讀取通道處理器使用PRML增加基于MR磁頭的磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量

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(jì)算世界對(duì)存儲(chǔ)容量的永不滿足的需求繼續(xù)有增無減。?-應(yīng)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(dòng)器（HDD），能夠存儲(chǔ)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(rèn)可，HDD單位出貨量在70年被推到近1994萬臺(tái)，預(yù)計(jì)到100年將超過1997億臺(tái)。

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(chǔ)容量。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增加每個(gè)盤片的面密度來增加存儲(chǔ)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(lǐng)導(dǎo)者正在向新的趨勢(shì)線過渡，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)。

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(gè)復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將來自磁盤驅(qū)動(dòng)器頭的微弱模擬信號(hào)（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(yīng)最大似然（PRML）架構(gòu)，讀取通道IC中包含的信號(hào)處理功能在性能和復(fù)雜性方面顯著提高。PRML彌合了傳統(tǒng)峰值檢測(cè)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(hào)檢測(cè)方案之間的差距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(chǔ)為磁化方向的變化。

從磁盤讀取模擬信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理以恢復(fù)原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)的接收器。

在當(dāng)今的磁盤驅(qū)動(dòng)器中，讀取通道處理器實(shí)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(dòng)器電子設(shè)備）和傳感器（讀取磁頭、讀取前置放大器）電路。

脈沖識(shí)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(duì)應(yīng)于磁化強(qiáng)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(diǎn)之間的時(shí)間。隨著磁化方向的改變，信號(hào)達(dá)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(shí)間間隔來表征。對(duì)于給定的脈沖寬度，目標(biāo)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(cè)與PRML：

在較低的位密度下，相鄰脈沖之間的相互作用相對(duì)較小，接收器可以使用峰值檢測(cè)器來實(shí)現(xiàn)（參見Analog Dialogue 22-1，1988）。代表回讀信號(hào)中二進(jìn)制“一”的峰值是通過使用微分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，然后是過零比較器來檢測(cè)的。比較器輸出由幅度限定電路選通，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。

峰值檢波器的操作在時(shí)間上是連續(xù)的，并且僅由輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)。ADI公司通過AD899系列產(chǎn)品推出了業(yè)界首個(gè)完全集成的“峰值檢測(cè)”讀取通道2峰值檢測(cè)，作為當(dāng)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(chǔ)密度的增加，極性相反的相鄰脈沖之間的相互作用增加會(huì)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(yīng)（PR）信令（其中鄰域中的每個(gè)脈沖在確定給定位置是否存在脈沖的過程中部分貢獻(xiàn)）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(shí)間（采樣）信號(hào)處理技術(shù)不斷更新。

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

當(dāng)磁盤上的兩個(gè)磁躍遷最近時(shí)，相應(yīng)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(gè)轉(zhuǎn)換都對(duì)中間的 0 樣本負(fù)有部分責(zé)任。在增強(qiáng)型PR4（EPR4）等高階部分響應(yīng)系統(tǒng)中，允許由兩個(gè)以上躍遷引起的脈沖響應(yīng)發(fā)生干擾，從而產(chǎn)生大量可能的樣本值（例如，對(duì)于EPR2情況，+1，0，1，-2，-4）。

先生負(fù)責(zé)人：

除了應(yīng)用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)帶來的存儲(chǔ)密度改進(jìn)外，磁盤驅(qū)動(dòng)器容量的驚人增長(zhǎng)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(gè)MR頭，今年這個(gè)數(shù)字可能會(huì)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(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為約2.5%的電阻變化。此外，對(duì)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(dòng)器設(shè)計(jì)人員將更多位封裝到給定的表面積中，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（巨大的MR）的開發(fā)也在順利進(jìn)行中;CMR有望比GMR有非常顯著的改進(jìn)。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(duì)稱：

MR磁頭技術(shù)解決了與電感頭相關(guān)的許多問題，例如來自盤片的信號(hào)幅度對(duì)其轉(zhuǎn)速的依賴性。但是MR磁頭給磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員帶來了許多新的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)問題是，當(dāng)MR磁頭偶爾接觸圓盤表面時(shí)，電阻率會(huì)發(fā)生變化。這種接觸導(dǎo)致溫度突然升高，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間（約10 μs）電壓瞬變;對(duì)于讀取通道，它顯示為帶有長(zhǎng)尾的大直流偏移。

另一個(gè)值得關(guān)注的問題是MR傳感器的不對(duì)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(duì)稱的讀取波形會(huì)損害伺服和讀取通道的性能。此外，非對(duì)稱信號(hào)的交流耦合會(huì)引入直流偏移和/或與模式相關(guān)的基線偏移和瞬變，從而使問題更加復(fù)雜。

通過在讀取通道芯片設(shè)計(jì)中考慮MR磁頭相關(guān)問題，ADI公司等半導(dǎo)體供應(yīng)商可以為磁盤驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備增加重要價(jià)值。ADRS1xx系列就是一個(gè)例子。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

ADRS1xx系列器件提供多種信號(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，特別是當(dāng)MR技術(shù)與PRML處理相結(jié)合時(shí)。電路模塊采用CMOS實(shí)現(xiàn)，可及時(shí)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(shí)間濾波器實(shí)現(xiàn)了低通噪聲濾波和頻率提升的必要組合，以實(shí)現(xiàn)脈沖瘦化。具有兩個(gè)獨(dú)立可編程零點(diǎn)的 7 階等紋波濾波器與模擬或數(shù)字 5 抽頭自適應(yīng) FIR 濾波器相結(jié)合，對(duì) PR4 目標(biāo)的回讀信號(hào)進(jìn)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行整形的選項(xiàng)可以消除量化噪聲的增強(qiáng)，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(dòng)增益控制（AGC）環(huán)路與混合鎖相環(huán)（H-PLL）相結(jié)合，負(fù)責(zé)調(diào)整讀取信號(hào)的幅度和采樣實(shí)例。在采集和跟蹤期間進(jìn)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(dòng)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(luò)的時(shí)間常數(shù)減少），可以顯著縮短失調(diào)瞬變（熱粗糙度）的恢復(fù)時(shí)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(duì)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(duì)稱性;每個(gè)ADRS1xx提供寄存器來存儲(chǔ)用戶編程的校正代碼。在具有多個(gè)盤片和多個(gè) MR 磁頭的較大磁盤驅(qū)動(dòng)器中，每個(gè)盤片的校正代碼存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)器上，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。

PR4 和 EPR4 維特比探測(cè)器實(shí)現(xiàn)最大似然檢測(cè) （PRML）。與逐位對(duì)峰值是否大于某個(gè)固定閾值做出連續(xù)不可撤銷決策的峰值檢測(cè)器不同，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)，即在每個(gè)“位時(shí)間”執(zhí)行一些計(jì)算。根據(jù)先前的信號(hào)樣本動(dòng)態(tài)調(diào)整一組閾值，并與最新的信號(hào)樣本（美國(guó)專利5，373，400）進(jìn)行比較。

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

采用視窗軟件的評(píng)估板：

通過提供評(píng)估套件，簡(jiǎn)化了該器件的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和表征。該 套件 包括 NI 基于 LabView 的 軟件， 用于 使用 旋轉(zhuǎn) 臺(tái) 或 獨(dú)立 機(jī) 評(píng)估 ADRS120。該評(píng)估板插入運(yùn)行 Windows 的 486（或奔騰級(jí)）PC 的并行端口??.該板提供運(yùn)行ADRS1xx系列任何成員所需的所有元件。

審核編輯：郭婷