硬盤讀寫通道若干關(guān)鍵技術(shù)的研究與仿真.pdf

1、從現(xiàn)代硬盤的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，硬盤的磁頭、盤片、頭盤界面等技術(shù)均已取得長足進(jìn)展，而且未來還有充足的發(fā)展空間。即便還存在一些困難，但發(fā)展方向和基礎(chǔ)理論問題已基本確定。而隨著這些技術(shù)發(fā)展變化帶來的一個(gè)必然要求就是要解決可能超過10Gb/s的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率并將誤碼率控制在可接受范圍之內(nèi)。目前無論是硬盤通道還是控制器、譯碼器均尚未能達(dá)到處理如此速率的技術(shù)水平。而由于硬盤技術(shù)更新?lián)Q代很快，ASIC開發(fā)成本又高昂，因此探索通道的仿真研究技術(shù)也具有重

2、大意義。如何處理在超高密度條件下越來越嚴(yán)重的碼間干擾和道間干擾，將淹沒在各種噪聲中的微弱信號(hào)提取出來，真實(shí)、高速的再現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，是讀寫通道和編解碼器必須協(xié)同解決的問題。讀寫通道融合了復(fù)雜的模數(shù)混合信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是現(xiàn)代硬盤必不可少的核心技術(shù)。在介紹讀寫通道的各種模型和國內(nèi)外讀寫通道研究的技術(shù)變化趨勢之后，可知對(duì)圖形化讀寫通道仿真模型的研究可為我國的磁存儲(chǔ)工業(yè)提供關(guān)鍵性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)平臺(tái)。
　　 本文介紹了硬盤讀寫通道

3、的主要結(jié)構(gòu)，對(duì)通道內(nèi)各部分的工作原理做了詳細(xì)分析，按照數(shù)據(jù)流向分別對(duì)讀出和寫入過程的編解碼流程、部分響應(yīng)方式、自適應(yīng)均衡、最大似然維特比譯碼算法做了描述。針對(duì)有色噪聲對(duì)維特比譯碼器的影響，給出了在維特比譯碼算法中嵌入噪聲預(yù)測濾波器的方法，并給出了計(jì)算波形自相關(guān)系數(shù)和噪聲自相關(guān)系數(shù)的方法。此外給出了不同存儲(chǔ)密度條件下PR4、EPR4和NPR高階部分響應(yīng)的離散時(shí)間特性方程，并描繪了它們的網(wǎng)格圖。對(duì)根據(jù)維特比譯碼中的最可能錯(cuò)誤事件，將譯碼結(jié)果

4、進(jìn)一步進(jìn)行后處理的方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，對(duì)錯(cuò)誤事件的成因給出了解釋。針對(duì)現(xiàn)代硬盤控制器中的高碼率游長受限編碼方法問題，在分塊受限編碼基礎(chǔ)上，利用輸入碼字分塊后的分布特性，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Amdahl定律，提出了一種可用于讀寫通道的高碼率游長受限編碼方法，給出了標(biāo)志子塊排隊(duì)規(guī)則和無沖突子塊映射策略，由它們組成的RLL編碼方法既能滿足合理的碼率限制，又能加以遞推用于設(shè)計(jì)更高碼率如128/129、256/257等RLL編碼，并且能簡單的

5、用Verilog/VHDL等語言實(shí)現(xiàn)。利用ModelSim仿真工具仿真了32/33(d=0，k=6)的高碼率游長受限編碼器，實(shí)驗(yàn)表明，采用這種方法所得到的實(shí)際碼率(0.9697)與理論容量(0.99422)相差很小，且隨著k值增加，由于允許的數(shù)據(jù)字長度n可更長，碼率與理論容量越來越接近。
　　 本文對(duì)硬盤高碼率游長編碼可能發(fā)生的誤差傳播問題做了分析，提出了以域變換的方法實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)級(jí)聯(lián)編碼的方案，并對(duì)該方案的原理和實(shí)現(xiàn)方法做了分析。

6、結(jié)合高碼率編碼方法，應(yīng)用10位超長機(jī)器字長和變形里德-所羅門編碼，具體提出了一套ECC/RLL交錯(cuò)的級(jí)聯(lián)編碼方案。這種交錯(cuò)級(jí)聯(lián)編/解碼方法能抑制錯(cuò)誤傳播問題，減少突發(fā)錯(cuò)誤的長度，獲得更好的差錯(cuò)性能和更低的誤碼率。設(shè)計(jì)了基于MATLAB Simulink的圖形化硬盤讀寫通道的仿真模型，能直觀顯示各模塊、各環(huán)節(jié)的特性以及通道參數(shù)修改引起的變化。提出了分塊求卷積的方法，來設(shè)計(jì)不同存儲(chǔ)密度條件下的Lorentz任意波形發(fā)生器。分析了硬盤伺服信息

7、的頻率譜，針對(duì)直流分量和噪聲，設(shè)計(jì)了基線校正和連續(xù)時(shí)間濾波器，給出了VGA的門限判別方法、梯度產(chǎn)生算法以及AGC增益的穩(wěn)定時(shí)間，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)FIR均衡器模型。分析了高存儲(chǔ)密度條件下(PW50/T>2.5)的有色噪聲來源，提出了FIR型白化濾波器方法來抑制有色噪聲，并設(shè)計(jì)了可加入噪聲預(yù)測算法的軟判決噪聲預(yù)測維特比譯碼器模型。對(duì)譯碼中錯(cuò)誤事件的成因以及后處理方法做了討論。根據(jù)伺服信息中扇區(qū)標(biāo)記字段由格雷碼編碼的特性，提出了一種檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行?/p>

8、性的簡便方法。利用該模型，對(duì)自定義序列、隨機(jī)序列和導(dǎo)入的實(shí)際硬盤信號(hào)等三種不同類型的輸入序列分別進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)表明，模型能對(duì)三種數(shù)據(jù)正確處理，并能用誤碼率來分析模型中引入不同噪聲時(shí)的讀寫通道的性能。在加入噪聲預(yù)測算法后，分別描述了4個(gè)系數(shù)的FIR預(yù)測器和20個(gè)系數(shù)的FIR預(yù)測器的幅頻響應(yīng)曲線。通過設(shè)置通道模型中的AWGN模塊的SNR參數(shù)值為5～12，并分別測量不同算法下誤碼總數(shù)達(dá)到10個(gè)時(shí)的位錯(cuò)誤率，發(fā)現(xiàn)在相同信噪比下，通過對(duì)均衡器輸