I canali di lettura avanzati per gli hard-disk

 

La funzione di un canale di lettura in un hard disk è recuperare il modo accurato l'informazione memorizzata sul disco, contenuta nel segnale proveniente dalle testine di lettura. Inoltre deve essere in grado di farlo compatibilmente con il BPI (bit per inch, ovvero densità lineare dei dati memorizzati) del disco, garantendo i livelli di transfer rate richiesti.

I canali di lettura a peak detection (rilevazione di picco) ormai non sono più adeguati rispetto ai nuovi requisiti di sempre maggiori densità con cui i dati vengono memorizzati sui supporti magnetici degli hard disk.

 

Aumentare la capacità di un disco

Esistono diversi modi per aumentare la capacità di un disco data la superficie di un piatto. I dati possono infatti essere compattati avvicinando i bit l'uno all'altro su una stessa traccia, oppure aumentando il numero di tracce per piatto, o anche combinando entrambe le cose, ma il prezzo che si paga in ciascun caso è comunque un peggioramento in termini di SNR (Signal Noise Ratio). Mentre però questo è un problema fondamentale per la peak detection (PD), molto meno critico risulta per la PRML.

I canali PRML infatti differiscono sostanzialmente rispetto ai tradizionali canali analogici per il modo in cui i dati letti dal disco vengono riconosciuti e separati. La PD si basa sull'individuazione dei picchi di segnali provenienti dal disco e per il recupero dei dati viene sostanzialmente utilizzata l'informazione rappresentata dalla posizione che assumono tali picchi.

Con la PRML invece il segnale proveniente dalla lettura di un bit viene digitalizzato e sovrapposto a quelli provenienti dalle letture dei bit adiacenti, costruendo il questo modo un segnale (campionato) che ha una certa forma e una certa ampiezza.

Si tratta quindi di un segnale frutto della combinazione di una sequenza di bit. Il circuito PRML stabilisce a quale sequenza di bit originari vada associata, in modo da minimizzare l'errore di comparazione tra ciò che si è letto e ciò che si sarebbe dovuto leggere.

La tecnologia PRML fu introdotta per la prima volta negli hard disk nel 1990 a opera di IBM, tuttavia le sue radici affondano nella teoria delle comunicazioni.

Riguardo alla sua denominazione, Partial Response si riferisce al fatto che, come s'è detto, la forma d'onda di un segnale letto consiste di una serie di campioni, ciascuno dei quali rappresenta appunto una risposta parziale del segnale.

Maximum Likelihood si riferisce invece all'algoritmo di decisione, che prende in considerazione un certo numero di campioni e stabilisce quale debba essere l'output più probabile.

Dal momento che non è più il segnale letto, o meglio il picco di quel segnale l'aspetto più rilevante nel processo di decisione, come invece accade nella PD, l'interferenza tra i segnali provenienti da due bit adiacenti, che degrada l'informazione, può essere così utilizzata in modo costruttivo. Questa degradazione del segnale conseguente al ravvicinamento dei bit è nota come interferenza di intersimbolo (ISI).

E' così possibile avvicinare gli impulsi compattandoli maggiormente , per poi recuperare la forma d'onda originaria attraverso il filtraggio e l'equalizzazione del segnale letto, piuttosto che rivelarne i picchi così soggetti al deterioramento causato dal rumore. Nel concetto PRML non sono più i picchi a contenere l'informazione, mentre è di primaria importanza la forma degli impulsi. L'equalizzazione, volta a ottenere una determinata forma dell'impulso, sta alla base della ricostruzione del segnale.

 

Codifica di canale

Probabilmente l'unico elemento che differenzia tra loro i canali PRML esistenti è il tipo di codifica. Per anni, con i canali PD sono stati usati codici Run Length Limited (1,7), per cercare di aumentare il compattamento dei dati su disco, limitando il peggioramento dell'ampiezza del segnale associato al ISI.

Solitamente sono indicati come codici RLL d, k. Il parametro d costituisce un limite alla distanza minima consecutiva tra due segnali adiacenti; il tal modo è possibile compattare maggiormente i bit, sotto il vincolo che tra "1" adiacenti fosse interposto almeno uno "0". In sostanza, quindi, è un modo per limitare con una pre-codifica in fase di scrittura l'ammontare di ISI (infatti è in corrispondenza di ogni "1" che viene scritta una transizione sul disco).

La k del codice, invece, viene utilizzata per il recupero del sincronismo imponendo che ci fosse almeno una transizione dopo una lunga sequenza di "0", in modo tale da garantire l'agganciamento del Phase Locked Loop (PLL) grazie al quale si mantiene la sincronizzazione dei dati in lettura. In altre parole, senza questo vincolo una lunga sequenza ininterrotta di "0" avrebbe potuto causare lo sganciamento del PLL, con conseguente aumento degli errori.

Prima di esaminare lo schema di codifica d, g /i usato con i canali PRML è opportuno richiamare le due principali cause di non linearità del segnale, che limitano la possibilità di compattare i dati: la cancellazione parziale e lo spostamento (shift) non lineare dei bit. La cancellazione parziale, altrimenti nota come "effetto zigzag", si verifica quando esistono due transizioni adiacenti. In questo caso il flusso magnetico associato a una transizione può interferire con quello della transizione successiva causando così una reciproca cancellazione parziale. Il risultato complessivo che ne viene è una degradazione del segnale che nel caso peggiore può comportare perdite di bit.

Lo shift non lineare dei bit avviene anch'esso in corrispondenza di due transizioni molto prossime e consiste nel fatto che una delle due viene avvicinata a quella adiacente a causa del campo di demagnetizzazione della transizione scritta precedentemente, che si somma al campo della transizione successiva. In sostanza la ISI lineare fa sì che due picchi adiacenti tendano a respingersi verso l'esterno, diminuendo quindi l'intensità del segnale che non viene così campionato in corrispondenza della sua ampiezza massima, mentre il bit di shift non lineare ha l'effetto opposto. Mentre però la correzione del bit di shift non lineare può essere effettuata attraverso un'opportuna dose di write precompensation, non altrettanto si può fare per correggere la cancellazione parziale.