriormente a 20 Mbit/s en un prototipo de HDD de 8 pulgadas, [14] pero Ampex abandonó el negocio de HDD en 1985. Estas implementaciones y su modo de funcionamiento se describen mejor en un artículo de Wood y Petersen. [15] Petersen obtuvo una patente sobre el canal PRML pero Ampex nunca lo utilizó. [16]
En 1990, IBM envió el primer canal PRML en un disco duro: el IBM 0681. Tenía un factor de forma de 5¼ pulgadas de altura completa con hasta 12 discos de 130 mm y una capacidad máxima de 857 MB.
El canal PRML para IBM 0681 fue desarrollado en el laboratorio IBM Rochester en Minnesota [17] con el apoyo del laboratorio IBM Zurich Research 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 árbol 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, ya que todo el canal estaba contenido en un único circuito integrado PLCC de 68 pines que funcionaba con una fuente de alimentación de 5 voltios. Además del ecualizador analógico fijo, el canal contaba con un ecualizador de coseno digital adaptativo simple [23] después del A/D para compensar los cambios en el radio y/o los cambios en los componentes magnéticos.
La presencia de distorsión de transición no lineal (NLTS) en grabaciones NRZ a alta densidad y/o alta velocidad de datos se reconoció en 1979. [24] La magnitud y las fuentes de NLTS se pueden identificar 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 HDD del BIOS [28] aunque ahora es manejada automáticamente por el HDD.
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 polinómica (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 n mayor tienden a ser más adecuados para canales con una respuesta de alta frecuencia deficiente. 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 fácilmente valores no enteros. El enfoque clásico para la detección de máxima verosimilitud en un canal con interferencia entre símbolos (ISI) es ecualizar a un objetivo de filtro adaptado, 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.
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 posibles errores de patrón de bits. Se descubrió que este enfoque era valioso cuando se extendió a sistemas que emplean una simple verificación de paridad [32] [33] [34]
A medida que los detectores de datos se volvieron más sofisticados, se encontró que era importante lidiar con cualquier no linealidad residual de la señal, 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, se modificó el detector Viterbi de modo que reconociera el nivel de señal esperado y la varianza de ruido esperada asociada con cada patrón de bits. Como paso final, se modificaron los detectores para incluir un "filtro predictor de ruido", lo que permitió que cada patrón tuviera un espectro de ruido diferente. Estos detectores se conocen como detectores de predicción de ruido dependiente del patrón (PDNP) [35] o detectores de máxima verosimilitud predictivos de ruido (NPML). [36] Estas técnicas se han aplicado más recientemente a las grabadoras de cinta digitales. [37]
Aunque el acrónimo PRML todavía se utiliza ocasionalmente, los detectores avanzados son más complejos que PRML y operan a velocidades de datos más altas. El front-end analógico generalmente incluye AGC , corrección para la respuesta de elemento de lectura no lineal y un filtro de paso bajo con control sobre el aumento o corte de alta frecuencia. La ecualización se realiza después del ADC con un filtro FIR digital . ( TDMR utiliza un ecualizador de 2 entradas y 1 salida). El detector utiliza el enfoque PDNP/NPML pero el algoritmo Viterbi de decisión dura se reemplaza con un detector que proporciona salidas suaves (información adicional sobre la confiabilidad de cada bit). Estos detectores que utilizan un algoritmo 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 control e interfaz del disco. Actualmente hay dos proveedores: Broadcom y Marvell . [38]