作者：Janos Kovacs, Ron Kroesen, and Al Haun

隨著新的操作系統(tǒng)（如Windows 95）的發(fā)展，計算世界對存儲容量的永不滿足的需求繼續(xù)有增無減。?-應用程序套件和多媒體成為普遍接受。典型的PC系統(tǒng)現(xiàn)在附帶硬盤驅(qū)動器（HDD），能夠存儲640 MB到1 GB的信息，而340年為540-1994 MB，200年為300-93 MB。隨著“家用PC”在全球范圍內(nèi)獲得認可，HDD單位出貨量在70年被推到近1994萬臺，預計到100年將超過1997億臺。

HDD 制造商面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)是提供源源不斷的新產(chǎn)品，以相同（或更低）的成本提高存儲容量。提供更高容量和更低成本的驅(qū)動器的主要方法是通過增加每個盤片的面密度來增加存儲容量。從歷史上看，面密度以每年約30%的速度提高。然而，最近，行業(yè)領導者正在向新的趨勢線過渡，將增長率提高到每年 60% 以上。

HDD 設計人員采用各種技術(shù)和技術(shù)來滿足面密度目標：介質(zhì)、磁頭技術(shù)、記錄調(diào)制和磁頭定位公差的改進。本文討論了記錄調(diào)制技術(shù)的關鍵因素，以及它如何與系統(tǒng)中使用的磁頭類型相匹配。磁盤驅(qū)動器中的記錄調(diào)制/解調(diào)由“讀取通道處理器”實現(xiàn)。

什么是讀取通道處理器以及它的作用：

讀取通道處理器可以看作是一個復雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將來自磁盤驅(qū)動器頭的微弱模擬信號（代表數(shù)字信息）轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。在過去幾年中，采用部分響應最大似然（PRML）架構(gòu)，讀取通道IC中包含的信號處理功能在性能和復雜性方面顯著提高。PRML彌合了傳統(tǒng)峰值檢測脈沖提取與通信系統(tǒng)（包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字VCR等）中采用的更高性能最大似然信號檢測方案之間的差距1

在磁盤驅(qū)動器應用程序中，“通信通道”包括：

將二進制 （0，1） 用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為磁線圈（寫入磁頭）中電流的極性變化的發(fā)射器。

傳輸通道，由磁盤組成，該磁盤將信息存儲為磁化方向的變化。

從磁盤讀取模擬信號并對其進行處理以恢復原始二進制數(shù)據(jù)的接收器。

在當今的磁盤驅(qū)動器中，讀取通道處理器實現(xiàn)了智能發(fā)射器/接收器功能，不包括傳感器（寫入磁頭、寫入驅(qū)動器電子設備）和傳感器（讀取磁頭、讀取前置放大器）電路。

脈沖識別問題：

磁盤上的磁躍遷在讀頭傳感器的輸出端轉(zhuǎn)換為具有交替極性的電壓脈沖。讀取通道中的孤立躍遷（對應于磁化強度的階躍變化）可以用洛倫茲脈沖（圖1）近似，由下式給出：

其中PW50是振幅為其峰值的50%的點之間的時間。隨著磁化方向的改變，信號達到峰值。用戶能夠通過讀/寫通道傳輸信息的數(shù)據(jù)速率可以通過用戶位“T”之間的時間間隔來表征。對于給定的脈沖寬度，目標是將位封裝得更近，即增加PW50/T比率，這稱為用戶位密度。

峰值檢測與PRML：

在較低的位密度下，相鄰脈沖之間的相互作用相對較小，接收器可以使用峰值檢測器來實現(xiàn)（參見Analog Dialogue 22-1，1988）。代表回讀信號中二進制“一”的峰值是通過使用微分器對信號進行操作，然后是過零比較器來檢測的。比較器輸出由幅度限定電路選通，當輸入讀取信號幅度低于某個閾值時，該電路禁用數(shù)字輸出脈沖。

峰值檢波器的操作在時間上是連續(xù)的，并且僅由輸入信號驅(qū)動。ADI公司通過AD899系列產(chǎn)品推出了業(yè)界首個完全集成的“峰值檢測”讀取通道2峰值檢測，作為當今某些產(chǎn)品的伺服數(shù)據(jù)限定符，仍然用于讀取伺服信息（頭部定位）。

但隨著存儲密度的增加，極性相反的相鄰脈沖之間的相互作用增加會產(chǎn)生破壞性干擾。為了使峰值檢波器正常工作（即低誤碼率），必須消除這種碼間干擾（ISI）以及由此產(chǎn)生的幅度減小和峰值偏移。相反，部分響應（PR）信令（其中鄰域中的每個脈沖在確定給定位置是否存在脈沖的過程中部分貢獻）接受相鄰脈沖之間的受控干擾（消除）。最可能的（ML =最大似然）脈沖系列使用離散時間（采樣）信號處理技術(shù)不斷更新。

在部分響應通道的各種類別和階數(shù)中，選擇碼間干擾（信號消除）的數(shù)量，以便在相鄰脈沖干擾時在采樣實例上僅產(chǎn)生一組有限的離散幅度。在PR4信號中，允許存在+1，0，-1標稱采樣值，隔離脈沖整形（通過連續(xù)和離散時間濾波器）并調(diào)整采樣時鐘相位，以便僅接收兩個+1，+1或-1，-1采樣值;在所有其他時間，樣本為零。

當磁盤上的兩個磁躍遷最近時，相應的回讀采樣（+1，-1）部分抵消，并且相鄰脈沖值的采樣結(jié)果為+1，0，-1。（可以說，每個轉(zhuǎn)換都對中間的 0 樣本負有部分責任。在增強型PR4（EPR4）等高階部分響應系統(tǒng)中，允許由兩個以上躍遷引起的脈沖響應發(fā)生干擾，從而產(chǎn)生大量可能的樣本值（例如，對于EPR2情況，+1，0，1，-2，-4）。

先生負責人：

除了應用復雜的信號處理技術(shù)帶來的存儲密度改進外，磁盤驅(qū)動器容量的驚人增長速度主要是由于使用了磁阻（MR）讀頭，這些讀頭正在迅速取代電感式讀頭。迄今為止，已經(jīng)生產(chǎn)了超過50萬個MR頭，今年這個數(shù)字可能會持平。

MR讀頭采用各向異性磁阻（AMR）原理，將5 A/m（奧斯特）的磁場變化轉(zhuǎn)換為約2.5%的電阻變化。此外，對GMR（巨型MR）的研究仍在繼續(xù)，其靈敏度是AMR的5倍。這允許驅(qū)動器設計人員將更多位封裝到給定的表面積中，或者放寬其他設計約束以提高其他地方的性能。[注意：甚至在生產(chǎn)驅(qū)動器中實施GMR之前，CMR（巨大的MR）的開發(fā)也在順利進行中;CMR有望比GMR有非常顯著的改進。傳感器本身是鎳鐵（鎳鐵）的薄膜（約250），也稱為坡莫合金，每側(cè)只有幾微米。MR元件電阻的調(diào)制表現(xiàn)為前置放大器輸出端的差分電壓擺幅（峰峰值為20-200 mV）;然后交流耦合到讀取通道處理器輸入（圖 2）。

磁共振頭不對稱：

MR磁頭技術(shù)解決了與電感頭相關的許多問題，例如來自盤片的信號幅度對其轉(zhuǎn)速的依賴性。但是MR磁頭給磁盤驅(qū)動器設計人員帶來了許多新的挑戰(zhàn)。其中一個問題是，當MR磁頭偶爾接觸圓盤表面時，電阻率會發(fā)生變化。這種接觸導致溫度突然升高，導致長時間（約10 μs）電壓瞬變;對于讀取通道，它顯示為帶有長尾的大直流偏移。

另一個值得關注的問題是MR傳感器的不對稱非線性傳遞函數(shù)），這是由于偏置和磁頭偏離軌道位置造成的。不對稱的讀取波形會損害伺服和讀取通道的性能。此外，非對稱信號的交流耦合會引入直流偏移和/或與模式相關的基線偏移和瞬變，從而使問題更加復雜。

通過在讀取通道芯片設計中考慮MR磁頭相關問題，ADI公司等半導體供應商可以為磁盤驅(qū)動電子設備增加重要價值。ADRS1xx系列就是一個例子。

產(chǎn)品特點：

ADRS1xx系列器件提供多種信號處理功能和選項。它們?yōu)樽钕冗M的磁盤驅(qū)動器提供了完整的信號處理解決方案，特別是當MR技術(shù)與PRML處理相結(jié)合時。電路模塊采用CMOS實現(xiàn)，可及時交付具有成本效益的半定制芯片。

圖3是典型ADRS1xx讀取通道芯片的框圖。各種連續(xù)和離散時間濾波器實現(xiàn)了低通噪聲濾波和頻率提升的必要組合，以實現(xiàn)脈沖瘦化。具有兩個獨立可編程零點的 7 階等紋波濾波器與模擬或數(shù)字 5 抽頭自適應 FIR 濾波器相結(jié)合，對 PR4 目標的回讀信號進行低通濾波和均衡。在量化過程發(fā)生之前，在采樣模擬域中對模擬信號進行整形的選項可以消除量化噪聲的增強，并降低A/D轉(zhuǎn)換器所需的有效位數(shù)（ENOB）。

獲得專利的雙模擬/數(shù)字自動增益控制（AGC）環(huán)路與混合鎖相環(huán)（H-PLL）相結(jié)合，負責調(diào)整讀取信號的幅度和采樣實例。在采集和跟蹤期間進行增益切換，PLL中的可編程阻尼因子可確保輕松優(yōu)化環(huán)路動態(tài)。此外，在模擬前端使用有源失調(diào)消除功能，以及用戶激活的箝位功能（交流耦合網(wǎng)絡的時間常數(shù)減少），可以顯著縮短失調(diào)瞬變（熱粗糙度）的恢復時間。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器：

該 ADC 是一款全閃存型、6 位、144 MSPS（每秒兆采樣），內(nèi)置獲得專利的 MR 磁頭不對稱校正功能。利用ADC的增益校正和/或直流失調(diào)校正消除MR磁頭不對稱性;每個ADRS1xx提供寄存器來存儲用戶編程的校正代碼。在具有多個盤片和多個 MR 磁頭的較大磁盤驅(qū)動器中，每個盤片的校正代碼存儲在驅(qū)動器上，以便進行動態(tài)切換。

PR4 和 EPR4 維特比探測器實現(xiàn)最大似然檢測 （PRML）。與逐位對峰值是否大于某個固定閾值做出連續(xù)不可撤銷決策的峰值檢測器不同，最大似然檢測器將信號樣本序列與所有可能的組合進行比較，并選擇與接收信號序列匹配的最佳組合。維特比檢測器以遞歸方式執(zhí)行最大似然檢測，即在每個“位時間”執(zhí)行一些計算。根據(jù)先前的信號樣本動態(tài)調(diào)整一組閾值，并與最新的信號樣本（美國專利5，373，400）進行比較。

如果其他信號樣本表明先前的決策是錯誤的，則這些試探性（軟）決策中的每一個都可以并且將在以后（在可用內(nèi)存的限制內(nèi)）進行修改。

采用視窗軟件的評估板：

通過提供評估套件，簡化了該器件的實驗室實驗和表征。該 套件 包括 NI 基于 LabView 的 軟件， 用于 使用 旋轉(zhuǎn) 臺 或 獨立 機 評估 ADRS120。該評估板插入運行 Windows 的 486（或奔騰級）PC 的并行端口??.該板提供運行ADRS1xx系列任何成員所需的所有元件。

審核編輯：郭婷