부분 응답 최대우도

Partial-response maximum-likelihood

컴퓨터 데이터 스토리지에서 부분응답 최대우도(PRM)는 자기디스크 드라이브 또는 테이프 드라이브의 헤드에 의해 픽업된 약한 아날로그 리드백 신호로부터 디지털 데이터를 회복하는 방법이다.PRM은 피크 [1]검출과 같은 이전의 단순한 방식보다 데이터를 더 안정적으로 또는 더 큰 면적 밀도로 복구하기 위해 도입되었다.전 세계 디지털 데이터의 대부분은 하드 디스크나 테이프 드라이브의 자기 스토리지를 사용하여 저장되기 때문에 이러한 발전은 중요합니다.

Ampex는 1984년에 테이프 드라이브에 PRML을 도입했습니다.IBM은 1990년 디스크 드라이브에 PRML을 도입하고 약어 PRM을 만들기도 했습니다. 초기 도입 이후 많은 발전이 이루어졌습니다.최근의 읽기/쓰기 채널은 훨씬 더 높은 데이터 레이트로 동작하며, 완전히 적응할 수 있으며, 특히 비선형 신호 왜곡 및 비정상, 컬러링, 데이터 의존 노이즈(PDNP 또는 NPML)를 처리하는 기능이 포함되어 있습니다.

부분 응답은 개별 비트에 대한 응답의 일부가 한 표본 순간에 발생할 수 있고 다른 부분이 다른 표본 인스턴스에 포함될 수 있다는 사실을 의미합니다.최대우도란 검출기가 리드백 파형의 원인이 되었을 가능성이 가장 높은 비트 패턴을 찾는 것을 말합니다.

이론적 전개

연속 시간 부분 응답(클래스 4) 및 대응하는 '눈 패턴'

부분 대응은 1963년 [2]아담 대출자에 의해 처음 제안되었다.이 방법은 1966년에 크레츠머에 의해 일반화되었다.Kretzmer는 또한 PR1은 2진수, PR4는 고전 PRML에서 사용되는 반응 등 여러 가지 가능한 [3]반응을 분류했습니다. 1970년 Kobayashi와 Tang은 자기 기록 [4]채널에 대한 PR4의 값을 인식했습니다.

1967년 Andrew Viterbi는 컨볼루션 [5]코드를 디코딩하는 수단으로 동명의 Viterbi 알고리즘을 사용한 최대우도 디코딩을 제안했다.

1971년까지, 히사시 고바야시 IBM에서 Viterbi 알고리즘inter-symbol 방해와 아날로그 채널과 PR4의 자기 Recording[6](나중에 PRML라고 불리는)의 컨텍스트에서를 사용하는 특히 적용될 수 있다. 자세한 내용은 Viterbi 알고리즘의 응용 프로그램의 종류가 광범위해서 잘 데이브 포니형 기관차에 의해 검토 문서에서 설명된 인정을 했다.[7])초기 구현에서는 차분 메트릭에 기초한 단순화된 알고리즘이 사용되었습니다.이것은 벨 [8]연구소의 퍼거슨 덕분이다.

제품에서의 구현

초기 PRM 연표(1994년경 작성)

최초의 2개의 실장은 테이프(Ampex - 1984)와 하드 디스크 드라이브(IBM - 1990)에 있었습니다.두 가지 모두 디지털 계측 레코더용 Ampex 구현이 매우 높은 데이터 속도에 초점을 맞추고 IBM은 대량 시장용 HDD용 높은 수준의 통합과 낮은 전력 소비에 초점을 맞춘 중요한 이정표입니다.어느 경우든 PR4 응답에 대한 초기 등화는 아날로그 회로로 이루어졌지만 Viterbi 알고리즘은 디지털 로직으로 실행되었습니다.테이프 애플리케이션에서 PRM은 '평면 등화'를 대체했습니다.HDD 애플리케이션에서 PRM은 RLL 코드를 '피크 감지'로 대체했습니다.

테이프 녹음

PRM의 첫 번째 구현은 1984년 암펙스 디지털 카세트 레코딩 시스템(DCRS)에서 출고되었습니다.DCRS의 수석 엔지니어는 찰스 콜먼이었습니다.이 기계는 6헤드 가로 스캔 디지털 비디오 테이프 레코더에서 발전했습니다.DCRS는 매우 높은 데이터 [9]속도로 재생 시간을 연장할 수 있는 카세트 기반의 디지털 기기 기록 장치였습니다.그것은 Ampex의 가장 성공적인 디지털 [10]제품이 되었다.


헤드와 읽기/쓰기 채널은 117 Mbits/[11]s라는 매우 높은 데이터 속도로 실행되었습니다.PRM 전자제품은 4비트 Pleseyanalog-to-Digital Converter(A/D) 및 100k ECL [12]로직을 사용하여 구현되었습니다.PRM 채널은 "Null-Zone Detection"[13]에 기반한 경쟁 구현보다 성능이 뛰어났습니다.PRM 채널 시제품은 8인치 [14]시제품 HDD에 20Mbit/s로 구현되었지만 Ampex는 1985년에 HDD 사업을 종료했습니다.이러한 구현과 그 운용방식에 대해서는 Wood와 Petersen의 [15]논문에서 가장 잘 설명하고 있습니다.Petersen은 PRML 채널에 대한 특허를 받았지만 Ampex에 의해 [16]활용되지 않았다.

하드 디스크 드라이브

1990년 IBM은 IBM 0681의 HDD에 포함된 최초의 PRM 채널을 출하했습니다. 이 채널은 최대 130mm 디스크 12개를 갖춘 풀 하이트 5인치 폼 팩터였으며 최대 용량은 857MB였습니다.

IBM 0681의 PRM 채널은 IBM Rochester 연구소에서 개발되었습니다.스위스에 [18]있는 IBM 취리히 연구소의 지원을 받아 미네소타에서[17] 연구했습니다.IBM San Jose의 R&D 작업은 제품 [19]개발로 이어지지 않았습니다.당시 경쟁 기술은 17ML로 [21][22]FDTS(Finite-Depth Tree-Search)의 예입니다[20].

IBM 0681 읽기/쓰기 채널은 24 Mbits/s의 데이터 속도로 실행되었지만, 5V 전원 공급으로 작동하는 단일 68핀 PLCC 집적 회로에 포함된 전체 채널과 보다 고도로 통합되었습니다.고정 아날로그 이퀄라이저뿐만 아니라 채널은 A/D 후에 간단한 적응형 디지털 코사인[23] 이퀄라이저를 자랑하여 반지름의 변화 및/또는 자기 구성요소의 변화를 보상했습니다.

사전 보정 쓰기

고밀도 및/또는 높은 데이터 속도에서 NRZ 기록에 비선형 전이 이동(NLTS) 왜곡의 존재는 [24]1979년에 인식되었다.NLTS의 크기와 소스는 '추출된 쌍펄스'[25][26] 기술을 사용하여 식별할 수 있습니다.

Ampex는 PR4에 대한 [27]NLTS의 영향을 최초로 인식했으며 PRM NRZ 기록에 대한 쓰기 사전보상을 최초로 구현했습니다.Precomp.는 [14]NLTS의 효과를 크게 상쇄한다.사전보정은 PRML 시스템의 필수사항으로 간주되며 BIOS HDD[28] 셋업에 표시될 정도로 중요합니다.단, 현재는 HDD에 의해 자동으로 처리됩니다.

추가 개발

범용 PRM

PR4는 비트 응답 샘플값의 등화 타깃(+1, 0, -1) 또는 다항식 표기법의 (1-D)(1+D)에 의해 특징지어진다(여기서 D는 1개의 샘플 지연을 참조하는 지연 연산자).타겟(+1, +1, -1, -1) 또는 (1-D)(1+D)^2는 확장 PRML(또는 EPRL)이라고 불립니다.전체 패밀리 (1-D)(1+D)^n은 Tapar와 Patel에 [29]의해 조사되었다.n 값이 큰 타깃은 고주파 응답이 낮은 채널에 더 적합합니다.이 일련의 표적은 모두 정수 표본 값을 가지며 열린 눈 패턴을 형성한다(예: PR4가 3차 눈을 형성한다).그러나 일반적으로 목표값도 쉽게 정수 값이 아닌 값을 가질 수 있습니다.Intersymbol Interference(ISI; 심볼간섭)가 있는 채널에서 최대우도검출을 위한 기존의 접근방식은 최소위상의 흰색 일치필터 [30]타깃과 동등하게 하는 것입니다.후속 Viterbi 검출기의 복잡성은 대상 길이에 따라 기하급수적으로 증가한다. 즉, 대상 길이가 1표본 증가할 때마다 상태 수가 두 배로 증가한다.

포스트 프로세서 아키텍처

더 긴 목표물의 복잡성이 빠르게 증가함에 따라, 우선 EPRL을 [31]위한 포스트 프로세서 아키텍처가 제안되었다. 이 접근방식으로 비교적 단순한 검출기(예: PRML)에 이어 잔류 파형 오류를 검사하고 가능한 비트 패턴 오류의 발생을 찾아내는 포스트 프로세서가 뒤따랐다.이 접근방식은 단순한 패리티[32][33][34] 체크를 사용하는 시스템으로 확장되었을 때 유용하다는 것을 알게 되었습니다.

비선형성 및 신호 의존성 노이즈가 있는 PRML

데이터 검출기가 더욱 정교해짐에 따라, 데이터 패턴과 함께 소음 스펙트럼의 변화를 포함한 패턴 의존형 소음(비트 간에 자기 전이가 있을 때 소음이 가장 큰 경향이 있음)뿐만 아니라 잔류 신호 비선형성을 처리하는 것이 중요한 것으로 밝혀졌다.이를 위해 Viterbi 검출기는 각 비트 패턴과 관련된 예상 신호 수준 및 예상 소음 분산을 인식하도록 수정되었다.마지막 단계로, 검출기는 '소음 예측 필터'를 포함하도록 수정되었고, 따라서 각 패턴은 다른 소음 스펙트럼을 가질 수 있었다.이러한 검출기를 패턴 의존형 노이즈 예측(PDNP) 검출기 또는 노이즈 예측 최대우도 검출기(NPML)[36]라고[35] 한다.이러한 기술은 최근 디지털 [37]테이프 레코더에 적용되고 있다.

현대 전자제품

PRM 약어가 여전히 가끔 사용되지만 고급 검출기는 더 복잡한 PRM이 더 높은 데이터 속도로 작동한다.아날로그 프론트 엔드에는 일반적으로 AGC, 비선형 읽기 요소 응답 보정 및 고주파 부스트 또는 컷을 제어하는 로우패스 필터가 포함됩니다.이퀄라이제이션은 ADC 후에 디지털 FIR 필터를 사용하여 이루어집니다(TDMR은 2입력 1출력 이퀄라이저를 사용합니다).검출기는 PDNP/NPML 접근방식을 사용하지만 하드 결정 Viterbi 알고리즘은 소프트 출력을 제공하는 검출기(각 비트의 신뢰성에 대한 추가 정보)로 대체된다.소프트 Viterbi 알고리즘 또는 BCJR 알고리즘을 사용하는 이러한 검출기는 최신 HDD에서 사용되는 저밀도 패리티 체크 코드를 반복적으로 디코딩하는 데 필수적입니다.단일 집적회로에는 전체 읽기 및 쓰기 채널(반복 디코더 포함)과 모든 디스크 제어 및 인터페이스 기능이 포함됩니다.현재 공급자는 Broadcom과 Marvell [38]두 개입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ G. Fisher, W. Abbott, J. Sonntag, R.Nesin, "PRM 검출로 하드 디스크 드라이브의 용량이 향상됩니다", IEEE Spectrum, Vol. 33, No. 11, 페이지 70-76, 1996년 11월
  2. ^ A. 대출자, "고속 데이터 전송을 위한 이중 기술", 전송.AIEE, 제1부: 통신 및 전자, 제82권, 제2호, 제214-218페이지, 1963년 5월
  3. ^ E. Kretzmer, "이진 데이터 통신을 위한 기술의 일반화", IEEE 전송.통신, 제14권, 제1호, 1966년 2월 67-68페이지
  4. ^ H. 고바야시와 D.탕, "자기 기록 시스템에 부분 응답 채널 부호화 적용", IBM J. Resolution Dev., Vol, 14, No.4, 368-375, 1970년 7월
  5. ^ A. Viterbi, "콘볼루션 코드 및 점근적으로 최적의 디코딩 알고리즘에 대한 오류 한계", IEEE Trans.정보. 이론, 제13권, 제2호, 260-269페이지, 1967년 4월
  6. ^ H. Kobayashi, "상대 수준 부호화 및 최대우도 복호화", IEEE Trans.알리다.이론, vol.IT-17, 페이지 586-594, 1971년 9월
  7. ^ D. Forney, “The Viterbi Algorithm”, Proc.IEEE, Vol.61, No.3, 268-278페이지, 1973년 3월
  8. ^ M. 퍼거슨, "바이너리 부분 응답 채널에 최적의 수신" 벨 시스템.Tech. J., 제5권, 493-505, 1972년 2월
  9. ^ T. Wood, "Ampex Digital Cassette Recording System (DCRS)", THIC 회의, 엘리콧 시티, MD, 1996년 10월 16일 (PDF)
  10. ^ R. Wood, K. Hallamasek, "최초 상업용 PRM 채널 프로토타입 개요", 컴퓨터 역사 박물관, #102788145, 2009년 3월 26일
  11. ^ C. 콜먼, D.린드홀름 D피터슨, 그리고 R.Wood, "단일 채널에서의 높은 데이터 속도 자기 기록", J. IERE, Vol., 55, No.6, 페이지 229-236, 1985년 6월.(초대) (찰스 배비지상 최우수 논문상)
  12. ^ 컴퓨터 역사 박물관, #102741157, "Ampex PRM 프로토타입 회로", 1982년경
  13. ^ J. Smith, "Null Zone Detection에 의한 이중 데이터 시스템의 오류 제어", IEEE Trans.통신, Vil 16, No.6, 페이지 825-830, 1968년 12월
  14. ^ a b R. 우드, S.Ahlgrim, K. Hallamasek, R. Stenerson, "표면당 100MB의 실험적인 8인치 디스크 드라이브", IEEE Trans.Mag., vol. MAG-20, No.5, 698-702, 1984년 9월(표준)
  15. ^ R. Wood와 D.Petersen, "자기 기록 채널에서의 클래스 IV 부분 응답의 Viterbi 검출", IEEE 전송.Comm., Vol., COM-34, No.5, 페이지 454-461, 1986년 5월 (초대)
  16. ^ D. Petersen, "클래스 IV 부분응답에 대한 디지털 최대우도 검출기", 미국 특허 4504872는 1983년 2월 8일에 출원했다.
  17. ^ J. Coker, R. Galbraith, G. Kerwin, J. Rae, P. Ziperovich, "리지드 디스크 드라이브에서의 PRM 구현", IEEE Trans.매그너, 제27권, 제6호, 4538-43, 1991년 11월
  18. ^ R. Cidecyan, F.돌비오, R.헤르만, WHirt, W. Schott, "디지털 자기 기록을 위한 PRML 시스템", IEEE 저널, Comms의 일부 영역에 관한 vol.10, No.1, 페이지 38-56, 1992년 1월
  19. ^ T. 하웰 등"Error Rate Performance of Experimental Gigabit per Square 인치 레코딩 컴포넌트", IEEE Trans.매그너, 제26권, 제5호, 페이지 2298-2302, 1990
  20. ^ A. Patel, "6샘플 Look-Ahead 17ML Detection Channel 성능 데이터", IEEE Trans.매그너, 제29권, 제6호, 페이지 4012-4014, 1993년 12월
  21. ^ R. Carley, J. Moon, "고정 지연 트리 탐색을 위한 장치 및 방법"은 1989년 10월 30일에 제출되었습니다.
  22. ^ R. Wood, "Class II 부분 응답과 동등한 1,k 코드에 대한 새로운 검출기", IEEE Trans.Magn., Vol. MAG-25, No.5, 4075-4077, 1989년 9월
  23. ^ T. 가메야마, S.타카나미, R. 아라이, 「코사인 이퀄라이저에 의한 기록 밀도 향상」, IEEE 트랜스.매그너 12권 6호, 페이지 746-748, 1976년 11월
  24. ^ R. Wood, R. Donaldson, "디지털 통신 채널로서의 헬리컬 스캔 자기 테이프 레코더", IEEE 트랜스.Mag. vol. MAG-15, No.2, 935-943, 1979년 3월
  25. ^ D. Palmer, P. Ziperovich, R. Wood, T.Howell, "의사 랜덤 시퀀스를 사용한 비선형 쓰기 효과 식별", IEEE Trans.매그너, MAG-23, 제5호, 2377-2379페이지, 1987년 9월
  26. ^ D. Palmer, J. Hong, D.스타넥, R.Wood, "자기 기록을 위한 읽기/쓰기 프로세스의 특성", IEEE Trans.Magn., Vol. MAG-31, No.2, 1071-1076, 1995년 3월 (초대)
  27. ^ P. 뉴비, R.목재, "클래스 IV 부분 응답에 대한 비선형 왜곡의 영향", IEEE 트랜스.Magn., Vol. MAG-22, No.5, 1203-1205, 1986년 9월
  28. ^ Kursk: BIOS 설정 - 표준 CMOS 설정, 2000년 2월 12일
  29. ^ H.Thapar, A.Patel, "자기 기록에서 스토리지 밀도를 높이기 위한 부분 응답 시스템의 클래스", IEEE Trans.매그너, 제23권, 제5호, 페이지 3666-3668 1987년 9월
  30. ^ D. Forney, "심볼간 간섭 존재 시 디지털 시퀀스의 최대우도 시퀀스 추정", IEEE Trans.정보. 이론, 볼륨.IT-18, 363-378페이지, 1972년 5월
  31. ^ R. Wood, "터보-PRM, 절충 EPRL 검출기", IEEE Trans.Magn., Vol. MAG-29, No.6, 페이지 4018-4020, 1993년 11월
  32. ^ Conway, T. (July 1998). "A new target response with parity coding for high density magnetic recording channels". IEEE Transactions on Magnetics. 34 (4): 2382–2386. doi:10.1109/20.703887.
  33. ^ R. Cideciyan, J. Coker; E.엘레프테리오우; R.Galbraith, "NPML Detection Combined with Parity-Based Postprocessing", IEEE Trans.매그너 제37권, 제2호, 714~720쪽, 2001년 3월
  34. ^ M. Despotovic, V. Senk, "데이터 검출", B가 편집한 자기 기록 시스템의 부호화 및 신호 처리 32장.Vasic, E. Kurtas, CRC Press 2004
  35. ^ J. Moon, J. Park, "신호 의존형 노이즈에서의 패턴 의존형 노이즈 예측" IEEE J. Sel.지역통신, 제19권, 제4호, 페이지 730~743, 2001년 4월
  36. ^ E. Eleftheriou, W. Hirt, "소음 예측을 통한 PRML/EPRM 성능 향상"IEEE 트랜스매그너 제32권, 제5호, 3968~3970쪽, 1996년 9월
  37. ^ E. E. Eleftheriou, S. Olcher, R.Hutchins, "자기 테이프 스토리지 시스템을 위한 적응형 노이즈 예측 최대우도(NPML) 데이터 탐지", IBM J. Resolution. Vol. 54, No.2, 페이지 7.1-7.10, 2010년 3월
  38. ^ "Marvell 88i9422 Soleil SATA HDD Controller" (PDF). September 2015. Archived from the original (PDF) on 2016-12-13. Retrieved 2019-10-09.

추가 정보