CN1199492A - 用于从传输信道得到数据的快速获取方法和实现该方法的数据接收机 - Google Patents

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Abstract

描述了用于把定时获取、增益获取、和均衡器获取(如果需要的话)连同字同步组合在一起的快速获取方法。本方法的核心是前置头,它以重复的相同字P为起始,P的长度与码字长度一致。优选地,本方法以基于对P逐比特取反的帧同步为结尾。本方法的主要吸引力在于简单性、快速、和牢固性。

Description

用于从传输信道得到数据的快速获取方法和 实现该方法的数据接收机
本发明涉及用于从传输信道得到数据的快速获取方法，特别是该方法在硬盘驱动器或突发模式无线通信系统中的使用，该方法包括以下步骤：定时获取；增益获取和借助于一个包括预定比特格式的前置头来进行字同步，该前置头后面有N-比特的用户数据字。
该方法可在1995年的Silicon Systems，Inc.，Tustin，CA，USA的数据手册的第5-335到5-377页中公布的SSI 32P4904 Read Channel IC的文件中获知。
在硬盘驱动器中，用户数据被再分为被存储在分开的扇区中的固定长度的块。为了便于进行可靠的检测，数据块在存储前被编码，并且在前面加上了一个预定的前置头，它使得读路径可为接收用户数据而自行准备。这种准备过程通常被称为快速获取，并且一般包括以下任务：
1.将读时钟锁定到输入数据流；一般称为定时获取；
2.AGC增益的初始化；所谓的增益获取；
3.均衡器的匹配参数的初始化，即均衡器获取，该初始化过程在均衡器参数被预编程时有时可被忽略；
4.码字边界的识别，字同步；
5.扇区的用户数据部分的起始点的识别，即帧同步。
前置头的结构反映出这些任务被处理的顺序。一个典型的结构在图1中被描述，此图对应于上面提到的Silicon Systems的文献中的5-348页的图11。
前置头以周期为4T的‘...++-+-++...’模式开始，其中T是所记录的比特的时间间隔。该模式产生一个传送大量定时和增益信息的类似正弦型的回放信号。正如在W.L.Abbott和J.M.Cioffi，的文章”“Timingrecovery for adaptive decision Feedback Equalization of the MagneticStorage Channel(磁存储信道的自适应判定反馈均衡的定时恢复)”，Proc.GLOBECOM’90，pp.1794-1799，San Diego，CA，Dec.2-5，1990，或在R.D.Cideciyan等的文章“A PRML System for Digital MagneticRecording(数字磁记录的A PRML系统)”，IEEE J.Selected AreasCommunications，Vol.SAC-10，No.1，pp.38-56，Jan.1992，中所描述的，关于这种模式和信号的先验知识可被利用来进行快速定时和增益获取。该方法的技术一般是数据辅助的，即数据可被方便地按照模式来处理成方便的模式，并且当另一种模式被重新编码时可适当地停止工作。由于这个原因，在接近4T模式的终点，对于定时恢复和增益控制环来说切换到针对判决的跟踪方式是必须的。在这种方式下，关于记录的数据的先验知识由基于检测器产生的判决的后验知识代替。只要这些判决是绝大部分正确的，两个环路就都可正确地跟踪上回放信号的定时和增益。在前置头的4T部分的结尾，AGC被正确地设置，且定时恢复配置被锁相到4T模式。
获取方法的下一步骤是字同步。该步骤是基于一个在每个字符间隔T中用来与滑窗内的检测的比特相比较的预定的数据模式。一旦观察到在两个模式间的充分的一致时，则字同步被建立。现代的硬盘驱动器通常采用一个速率为R＝8/9的调制码，使得码字具有9T的长度。图1中的字同步模式具有9T的周期，并且正好是一个预定码字的重复。该码字被选择来使得可以从8个可替换的对准中足够地区分出正确的码字对准，而且，允许斜率均衡器的获取。这样一种均衡器经常被用在记录系统中，因为磁头/媒介系统的带宽不能被精确地提前知道。均衡器大体上补偿频谱在低频与高频之间的不平衡，并且一个合适的训练模式在磁头/媒介系统的通带内必须至少有两个频率成分。4T模式是不合格的，因为它只有一个这样的成分。
在9T模式的结尾，剩下的唯一任务就是帧同步。在图1中，这借助一个与前面的9T字相当不同的单独的预定的码字而被实现了。帧同步检验可基于调制译码器的输入、也可在一定的汉明(Hamming)距离的损失的情况下基于它的字节方式的输出。它仅需要在每一个字节间隔中(也就是每9T秒)被执行一次，并且比起在比特速率为1/T的情况下执行的字同步检验，其运算强度要小得多。
需要指出上述方法有很多变体。例如，字同步和帧同步的任务可在需要更长的同步字和更复杂的同步硬件的代价下被合并在一起，如在上面提到的W.L.Abbott和J.F.Cioffi的文章中所描述的。这样，均衡器训练模式则可以跟随同步字，而在周期和长度方面不再被限制。如果均衡器有多个‘节’(knob)，则这将是很重要的。在某些情况下，均衡器有太多的节使得无法在每一个数据读操作之前进行训练。在这些情况下，均衡器系数通常是在磁盘驱动器制造期间被训练一次，并且被永久地预装载。这样就使前置头免除了用于均衡器训练的模式。其他4项任务都将不变地在现代的信道IC中遇到。为了完整性，有必要提一下，在过去几代的磁盘驱动器中帧同步是在信道IC外实现的，尤其是对于(1，7)和(2，7)的游程受限码的信道IC。
在某种程度上，现有的获取方法都具有以下的特征和缺点：
1.他们在本质上大部分是连续的，即不同的任务大部分是连续完成的。这样使硬件复杂化，同时也加长了获取时间。
2.几个所被涉及的步骤(例如均衡器获取，字和帧同步)在针对判决的模式中出现，并且他们对判决错误非常敏感。
本发明致力于克服或至少是减小已知的快速获取方法的缺点，为此，给出一种上述类型的方法，其特征在于，定时获取、增益获取和字同步的这几个步骤通过利用一个包括一系列预定的相同的n-比特字的前置头而同时进行，其中n是一个N的倍数、或N的整数分之一、或N的整数分之一的倍数、或n＝N。
优选地，本方法也包括借助于一个构成部分前置头的N比特帧同步字的帧同步，且根据一个实施例，该同步字在n＝N时是n比特字的逐比特取反的。
例如，当N＝9时，则n可以例如为3，N的一个整数分之一；6，N的一个整数分之一的倍数；9，n＝N；18，N的一个倍数。
本发明是基于深刻了解了现有的快速获取方法的复杂性主要是来自字同步步骤，如果前置头的第一部分具有与码字长度不一致的周期，则该步骤是不可避免的。新方法所根据的本发明思想在于避免这个部分。前置头是一个相同的字P的重复，它的长度与码字长是一致的。一个根据本发明的方法的扇区格式的例子在图2中示出。定时恢复方案被锁定于前置头以使得时基是以码字长度为模被建立的。这意味着字同步是定时获取的一个自动的副产品。
一个实际的问题是，定时恢复环可能在相对前置头而言不期望的阶段被“挂断”。P的正确的选择会减小此问题。同时，通常我们希望使初始相位尽量接近于想要的值，以防止定时恢复环进入“挂断区域”。根据本发明的另一方面，这例如可借助零相位启动技术来实现。
除了定时获取以外，前置头也被用于增益获取。在磁头/媒介系统的通带中，前置头通常有两个或多个频谱成分，并且因此适合于斜率均衡器的获取。剩下的一个可更好地利用前置头的获取步骤是帧同步。为了此目的，获取方法必须首先从数据辅助模式恢复到针对判决的模式，此后一个帧同步字将被识别。如图2所示，帧同步字 P正好是P的逐比特取反。只要被检测码字A更相似于 P而非P，则可认定为帧同步。这种判决过程非常简单，因为它可以以码字的速率进行，更重要的是 P和P的关系很简单。另外，由于 P和P之间具有最大的汉明距离，该检测方法对于给定码字长度也是最可靠的。
根据本发明的方法的主要优点是：
1.简单性：字同步以及定时、增益和均衡器的获取发生在一个步骤而不是多个步骤。帧同步如果在前置头中被提供的话，将以码字的速率发生并且非常简单。
2.快速：所有的获取步骤同时发生而不是顺序的。如果在前置头中提供可靠的帧同步的话，是可能具有非常短的同步字的。
3.牢固性：所有的获取步骤都是在数据辅助方式下执行的，因此对判决错误有免疫力。对于采纳的同步字长度，帧同步对判决错误具有最大容错性。提高容错能力的进一步的措施是简单的。
本发明也涉及了一种装置，更具体地是一种用于实现根据本发明的方法的数据接收器，包括提供1比特时钟和n比特时钟的压控振荡器、自动增益控制电路、比特检测器和调制解码器，其特征在于，一个用于在特定时期内把预定的一系列n比特字的前置头提供给比特检测器的输入端的前置头发生器、用于确定所述周期的装置、和一个用来控制压控振荡器和自动增益控制电路的自适应电路，该自适应电路至少接收一个错误信号作为输入信号。
优选地，用于确定所述周期的装置在所述周期后把一个激活信号加到帧同步检测器。
最后，本发明还涉及一个用于在硬盘上写数据的方法，其中N比特用户数据字数据被存储在硬盘的扇区中，且在每一个用户数据块前面都有一个固定格式的前置头，其特征在于，前置头包括了一系列预定的相同的n比特字，其中n是N的倍数、或N的一个整数分之一、或n＝N。
现在参照附图，以优选实施例描述根据本发明的数据接收机，其中：
图1显示了根据现有技术的快速获取的扇区格式；
图2显示了根据本发明的快速获取的扇区格式；
图3显示了用于实现根据本发明的方法的数据接收机的方框图；
图4显示了零-启动过程的示意图；以及
图5显示了根据本发明的增强的帧同步过程的汉明距离性质。
在图3的数据接收机中，在‘正常’运行期间当用户数据被接收时，从硬盘读入的或从任何传输信道接收的回放信号r，通过可变增益放大器1和斜率均衡器2而被提供给比特检测器3。比特判决值a串行地离开比特检测器，并被串并转换器4转换为9-比特字A。这些字A又通过调制译码器5被译码为用户数据字节B。
除了比特判决值a以外，比特检测器3也产生一个错误信号e，它与a一起提供给自适应和定时恢复电路7作为自适应和定时恢复的基础。在‘正常’的针对判决(DD)的模式下，信号e由组成比特检测器3的一个部分的限幅器(slicer)的输入与输出之间的差值确定。增益和斜率控制环经过自适应和定时恢复电路7，并分别经过可变增益放大器1和斜率均衡器2而闭合，同时定时恢复环经过压控振荡器6而闭合。该振荡器产生一个与比特检测器3同步的1比特时钟fb(名义上等于1/T)、以及一个与串并转换器4和调制解码器5同步的字节时钟fB(名义上等于1/(9T))。
所有控制环路正常工作的一个必要条件是比特错误必须很少。在获取方法开始时，这是无法保证的，因此检测器也具有数据辅助方式，在此方式下可‘强制’给出比特判决。被强制的比特p被用来作为比特检测器的输出(即a＝p)并且也被用作错误信号e的基础，该信号在DA模式下由接收的并作为限幅器的输入的前置头信号和信号p的差来决定。获取是在磁头正在读取前置头的第一部分时开始。下面的9T周期的比特模式...PPP...＝...p0p1p2...p8p0p1...由前置头发生器8生成，并且构成了强制比特序列p。如果p正确地对准输入的读信号，则所有的控制环将收敛并且经过一段时间后，检测器会安全地切换到针对判决(DD)的操作模式。
小的误对准将不会影响可靠的收敛，但如果误对准涉及前置头周期(即9T)中的一大部分，则控制环可能“挂断”或甚至误收敛。为避免这种异常，最好用一个零相位启动电路9来建立一个‘安全的’初始对准。对于一个典型的前置头P＝p0...p8＝++-+-+-的零相位启动过程在图4中被加以说明，如图4a所示。磁记录信道在本质上是进行微分(differentiate)的，即它基本上是对记录数据的转变进行响应。最大的转变(---++)在前置头字的边界处发生并产生一个大的正峰。其他转变都是相当小的且产生小得多的信号偏移。这种探索性的讨论解释了图4b中的回放信号的基本形状。
在零相位启动电路9中用两个峰检测器来检测回放信号的正峰V+和负峰V-，并设置一个为它们的中间值的检测门限Th。信号借助于在电路9中提供的限幅器而与门限Th进行比较。在图4c中所示的限幅器输出信号是二进制的且每9T秒有一个上升和下降转变。这些转变中的任一个都可在正确选择的固定的延时后被用来作为对压控振荡器6和前置头发生器8的启动信号ts。实际上，可以期望在零相位启动电路9前面放置一个预滤波器，或等价地，把它与均衡器的输出或一个内部均衡器信号相连，以用来压缩噪声。
考虑到磁头、媒介和集成电路参数等的多样性以及考虑到噪声，该技术允许约低于T或1.5T秒的初始误对准，这对于可靠的收敛已足够好了。通过比较，值得提及的是：在传统获取方法中使用的零相位启动电路通常要求产生T秒中的一部分的初始误对准。在这方面，方便的方法更能容忍各种不完备性和更适用于高数据率。
在零相位起始后，由前置头发生器产生的第一比特具有相对于码字边界的已规定的位置，并且这个先验知识允许串并转换器4以这样的方式被初始化，从而使得接续的输出A的边界和码字边界一致(即，A＝P)。这样，码字同步在零相位起始后立刻自动建立。
所有环路的可靠收敛基本上在相距零相位起始时刻的固定时期内出现，取决于采用的环路增益。在如由字节计数器10确定的这个时期的结尾，比特检测器3从数据辅助(DA)切换到针对判决(DD)，并且帧同步检测器11被启动。借助于信号Fs的调制译码器在检测到帧同步字 P时立刻启动。
磁记录系统的信道IC通常是对极性不敏感的，即它们能正常工作而不管在写放大器/写磁头/媒介/读磁头/读放大器链中可能的极化倒置。上述的获取方法没有这种性质，即如果读信号的极性相对于本地生成数据p的极性不正确，则它将失败。为了克服这个问题，回放信号的极性可在磁盘制造时根据图4的限幅器输出的占空比被检测。替换地，两种可能的极性都可被检验，且只有正确的极性将是能够正确地工作的。然后所检测到的极性倒置在比特检测器前可通过可编程倒置器而被校正。
如上所述的单个字帧同步技术将能够正确地工作，只要在整个前置头的针对判决部分中每个检测的码字的全部比特中的一半以上是正确的。对于码字长度N＝9，这意味着每个字至多可允许4个判决错误，这在大多数应用中多半是适当的。在具有小的N值的系统中(例如(1，7)类型的游程受限码的记录系统，其中N＝3)，容错能力比所希望的小。
为了提高对判决错误的容错能力，需要增加在帧同步字和检测的码字之间的汉明距离dH。这要求一个横跨多个码字的帧同步字。为说明起见，我们考虑长度为3N的帧同步字W＝ P PP。在每个字节间隔内，即每N个符号间隔内，这个字和3个检测码字(即3N个检测比特)的滑窗进行比较，如果(且仅仅如果)至少一半的检测比特和对应的W比特相一致，才声明帧同步。对于错误的对准，这个滑窗和同步字之间的汉明距离dH至少是2N，即是单个字过程的两倍，如图5简略所示。在每个同步字间隔内收集的增量信息只涉及到单个检测码字A与P(或等价地与 P)的比较。所以增强的帧同步过程的复杂性并不比单个字过程大得太多。
有可能以进一步增加W的长度为代价来使dH扩大到超过2N。例如，Barker序列W＝ P P PP P产生3N的汉明距离。在所有情况下，使W全部由P和 P组成仍是有可能和有吸引力的。
除了其他的问题(issue)外，获取方法的最佳化还包括仔细选择在前置头下面的字P。例如、这个字影响可供各种控制环使用的控制信息的总量、以及该方法对于零相位启动电路产生的误对准错误的容错性。
在以上的例子中，前置头的第一部分的周期等于码字长度N。也可能使这个周期等于N的倍数或N的整数分之一。当N比以上考虑的值N＝9小得多或大得多时，则这将是有吸引力的，并且它也允许达到附加的需要。例如，周期2N的前置头P PP PP P...P PP PP P可被用作为对极性不敏感的方法的基础。

Claims (13)

1.用于从传输信道获得数据的快速获取方法，包括以下步骤：定时获取；增益获取；借助于一个包括预定比特格式的前置头来进行字同步，该前置头后面有N-比特的用户数据字，其特征在于，定时获取、增益获取和字同步这些步骤通过利用一个包括一系列预定的相同的n-比特字的前置头而同时进行，其中n是一个N的倍数、或N的整数分之一、或N的整数分之一的倍数、或n＝N。
2.按照权利要求1的方法，其中获取也包括帧同步步骤，其特征在于，在前置头中，n-比特的系列后面至少跟随N比特的帧同步字。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，n＝N，以及具有一个N-比特帧同步字的帧同步，该同步字是对n比特字的逐比特取反。
4.按照权利要求1到3中任一项的方法，其中包括均衡器获取，其特征在于，前置头也被用于同时的均衡器获取。
5.按照权利要求1到4中任一项的方法，其特征在于，接收的前置头在起始时借助于零相位启动电路而和本地产生的相同的前置头对准，该零相位启动电路启动控制数据获取定时的振荡器。
6.用于在硬盘上写数据的方法，其中N比特用户数据字被存储在硬盘的扇区中，在每一个用户数据块前面都有一个固定格式的前置头，其特征在于，前置头包括了一系列预定的相同的n比特字，其中n是N的倍数、或N的一个整数分之一、或n＝N。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，在前置头中，一系列n-比特后面至少跟随一个N-比特的帧同步字。
8.使用权利要求1到7中任一项的方法的装置，包括用于提供1比特时钟和n-比特时钟的压控振荡器、自动增益控制电路、比特检测器和调制解码器，其特征在于，一个用于在特定时期内把预定的一系列n比特字的前置头提供给比特检测器的输入的前置头发生器，用于确定所述周期的装置、和一个用来控制压控振荡器和自动增益控制电路的自适应电路，该自适应电路至少接收一个错误信号作为输入信号。
9.按照权利要求8的装置，其特征在于，用于确定所述周期的装置在所述周期之后把一个激活信号加到帧同步检测器。
10.按照权利要求8或9的装置，其特征在于，帧同步检测器的输出信号被加到调制译码器，以便一旦帧同步起作用时立刻启动该电路。
11.按照权利要求8到10中任一项的装置，其特征在于一个均衡器电路，它被连接到自适应电路以用于接收控制信号。
12，按照权利要求1到4中任一项的装置，其特征在于一个零相位启动电路，用于在预定时刻使二进制输出信号出现转变，该电路的输出被加到压控振荡器。
13，按照权利要求8到10中任一项的装置，其特征在于，该装置被连接到硬盘以用于接收输入数据。
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