基于MR头的磁盘驱动器的容量可以通过处理器使用PRML来增加

随着新的操作系统 - 例如Windows 95 ^™ - 应用程序套件和多媒体被普遍接受，计算机世界对存储容量的贪得无厌的胃口仍然有增无减。典型的PC系统现在配有硬盘驱动器（HDD），能够存储640 MB到1 GB的信息，而1994年为340-540 MB，93年为200-300 MB。随着“家用电脑”在全球范围内获得认可，1994年硬盘驱动器出货量已达到近7000万台，预计到1997年将超过1亿台。

硬盘制造商面临的持续挑战是提供连续性以相同（或更低）成本提高存储容量的新产品流。提供提供更高容量和更低成本的驱动器的主要方法是通过增加每个盘片的面密度来增加存储容量。从历史上看，面密度以每年约30％的速度得到改善。然而，最近，行业领导者正在转向新的趋势线，将增长率提高到每年60％以上。

HDD设计人员采用各种技术和技术来满足面密度目标：介质，磁头技术，记录调制和磁头定位公差的改进。本文讨论了记录调制技术的关键因素以及它如何与系统中使用的磁头类型相匹配。磁盘驱动器中的记录调制/解调由“读取通道处理器”实现。

读取通道处理器是什么以及它做什么：

读取通道处理器可以看作是一个复杂的模数转换器，它将弱模拟信号（代表数字信息）从磁盘驱动器头转换为数字比特流。在过去几年中，使用部分响应，最大似然（PRML）架构，包含在读通道IC中的信号处理功能在性能和复杂性方面显着提高。 PRML弥补了传统峰值检测脉冲提取与通信系统中使用的更高性能最大似然信号检测方案之间的差距，包括调制解调器，数字VCR等.¹

在磁盘驱动器应用程序中，“通信通道”包括：

• 将二进制（0,1）用户数据转换为电磁线圈中电流极性变化的发送器（写头）。
• 传输通道，由磁盘组成，磁盘存储信息作为磁化方向的变化。
• 读取模拟信号的接收器来自磁盘并处理它以恢复原始二进制数据。

在今天的磁盘驱动器中，读通道处理器实现了智能发送器/接收器功能 - 不包括传感器（写头，写入驱动器电子设备）和传感器（读头，读前置放大器）电路。

脉冲识别问题：

磁盘上的磁转换转换为电压脉冲，输出端的极性交替出现读头传感器。读取通道中的隔离转换（对应于磁化的阶跃变化）可以通过洛伦兹脉冲（图1）近似，由下式给出：

其中PW50是介于两者之间的时间振幅为其峰值的50％的点。当磁化改变方向时，信号达到峰值。用户能够通过读/写通道传送信息的数据速率可以通过用户比特“T”之间的时间间隔来表征。对于给定的脉冲宽度，目标是将比特打包得更近，即增加PW50 / T比率，这被称为用户比特密度。

峰值检测与PRML：

在较低位密度下，相邻脉冲之间的相互作用相对较小，接收器可以通过峰值检测器实现（参见模拟对话22- 1988年1月1日）。通过利用微分器对信号进行操作，然后使用过零比较器来检测在回读信号中表示二进制“1”的峰值。比较器输出由幅度限定电路门控，当输入读取信号幅度低于某个阈值时，该电路禁用数字输出脉冲。

峰值检测器的操作在时间上是连续的，并由仅输入信号。业界首款完全集成的“峰值检测”读取通道由ADI公司推出，采用AD899系列产品.²峰值检测仍用于读取伺服信息（头部定位），作为伺服数据限定符<在某些现今产品中。

但随着存储密度的增加，相反极性的相邻脉冲之间相互作用的增加会产生破坏性干扰。为了使峰值检测器正确工作（即，具有低误码率），必须消除这种符号间干扰（ISI）以及所得到的幅度减小和峰值偏移。相反，部分响应（PR）信令（其中邻域中的每个脉冲在确定给定位置中脉冲的存在或不存在的过程中部分地贡献）接受受控量的干扰（相邻脉冲之间的取消）。使用离散时间（采样）信号处理技术，最可能（ML =最大似然）脉冲系列不断更新。

在部分响应通道的各种类和顺序中，相互之间的数量选择符号干扰（信号消除），使得当相邻脉冲干扰时，在采样实例处仅产生一组有限的离散幅度。在PR4信令中，允许存在+1,0,1，1个标称采样值，隔离脉冲被整形（通过连续和离散时间滤波器），并且调整采样时钟相位，使得只有两个+1，+ 1或-1，接收-1个采样值;在所有其他时间，样本为零。

当磁盘上的两个磁转换最接近时，相应的回读样本（+ 1，-1）部分抵消，并且相邻脉冲值的结果采样为+1,0，-1。 （可以说每个转换都是中间0样本的部分原因。）在高阶部分响应系统中，如增强型PR4（EPR4），允许两个以上转换引起的脉冲响应干扰，产生大量可能的样本值（例如，对于EPR4情况，+ 2,1,0，-1，-2）。

MR头：

除了存储密度由于采用复杂的信号处理技术所带来的改进，磁盘驱动器容量的惊人增长率很大程度上是由于使用了磁阻（MR）读头，它们正在迅速取代其感应对应物。到目前为止，已经生产了超过5000万个磁头，这个数字可能与今年相当。

MR读头采用各向异性磁阻（AMR）原理将5 A / m（奥斯特）的磁场变化转换为电阻变化约2.5％。此外，继续研究GMR（巨型MR），其产生的灵敏度是AMR的5倍。这允许驱动器设计者将更多位打包到给定的表面区域，或者放宽其他设计约束以提高其他地方的性能。 [注意：甚至在生产驱动器中实施GMR之前，CMR（巨型 MR）的开发工作正在顺利进行; CMR有望比GMR有显着的改进。]传感器本身是一层薄膜（约250？）的Ni-Fe（镍铁），也称为坡莫合金，只是少数几个每侧μm。 MR元件电阻的调制表现为前置放大器输出端的差分电压摆幅（20-200 mV峰峰值）;然后交流耦合到读通道处理器输入（图2）。

MR磁头不对称：

MR磁头技术解决了与感应磁头相关的许多问题例如来自盘片的信号幅度对其旋转速度的依赖性。但MR负责人为磁盘驱动器设计人员带来了许多新的挑战。其中一个问题是当MR磁头偶尔接触磁盘表面时电阻率的变化。这种接触导致温度突然升高，导致持续时间（约10μs）的电压瞬变;对于读通道，它显示为具有长尾的大直流偏移。

另一个值得关注的问题是由于偏置和磁头偏离轨道位置导致的MR传感器的非对称非线性传递函数。不对称的读取波形损害了伺服和读取通道的性能。此外，非对称信号的交流耦合通过引入直流偏移和/或依赖于图案的基线偏移和瞬态来解决问题。

通过考虑读通道芯片设计中的MR头相关问题，像ADI公司这样的半导体厂商可以为磁盘驱动器电子产品增加重要价值。这在ADRS1xx系列中有所体现。

产品特性：

ADRS1xx系列中的器件具有多种信号处理功能和选项。它们为最先进的磁盘驱动器提供了完整的信号处理解决方案，尤其是当MR技术与PRML处理相结合时。电路模块采用CMOS工艺，可以及时交付经济高效的半定制芯片。

图3是典型ADRS1xx读通道芯片的框图。各种连续和离散时间滤波器实现了脉冲减薄的低通噪声滤波和频率增强的必要组合。具有两个可独立编程的零的7阶等波纹滤波器，结合模拟或数字5抽头自适应FIR滤波器，对PR4目标执行低通滤波和回读信号均衡。在量化过程发生之前，在采样模拟域中整形模拟信号的选项可以消除量化噪声的增强，并减少A / D转换器中所需的有效位数（ENOB）。

专利的双模拟/数字自动增益控制（AGC）环路与混合锁相环（H-PLL）串联，负责调整读取信号的幅度和采样实例。采集和跟踪期间的增益切换具有PLL中的可编程阻尼因子，可确保轻松优化环路动态。此外，在模拟前端使用有源偏移消除，以及用户激活的钳位功能（交流耦合网络的时间常数减少），可以显着缩短偏移瞬态（热粗糙）的恢复时间。

A / D转换器：

ADC是全闪存型，6位，144 MSPS（每秒兆次采样），内置专利MR磁头不对称校正。使用ADC的增益校正和/或直流偏移校正消除了MR磁头不对称性;每个ADRS1xx都提供寄存器来存储用户编程的校正码。在具有多个盘片和多个MR头的较大磁盘驱动器中，每个盘片的校正码存储在驱动器上以进行即时切换。

PR4和EPR4 Viterbi检测器实现最大似然检测（PRML）。与峰值检测器做出连续不可撤销的决定，一点一点，关于峰值是否大于某个固定阈值，最大似然检测器将信号样本序列与所有可能的组合进行比较，并选择与接收信号序列匹配的最佳可能性组合。 。维特比检测器以递归方式执行最大似然检测，即，通过在每个“比特时间”执行一些计算。基于先前的信号样本动态调整一组阈值，并与最新的信号样本进行比较（美国专利5,373,400）。

这些暂定（软）决策中的每一个都可以并且将在如果附加信号样本表明先前的决定是错误的，则在稍后时间（在可用内存的限制内）。

使用Windows软件的评估板：

评估套件的可用性简化了部件的实验室实验和表征。该套件包括National Instruments的LabView ^®软件，用于评估ADRS120的旋转支架或独立测试。评估板插入运行Windows ^™的486（或奔腾级）PC的并行端口。该板提供操作ADRS1xx系列任何成员所需的所有组件。

参考电路

1. 参见“Keiji Kanota等人1990年的数字VCR高密度记录技术”。 IEEE Transactions on Consumer Electronics ，第36卷，第3期。< / li>
2. 请参阅 模拟对话 26-2，第21-22页。另请参阅1992年IEEE ISSCC的会议记录：Kovacs ，J。和W. Palmer，“用于磁盘驱动器应用的32 Mb / s完全集成读通道。”