Modulación de frecuencia modificada

La modulación de frecuencia modificada ( MFM ) es un código de línea de longitud de ejecución limitada (RLL) ^{[ 1 ]} que se utiliza para codificar datos en la mayoría de los disquetes y algunas unidades de disco duro . Se introdujo por primera vez en discos duros en 1970 con el IBM 3330 y luego en unidades de disquete a partir del IBM 53FD en 1976.

MFM es una modificación del código de codificación de modulación de frecuencia (FM) original, diseñada específicamente para su uso con almacenamiento magnético . MFM permitió duplicar la velocidad de escritura de datos en el soporte, ya que el código garantizaba un único cambio de polaridad por bit de datos codificado. Por este motivo, los discos MFM se conocen generalmente como de "doble densidad", mientras que el FM anterior se denominó de "densidad simple".

MFM se utiliza con una velocidad de datos de 250–500 kbit/s (500–1000 kbit/s codificados) en disquetes estándar de la industria de 5 ¼ pulgadas y 3 ½ pulgadas , tanto ordinarios como de alta densidad. MFM también se utilizó en los primeros diseños de discos duros, antes de la aparición de códigos RLL más eficientes. Fuera de aplicaciones específicas, la codificación MFM está obsoleta en la grabación magnética.  

Los dispositivos de almacenamiento magnético, como los discos duros y las cintas magnéticas , almacenan datos no como valores absolutos, sino mediante cambios de polaridad. Esto se debe a que un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en un cable cercano, y viceversa. Al enviar una serie de corrientes variables al cabezal de lectura/escritura mientras el soporte se desplaza, se genera un patrón de polaridades magnéticas en el soporte que cambia la posición de los datos que antes eran "1". La naturaleza exacta del soporte determina cuántos de estos cambios pueden ocurrir en una superficie determinada, y al combinarse con la velocidad nominal de movimiento, se obtiene la velocidad máxima de transferencia de datos para ese sistema.

Las unidades de disco están sujetas a diversos efectos mecánicos y de materiales que provocan fluctuaciones en el patrón original de datos. El MFM, como código de longitud de ejecución limitada, restringe la distancia entre las transiciones registradas para evitar que estas fluctuaciones se desalineen temporalmente, lo que podría generar errores de datos. Otras limitaciones impuestas por el medio de almacenamiento restringen aún más la forma en que se registran los datos. Para este fin, se ha desarrollado una amplia gama de codificaciones adecuadas, conocidas generalmente como códigos de línea . Su idoneidad depende del medio o mecanismo de transmisión utilizado.

La codificación por modulación de frecuencia (FM) fue el primer sistema ampliamente utilizado para realizar esta operación en unidades de disco. El controlador de la unidad incluye un reloj preciso que funciona a la mitad de la velocidad de datos seleccionada del medio de disco. Cuando se escriben datos en el disco, la señal de reloj se intercala con los datos. Al leer, las señales de reloj se utilizan como disparadores de corta duración para determinar la presencia o ausencia de una señal posterior que representa los bits de datos. ^{[ 2 ]}

La ventaja del método FM es que la implementación del circuito de escritura es extremadamente sencilla, y la recuperación del reloj durante la lectura también es relativamente simple. La desventaja es que utiliza la mitad de la superficie del disco para la señal de reloj, reduciendo así a la mitad la cantidad total de datos que el disco puede almacenar. Esto impulsó el desarrollo de nuevas formas de codificación más eficientes.

La modulación de frecuencia modificada codifica la señal de reloj y los datos en una única "ventana de reloj". A diferencia de la FM, un bit de reloj solo se escribe cuando es necesario para lograr la sincronización, cuando los bits de datos actuales y precedentes no están activados. En promedio, la MFM logra el doble de densidad de información que la FM. ^{[ 3 ]}

La regla de codificación básica para MFM es que (x, y, z, ...) se codifica como (x, x NOR y, y, y NOR z, z, z NOR...). Un bit cero se codifica como 10 si va precedido de un bit cero en la secuencia de entrada, y como 00 si va precedido de un uno; un bit uno siempre se codifica como 01. El número de transiciones magnéticas por bit de datos codificados es, en promedio, de 0,75 a 1. ^{[ 4 ]}

Tenga en cuenta que a veces se conocen los bits de reloj circundantes, pero otras veces se requiere conocer los bits de datos adyacentes. Un ejemplo más extenso:

Datos: 0 0 0 1 1 0 1 1 ... Codificado en FM: 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1... Reloj MFM: ? 1 1 0 0 0 0 0 0... MFM codificado: ? 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 ...

(Los bits en negrita son los bits de datos, los demás son los bits de reloj).

En la codificación FM, el número de bits 0 que pueden aparecer entre bits 1 consecutivos es 0 o 1. En la codificación MFM, hay un mínimo de 1 bit cero entre unos adyacentes (nunca hay dos bits 1 adyacentes), y el número máximo de ceros en una fila es 3. Por lo tanto, FM es un código RLL (0,1), mientras que MFM es un código (1,3).

Debido a que el sistema MFM requiere una sincronización más precisa de la señal de reloj, no era económicamente viable construir los componentes analógicos y digitales necesarios en un solo circuito integrado utilizando la tecnología de finales de la década de 1970. En cambio, los controladores MFM requerían que el fabricante del controlador diseñara su propio circuito de recuperación de reloj , un sistema conocido como separador de datos . El diseño del separador de datos era un arte en sí mismo. ^{[ 5 ]}

Entre los controladores más utilizados de la época se encontraba la serie FD1771 de Western Digital . El FD1771 original solo admitía FM, pero pronto se combinó con los FD1781 y FD1791, que realizaban MFM basándose en una señal de reloj externa. La implementación de la compatibilidad con MFM en estos controladores requería un separador de datos externo. La rápida mejora en la fabricación de circuitos integrados a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 dio lugar a los primeros controladores MFM todo en uno de bajo coste a principios de la década de 1980. El WD2791 fue el primero en admitir directamente MFM mediante un bucle de enganche de fase analógico interno , pero requería varios componentes externos sencillos para implementar un sistema completo. El WD1770 fue el primero en implementar una solución MFM completa en un solo chip.

FM y MFM se utilizan para indicar la posición de bits individuales en los datos originales, pero estos datos no poseen un nivel de organización superior como el de los archivos. Este es el propósito del formato del disco. Los discos suelen formatearse en sectores de tamaño fijo que contienen información de encabezado adicional para vincularlos con los archivos.

En los formatos de IBM, el inicio de la información de encabezado de un sector y el inicio de los datos se indican con una "marca de sincronización" especial, un patrón de 0 y 1 que no puede aparecer en los datos (una codificación "ilegal"). Esto se logra al no codificar estos datos con la codificación FM o MFM, lo que facilita su detección por parte del controlador. La marca de sincronización que se usa comúnmente en la codificación MFM se conoce como "sincronización A1", ya que los bits de datos forman el inicio del valor hexadecimal A1 (10100001), pero el quinto bit de reloj es diferente de la codificación normal del byte A1.

Datos: 1 0 1 0 0 0 0 1 Reloj: 0 0 0 1 1 1 0 Codificado: 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 Reloj de sincronización: 0 0 0 1 0 1 0 Marca de sincronización: 100010010 0 01001 ^ Falta un bit del reloj

En algunos formatos de disco antiguos, este mismo problema se solucionaba con un orificio de índice, uno por cada sector, todos ubicados al mismo radio (en una misma pista) más allá de la pista de datos más interna. Se podía generar una señal mediante un fototransistor cuando el inicio de cada sector pasaba por debajo del cabezal de lectura. Por lo tanto, no era necesario ningún tipo de codificación ilegal para distinguir los datos de la palabra de sincronización. Los disquetes posteriores se fabricaron con un solo orificio de índice suficiente para indicar un sector en particular, pero en su mayoría se ignoraban, y el número de sector formaba parte del encabezado del sector.

MMFM (modulación de frecuencia modificada modificada), también abreviada como M²FM o M2FM , es similar a MFM, pero suprime bits de reloj adicionales, lo que produce una longitud de ejecución máxima mayor (un código RLL (1,4)). En particular, un pulso de reloj solo se inserta entre un par de bits 0 adyacentes si el primer bit del par no tenía un pulso de reloj insertado antes. ^{[ 6 ]} En el siguiente ejemplo, los bits de reloj que habrían estado presentes en MFM se indican en negrita:

Datos: 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 Reloj: 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 Codificado: 010100010010010010 0 0010010 0 010010010 0 010 0 001

En este sistema, las marcas de sincronización se realizan insertando pulsos de reloj adicionales entre bits cero adyacentes (siguiendo la regla MFM) donde normalmente se omitirían. En particular, el patrón de bits de datos "100001" tiene un pulso de reloj insertado en el medio, donde normalmente se omitiría:

Datos: 1 0 0 0 0 1 Normal: 0 1 0 1 0 Sincronización: 0 1 1 1 0

• Registro codificado por grupos (GCR)

 Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022.

• Savard, John JG (2018) [2006]. "Grabación digital en cinta magnética" . quadibloc . Archivado del original el 2 de julio de 2018. Recuperado el 16 de julio de 2018 .

• Johnson, Herbert R. (06-07-2016). "Formato de disquete M2FM o MMFM" . Archivado del original el 18-06-2017 . Recuperado el 19-06-2017 .
• Guía de PC Modulación de frecuencia