随着新的操作系统(如Windows 95 )、应用程序套件和多媒体被普遍接受，计算世界对存储容量的贪欲丝毫未减。现在，典型的PC系统都配备了能够存储640mb到1gb信息的硬盘驱动器(HDD)，而1994年和1993年的数据容量分别为340- 540mb和200- 300mb。随着“家用个人电脑”在世界范围内的普及，硬盘的出货量在1994年达到了近7000万台，预计到1997年将超过1亿台。

HDD制造商面临的持续挑战是以相同(或更低)的成本提供不断提高存储容量的新产品。提供既能提供更高容量又能提供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，行业领导者正在过渡到一个新的趋势线，将增长率提高到每年60%以上。

HDD设计者采用了多种技术和技术来满足面密度目标:改进介质、磁头技术、记录调制和磁头定位公差。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“读通道处理器”实现。

什么是读通道处理器，它做什么:

读通道处理器可以看作是一个复杂的数字转换器，它将磁盘驱动器磁头发出的微弱信号(表示数字信息)转换为数字比特流。在过去的几年中，包含在读通道IC中的信号处理功能在性能和复杂性方面有了显着提高，使用了部分响应，最大似然(PRML)架构。PRML弥补了传统的峰值检测脉冲提取和通信系统(包括调制解调器、数字录像机等)中采用的更高性能的最大似然信号检测方案之间的差距

在磁盘驱动器应用程序中，“通信通道”包括:

• 将二进制(0,1)用户数据转换成磁性线圈(写磁头)中电流的极性变化的一种发送器。

• 一种传输通道，由一个磁盘组成，在磁化方向变化时存储信息。

• 从磁盘读取信号并对其进行处理以恢复原始二进制数据的一种接收器。

在今天的磁盘驱动器中，读通道处理器实现了智能发送/接收功能——不包括换能器(写头，写驱动电子)和传感器(读头，读前置放大器)电路。

脉冲识别问题:

磁盘上的磁跃迁在读头传感器的输出端被转换成极性的交变的电压脉冲。读通道中的孤立跃迁(对应于磁化强度的阶跃变化)可以用洛伦兹脉冲(图1)近似表示，给出如下:

其中PW50是振幅为峰值50%的点之间的时间。当磁化方向改变时，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用用户位“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:

在较低的比特密度下，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(见对话22-1,1988)。在回读信号中表示二进制“一”的峰值是通过用微分器对信号进行操作来检测的，然后是过零比较器。比较器输出由幅度限定电路进行门控，该电路在输入读信号幅度低于某一阈值时禁用数字输出脉冲。

峰值检测器的工作在时间上是连续的，并且仅由输入信号驱动。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峰值检测仍然用于检测伺服信息(头部定位)，在一些现有产品中作为伺服数据限定符。

但随着存储密度的增加，极性相反的相邻脉冲之间相互作用的增加会产生相消干涉。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)以及由此产生的幅度减小和峰值移位。相反，部分响应(PR)信号(其中相邻的每个脉冲在确定给定位置的脉冲存在或不存在的过程中做出部分贡献)接受相邻脉冲之间可控的干扰量(抵消)。使用离散时间(采样)信号处理技术，最可能(ML =最大可能)脉冲序列不断更新。

在不同类别和阶次的部分响应信道中，选择符号间干扰(信号抵消)的量，以便当相邻脉冲干扰时，在采样实例中仅产生有限组离散幅度。在PR4信号中，允许存在+ 1,0，-1标称采样值，隔离脉冲被塑造(通过连续和离散时间滤波器)，采样时钟相位被调整，以便仅接收两个+1，+1或-1，-1采样值;其他时间的样本值都是0。

当磁盘上的两个磁跃迁最接近时，对应的回读样本(+1，-1)部分取消，相邻脉冲值的采样结果为+1,0，-1。(可以说，每个过渡都部分地导致了中间的0样本。)在高阶部分响应系统中，如增强型PR4 (EPR4)，允许由两次以上跃迁引起的脉冲响应发生干扰，从而产生更多可能的采样值(例如，EPR4的+2、1、0、-1、-2)。

头先生:

除了由于应用复杂的信号处理技术而导致的存储密度提高之外，磁盘驱动器容量的惊人增长速度主要是由于使用磁阻(MR)读磁头，它正在迅速取代感应读磁头。迄今为止，已经生产了超过5000万个磁共振磁头，今年这个数字可能会持平。

磁流变读头采用各向异性磁阻(AMR)原理，将5 A/m (oversteds)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。这使得驱动器设计人员可以在给定的表面积内装入更多的比特，或者放松其他设计限制，以提高其他地方的性能。[注:即使在GMR在生产驱动器中实现之前，CMR (colossal MR)的开发也在进行中;CMR有望比GMR有非常显著的改进。传感器本身是一层Ni-Fe(镍铁)薄膜(约250 μ)，也称为坡莫合金，每边只有几微米。磁流变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(峰值到峰值为20- 200mv);然后与读通道处理器输入进行交流耦合(图2)。

海德不对称:

磁磁共振磁头技术解决了许多与感应磁头相关的问题，例如来自盘片的信号幅度对其转速的依赖。但磁流变磁头给磁盘驱动器设计者带来了许多新的挑战。其中一个问题是磁流变磁头偶尔接触磁盘表面时电阻率的变化。这种接触会导致温度突然升高，导致长时间(约10µs)的电压瞬态;对于读通道，它表现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头部偏离轨道位置导致的磁磁共振传感器的非对称非线性传递函数。不对称的读取波形会损害伺服和读取通道的性能。此外，不对称信号的交流耦合通过引入直流偏置和/或模式相关的基线移位和瞬态而使问题复杂化。

通过在读取通道芯片的设计中考虑与磁流变磁头相关的问题，像Devices这样的半导体供应商可以为磁盘驱动电子产品增加显著的价值。这在ADRS1xx系列中得到了体现。

产品特点:

ADRS1xx系列的部件具有各种信号处理功能和选项。它们为最先进的磁盘驱动器提供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。电路块在CMOS中实现，这允许及时交付具有成本效益的半导体定制芯片。

图3是典型的ADRS1xx读通道芯片的框图。一系列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，以实现脉冲减薄。具有两个独立可编程零的7阶等纹波滤波器与数字5分路自适应FIR滤波器相结合，对读回信号进行低通滤波和均衡到PR4目标。在量化过程发生之前，在采样域中对信号进行整形的选项可以消除量化噪声的增强，并减少A/D转换器所需的有效位数(ENOB)。

专利的双/数字自动增益控制(AGC)环路与混合锁相环路(H-PLL)串联，负责调整读取信号的幅度和采样实例。增益开关期间的采集和跟踪与可编程的阻尼因子在锁相环确保易于优化的环路动力学。此外，在前端使用主动偏移抵消，加上用户激活的箝位功能(减少交流耦合网络的时间常数)，可以显着缩短偏移瞬态(热陡变性)的恢复时间。

A / D转换器:

ADC是全闪存型，6位，144 msps(每秒百万样本)，内置专利MR头不对称校正。使用ADC的增益校正和/或直流偏置校正消除MR头不对称;每个ADRS1xx提供寄存器来存储用户编程的纠错码。在具有多个盘片和多个磁流变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 Viterbi检测器实现最大似然检测(PRML)。峰值检测器对于峰值是否大于某个固定阈值，逐点做出连续的不可撤销的决定，而最大似然检测器则不同，它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最匹配的组合。Viterbi检测器以递归方式执行最大似然检测，即在每个“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(美国专利5,373,400)进行比较。

如果额外的信号样本表明先前的决定是错误的，那么这些试探性(软)决定中的每一个都可以并且将在以后的时间(在可用内存的限制内)进行修改。

评估板与Windows软件:

实验室实验和表征的部分简化了可用的评估工具包。该套件包括美国国家仪器公司基于LabView 的软件，用于评估ADRS120与旋转支架或独立的基础。评估板插入运行Windows 的486(或Pentium类)PC的并行端口。该板提供操作任何ADRS1xx系列成员所需的所有组件。

参考电路

1. 参见《数字录像机的高密度记录技术》，作者Keiji Kanota等人，1990年。IEEE消费电子汇刊，第36卷，第36期。3.

2. 见对话26-2，第21-22页。参见1992年IEEE ISSCC会议记录:Kovacs, J.和W. Palmer，“用于磁盘驱动器应用的32mb /s完全集成读通道”。