基于MR頭的磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量可以通過(guò)處理器使用PRML來(lái)增加

硬盤制造商面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)是提供連續(xù)性以相同（或更低）成本提高存儲(chǔ)容量的新產(chǎn)品流。提供提供更高容量和更低成本的驅(qū)動(dòng)器的主要方法是通過(guò)增加每個(gè)盤片的面密度來(lái)增加存儲(chǔ)容量。從歷史上看，面密度以每年約30％的速度得到改善。然而，最近，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在轉(zhuǎn)向新的趨勢(shì)線，將增長(zhǎng)率提高到每年60％以上。

HDD設(shè)計(jì)人員采用各種技術(shù)和技術(shù)來(lái)滿足面密度目標(biāo)：介質(zhì)，磁頭技術(shù)，記錄調(diào)制和磁頭定位公差的改進(jìn)。本文討論了記錄調(diào)制技術(shù)的關(guān)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(dòng)器中的記錄調(diào)制/解調(diào)由“讀取通道處理器”實(shí)現(xiàn)。

讀取通道處理器是什么以及它做什么：

讀取通道處理器可以看作是一個(gè)復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將弱模擬信號(hào)（代表數(shù)字信息）從磁盤驅(qū)動(dòng)器頭轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。在過(guò)去幾年中，使用部分響應(yīng)，最大似然（PRML）架構(gòu)，包含在讀通道IC中的信號(hào)處理功能在性能和復(fù)雜性方面顯著提高。 PRML彌補(bǔ)了傳統(tǒng)峰值檢測(cè)脈沖提取與通信系統(tǒng)中使用的更高性能最大似然信號(hào)檢測(cè)方案之間的差距，包括調(diào)制解調(diào)器，數(shù)字VCR等.1

在磁盤驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用程序中，“通信通道”包括：

• 將二進(jìn)制（0,1）用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電磁線圈中電流極性變化的發(fā)送器（寫頭）。
• 傳輸通道，由磁盤組成，磁盤存儲(chǔ)信息作為磁化方向的變化。
• 讀取模擬信號(hào)的接收器來(lái)自磁盤并處理它以恢復(fù)原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

在今天的磁盤驅(qū)動(dòng)器中，讀通道處理器實(shí)現(xiàn)了智能發(fā)送器/接收器功能 - 不包括傳感器（寫頭，寫入驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備）和傳感器（讀頭，讀前置放大器）電路。

脈沖識(shí)別問(wèn)題：

磁盤上的磁轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，輸出端的極性交替出現(xiàn)讀頭傳感器。讀取通道中的隔離轉(zhuǎn)換（對(duì)應(yīng)于磁化的階躍變化）可以通過(guò)洛倫茲脈沖（圖1）近似，由下式給出：

其中PW50是介于兩者之間的時(shí)間振幅為其峰值的50％的點(diǎn)。當(dāng)磁化改變方向時(shí)，信號(hào)達(dá)到峰值。用戶能夠通過(guò)讀/寫通道傳送信息的數(shù)據(jù)速率可以通過(guò)用戶比特“T”之間的時(shí)間間隔來(lái)表征。對(duì)于給定的脈沖寬度，目標(biāo)是將比特打包得更近，即增加PW50 / T比率，這被稱為用戶比特密度。

峰值檢測(cè)與PRML：

在較低位密度下，相鄰脈沖之間的相互作用相對(duì)較小，接收器可以通過(guò)峰值檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)（參見(jiàn)模擬對(duì)話22- 1988年1月1日）。通過(guò)利用微分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，然后使用過(guò)零比較器來(lái)檢測(cè)在回讀信號(hào)中表示二進(jìn)制“1”的峰值。比較器輸出由幅度限定電路門控，當(dāng)輸入讀取信號(hào)幅度低于某個(gè)閾值時(shí)，該電路禁用數(shù)字輸出脈沖。

峰值檢測(cè)器的操作在時(shí)間上是連續(xù)的，并由僅輸入信號(hào)。業(yè)界首款完全集成的“峰值檢測(cè)”讀取通道由ADI公司推出，采用AD899系列產(chǎn)品.2峰值檢測(cè)仍用于讀取伺服信息（頭部定位），作為伺服數(shù)據(jù)限定符<在某些現(xiàn)今產(chǎn)品中。

但隨著存儲(chǔ)密度的增加，相反極性的相鄰脈沖之間相互作用的增加會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾。為了使峰值檢測(cè)器正確工作（即，具有低誤碼率），必須消除這種符號(hào)間干擾（ISI）以及所得到的幅度減小和峰值偏移。相反，部分響應(yīng)（PR）信令（其中鄰域中的每個(gè)脈沖在確定給定位置中脈沖的存在或不存在的過(guò)程中部分地貢獻(xiàn)）接受受控量的干擾（相鄰脈沖之間的取消）。使用離散時(shí)間（采樣）信號(hào)處理技術(shù)，最可能（ML =最大似然）脈沖系列不斷更新。

在部分響應(yīng)通道的各種類和順序中，相互之間的數(shù)量選擇符號(hào)干擾（信號(hào)消除），使得當(dāng)相鄰脈沖干擾時(shí)，在采樣實(shí)例處僅產(chǎn)生一組有限的離散幅度。在PR4信令中，允許存在+1,0,1，1個(gè)標(biāo)稱采樣值，隔離脈沖被整形（通過(guò)連續(xù)和離散時(shí)間濾波器），并且調(diào)整采樣時(shí)鐘相位，使得只有兩個(gè)+1，+ 1或-1，接收-1個(gè)采樣值;在所有其他時(shí)間，樣本為零。

當(dāng)磁盤上的兩個(gè)磁轉(zhuǎn)換最接近時(shí)，相應(yīng)的回讀樣本（+ 1，-1）部分抵消，并且相鄰脈沖值的結(jié)果采樣為+1,0，-1。 （可以說(shuō)每個(gè)轉(zhuǎn)換都是中間0樣本的部分原因。）在高階部分響應(yīng)系統(tǒng)中，如增強(qiáng)型PR4（EPR4），允許兩個(gè)以上轉(zhuǎn)換引起的脈沖響應(yīng)干擾，產(chǎn)生大量可能的樣本值（例如，對(duì)于EPR4情況，+ 2,1,0，-1，-2）。

MR頭：

除了存儲(chǔ)密度由于采用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)所帶來(lái)的改進(jìn)，磁盤驅(qū)動(dòng)器容量的驚人增長(zhǎng)率很大程度上是由于使用了磁阻（MR）讀頭，它們正在迅速取代其感應(yīng)對(duì)應(yīng)物。到目前為止，已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)磁頭，這個(gè)數(shù)字可能與今年相當(dāng)。

MR讀頭采用各向異性磁阻（AMR）原理將5 A / m（奧斯特）的磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電阻變化約2.5％。此外，繼續(xù)研究GMR（巨型MR），其產(chǎn)生的靈敏度是AMR的5倍。這允許驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)者將更多位打包到給定的表面區(qū)域，或者放寬其他設(shè)計(jì)約束以提高其他地方的性能。 [注意：甚至在生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)施GMR之前，CMR（巨型 MR）的開(kāi)發(fā)工作正在順利進(jìn)行; CMR有望比GMR有顯著的改進(jìn)。]傳感器本身是一層薄膜（約250？）的Ni-Fe（鎳鐵），也稱為坡莫合金，只是少數(shù)幾個(gè)每側(cè)μm。 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（20-200 mV峰峰值）;然后交流耦合到讀通道處理器輸入（圖2）。

MR磁頭不對(duì)稱：

MR磁頭技術(shù)解決了與感應(yīng)磁頭相關(guān)的許多問(wèn)題例如來(lái)自盤片的信號(hào)幅度對(duì)其旋轉(zhuǎn)速度的依賴性。但MR負(fù)責(zé)人為磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)MR磁頭偶爾接觸磁盤表面時(shí)電阻率的變化。這種接觸導(dǎo)致溫度突然升高，導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間（約10μs）的電壓瞬變;對(duì)于讀通道，它顯示為具有長(zhǎng)尾的大直流偏移。

另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是由于偏置和磁頭偏離軌道位置導(dǎo)致的MR傳感器的非對(duì)稱非線性傳遞函數(shù)。不對(duì)稱的讀取波形損害了伺服和讀取通道的性能。此外，非對(duì)稱信號(hào)的交流耦合通過(guò)引入直流偏移和/或依賴于圖案的基線偏移和瞬態(tài)來(lái)解決問(wèn)題。

通過(guò)考慮讀通道芯片設(shè)計(jì)中的MR頭相關(guān)問(wèn)題，像ADI公司這樣的半導(dǎo)體廠商可以為磁盤驅(qū)動(dòng)器電子產(chǎn)品增加重要價(jià)值。這在ADRS1xx系列中有所體現(xiàn)。

產(chǎn)品特性：

ADRS1xx系列中的器件具有多種信號(hào)處理功能和選項(xiàng)。它們?yōu)樽钕冗M(jìn)的磁盤驅(qū)動(dòng)器提供了完整的信號(hào)處理解決方案，尤其是當(dāng)MR技術(shù)與PRML處理相結(jié)合時(shí)。電路模塊采用CMOS工藝，可以及時(shí)交付經(jīng)濟(jì)高效的半定制芯片。

圖3是典型ADRS1xx讀通道芯片的框圖。各種連續(xù)和離散時(shí)間濾波器實(shí)現(xiàn)了脈沖減薄的低通噪聲濾波和頻率增強(qiáng)的必要組合。具有兩個(gè)可獨(dú)立編程的零的7階等波紋濾波器，結(jié)合模擬或數(shù)字5抽頭自適應(yīng)FIR濾波器，對(duì)PR4目標(biāo)執(zhí)行低通濾波和回讀信號(hào)均衡。在量化過(guò)程發(fā)生之前，在采樣模擬域中整形模擬信號(hào)的選項(xiàng)可以消除量化噪聲的增強(qiáng)，并減少A / D轉(zhuǎn)換器中所需的有效位數(shù)（ENOB）。

專利的雙模擬/數(shù)字自動(dòng)增益控制（AGC）環(huán)路與混合鎖相環(huán)（H-PLL）串聯(lián)，負(fù)責(zé)調(diào)整讀取信號(hào)的幅度和采樣實(shí)例。采集和跟蹤期間的增益切換具有PLL中的可編程阻尼因子，可確保輕松優(yōu)化環(huán)路動(dòng)態(tài)。此外，在模擬前端使用有源偏移消除，以及用戶激活的鉗位功能（交流耦合網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)減少），可以顯著縮短偏移瞬態(tài)（熱粗糙）的恢復(fù)時(shí)間。

A / D轉(zhuǎn)換器：

ADC是全閃存型，6位，144 MSPS（每秒兆次采樣），內(nèi)置專利MR磁頭不對(duì)稱校正。使用ADC的增益校正和/或直流偏移校正消除了MR磁頭不對(duì)稱性;每個(gè)ADRS1xx都提供寄存器來(lái)存儲(chǔ)用戶編程的校正碼。在具有多個(gè)盤片和多個(gè)MR頭的較大磁盤驅(qū)動(dòng)器中，每個(gè)盤片的校正碼存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)器上以進(jìn)行即時(shí)切換。

PR4和EPR4 Viterbi檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)最大似然檢測(cè)（PRML）。與峰值檢測(cè)器做出連續(xù)不可撤銷的決定，一點(diǎn)一點(diǎn)，關(guān)于峰值是否大于某個(gè)固定閾值，最大似然檢測(cè)器將信號(hào)樣本序列與所有可能的組合進(jìn)行比較，并選擇與接收信號(hào)序列匹配的最佳可能性組合。 。維特比檢測(cè)器以遞歸方式執(zhí)行最大似然檢測(cè)，即，通過(guò)在每個(gè)“比特時(shí)間”執(zhí)行一些計(jì)算?；谙惹暗男盘?hào)樣本動(dòng)態(tài)調(diào)整一組閾值，并與最新的信號(hào)樣本進(jìn)行比較（美國(guó)專利5,373,400）。

這些暫定（軟）決策中的每一個(gè)都可以并且將在如果附加信號(hào)樣本表明先前的決定是錯(cuò)誤的，則在稍后時(shí)間（在可用內(nèi)存的限制內(nèi)）。

使用Windows軟件的評(píng)估板：

評(píng)估套件的可用性簡(jiǎn)化了部件的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和表征。該套件包括National Instruments的LabView ^?軟件，用于評(píng)估ADRS120的旋轉(zhuǎn)支架或獨(dú)立測(cè)試。評(píng)估板插入運(yùn)行Windows ^?的486（或奔騰級(jí)）PC的并行端口。該板提供操作ADRS1xx系列任何成員所需的所有組件。

參考電路

1. 參見(jiàn)“Keiji Kanota等人1990年的數(shù)字VCR高密度記錄技術(shù)”。 IEEE Transactions on Consumer Electronics ，第36卷，第3期。< / li>
2. 請(qǐng)參閱 模擬對(duì)話 26-2，第21-22頁(yè)。另請(qǐng)參閱1992年IEEE ISSCC的會(huì)議記錄：Kovacs ，J。和W. Palmer，“用于磁盤驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的32 Mb / s完全集成讀通道。”