JP3646684B2 - Data recording / reproducing apparatus using partial response demodulation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気ディスクあるいは光ディスク装置等のデータ記録再生装置における信号処理方式に関わり、特にEEPRML(Extended EPRML)やEEEPRML(Extended EEPRML)信号処理方式などの高次パーシャルレスポンス方式の高能率復調手法に関わる。
【0002】
【従来の技術】
磁気ディスク装置ではパーシャルレスポンスクラス4(PR4)と最尤復号方式を組み合わせた(Partial Response Maximum Likelihood 以下PRMLと略す)が、高能率信号処理方式として実用化されている。高能率信号処理方式とは所望のデータ誤り率を低S/Nにて実現できる方式を意味する。最近、PRML方式よりさらに低いS/Nで、信号の再生が可能な信号処理方式として、EPR4(Extended PR4)と最尤復号方式を組み合わせたEPRML方式、さらにEEPR4(Extended EPR4)と最尤復号方式を組み合わせたEEPRML(Extended EPRML)方式などの高次パーシャルレスポンス方式が実用化されている。
【0003】
図1にPRML信号処理方式を用いた一般的な磁気ディスク装置の構成例を示す。元のデータはインタフェース回路8を介して、誤り訂正符号器7に供給され、誤り訂正に必要な冗長データが付加される。次に、データ変調器6によりPRML方式に必要な変調を行い、これを記録アンプ5を介して、磁気ヘッド4により磁気ディスク3に記録される。
【0004】
磁気ディスクから再生された信号は再生アンプ5を経て、データ復調器1によりPRML処理される。復調されたデータは誤り訂正復号器2により誤り訂正された後、インタフェース回路8を経て元のデータに変換される。このような記録再生処理によって低S/N信号の再生を行っている。このデータ変復調器1、6の動作および構成を磁気記録再生系とパーシャルレスポンス方式との関連を示す図2を用いて詳述する。
【0005】
まず記録側の処理を述べる。誤り訂正符号器7からのデータは遅延素子とモジュロ2(Mod.2)からなるプリコーダ9を経由し、記録アンプ5経て媒体上に記録される。このプリコーダ9は復調時に生じるデータの誤り伝播を防ぐ処置を行うためのものである。
【0006】
つぎに、再生側の処理について述べる。記録媒体上の磁化は再生磁気ヘッドにより微分特性を有する波形として再生される。PR4はこの微分特性を(1−D)なる差分系とみなす。ここでDは1ビットの遅延演算子を意味する。再生波形は等化器10に供給され、波形の応答が(1+D)となるように等化される。結果として、等化器の出力における総合伝達特性は(1−D2)になる。この後、最尤復号器11にてデータの識別を行う。
【0007】
図3に、ステップ波形を磁気記録した場合の再生孤立波形(ステップ応答を以下孤立波形と略す)のレスポンスを示す。孤立波形を図3(a)に示すように2タイムスロットに拡大した波形とみなすのが、PR4である。この波形は(1+D)なる特性を持つ。(b)のように3タイムスロットに拡大した波形とみなすのがEPR4である。この波形は(1+D)2なる特性を持つ。さらに(c)のように4タイムスロットに拡大した波形とみなすのがEEPR4である。この波形は(1+D)3なる特性を持つ。
【0008】
以下に、EEPR4方式を例にとり、高次パーシャルレスポンス方式を概説する。
【0009】
EEPR4の総合伝達特性は孤立波形の伝達特性と磁気記録系の伝達特性の積として、(1−D)(1+D)3となる。これにより決まるEEPR4方式のインパルスレスポンスを図4に示す。図4(a)から分かるように、EEPR4の孤立波形はビット周期ごとに、1,3,3,1の振幅特性を持つ。したがって、孤立パルスの応答は、図4(b)に示すように、上下反転した孤立波形を1ビット周期ずらして重畳することで得られる。すなわち、孤立パルスの応答は1,2,0,−2,−1となる。EEPR4に最尤復号器を組み合わせたEEPRMLのトレリス線図を図5に示す。
【0010】
周知のようにEEPRML方式の動作は、トレリス線図で説明される。図中、akは時刻kにおけるEEPRMLへの入力信号を表わす。ここで12は状態を示し、13は状態推移を示す。ラベル(ak/yk)の上段と下段はそれぞれ入力信号値と出力信号値を示している。各信号処理方式の状態は過去の入力信号系列により決まる。EEPRMLでは、現時刻の再生信号レベルは過去の4タイムスロットにわたる信号の影響を受ける。時刻kにおける状態をSkとすれば、Sk=((ak−4,ak−3,ak−2,ak−1)|ak(1,0))と与えられ、状態数は16になる。時刻k−1において複数の状態から発した状態推移が時刻kのある特定の状態に集まる。
【0011】
これらの状態推移に対し、各ラベルの下段に示されている出力信号と入力信号の差の2乗値をブランチメトリックと呼ぶ。また各状態に対する現時刻までのブランチメトリックの累積値をパスメトリックと呼ぶ。時刻kのある特定の状態に集まる状態推移の内、時刻k−1までのパスメトリックと各状態推移に対応するブランチメトリックの和が最も小さい値となる状態推移だけを最尤条件(もっとも確からしい)を満たす状態推移(パス)として選択する。この過程は以下に述べるようなステップに分けられる。
【0012】
すなわち、パスメトリックとブランチメトリックを加算(Add)する。次に、これらの加算値を状態毎に比較(Compare)し、最小値となる状態推移を選択(Select)する。これらの一連の動作をACSと略す。最尤復号は、このACS動作を各時刻、各状態毎に繰り返し、最終的にトレリス線図上でパスが一つに収束した時点で、データを確定させる方法であり、周知の技術である。
【0013】
EEPRMLの性能は最小自由距離(Dfree)で決まる。ここでDfreeとは図5に示すトレリス線図上のある特定のノードから他の特定のノードに至る各種組み合わせの中でパスメトリックの差が最小のものである。EEPRMLのDfreeは6であることが知られている。さらに、Dfreeに続く信号間距離は8、10となる。EEPRMLのこれらの信号間距離は、最尤復号器に入力されるデータパターンで決まる。特に、信号間距離はパターン中の0から1あるいは1から0へ変化する連続回数で規定される。後述するように、例えばパターン中の反転位置をpで表わすと、pppと3回連続する反転位置を持つ2種のパターンが1ビットずれた状態にある場合にこれらのパターン間の距離がDfreeを与える。
【0014】
これらのEPRML方式やEEPRML方式の性能をさらに向上するために、Maximum Transition Run Code(MTRコードと略記する)が最近提案された。たとえば、"Maximum Transition Run Codes for Data Storage Systems", IEEE Transactions on Magnetics, vol.32, No.5, September, 1996, pp3992-3994が公知例として知られている。
【0015】
上記MTRコードはパターンの反転が3回以上発生することを制限する機能を持つ。このMTRコードを使用すると、EEPRMLの信号間距離10以上のもののみに限定できる。したがって、等価的に信号のS/Nを向上できる。しかしながら、MTRコードではコードレートが4/5等になり、この値は通常使用されている16/17GCR(Group Coded Recording)や8/9GCRに比較して低い。このためコードレート損失が大きく、トータルのコーディングゲインは必ずしも満足行くものでない。具体的には、信号間距離が6から10に改善されることで生じるゲインは約2.2dBである。
【0016】
一方、コードレート損失は、磁気ディスクの記録密度にもよるが、例えば規格化線密度(再生波形の半値幅を記録パルスの幅で規格化したもの)=3のところで、約1dB以上になり、トータルのコーディングゲインはせいぜい1dB程度である。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高次のパーシャルレスポンス方式とりわけEEPRML方式やEEEPRML方式の信号間距離を使用するコードにかかわらず拡張する一般的手法を提供することである。すなわち、磁気ディスク装置用PRML信号処理で使用されている16/17GCRや8/9GCRをそのまま適用できるようにすることで、コードレート損失を新たに生じることなく、信号間距離を等価的に拡大する手法を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高次のパーシャルレスポンス方式とりわけEEPRML方式やEEEPRML方式において孤立パルス波形の応答を本来のEEPRMLやEEEPRMLの応答から変化させることで、信号間距離を拡大させる。高次のパーシャルレスポンス方式では孤立パルスの応答は奇対称波形に選ばれている。例えば、EEPRML方式では、前述したように、孤立パルス波形の応答は1,2,0,−2,−1となる。
【0019】
本発明では、このような高次のパーシャルレスポンス方式の孤立パルス波形の応答が有する奇対称性を緩和することで、まず第1に信号間距離を拡大する。この信号間距離は信号識別時のSN比を決める。この距離が大きいほど等価的に信号の振幅が大きくなることを意味する。第2に雑音電力を低減する。パーシャルレスポンスの雑音は複数の時刻にわたって互いに相関を有する。最尤復号器の性能は、この雑音の相関の影響により劣化する。したがって、雑音の相関を抑圧することで実質的に雑音を低減することができる。すなわち、高次パーシャルレスポンス信号のS/Nは次式で規定される。
【0020】
S/N=信号間距離/(雑音電力・雑音相関係数) (数1)
EEPRML方式を例にとり、本発明を具体的に説明する。符号は{1,0}の2進数である。いま、符号誤りの大きさを定義するために、1が0に誤った場合には1、逆に0が1に誤った場合には−1、誤りが発生しなかった場合には0なる値を対応させる。この定義に従ったEEPRML方式の誤りパターンを分類したものを下記に示す。
(A)信号間距離=6の場合
(1,−1,1)
(B)信号間距離=8
1) (1,−1,1,0,0,1,−1,1)
2) (1,−1,1,−1,1)
(C)信号間距離=10
(0,1,0)etc.
(A)の実際の符号誤りパターンは(a,b,1,0,1,c,d)が(a,b,−,1,−,c,d)に誤るかまたはその逆の場合である。
【0021】
(B)1)の実際の符号誤りパターンは(1,0,1,a,b,0,1)が(0,1,0,a,b,0,1,0)に誤るかまたはその逆の場合である。
【0022】
(B)2)の実際の符号誤りパターンは(1,0,1,0,1,0,1)が(0,1,0,1,0,1)に誤るかまたはその逆の場合である。ここでa,b,etcは任意である。
【0023】
(C)は1ビットの孤立パルス誤りである。(A)と(B)に共通するパターンは前述したように、信号の反転が少なくとも3回以上連続する。
【0024】
したがってデータパターンではab1010cdかまたはab0101cdおよびこれらが連続する場合である。図6は信号間距離=6の誤りをトレリス線図上に示したものである。図6中に示す2種のデータ系αおよびβはそれぞれ010abcde、101abcdeなる値を持ち、最初の3ビットのみが異なる。これに対応する波形を図7に示す。この図から分かるように、この2種のパターンの信号間距離は6である。図8に同様に上記(B)1)に対応する波形を示す。
【0025】
さて、EEPRMLは伝達特性(1−D)(1+D)3を有し、これにより図4(b)に示したように、インパルスレスポンスは1,2,0,−2,−1に決まる。従って、1ビット誤りが生じた場合には、誤ったパターンと本来の誤りが無いパターンとの信号間距離はこのインパルスレスポンスの各値の2乗和である10となる。この信号間距離はインパルスの持つ信号のエネルギそのものである。しかるに、図7、図8に示すような信号間距離=6あるいは信号間距離=8のパターンが存在する理由は、これらのパターンの組み合わせは、本来のインパルスの持つ信号エネルギを相殺することにある。換言すれば、EEPRML方式は誤り伝播が発生しやすいパターンを有する。
【0026】
図9に示す例を用いて、このような信号間距離を減少させる原因をさらに考察する。この図は、図7に示したEEPRMLにおける信号間距離6となるパターンを示したものである。このパターンでは、信号反転がP1,P2,P3と3回連続する。従って、図9(a)に示すように、レスポンス1,3,3,1を有する孤立波形が正負正と交互に繰り返す。
【0027】
この結果、1,2,1,1,2,1なるレスポンスが得られ、この信号のエネルギは各値の2乗和(1)2+(2)2+(1)2+(1)2+(2)2+(1)2=12となる。一方各孤立波形単体の信号エネルギは(1)2+(3)2+(3)2+(1)2=20となる。これ故、信号反転がP1,P2,P3と3回連続するパターンでは孤立波形3個の合計60の信号エネルギが12に縮退している。
【0028】
たとえば、図9(b)に示すように、孤立波形のレスポンスのうち、右端の1の振幅を持つレスポンスを除去すると信号間距離は15まで向上する。これの意味するところは、EEPRMLの孤立波形のレスポンス1,3,3,1が複数のビットに広がり過ぎているため、前述した(A)(B)に示す特別なパターンで、本来の信号の有するエネルギが相殺されることである。これが、本質的に信号間距離を低減させ、この結果誤り伝播を引き起こすことになる。
【0029】
この考察により、信号間距離を拡大するための根本的な指針は、孤立波形のエネルギ(電力)を損失することなく、エネルギを集中する方策をたてることである。一般的に、信号のエネルギを集中する手段は、図10に示すように、孤立波形を全域通過フィルタ14に通し、最小位相推移条件を満たせばよいことが通信理論により明らかにされている。
【0030】
ここで最小位相推移条件とは、有理関数で与えられる信号の伝達関数の零点と極が同一単位円周内に存在することである。この条件を満たすように位相フィルタを設定することにより、信号のエネルギが保存されたまま、インパルスレスポンスの前半部分に信号エネルギを集中できる。磁気記録では、孤立波形はローレンツ波形で近似できることがよく知られている。これをL(t)で与えると、以下の式で示される。
【0031】
L(t)=1.0/(1+(2t/TW)2) (数2)
TWは半値幅を与える。
【0032】
この式2から明らかなように、L(t)は左右対称の波形である。ここで半値幅と記録するパルスの時間幅Tとの比(TW/T)を規格化線密度と定義する。TW/Tの値が大きいほど、高密度記録された波形になる。通常磁気記録では、規格化線密度が2.5前後のものが使用されている。規格化線密度2.5と3.0を有するローレンツ波形を最小位相推移フィルタに通して得られた波形をLmin(t)とする。
【0033】
図11にLmin(t)を示す。図11から明らかなように波形は左右非対称であり、エネルギが孤立波形のレスポンスの前半に集中していることが分かる。しかしながら、非対称形から信号弁別に必要なクロック信号(タイミング信号)を抽出するのは一般に非常に困難である。この理由の一つは、位相歪みによりパターン依存のあるジッタ(時間ゆらぎ)が増加するためである。他の理由として、信号振幅が多値となるため、クロック信号(タイミング信号)抽出回路が複雑になり、この実現が困難になるからである。
【0034】
したがって、本発明では、この矛盾する条件を解消するために、高次パーシャルレスポンスの多項式PR(D)を次式のように因数分解し
PR(D)=(1−D2)(c0+c1D+・・・+cnDn) (数3)
右辺の前項の状態でタイミング抽出を行い、この後右辺の後項で与えられる非対称レスポンスを離散時間フィルタで与えることにより、上記非対称性を波形に与える。この際に式1で与えるS/Nが最大となる非対称係数c0,c1,・・・,cnを選択する。
【0035】
つぎに、実際の非対称係数を求める手法を述べる。まず16状態のEEPRMLの場合には、上記係数は(c0=1,c1=2,c2=1)で与えられる。すなわちc1を中心にc0とc2の値が対称係数となっている。これに対し、非対称係数を求めるには、まず(数3)右辺の後項をc0=1のモニック多項式にし、c1とc2を実数の2変数関数とみなし、数1の評価基準にしたがって最適係数を求める。この後、この実数に最も近い整数係数を求める。
【0036】
数1に示した信号間距離、雑音電力・雑音相関係数等の求め方は、文献“Maximum Likelihood Sequence Estimation of Digital Sequences in the Presence of Intersymbol Interference”,IEEE Transactions on information Theory, vol.IT-18, No.3, May, 1972, pp363-378に詳細に記載されているため、省略する。表1に16状態のパーシャルレスポンスの代表的特性を示す。
【0037】
【表1】
表中に示す孤立パルスの距離は孤立パルスの有する電力そのものである。最小距離は与えられた係数を持つパーシャルレスポンス信号のトレリスダイアグラム上の距離の内、最小になるものである。したがって、最小距離/孤立パルスの距離はこれを与えるパーシャルレスポンスのエネルギの利用効率を与える指標となる。本発明による係数を有するパーシャルレスポン方式はいずれも通常のEEPRMLのものよりこの点で優る。結果として、対称係数を有するEEPRMLに対し、S/Nを効果的に改善できていることが分かる。表2に32状態のパーシャルレスポンスの代表的特性を示す。
【0038】
【表2】
この場合にも、同様に特性の改善が顕著である。なお、表1および表2の特性は規格化線密度が2.5の場合に相当する。本発明は、さらに、SN比の改善だけでなく、符号誤りの長さも従来のEEPRMLやEEEPRML方式の持つ長く連続する誤りから1ビットかあるいは3ビット長さの誤りが主体のものに改善できる。したがって、本発明は、少なくとも1ビットおよび3ビット連続誤りに対して符号誤り訂正能力を有する誤り訂正符号と組み合わせることで効率的な誤り訂正が可能になるという特長も有する。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明にしたがった実際の回路構成例を図12に示す。まず、磁気ヘッド出力はプリアンプを経て、AGC(自動利得制御回路)とLPF(低域通過フィルタ)15に供給される。AGCにて、信号振幅が一定値になるように制御された後、LPFにより所望周波数帯域以外の雑音成分が除去される。このLPF出力信号はADC16により離散量子化され、等化器10に入力される。等化器10では前述したように磁気ヘッドからの再生信号を、(1−D2)なるパーシャルレスポンス特性となるように等化する。
【0040】
この等化器の出力からADC16を動作させるために必要なクロック信号をPLL回路20により生成する。同時に、AGC15の制御信号もAGC制御回路21から得る。つぎに、等化器出力を離散フィルタ18に加え、その出力に(1−D2)(c0+c1D+・・・+cnDn)なる応答特性を持つ波形を得て、これを最尤復号器19に加え、データ識別を行う。この識別データを16/17変換もしくは8/9ENDECにより復調し、その出力に元のユーザデータを得る。なお、等化器出力をPR4の最尤復号器23に供給することにより、通常のPRML復調データが得られる。つぎに、離散フィルタの構成を示す。
【0041】
図13は(c0=3、c1=2、c2=1)なる係数を持つ離散フィルタの構成例である。等化器10の出力を離散フィルタの入力端30に加える。この信号を3倍の係数乗算器31を通した出力、遅延回路33により1ビット遅延した信号を2倍の係数乗算器32に通した出力、2ビット遅延回路を通した出力を加算器34により加算することで所望のフィルタ特性を出力端35に得る。他の係数に関しても同様に構成できることは明らかである。
【0042】
つぎに、本発明によるトレリスダイアグラムの構成法を示す。最尤復号器への入力ビットの値akと各状態Skおよび出力ykは次式の関係がある。
【0043】
Sk=ak−5,ak−4,ak−3,ak−2,ak−1
yk=c0ak+c1ak−1+(c2−c0)ak−2+(c3−c1)ak−3−c2ak−4−c3ak−5 (数4)
最尤復号器c3=0の場合には16状態、c3の値が非零の場合には、32状態を有する。(c0=3、c1=2、c2=1)なる値を持つ16状態最尤復号器のトレリス線図の構成例を図14に示す。ここでこのような係数を有するパーシャルレスポンスをMEEPRMLと呼称する。図14の16状態最尤復号器の一実施形態を図15に示す。本処理回路は、ブランチメトリック生成部40、ACS回路41、パスメモリ42から構成されており、図14に示したMEEPRMLトレリス線図に基づき回路が構成されている。ブランチメトリック生成部40は、MEEPRMLトレリス線図の各状態から発生する状態遷移のブランチメトリックを与えるものである。
【0044】
ACS41は、16状態のパスメトリックとブランチメトリック値との加算、比較、選択を行い、もっとも確からしいパスに対するパスメトリック値を生成する。パスメモリ42は、各状態の比較結果をもとに、復号データの生成を行う。なおパスメトリックの初期化を初期設定回路43により、本回路起動時に行なう。
【0045】
次に、本発明のデータ復調回路を用いた磁気記録再生装置の一実施例を図16に示す。パソコン等の外部装置は、磁気記録再生装置内のコントローラ102を介して、データの授受が行われる。まず、外部装置からのデータを記録する場合について説明する。コントローラ102は、データの記録命令を受けるとサーボ制御回路103に対し、記録すべき位置(トラック)に記録再生ヘッド106を移動する命令を発行する。記録再生ヘッドの移動が完了後、記録データは、記録データ処理回路104、R/Wアンプ5、記録再生ヘッド4を介して記録媒体3に記録される。
【0046】
記録データ処理回路104は、エンコーダ23、シンセサイザ112、プリコーダ9、記録補正回路114で構成され、エンコーダ23は、記録データをコーディング規則に従ったコーディング処理、例えば、8/9GCR(0,4/4)コード変換を行う。エンコードされたデータ列は、シンセサイザ112の記録ビット周期にしたがって送り出される。プリコード9は、データ列に一定の拘束条件を与えるため、再度コード変換される。記録補正回路114は、磁気記録固有の記録処理の非線形性を除去するものである。以上の動作により記録処理が行われる。
【0047】
次に、データの再生動作について説明する。コントローラ102は、データ再生命令を受けると、サーボ制御回路103に対し、記録再生ヘッド4を該当するデータが記録された位置(トラック)へ移動する命令を発行する。記録再生ヘッドの移動が完了後、記録媒体3に記録された信号は、記録再生ヘッド4、R/Wアンプ5を介して、データ復調回路1に入力される。
【0048】
データ復調回路1で復調された復調データは、コントローラ102に出力され、復調データの正当性を確認したのち外部装置にデータを転送する。データ復調回路1は、ヘッド再生波形の振幅を一定にするAGC回路15、信号帯域外の雑音を除去する帯域除去フィルタ(LPF)15、再生信号をサンプリングするADC16、再生波形の符号間干渉を除去する等化器10、ADC16のサンプリングタイミングを決定するPLL20、本発明の主眼となるデータ復調回路1、復調データのデコード処理(8/9GCRデコーダ)を行うデコーダ23から構成される。
【0049】
マイコン101は、コントローラ102、データ復調回路1などの装置全体の処理をソフトウェアで行うものである。ここでは、マイコン101は、コード違反検出回路128の検出結果の検知、PRML処理回路23とMEEPRML処理回路19を切り替えるマルチプレクサ129に情報を与えるレジスタ130の設定などの処理を行う。さらに、PRML処理回路の代わりに、表1に示す係数を有する他のMEEPRML処理回路を用いて、記録密度に応じてこれらを適応的に切り替える構成にすることも可能である。
【0050】
さらに、前述したように本発明では最尤復号器の出力データ中に生じる誤りの長さが1ビットあるいは3ビットが支配的になるため、これに適する誤り訂正を行なった後、デコーダ23にて8/9GCR等のデコード処理を行なう方が、符号誤りの拡大を防止する点で望ましい。このために、本発明によるLSIを構成する際に、LSI出力端子にデコード前の最尤復号器の出力を直接出すことを可能にする配線を行なうことも有効である。
【0051】
【発明の効果】
本発明は、磁気記録装置の再生孤立磁化反転波形を非対称波形に変更することで、EEPRMLやEEEPRML等で問題になっていたある特定パターンにおいて発生する誤り伝播を抑圧する。MEEPRML方式はEEPRML方式に比較して、磁気記録装置の再生孤立磁化反転の半値幅と記録信号の半値幅の比が装置の実用範囲である2.5程度の場合には、約1.5dB以上のS/Nの改善が見込まれる。
【0052】
本発明は、さらに、SN比の改善だけでなく、符号誤りの長さも従来のEEPRMLやEEEPRML方式の持つ長く連続する誤りから単一ビットかあるいは3ビット長さの誤りが主体のものに改善できる。
【0053】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のデータ復調回路の一実施例を示した構成図である。
【図2】 PRML復調と磁気記録再生系の関連を示す図である。
【図3】各種パーシャルレスポンスの孤立波形応答を示す図である。
【図4】 EEPR4の孤立波形および孤立パルス応答を示す図である。
【図5】 EEPRMLのトレリス線図を示す図である。
【図6】 EEPRMLの信号間距離6を与えるパターンをトレリス線図上に示した図である。
【図7】 EEPRMLの信号間距離6を与える波形の例を示す図である。
【図8】 EEPRMLの信号間距離8を与える波形の例を示す図である。
【図9】 EEPRMLの信号間距離が6に縮退する原因を示す図である。
【図10】パーシャルレスポンスの孤立波形応答のエネルギを集中させる基本原理を示す図である。
【図11】最小位相推移波形の例を示す図である。
【図12】本発明を実施する回路構成の一実施例を示す図である。
【図13】本発明の離散フィルタ回路構成の一実施例を示す図である。
【図14】本発明の係数を持つトレリス線図の例を示す図である。
【図15】本発明による16状態最尤復号器の一実施形態を示す図である。
【図16】本発明を用いた磁気ディスク装置のデータ復調方法を示す図である。
【符号の説明】
1:データ復調器、2:誤り訂正符号復号器、5:記録再生アンプ、6:データ変調器、7:誤り訂正符号器、9:プリコーダ、10:等化器、11:最尤復号器、12:パスメトリック、13:ブランチメトリック演算器、14:全域通過フィルタ、15:AGC,16:ADC、18:離散フィルタ、19:高次パーシャルレスポンス最尤復号器、20:PLL、23:16/17ENDEC、31:3乗算器、32:2倍乗算器、33:遅延回路、34:加算器、40:ブランチメトリック生成回路、41:ACS回路、42:パスメモリ、101:マイコン、102:コントローラ、103:サーボ制御回路、129:マルチプレクサ、130:レジスタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a signal processing method in a data recording / reproducing apparatus such as a magnetic disk or an optical disk device, and more particularly to a high-efficiency demodulation method of a high-order partial response method such as an EEPRML (Extended EPRML) or an EEEPRML (Extended EEPRML) signal processing method. .
[0002]
[Prior art]
In a magnetic disk device, a partial response class 4 (PR4) and a maximum likelihood decoding method (Partial Response Maximum Likelihood, hereinafter abbreviated as PRML) have been put into practical use as a high-efficiency signal processing method. The high-efficiency signal processing system means a system that can realize a desired data error rate with low S / N. Recently, as a signal processing method capable of reproducing a signal with an S / N lower than that of the PRML method, an EPRML method combining an EPR4 (Extended PR4) and a maximum likelihood decoding method, an EEPR4 (Extended EPR4) and a maximum likelihood decoding method. Higher order partial response methods such as an EEPRML (Extended EPRML) method combining the above are put into practical use.
[0003]
FIG. 1 shows a configuration example of a general magnetic disk device using the PRML signal processing method. The original data is supplied to the
[0004]
A signal reproduced from the magnetic disk is subjected to PRML processing by a
[0005]
First, the processing on the recording side will be described. Data from the
[0006]
Next, processing on the reproduction side will be described. Magnetization on the recording medium is reproduced as a waveform having differential characteristics by a reproducing magnetic head. PR4 regards this differential characteristic as a difference system of (1-D). Here, D means a 1-bit delay operator. The reproduced waveform is supplied to the
[0007]
FIG. 3 shows a response of a reproduction isolated waveform (step response is hereinafter abbreviated as an isolated waveform) when a step waveform is magnetically recorded. PR4 regards an isolated waveform as a waveform expanded to two time slots as shown in FIG. This waveform has a characteristic of (1 + D). EPR4 is regarded as a waveform expanded to 3 time slots as shown in (b). This waveform is (1 + D)2It has the characteristic that Further, EEPR4 is regarded as a waveform expanded to 4 time slots as shown in (c). This waveform is (1 + D)3It has the characteristic that
[0008]
Hereinafter, taking the EEPR4 method as an example, a high-order partial response method will be outlined.
[0009]
The total transfer characteristic of the
[0010]
As is well known, the operation of the EEPRML system is explained by a trellis diagram. In the figure, akRepresents the input signal to EEPRML at time k. Here, 12 indicates a state, and 13 indicates a state transition. Label (ak/ YkThe upper and lower tiers indicate the input signal value and the output signal value, respectively. The state of each signal processing method is determined by past input signal sequences. In EEPRML, the playback signal level at the current time is affected by the signal over the past four time slots. The state at time k is SkSk= ((Ak-4, Ak-3, Ak-2, Ak-1) | Ak (1,0)) And the number of states is 16. State transitions originating from a plurality of states at time k-1 are collected in a specific state at time k.
[0011]
For these state transitions, the square value of the difference between the output signal and the input signal shown at the bottom of each label is called a branch metric. In addition, the cumulative value of branch metrics up to the current time for each state is called a path metric. Of the state transitions gathered in a specific state at time k, only the state transitions with the smallest sum of the path metric up to time k-1 and the branch metric corresponding to each state transition are the maximum likelihood conditions (most likely ) Is selected as a state transition (path) that satisfies This process is divided into the following steps.
[0012]
That is, the path metric and the branch metric are added (Add). Next, these added values are compared for each state (Compare), and the state transition that is the minimum value is selected (Select). A series of these operations is abbreviated as ACS. Maximum likelihood decoding is a well-known technique in which the ACS operation is repeated for each time and for each state, and data is finally determined when one path converges on the trellis diagram.
[0013]
The performance of EEPRML is determined by the minimum free distance (Dfree). Here, Dfree is the one having the smallest path metric difference among various combinations from a specific node to another specific node on the trellis diagram shown in FIG. It is known that Dfree of EEPROM is 6. Furthermore, the distance between signals following Dfree is 8 and 10. The distance between these signals of EEPRML is determined by the data pattern input to the maximum likelihood decoder. In particular, the signal-to-signal distance is defined by the number of continuous changes from 0 to 1 or 1 to 0 in the pattern. As will be described later, for example, when the inversion position in the pattern is represented by p, the distance between these patterns becomes Dfree when two types of patterns having inversion positions continuous with ppp are shifted by 1 bit. give.
[0014]
In order to further improve the performance of these EPRML systems and EEPRML systems, a Maximum Transition Run Code (abbreviated as MTR code) has recently been proposed. For example, “Maximum Transition Run Codes for Data Storage Systems”, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, No. 5, September, 1996, pp3992-3994 is known as a known example.
[0015]
The MTR code has a function of restricting occurrence of pattern inversion three or more times. When this MTR code is used, it can be limited to only those having an EEPROM distance of 10 or more. Therefore, the signal S / N can be improved equivalently. However, the MTR code has a code rate of 4/5 or the like, and this value is lower than that of 16/17 GCR (Group Coded Recording) or 8/9 GCR which are normally used. For this reason, the code rate loss is large, and the total coding gain is not always satisfactory. Specifically, the gain generated when the inter-signal distance is improved from 6 to 10 is about 2.2 dB.
[0016]
On the other hand, although the code rate loss depends on the recording density of the magnetic disk, for example, when the normalized linear density (the half width of the reproduction waveform is normalized by the width of the recording pulse) = 3, it becomes about 1 dB or more. The total coding gain is at most about 1 dB.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a general technique for extending regardless of a code using the inter-signal distance of a higher-order partial response system, particularly an EEPRML system or an EEEPRML system. In other words, the 16/17 GCR and 8/9 GCR used in the PRML signal processing for the magnetic disk device can be applied as they are, and the inter-signal distance is equivalently expanded without causing a new code rate loss. It is to provide a method.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention expands the inter-signal distance by changing the response of the isolated pulse waveform from the original EEPRML or EEEPRML response in the higher-order partial response method, particularly the EEPRML method or the EEEPRML method. In the higher-order partial response method, the response of the isolated pulse is selected to be an odd symmetrical waveform. For example, in the EEPRML system, as described above, the response of the isolated pulse waveform is 1, 2, 0, -2, -1.
[0019]
In the present invention, first, the inter-signal distance is expanded by relaxing the odd symmetry of the response of such a high-order partial response type isolated pulse waveform. This inter-signal distance determines the S / N ratio at the time of signal identification. It means that the larger the distance, the larger the signal amplitude equivalently. Second, noise power is reduced. Partial response noise is correlated with each other over a plurality of times. The performance of the maximum likelihood decoder is degraded by the influence of this noise correlation. Therefore, the noise can be substantially reduced by suppressing the correlation of the noise. That is, the S / N of the high-order partial response signal is defined by the following equation.
[0020]
S / N = signal distance / (noise power / noise correlation coefficient) (Equation 1)
The present invention will be specifically described by taking the EEPRML method as an example. The sign is a binary number of {1, 0}. Now, in order to define the magnitude of the code error, a value of 1 when 1 is erroneously set to 0, -1 when 0 is erroneously corrected to 1, and 0 when no error occurs. To correspond. The following is a classification of error patterns of the EEPRML method according to this definition.
(A) Distance between signals = 6
(1, -1,1)
(B) Distance between signals = 8
1) (1, -1,1,0,0,1, -1,1)
2) (1, -1,1, -1,1)
(C) Distance between signals = 10
(0,1,0) etc.
The actual code error pattern of (A) is when (a, b, 1, 0, 1, c, d) is mistaken for (a, b,-, 1,-, c, d) or vice versa. is there.
[0021]
(B) The actual code error pattern of 1) is (1,0, 1, a, b, 0, 1) or (0, 1, 0, a, b, 0, 1, 0) or The reverse case.
[0022]
(B) The actual code error pattern of 2) is when (1, 0, 1, 0, 1, 0, 1) is mistaken for (0, 1, 0, 1, 0, 1) or vice versa. is there. Here, a, b, etc. are arbitrary.
[0023]
(C) is a 1-bit isolated pulse error. As described above, in the pattern common to (A) and (B), the inversion of the signal continues at least three times or more.
[0024]
Therefore, in the data pattern, ab1010cd or ab0101cd and these are continuous. FIG. 6 shows an error of the inter-signal distance = 6 on the trellis diagram. The two types of data systems α and β shown in FIG. 6 have values of 010abcde and 101abcde, respectively, and only the first three bits are different. The corresponding waveform is shown in FIG. As can be seen from this figure, the distance between the signals of these two patterns is 6. Similarly, FIG. 8 shows a waveform corresponding to (B) 1).
[0025]
Now, EEPRML has transfer characteristics (1-D) (1 + D)3Thus, as shown in FIG. 4B, the impulse response is determined as 1, 2, 0, -2, -1. Therefore, when a 1-bit error occurs, the signal-to-signal distance between the erroneous pattern and the pattern without the original error is 10, which is the sum of squares of each value of this impulse response. This inter-signal distance is the signal energy itself of the impulse. However, the reason why there is a pattern of inter-signal distance = 6 or inter-signal distance = 8 as shown in FIGS. 7 and 8 is that the combination of these patterns cancels the signal energy of the original impulse. . In other words, the EEPRML system has a pattern in which error propagation is likely to occur.
[0026]
Using the example shown in FIG. 9, the cause for reducing the inter-signal distance will be further considered. This figure shows a pattern having a
[0027]
As a result, a response of 1, 2, 1, 1, 2, 1 is obtained, and the energy of this signal is the sum of squares of each value (1).2+ (2)2+ (1)2+ (1)2+ (2)2+ (1)2= 12. On the other hand, the signal energy of each isolated waveform is (1)2+ (3)2+ (3)2+ (1)2= 20. Therefore, in a pattern in which signal inversion is continued three times with P1, P2, and P3, a total of 60 signal energies of three isolated waveforms are degenerated to 12.
[0028]
For example, as shown in FIG. 9B, the distance between signals is improved to 15 by removing the response having the amplitude of 1 at the right end from the response of the isolated waveform. This means that since the EEPRML isolated
[0029]
Based on this consideration, the fundamental guideline for increasing the distance between signals is to devise a method of concentrating energy without losing the energy (power) of the isolated waveform. In general, as shown in FIG. 10, it is clarified by the communication theory that the means for concentrating the energy of the signal should pass the isolated waveform through the all-pass filter 14 and satisfy the minimum phase transition condition.
[0030]
Here, the minimum phase transition condition is that a zero and a pole of a transfer function of a signal given by a rational function exist within the same unit circumference. By setting the phase filter to satisfy this condition, the signal energy can be concentrated on the first half of the impulse response while the signal energy is preserved. In magnetic recording, it is well known that an isolated waveform can be approximated by a Lorentz waveform. When this is given by L (t), it is expressed by the following equation.
[0031]
L (t) = 1.0 / (1+ (2t / TW)2(Equation 2)
TW gives the half width.
[0032]
As apparent from
[0033]
FIG. 11 shows Lmin (t). As is apparent from FIG. 11, the waveform is asymmetrical, and it can be seen that the energy is concentrated in the first half of the response of the isolated waveform. However, it is generally very difficult to extract a clock signal (timing signal) necessary for signal discrimination from an asymmetric shape. One reason for this is that pattern-dependent jitter (time fluctuation) increases due to phase distortion. Another reason is that since the signal amplitude becomes multi-valued, the clock signal (timing signal) extraction circuit becomes complicated, and this realization becomes difficult.
[0034]
Therefore, in the present invention, in order to eliminate this contradictory condition, the higher order partial response polynomial PR (D) is factorized as follows:
PR (D) = (1-D2) (C0+ C1D + ... + cnDn(Equation 3)
Timing extraction is performed in the state of the previous term on the right side, and thereafter, the asymmetric response given in the latter term on the right side is given by a discrete time filter to give the above asymmetry to the waveform. At this time, the asymmetry coefficient c that maximizes the S / N given by
[0035]
Next, a method for obtaining an actual asymmetric coefficient will be described. First, in the case of 16-state EEPRML, the coefficient is (c0= 1, c1= 2, c2= 1). C1C0And c2The value of is the symmetry coefficient. On the other hand, in order to obtain the asymmetry coefficient, first, the latter term on the right side of (Expression 3)0= 1 monic polynomial, c1And c2Is regarded as a real two-variable function, and an optimum coefficient is obtained according to the evaluation criterion of
[0036]
The method of obtaining the inter-signal distance, noise power, noise correlation coefficient, etc. shown in
[0037]
[Table 1]
The distance of the isolated pulse shown in the table is the power itself of the isolated pulse. The minimum distance is the smallest distance on the trellis diagram of the partial response signal having a given coefficient. Therefore, the minimum distance / isolated pulse distance is an index that gives the energy utilization efficiency of the partial response that gives it. All of the partial response systems with coefficients according to the present invention are superior in this respect to those of ordinary EEPRML. As a result, it can be seen that S / N can be effectively improved with respect to EEPRML having a symmetry coefficient. Table 2 shows typical characteristics of the 32-state partial response.
[0038]
[Table 2]
In this case as well, the improvement in characteristics is remarkable. The characteristics shown in Tables 1 and 2 correspond to the case where the normalized linear density is 2.5. The present invention can improve not only the SN ratio but also the length of the code error from the long continuous error of the conventional EEPRML or EEEPRML system to a one-bit or three-bit length error. Therefore, the present invention also has an advantage that efficient error correction becomes possible by combining with an error correction code having a code error correction capability for at least 1-bit and 3-bit continuous errors.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An actual circuit configuration example according to the present invention is shown in FIG. First, the magnetic head output is supplied to an AGC (automatic gain control circuit) and an LPF (low-pass filter) 15 through a preamplifier. After the AGC is controlled so that the signal amplitude becomes a constant value, noise components other than the desired frequency band are removed by the LPF. This LPF output signal is discretely quantized by the
[0040]
A clock signal necessary for operating the
[0041]
FIG.0= 3, c1= 2, c2= 1) A configuration example of a discrete filter having a coefficient of 1). The output of the
[0042]
Next, a method for constructing a trellis diagram according to the present invention will be described. The value a of the input bit to the maximum likelihood decoderkAnd each state SkAnd output ykHave the following relationship:
[0043]
Sk= ak-5, Ak-4, Ak-3, Ak-2, Ak-1
yk= c0ak+ C1ak-1+ (C2-C0A)k-2+ (C3-C1A)k-3-C2ak-4-C3ak-5 (Equation 4)
Maximum
[0044]
The ACS 41 performs addition, comparison, and selection of the 16-state path metric and the branch metric value, and generates a path metric value for the most likely path. The path memory 42 generates decoded data based on the comparison result of each state. The path metric is initialized by the initial setting circuit 43 when the circuit is activated.
[0045]
Next, FIG. 16 shows an embodiment of a magnetic recording / reproducing apparatus using the data demodulation circuit of the present invention. An external device such as a personal computer exchanges data via the
[0046]
The recording
[0047]
Next, the data reproduction operation will be described. Upon receiving the data reproduction command, the
[0048]
The demodulated data demodulated by the
[0049]
The microcomputer 101 performs processing of the entire apparatus such as the
[0050]
Further, as described above, in the present invention, the length of errors occurring in the output data of the maximum likelihood decoder is dominated by 1 bit or 3 bits. Therefore, after performing error correction suitable for this, the
[0051]
【The invention's effect】
The present invention suppresses error propagation that occurs in a specific pattern that has been a problem in EEPRML, EEEPRML, etc., by changing the reproduced isolated magnetization reversal waveform of the magnetic recording device to an asymmetric waveform. Compared with the EEPRML system, the MEEPRML system is about 1.5 dB or more when the ratio of the half width of the regenerative isolated magnetization reversal of the magnetic recording apparatus to the half width of the recording signal is about 2.5, which is the practical range of the apparatus. S / N improvement is expected.
[0052]
The present invention can improve not only the SN ratio but also the length of the code error from the long continuous error of the conventional EEPRML or EEEPRML system to a single bit or 3 bit length error. .
[0053]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a data demodulation circuit of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between PRML demodulation and a magnetic recording / reproducing system.
FIG. 3 is a diagram showing isolated waveform responses of various partial responses.
FIG. 4 is a diagram showing an isolated waveform and isolated pulse response of EEPR4.
FIG. 5 is a diagram showing an EEPRML trellis diagram;
FIG. 6 is a diagram showing a pattern for giving an
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a waveform that gives an
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a waveform that gives an
FIG. 9 is a diagram illustrating a cause of the EEPRML inter-signal distance degenerating to 6. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a basic principle for concentrating the energy of an isolated waveform response of a partial response.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a minimum phase transition waveform.
FIG. 12 is a diagram showing an embodiment of a circuit configuration for carrying out the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an embodiment of a discrete filter circuit configuration according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an example of a trellis diagram having coefficients according to the present invention.
FIG. 15 shows an embodiment of a 16-state maximum likelihood decoder according to the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a data demodulation method of a magnetic disk device using the present invention.
[Explanation of symbols]
1: data demodulator, 2: error correction code decoder, 5: recording / reproducing amplifier, 6: data modulator, 7: error correction encoder, 9: precoder, 10: equalizer, 11: maximum likelihood decoder, 12: path metric, 13: branch metric calculator, 14: all-pass filter, 15: AGC, 16: ADC, 18: discrete filter, 19: high-order partial response maximum likelihood decoder, 20: PLL, 23: 16 / 17ENDEC, 31: 3 multiplier, 32: double multiplier, 33: delay circuit, 34: adder, 40: branch metric generation circuit, 41: ACS circuit, 42: path memory, 101: microcomputer, 102: controller, 103: Servo control circuit, 129: Multiplexer, 130: Register.
Claims (6)
前記データ記録媒体から信号を再生するヘッドと、A head for reproducing a signal from the data recording medium;
前記ヘッドが再生した信号をパーシャルレスポンス特性に等化し出力する等化器と、An equalizer that equalizes and outputs the signal reproduced by the head to a partial response characteristic;
前記等化器の出力を非対称波形に変換し出力する離散フィルタと、A discrete filter that converts the output of the equalizer into an asymmetric waveform and outputs the asymmetric waveform;
前記離散フィルタの出力を復号する最尤復号器とを備えることを特徴とするデータ記録再生装置。A data recording / reproducing apparatus comprising: a maximum likelihood decoder for decoding the output of the discrete filter.
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