[科普中国]-伺服通道

伺服通道由可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA），非对称校正（Asymmetry Correction，ASC），连续时间滤波器（Analog Continuous Time Filter，CTF），模数转换器（Analog-to-Digital converter，ADC），伺服状态序列（Servo State Sequencer），伺服增益和时钟恢复逻辑（Servo gain and timing logic），伺服数据检测模块，伺服同步码检测模块，同步相位检测模块，位置误差信号解调模块组成。通道的前端包括VGA，ASC，CTF 和ADC 模块，用于所有的同步模式。同步检测数据，包括 PES，可以实时的传输到 NRZ 接口，或者可由编程接口访问。

硬盘伺服通道组成模拟前端部分

模拟前端包括以下组件：VGA，ASC，CTF，ADC。其中可变增益放大器（VGA）是 AGC（Auto Gain Control）自动增益控制环路的重要部件，其主要作用是对输入信号提供归一化的放大，抑制检测信号的绝对振幅，同时保留每个频谱成份中相对振幅的最佳可能分辨力，防止出现测量信道的饱和与数据丢失。ASC 是磁头非对称校正，读回波形的幅度不对称是由于磁头多层结构中的自由层电子自旋造成了磁头感应电流的偏移，由于现今磁头层结构的不断完善，ASC 一般被旁路。连续时间滤波器（CTF）的作用就是低通滤波器，滤除高频噪声。ADC将模拟信号转化为数字信号交由后面的数字部分的模块处理。

伺服均衡器

均衡器的作用是将经ADC采样后得到的序列进行整形，以减少码间干扰的影响，使其符合PR4 或 EPR4 等不同的信道传输特性。微硬盘通道采用了自适应 FIR均衡器结构，自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的。一般而言，自适应滤波器由两部分组成，一是滤波器的结构，二是调整滤波器系数的自适应算法。

伺服自动增益控制

自动增益控制环路就能对有用的信号进一步放大整形稳定，对干扰信号进行抑制、过滤，从而确保信号的幅值和波形处于最利于模-数转换的状态。其中最关键的是两个自动增益环路的确立。一个自动增益块是由模拟环控制，它通过全波整流电路利用反馈回路完成对增益初步范围控制。另一个自动增益块由数字环控制，该数字环是由一个六位的数-模转换器借助外部配套的数字化特定用途集成电路构成，它对增益进行微调，从而完成对增益的精确控制。

伺服时钟恢复

时钟恢复模块从伺服序列或数据序列中提取同步时钟，来控制ADC转换器的转换时刻，保持位同步。时钟恢复环路的目的是要解决读回通道中的位同步问题，即要在回读数据时产生与读回码元频率和相位同步的时钟信号，辅助正确地恢复读回数据，并且尽可能快地捕捉和跟踪读回数据的频率和相位，尽量减少时钟与码元的相位误差，使数据在尽量准确的时刻采样判决，以尽可能准确地恢复数据。

伺服采样时钟

伺服采用时钟用来控制ADC 转换器的采样，时钟的精度和稳定度非常重要，采样时钟分为固定频率采样时钟和可变频率采样时钟，常用的晶体振荡器无法满足要求，因此需采用频率合成器来产生高精度的时钟。

伺服 ADC 采样电路

由于通道采用 PRML 技术，为了减少器件和功耗，伺服采样电路大都采用ADC 转换器，由于 ADC 转换器在采样时存在量化噪声误差，因此过采样是常用的采样技术1。

伺服刻写方式对于硬盘伺服刻写依据刻写时的盘片是否在硬盘驱动器(driver)中，硬盘伺服刻写方式可分为裸盘刻写和 In-drive 刻写两种方式：

裸盘刻写方式。该方式下，盘片不在驱动器中，而是直接安装于伺服刻写设备中。这种方式的优点在于不需要硬盘驱动器而可以同时刻写多片磁盘，提高了刻写效率。但由于这种方法必须在净房中进行，净房占用率高。而且刻好后盘片还得装配在磁盘驱动器中，这样容易造成磁道的圆心和硬盘的马达主轴不同心。这些都是该方式的缺点。

In-drive 刻写方式。盘片安装在驱动器中，从而不会有转动轴心偏差，有效的解决了伺服磁道的圆心和硬盘的马达主轴不同心这一问题，但是占用净房的时间依然很多，其刻写效率还有待提高。

依据刻写时是否需要辅助定位设备和是否需要净房环境，硬盘伺服刻写方式又可分为以下三种方式：

全伺服刻写。此种方式需要辅助定位设备，整个过程都要在净房环境中利用伺服刻写设备完成，且是一次将全部的伺服信息完整写入。

部分伺服刻写。该方式将伺服刻写过程分为两个阶段：第一阶段在净房环境利用伺服刻写设备进行，先写入部分关键伺服信息；第二阶段在一般生产环境条件下通过 HDD 自行在其密闭腔内将伺服信息补充完整。

自伺服刻写。即不需要特定的刻写设备，也不需要净房环境，HDD自行在其密闭腔内完成所有的伺服刻写任务。此种刻写方式效率高，性能稳定，但是需要driver 的固件(firmware)的支持。

伺服信息录入结构分类伺服编码由专门的伺服刻写装置刻录到磁盘表面上。因录入的部位和方式的不同有以下的几种不同结构：

专用伺服面

它使用一个盘面，全部用于录入伺服信息，并由专用的伺服磁头读取。专用伺服面具有定位精度高、响应速度快的优点，但同时也存在一些不足之处。其一是，伺服磁道与数据磁道不在同一盘面上，当出现盘腔内温度不一致时，会因材料线胀系数不同，出现由伺服磁头确定的位置不能精确反映数据磁道位置的问题。此外，盘片的偏摆、振动和其他因素都会影响磁道位置的准确性。其二是，伺服面占用了一个盘面的容量，花销太大，尤其是在盘片数很少的情况下。在小型磁盘驱动器中已经很少使用专用伺服面。

扇区伺服

它将伺服信息嵌入每个扇区的开头部分。可使用同一盘面既录入伺服信息，用于定位和跟踪磁道，又存储数据，供用户使用。它的优点是：数据信息紧跟在位置伺服信息之后，定位精度较高；不使用专用伺服面，节约了磁盘容量的开销，尤其是当驱动器中的盘片较少时更是有利；它还可以部分克服外界干扰和内部因素（如材料变形）等引起的误差。但设计者必须考虑在系统性能和有效容量之间作出选择，因为增加伺服信息必将减少磁盘数据容量，而在一定范围内增加伺服信息的字节数则有利于增加寻道速度和提高定位与伺服精度。

混合伺服

它是扇区伺服与专用伺服面相结合的产物。粗定位使用专用伺服面提供的道地址与伺服信息，精确定位则使用由扇区内提供的位置伺服信息。因其可以克服以上二者的缺点，故道密度可以得到提高，但是，因专用伺服面占用的有效容量较多，故只适宜于驱动器中装置磁盘数目较多的情形。

埋入伺服

它是一种采用双层媒体分别录入伺服信息和记录数据的方式。下层媒体的矫顽力很高，用以录入伺服信息。上层媒体则用于记录数据，其矫顽力相对较低，不至于在写入数据时覆盖下层媒体上预先录入的伺服信息。埋入伺服方式克服了其他伺服方式中数据与伺服信息不在同一位置的分离现象，提高了跟踪数据道的准确性，被认为是一种较好的方式。但因对记录媒体提出了额外的要求，且需要专用的写伺服磁头，增加了工艺难度和制造费用，故尚未投入到实际的应用中2。

读写通道读写通道是指传输信息的数据通路或计算机系统中传送信息和数据的装置。硬盘读写通道与同步数字基带通讯系统是极为相似的，两个系统共同的目标是尽可能精确的找回发送或存储的信息。信息由二进制数据组成，在基带系统中，数据传送使用非调制技术对数据进行编码来取代对数据进行直接调制，接收信号通过均衡、判决和时钟恢复技术去恢复原始数字数据。由于硬盘和数字通讯系统在操作和系统级上的相似性，使得通讯系统的接收和发送技术能广泛的用在硬盘读写通道。读写通道是信息存储系统的重要组成部分，其关键的功能是通过电路实现数据写入和可靠的恢复。高效合理的读写通道设计不仅可以提高存储密度还能提高数据的传输速率。均衡器、数据检测器以及时钟恢复电路是读写通道重要的组成模块。读写通道是介于读写头与设备控制器之间的电子电路，它是数字信息存储系统中数据通道的重要组成部分。从数据的流程可以看出，读写通道有如下的重要作用：信号转换：写入时，将经过编码的数据与时钟混合脉冲序列变换为驱动信号黯然失色装置的电信号（驱动电流、调制光束光强或脉冲频率的电压等）。例如，将脉冲序列变换为幅值恒定、极性翻转的写驱动电流，用以激发写入磁化翻转的磁头场。误差补偿：这是在编码时，考虑到读出时脉冲拥护和期货与媒体和记录特性有关因素的影响，会合峰点偏移而采取的一种多级滞后写入的补偿措施，用于减轻读出时的峰点偏移。读出信号的处理：由于信号转换装置的输出阻抗很小，信号幅度微弱，信噪比称臣，故应对信号进行一序列处理，诸如姐抗匹配、放大、滤波，以及脉冲变换等。均衡与判决：均衡的目的是通过改变通道的时间响应或信号频谱分布，抵制位间或通道的互相干扰/判决包含检测和判定所恢复的数据序列的正确性。最简单的确均衡例子是通过移查器使峰点经秀色可移相 90 度后成为零点，检测零交叉点以撮数据，并经过分离电路健忘出数据和时钟。

本词条内容贡献者为:

吴晨涛 - 副研究员 - 上海交通大学