读取通道处理器使用PRML增加基于MR磁头的磁盘驱动器的容量

作者：Janos Kovacs, Ron Kroesen, and Al Haun

随着新的操作系统（如Windows 95）的发展，计算世界对存储容量的永不满足的需求继续有增无减。™-应用程序套件和多媒体成为普遍接受。典型的PC系统现在附带硬盘驱动器（HDD），能够存储640 MB到1 GB的信息，而340年为540-1994 MB，200年为300-93 MB。随着“家用PC”在全球范围内获得认可，HDD单位出货量在70年被推到近1994万台，预计到100年将超过1997亿台。

HDD 制造商面临的持续挑战是提供源源不断的新产品，以相同（或更低）的成本提高存储容量。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%的速度提高。然而，最近，行业领导者正在向新的趋势线过渡，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。

什么是读取通道处理器以及它的作用：

读取通道处理器可以看作是一个复杂的模数转换器，它将来自磁盘驱动器头的微弱模拟信号（代表数字信息）转换为数字比特流。在过去几年中，采用部分响应最大似然（PRML）架构，读取通道IC中包含的信号处理功能在性能和复杂性方面显著提高。PRML弥合了传统峰值检测脉冲提取与通信系统（包括调制解调器、数字VCR等）中采用的更高性能最大似然信号检测方案之间的差距¹

在磁盘驱动器应用程序中，“通信通道”包括：

将二进制 （0，1） 用户数据转换为磁线圈（写入磁头）中电流的极性变化的发射器。

传输通道，由磁盘组成，该磁盘将信息存储为磁化方向的变化。

从磁盘读取模拟信号并对其进行处理以恢复原始二进制数据的接收器。

在当今的磁盘驱动器中，读取通道处理器实现了智能发射器/接收器功能，不包括传感器（写入磁头、写入驱动器电子设备）和传感器（读取磁头、读取前置放大器）电路。

脉冲识别问题：

磁盘上的磁跃迁在读头传感器的输出端转换为具有交替极性的电压脉冲。读取通道中的孤立跃迁（对应于磁化强度的阶跃变化）可以用洛伦兹脉冲（图1）近似，由下式给出：

其中PW50是振幅为其峰值的50%的点之间的时间。随着磁化方向的改变，信号达到峰值。用户能够通过读/写通道传输信息的数据速率可以通过用户位“T”之间的时间间隔来表征。对于给定的脉冲宽度，目标是将位封装得更近，即增加PW50/T比率，这称为用户位密度。

峰值检测与PRML：

在较低的位密度下，相邻脉冲之间的相互作用相对较小，接收器可以使用峰值检测器来实现（参见Analog Dialogue 22-1，1988）。代表回读信号中二进制“一”的峰值是通过使用微分器对信号进行操作，然后是过零比较器来检测的。比较器输出由幅度限定电路选通，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。

峰值检波器的操作在时间上是连续的，并且仅由输入信号驱动。ADI公司通过AD899系列产品推出了业界首个完全集成的“峰值检测”读取通道²峰值检测，作为当今某些产品的伺服数据限定符，仍然用于读取伺服信息（头部定位）。

但随着存储密度的增加，极性相反的相邻脉冲之间的相互作用增加会产生破坏性干扰。为了使峰值检波器正常工作（即低误码率），必须消除这种码间干扰（ISI）以及由此产生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是否存在脉冲的过程中部分贡献）接受相邻脉冲之间的受控干扰（消除）。最可能的（ML =最大似然）脉冲系列使用离散时间（采样）信号处理技术不断更新。

在部分响应通道的各种类别和阶数中，选择码间干扰（信号消除）的数量，以便在相邻脉冲干扰时在采样实例上仅产生一组有限的离散幅度。在PR4信号中，允许存在+1，0，-1标称采样值，隔离脉冲整形（通过连续和离散时间滤波器）并调整采样时钟相位，以便仅接收两个+1，+1或-1，-1采样值;在所有其他时间，样本为零。

当磁盘上的两个磁跃迁最近时，相应的回读采样（+1，-1）部分抵消，并且相邻脉冲值的采样结果为+1，0，-1。（可以说，每个转换都对中间的 0 样本负有部分责任。在增强型PR4（EPR4）等高阶部分响应系统中，允许由两个以上跃迁引起的脉冲响应发生干扰，从而产生大量可能的样本值（例如，对于EPR2情况，+1，0，1，-2，-4）。

先生负责人：

除了应用复杂的信号处理技术带来的存储密度改进外，磁盘驱动器容量的惊人增长速度主要是由于使用了磁阻（MR）读头，这些读头正在迅速取代电感式读头。迄今为止，已经生产了超过50万个MR头，今年这个数字可能会持平。

MR读头采用各向异性磁阻（AMR）原理，将5 A/m（奥斯特）的磁场变化转换为约2.5%的电阻变化。此外，对GMR（巨型MR）的研究仍在继续，其灵敏度是AMR的5倍。这允许驱动器设计人员将更多位封装到给定的表面积中，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（巨大的MR）的开发也在顺利进行中;CMR有望比GMR有非常显着的改进。传感器本身是镍铁（镍铁）的薄膜（约250），也称为坡莫合金，每侧只有几微米。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（峰峰值为20-200 mV）;然后交流耦合到读取通道处理器输入（图 2）。

磁共振头不对称：

MR磁头技术解决了与电感头相关的许多问题，例如来自盘片的信号幅度对其转速的依赖性。但是MR磁头给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磁头偶尔接触圆盘表面时，电阻率会发生变化。这种接触导致温度突然升高，导致长时间（约10 μs）电压瞬变;对于读取通道，它显示为带有长尾的大直流偏移。

另一个值得关注的问题是MR传感器的不对称非线性传递函数），这是由于偏置和磁头偏离轨道位置造成的。不对称的读取波形会损害伺服和读取通道的性能。此外，非对称信号的交流耦合会引入直流偏移和/或与模式相关的基线偏移和瞬变，从而使问题更加复杂。

通过在读取通道芯片设计中考虑MR磁头相关问题，ADI公司等半导体供应商可以为磁盘驱动电子设备增加重要价值。ADRS1xx系列就是一个例子。

产品特点：

ADRS1xx系列器件提供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，特别是当MR技术与PRML处理相结合时。电路模块采用CMOS实现，可及时交付具有成本效益的半定制芯片。

图3是典型ADRS1xx读取通道芯片的框图。各种连续和离散时间滤波器实现了低通噪声滤波和频率提升的必要组合，以实现脉冲瘦化。具有两个独立可编程零点的 7 阶等纹波滤波器与模拟或数字 5 抽头自适应 FIR 滤波器相结合，对 PR4 目标的回读信号进行低通滤波和均衡。在量化过程发生之前，在采样模拟域中对模拟信号进行整形的选项可以消除量化噪声的增强，并降低A/D转换器所需的有效位数（ENOB）。

获得专利的双模拟/数字自动增益控制（AGC）环路与混合锁相环（H-PLL）相结合，负责调整读取信号的幅度和采样实例。在采集和跟踪期间进行增益切换，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失调消除功能，以及用户激活的箝位功能（交流耦合网络的时间常数减少），可以显著缩短失调瞬变（热粗糙度）的恢复时间。

模数转换器：

该 ADC 是一款全闪存型、6 位、144 MSPS（每秒兆采样），内置获得专利的 MR 磁头不对称校正功能。利用ADC的增益校正和/或直流失调校正消除MR磁头不对称性;每个ADRS1xx提供寄存器来存储用户编程的校正代码。在具有多个盘片和多个 MR 磁头的较大磁盘驱动器中，每个盘片的校正代码存储在驱动器上，以便进行动态切换。

PR4 和 EPR4 维特比探测器实现最大似然检测 （PRML）。与逐位对峰值是否大于某个固定阈值做出连续不可撤销决策的峰值检测器不同，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组合。维特比检测器以递归方式执行最大似然检测，即在每个“位时间”执行一些计算。根据先前的信号样本动态调整一组阈值，并与最新的信号样本（美国专利5，373，400）进行比较。

如果其他信号样本表明先前的决策是错误的，则这些试探性（软）决策中的每一个都可以并且将在以后（在可用内存的限制内）进行修改。

采用视窗软件的评估板：

通过提供评估套件，简化了该器件的实验室实验和表征。该 套件 包括 NI 基于 LabView 的 软件， 用于 使用 旋转 台 或 独立 机 评估 ADRS120。该评估板插入运行 Windows 的 486（或奔腾级）PC 的并行端口®™.该板提供运行ADRS1xx系列任何成员所需的所有元件。

审核编辑：郭婷