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提取出來，真實、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。讀寫通道融合了復雜的模數(shù)混合信號和數(shù)字信號處理技術(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，可知對圖形化讀寫通道仿真模型的研究可為我國的磁存儲工業(yè)提供關(guān)鍵性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)平臺。
　　 本文介紹了硬盤讀寫通道

3、的主要結(jié)構(gòu)，對通道內(nèi)各部分的工作原理做了詳細分析，按照數(shù)據(jù)流向分別對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。針對有色噪聲對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密度條件下PR4、EPR4和NPR高階部分響應(yīng)的離散時間特性方程，并描繪了它們的網(wǎng)格圖。對根據(jù)維特比譯碼中的最可能錯誤事件，將譯碼結(jié)果

4、進一步進行后處理的方法進行了詳細的推導，對錯誤事件的成因給出了解釋。針對現(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)計算機系統(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，給出了標志子塊排隊規(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，實驗表明，采用這種方法所得到的實際碼率(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現(xiàn)交錯級聯(lián)編碼的方案，并對該方案的原理和實現(xiàn)方法做了分析。

6、結(jié)合高碼率編碼方法，應(yīng)用10位超長機器字長和變形里德-所羅門編碼，具體提出了一套ECC/RLL交錯的級聯(lián)編碼方案。這種交錯級聯(lián)編/解碼方法能抑制錯誤傳播問題，減少突發(fā)錯誤的長度，獲得更好的差錯性能和更低的誤碼率。設(shè)計了基于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)計不同存儲密度條件下的Lorentz任意波形發(fā)生器。分析了硬盤伺服信息

7、的頻率譜，針對直流分量和噪聲，設(shè)計了基線校正和連續(xù)時間濾波器，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)定時間，并設(shè)計了自適應(yīng)FIR均衡器模型。分析了高存儲密度條件下(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。對譯碼中錯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)標記字段由格雷碼編碼的特性，提出了一種檢驗?zāi)Ｐ陀行?/p>

8、性的簡便方法。利用該模型，對自定義序列、隨機序列和導入的實際硬盤信號等三種不同類型的輸入序列分別進行了分析。實驗表明，模型能對三種數(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個系數(shù)的FIR預(yù)測器和20個系數(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)達到10個時的位錯誤率，發(fā)現(xiàn)在相同信噪比下，通過對均衡器輸