JPH08508842A

JPH08508842A - 磁気媒体の雑音を低減させる方法及び装置

Info

Publication number: JPH08508842A
Application number: JP6523277A
Authority: JP
Inventors: ロナルドスコットインデック; マーセルウェットゥステインミュラー; ジョセフアンドリュウオサリヴァン
Original assignee: ワシントンユニヴァーシティ
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 1996-09-17
Also published as: EP0693202A1; EP0693202A4; AU6626394A; WO1994024639A1; AU680498B2; CA2159800A1; IL109208A0

Abstract

(57)【要約】磁気媒体（１０４）のある領域を直流飽和させ（１０２）、そして残留する直流磁化を測定する（１０６）ことによって、磁気媒体内の残留雑音を決定する方法及び装置が開示される。普通の記録用変換器を使用して残留雑音を決定することができる。決定がなされると、ビデオテープ、カセットテープ等を含む全ての種類の磁気媒体の記録モード（１１０）及び再生モードの何れか、もしくは両方に関して残留雑音を補償することができる。

Description

【発明の詳細な説明】磁気媒体の雑音を低減させる方法及び装置関連出願本出願は、1993年４月９日出願の一連番号第08/046,071号の部分的継続である。発明の背景及び概要磁気記録媒体からのリードバック信号内の雑音の源は、従来から研究され、識別されている。これらの源の１つに磁気媒体自体のマイクロ構造の不整及び欠陥がある。長年にわたって、この源から生成される雑音は他の識別されている源と同様にランダムであると考えられ、その確定のためには統計的解析だけが適用されてきた。近年発明者らはこの雑音がランダムではなく限定的（deterministic ）である、即ち変換器・媒体位置に完全に依存し、且つ媒体の磁気履歴に依存して恒久的であり、そして繰り返し性であることを示した。発明者らが行った実験では、媒体に直流磁界だけが記録されていて信号が書き込まれていない場合には観測されるリードバック信号が殆ど同一であることが確認されている。これらの条件の下では、磁区、リップル、異方性磁場の局部的変動、及び飽和磁化のような媒体の磁化の空間的変動がリードバック信号に対して磁気的に影響を与える。これらの局部的特性自体は、磁区を形成しそして堆積された後に変化することがない個々のグレインの組織及び磁気特性の変動によって影響を受ける。従って、磁気媒体上の固定された位置において測定される、名目上は均一に磁化された領域からの雑音は再現可能である。以下に説明するように、磁気媒体を直流飽和させ、次いでその出力を測定することによってその残留状態もしくは残留雑音を決定することができる。発明者らは、正の直流で飽和させた後の残留雑音と、負の直流で飽和させた後の残留雑音とを比較することによって、この残留雑音が磁気マイクロ構造の関数であることを確認した。これらの波形が互いに互いの仮想“ 鏡像”であり、精密に相関し合うことを見出した。同様に、他の方法を使用して、残留雑音が限定的であり、繰り返し性であり、そして磁気媒体自体の物理的マイクロ構造に関係付けられていることを確認した。恒久的なマイクロ構造から発生する残留雑音は、実際に何等かの磁気履歴を与えるとその恒久的なマイクロ構造を識別することができる特徴を表すようになる。1992年11月のIEEE Transacti ons on Magnetics，Volume 28，No.6所載のHoinville、Indeck及びMullerの論文 "Spatial Noise Phenomena of Longitudinal Magnetic Recording Media"を参照されたい。以下に開示し、請求の範囲に記載されている技術は、磁気媒体自体の微視的構造はマイクロフィーチュアの恒久的なランダムな配列であり、従って限定的である、ことの発見を基礎としている。換言すれば、一旦製造された記録用媒体の物理的マイクロ構造は全ての通常の記録プロセスに対して固定されたままである。粒状媒体では各粒子の位置及び配向は磁場がどのように印加されても結合剤内で変化することはなく、一方薄膜媒体ではフィルムの微小結晶配向及びグレイン境界は記録及び再生プロセス中静止し続ける。回転させたり、もしくは変更させたりできることが、これらの各固定されたマイクロフィーチュア内の「磁化」であり、これが磁気記録プロセスの基本になっている。大きい磁場を印加することによって磁気媒体のある領域が一方向に飽和すれば、その残留磁化は媒体のマイクロ構造に大きく依存する。この残留状態は、記録表面上のどの点に関しても限定的である。媒体内の各粒子もしくはグレインの直径は数百乃至数千オングストロームである。それらのサイズが小さいために、磁気表面の小さい領域でも極めて多数のこれら物理的構成要素を含むことになる。通常は製造工程でこれらの粒子を整列させるような努力が払われるが、個々の配向には常にばらつきが存在する。実際のばらつきは媒体の表面の領域に独自のものであり、それがこの配向を限定的にし、その効果を排除するように働く。当業者ならば理解していることであるが、雑音を低減することによって蓄積容量を増加させ、データ転送速度を増加させ、そして変換器、媒体、及びシステムの設計及び製造の負担を軽減させることができる。この発見は発明者らによってなされたのであるが、この発見に基づく雑音低減技術は実現されていなかった。残留雑音のこの雑音成分は限定的であるから、磁気媒体上のどの特定点においてもこの成分を確実に繰り返させて測定することができる。そこで、発明者らは劣化していない事前記録済の信号を発生するというこの事実を利用した幾つかの技術を開発した。これらの信号はどのような再生装置によっても再生可能であるにも拘らず、再生した時には既に残留雑音成分に関して補償がなされている。換言すれば、後刻信号を再生した時に、再生された信号もしくは読み出された信号の残留雑音成分が実質的に排除されているように、先ず残留雑音に関して補償済の信号を工場において磁気媒体上に記録しておくことができる。残留雑音成分が事前記録済の磁気媒体から発生する雑音の最も重要な要因であるのは明白であるから、この雑音低減技術が、現在一般の人々が所有している莫大な数の再生装置に変更を施すことなく雑音を劇的に低減させることも明白である。このような再生装置には、娯楽産業等のための再生装置も含まれる。本発明の第１の実施例では先ず残留雑音が決定され、補償済の信号を磁気媒体上に書き込む前に記録装置が残留雑音に関して元の（オリジナル）信号を補償する。後述するようにこれらの段階は、普通の記録用変換器を用いて容易に達成することができる。従って、既存記録装置に対して、もしあったとしても極めて僅かな変更を施すだけでこれらの雑音補償済記録を達成することができる。第２の方法も、劣化していない事前記録済信号を磁気媒体上に発生させる。この方法によれば、先ず信号が磁気媒体上に書き込まれ、次いで書き込まれた信号が磁気媒体から読み出され、そしてこの読み出された信号が元の信号と比較される。それらの間の差が雑音であり、それらの最大成分が限定的媒体雑音であると確定される。磁気媒体上の同一位置に記録し直す前に、この雑音を除去するように元の信号が補償される。このようにすると、補償済信号を磁気媒体上に記録した後は、他のどのようなリードバックもしくは再生装置を使用しても、残留雑音に関して補償済の信号を発生するようになる。本発明の更に別の実施例において、発明者らは磁気媒体から読み出された信号を実時間で残留雑音に関して補償する方法を開発した。この方法によれば、それ自体は記録前には未補償である、事前記録された磁気媒体を再生することができ、そしてリードバック時に補償される信号を発生することができる再生装置を製造、販売することができる。この方法では、先ず信号を磁気媒体から読み出し、上記磁気媒体を飽和させて磁気媒体から残留雑音を直接読み出す等によって上記磁気媒体の残留雑音を決定し、そして使用する前に両信号を比較して劣化している元の信号から雑音を除去する。このようにして残留雑音を決定すると、媒体が飽和した時に、記録されていた元の信号が消去されることになり、この方法は、元の信号もしくはその補償済の対応信号の何れかを再記録する段階が必要になることは明白である。従ってこの方法では、再生装置は未補償の信号が事前記録されている磁気媒体を使用し、それを補償済信号が記録された磁気媒体に変換することができる。後刻この磁気媒体を再生する場合には多分補償を必要としない。この方法を実現した別の実施例を使用すれば、適当な再生装置を所有しているユーザが彼の補償されていない記録済媒体の全コレクションを、補償された磁気媒体に変換することができることは明白である。換言すれば、未補償の元の信号が記録されているアナログカセットテープのコレクションを、補償済信号が記録されたアナログカセットテープのコレクションに容易に変換することが可能であり、これらはどのような再生装置においても演奏することができるにも拘らず、雑音が低減されているために高品質の信号を発生するようになる。本質的に本発明は、精密さと簡潔さとを兼備し、現在一般の人々が使用している実質的に全ての読み出し、または読み出し／書き込み装置に広く見れれる、そして使用されている普通の記録用変換器によって実現されるようになっている。これらの装置の例は、カセットプレーヤ、磁気・光ディスクプレーヤ、及びＶＣＲを含む。その最も簡単な例では、普通の記録用変換器で磁気媒体の指定された部分を直流飽和させ、そして残留している残留雑音を“読み出す”もしくは“再生する”だけである。次いで、この残留雑音（アナログ信号）を使用して、音楽プログラム、演劇記録等のような元の信号を補償することができる。以上に本発明の主な長所及び特色を記述し、幾つかの例を示したが、本発明は添付図面に基づく以下の好ましい実施例の詳細な説明からより十分に理解されよう。図面の簡単な説明図１は、磁気媒体の微視的構造の拡大図。図２は、代表的微視的構造が示されている磁気媒体の幾つかのトラックの拡大図。図３は、３つの普通の記録用変換器と、それらの下を走行する磁気媒体を示す図。図４は、磁気・光ディスクをそのトレイ内に入れた磁気・光ディスクプレーヤの斜視図。図５は、演奏するカセットを挿入しつつあるカセットプレーヤの斜視図。図６は、テープを挿入しようとしているＶＣＲの斜視図。図７は、本発明の書き込み・読み出し・書き込み実施例の概要図。図８は、図７のエレクトロニクスのブロック線図。好ましい実施例の詳細な説明図１に示すように、磁気媒体２０のある領域は、ランダムなパターンの複数の微小結晶構造２２で構成されている。この微小結晶構造２２は、直径が数百から数千オングストロームの範囲で変化する粒子もしくはグレインからなっている。図１は、この物理現象を示すために極めて拡大されている。図２に示すようにこの微小結晶構造は、たとえ図２に示す磁気媒体２４自体が公知のようにトラック２６、２８、３０からなっていようとも、磁気媒体全体に広がっている。図３を参照する。複数の普通の記録用変換器（トランスジューサ）３２、３４、３６は変換器移送器３７に取り付けられ、走行する磁気媒体３８は公知のように記録用変換器３２、３４、３６を通過するように制御可能に駆動されている。記録用変換器３２−３６は全て公知のようにエレクトロニック回路に接続され、該回路はそれらの入力及び出力を制御して読み出し、再生その他の用途のために信号を更に処理する。図３には３つの変換器３２、３４、３６だけしか示されていないが、当業者ならば複数の記録用変換器の数はどのようであっても差し支えなく、以下に説明するように本発明の目的を達成するためにはどのような数の変換器を使用してもよいことが理解されよう。本発明を実現する上で、図３に示すような記録用変換器３２−３６を、残留雑音補償済記録を有する事前記録された磁気媒体を作成するために使用される装置の一部と考えることができる。また図３に示す装置を、未補償の事前記録された信号から残留雑音補償済の信号を作成するための手段を有する特殊再生装置、または残留雑音補償済の磁気媒体を再生するために使用できる標準再生装置の何れかの再生ユニットと考えることもできる。これらの機能の全ては普通の記録用変換器を用いて達成され、従って既存のそして利用可能な技術を使用して容易に実現される。残留雑音補償済の信号は、以下の方法を使用することによって磁気媒体上に事前記録することができる。磁気媒体の残留雑音は、先ず媒体を直流飽和させ、次いで普通の記録用変換器を用いて残留雑音を読み出すことによって決定することができる。これには、変換器３２を飽和のために使用し、変換器３４を残留雑音の読み出しに使用することになろう。次いで、公知の普通の補償回路を使用し、元の信号を変更するように元の信号を補償する。補償された信号は記録用変換器３６を使用して記録することができる。このようにして、この方法及び図３に示すような装置を使用して、事前に補償されている、即ち残留雑音に関して事前に補償されている記録を磁気媒体３８上に作成することができる。変換器３２−３６の間には固定された、そして極めて接近した間隔が設けられているが、残留雑音はそれ自体を使用して変換器３２−３６に指標を付け、それによって磁気媒体上の上記補償を行った残留雑音が実際に現れた点に、変換器３６を使用して補償済信号が記録されるようにする。これは、上述したように残留雑音はランダムであるが磁気媒体上のどの特定点にとっても独自であり、従ってベンチマーク目的でその点を識別するために使用できるからである。これは好ましい実施例ではあるが、媒体に記録されていても、いなくとも残留雑音は常に存在することを理解されたい。従って、残留雑音を含んでいる媒体の指定された部分を直流飽和させたり、もしくは残留雑音を得るために同一極性で直流飽和させたりすることは必ずしも必要ではない。第１の実施例の変形では、残留雑音補償済信号が記録されている事前記録された磁気媒体を作成するために更に別の方法を使用することができる。この第２の実施例は、先ず例えば図３の変換器３２によって磁気媒体上に元の信号を書き込む段階と、例えば変換器３４によって上記磁気媒体から記録された信号を読み出す段階と、読み出された信号と元の信号とを比較してそれらの間の差を決定する段階と、元の信号を補償する段階と、そして補償された信号を例えば変換器３６を用いて書き込む段階とを含む。この方法によれば、本発明の第１の実施例と同様に、磁気媒体３８は、該媒体３８に固有の残留雑音に関して補償済の記録された信号を受けることになる。これらの補償済の記録はどのような普通の再生装置によっても再生することができるにも拘らず、雑音補償された信号を発生する。これは、この実施例のこの例と同様に、事前に記録されている信号の劣化していないコピー、もしくは雑音補償されたコピーを作成ることができ、これらのコピーは一般の人々が既に所有している多数の再生装置によって再生できるので重要である。これは、磁気・光ディスク、カセットテープ（アナログ及びデジタル）、及びＶＣＲビデオテープ上に事前記録された音楽及びドラマのプログラムの再生を改善することは明白である。発明者らは、本発明の書き込み・読み出し・書き込み実施例を実現するためのアルゴリズムを用いた一般化されたモデルを開発した。この一般化されたモデルは後掲の証拠Ａに記載されている。証拠Ａに記述されているように、そしてその図３に示されているように、この一般化されたモデルは加法（additive）媒体雑音を補償し、またシリコンタップ遅延線を用いてこの実施例を実現する設計方法を説明している。証拠Ａの図３に示されているように、信号s₁(t)はh(t)によって表されている書き込みヘッドによって磁気媒体上で処理される。信号は、書き込まれる時に２種類の媒体雑音、即ち非繰り返し性媒体雑音n₁(t)と、繰り返し性加法媒体雑音n_d(t)とによって劣化する。この劣化した信号は読み出しヘッドによって読み出され、関数g(t)によって表されているように処理される。信号の誤差関数部分を決定するために信号s₁(t)は、書き込み及び読み出し関数と等価の関数b(t)によって表されているように処理され、次いで読み出しヘッドの出力から減算される。更に、エレクトロニクス雑音を表すためにエレクトロニクス雑音信号w₁(t)が加算される。その結果が誤差関数e(t)であり、これは書き込み及び読み出し関数によって信号s₁(t)内に導入される合計雑音を表している。次に、後刻書き込み及び読み出し関数によって加算されることが予測される雑音の逆数であるフィルタ関数c(t)によって誤差関数e(t)が処理される。最後に、フィルタ関数c(t)の出力がデータ信号(t)から減算され、書き込みヘッドがこの信号を関数h(t)を用いて処理し、それを磁気媒体上に記録する。この時も２種類の磁気雑音、即ち繰り返し性加法媒体雑音n_d(t)と、非繰り返し性媒体雑音n₁(t)とによって劣化を受ける。モデルのこの点において、関数c(t)が書き込み関数、後刻予測される読み出し関数、及び予測される繰り返し性加法媒体雑音n_d(t)を減じて取り去るので、記録したい信号s(t)が事前補償された手法で記録されている。その後になって、磁気媒体が読み出しヘッドによって読み出され、そして信号が関数g(t)を用いて処理されると、明らかに補償されている信号出力y(t)が得られる。システムの種々の成分の数学的解を使用してこの方法のコンピュータシミュレーションを行った。証拠Ａの９ページ及び図５−７に示されているように、書き込み・読み出し・書き込み計画を用いた事前補償モデルは、平均して雑音パワーを低減させている。低減の量は、繰り返し性雑音パワーと他の全ての雑音との比に依存する。1,000回実行した結果が示されている証拠Ａの雑音パワーの分布は、信号の事前補償を用いた記録の予測された雑音レベルが大幅に低減されていることを示している。該証拠の図６及び７は、達成される信号波形の改善をも示している。本発明のこの書き込み・読み出し・書き込み実施例を図７及び８を参照して更に説明する。図７に示すように、第１の書き込みヘッド１０２は、媒体１０４上に信号s₁(t)を書き込む。この記録された信号は読み出しヘッド１０６によって読み出され、図８で説明するようにエレクトロニクス回路１０８への出力y₁(t) が生成される。エレクトロニクス１０８は補償されたデータ信号を生成し、この信号は書き込みヘッド１１０によって磁気媒体１０４上へ書き戻される。このように、書き込みヘッド１１０はデータ信号s(t)の事前補償されたバージョンを書き込み、このバージョンが別の読み出しヘッド（図示してない）によって読み出されると加法繰り返し性磁気雑音に関して補償されたデータ信号s(t)の出力を発生する。図８に示すようにエレクトロニクス１０８は加算器１１２を含む。加算器１１２は、関数b(t)を有していて診断信号s₁(t)を書き込み及び読み出し関数に等しく処理する理想チャネル１１４からの出力信号d(t)を減算する。診断信号発生器１１５は、データ信号s(t)を処理して診断信号s₁(t)を生成する。例えばs₁( t)信号は直流飽和信号であることができる。加算器１１２は出力に誤差信号e(t) を生成し、この信号は補償フィルタ１１６によって信号変換関数c(t)を通して補償される。前述したように補償フィルタ関数c(t)は、書き込み及び読み出し関数によって加算されることが予測される雑音の逆数である。第２の加算器１１８は補償フィルタ１１６の出力をデータ信号s(t)から減算し、書き込みヘッド１１０によって磁気媒体上に書き込むための、事前補償済データ信号に対応する信号を生成する。前述したように、図７及び８に含まれている各関数毎の一般化されたモデル及びアルゴリズムは、当業者ならば証拠Ａに与えられている方程式から容易に決定することができよう。本発明の雑音補償方法の更に別の実施例では、雑音補償されていない磁気媒体上の記録から雑音補償された信号を発生することができる再生装置を製造し、販売することができる。本発明のこの実施例では、例えば図３の記録用変換器３２によって先ず信号を読み出し、次いで変換器３４からの信号で磁気媒体を飽和させる等によって残留雑音を決定し、そして再生もしくは他の処理の前に上記残留雑音を用いて元の信号を補償する。特に示してないが、爾後の再生のために元の信号もしくは補償された信号の何れかを磁気媒体３８上に再記録する第４の変換器を設けることができる。この装置及び方法を用いると、再生する前に、磁気媒体上の普通の記録を残留雑音に関して補償することができる。また多分再生中に磁気媒体を未補償から雑音補償済の記録に変換することができる。これにより、一般の人々が所有している莫大な量の事前記録された磁気媒体と共に使用するための装置を製造し、販売することができる。本発明の更に別の実施例では、独特な残留雑音をベンチマークとして使用して磁気媒体内の特定位置にある変換器を探知することができる。例えば、編集の目的で、そして前述したように、図３に示すような普通の記録用変換器３２−３６を使用して、磁気媒体３８上の特定位置における残留雑音を容易に決定することができる。編集の開始もしくは終了において変換器３２−３６を再位置決めするために、もしくはそれ以外に磁気媒体に対して普通の記録用変換器を精密に位置決めするために使用することができる。この応用は、未編集の多くの種類のプログラムを最終製品に編集するために広く使用されているダビング等には重要な利点を提供する。因に、編集はここで列挙するには多過ぎる程多くの応用に使用されている。これらの各応用では、編集プロセスによって発生する信号及びプログラムの不連続を連続させるために、記録用変換器を正確且つ確実に再位置決めすることが望まれる。発明者らの方法は、磁気媒体上の正しい位置を最も正確に決定し、そしてその正しい位置を見出す便利で簡単な方法を提供するから、本発明は編集のために記録用変換器を位置決めする独特で新規な方法を提供する。図４に示す磁気・光ディスクプレーヤ６４は、そのトレイ６８内に磁気・光ディスク６６が挿入されていて演奏の準備を整えつつある。磁気・光ディスクプレーヤ６４は、残留雑音補償済の磁気・光ディスク６６を生成することができる。更に、磁気・光ディスク６６上に記録することができる磁気・光ディスクプレーヤ６４は、現在は家庭用には販売されてはいないが間もなく市販されよう。そのような場合、磁気・光ディスク６６はたとえその元の信号が雑音補償済フォーマットで記録されていなくともそれを再生する時に雑音補償がなされているように、またＣＤプレーヤ６４は雑音補償済信号を磁気・光ディスク６６上に再記録することができるように本発明の全ての実施例を実現することができる。同様に、図５に示すカセットプレーヤ７２には、演奏しようとするカセット７０が挿入されつつある。この磁気媒体も、カセット７０の記録及び／または再生を残留雑音補償済のフォーマットで質を向上させる発明者らの方法の実施例を適用することができる。図６に示す発明者らの方法の最後の実施例はＶＣＲ７４を含み、ＶＣＲ７４にはビデオテープカセット７６が挿入されつつある。ビデオテープカセット７６は磁気媒体であるから、これにも上述した雑音補償方法を適用することができる。当業者ならば本発明に多くの変更を施すことが可能であろう。しかしながら、これらの変更は上述した説明の教示に含まれるものであり、本発明は請求の範囲によってのみ限定されるものである。要約磁気記録システム内の殆どの雑音は、磁気媒体自体の固有特性に起因する。この雑音の殆どは、媒体上の同一場所に記録された（記録と記録との間に消去が行われる）同一の波形が高度に相関した雑音を有することから繰り返し性である。本論文はこの効果を利用して、記録された波形の媒体雑音に起因するひずみを推定し、次いで修正するシステムを設計するものである。この方法は、磁気・光媒体のような、雑音が媒体依存性の他の蓄積チャネルにも適用できる。繰り返し性の加法媒体雑音を最適に低減する方法を提唱する。このシステムのシミュレーションを実行したが、その結果をも示す。１．序磁気記録チャネルの殆どのモデルは、図１に示すような伝統的な通信理論モデルを使用している。このチャネルは磁気媒体である。媒体は信号を劣化させることがあり、もし加法雑音としてモデル化すれば、この媒体雑音の平均統計を推定して、システムの性能を改善するためにシステム設計に使用することが可能である。他の雑音源は、受信機雑音及びヘッド雑音を含む。これら後者の２つの雑音源を考慮に入れた場合であっても、媒体雑音はシステムの性能を制限する。筆者らは、磁気媒体のためのモデル[1,2]を、他の文献[3,4,5,6,7]を参照して開発した。これらのモデルは、記録用媒体の微視的特性から生ずる媒体雑音を罰酌している。一旦媒体が製造されると、これらの特性は限定的である。信号計画に使用するために媒体を完全に微視的に走査することは実行不可能であるが、媒体の局部的特色をオンラインで測定し、記録済信号を計画する時にこれらの特色を使用することは可能であり得る。この戦略は、媒体の平均効果だけではなく、局部的効果をも考慮に入れている。提唱する戦略は、媒体雑音をオンライン測定し、これらの測定を信号計画に使用することである。この戦略を達成する実現可能な方法を以下に検討する。これらの方法は“書き込み・読み出し・書き込み”記録戦略として分類することができる。第１に媒体上に診断信号を書き込み、第２に得られた磁化パターンを読み出し、そして第３に情報を担持する信号を書き込む。書き込まれる第２の信号の設計は、媒体雑音のためのモデルに依存する。一般的に受け入れられている媒体雑音のためのモデルは存在していない。媒体雑音が大きい乗法（multiplicative）部分を有しているという証拠がある。しかしながら、これは、媒体が消磁されている時の媒体雑音を十分に考慮にいれていない。我々の媒体モデルを使用した若干の初期シミュレーションによれば、消磁されている場合に書き込まれた磁化は、強い単方向性磁場を印加した時よりも変動が大きいことが分かった。これは、磁気媒体からの測定と矛盾しないように見える。消磁されている場合の雑音は先に書き込まれた信号と相関するが、現在、新しい信号の書き込みによって得られる磁化をモデル化する際には先に書き込まれた信号を含ませていない。我々の媒体モデルは磁気媒体の容量を計算するためには有用であったが、未だ磁気記録システムを設計するために使用されたことはない。現在では我々の媒体モデルは、受信した電圧波形内の媒体雑音を解析するために使用されている[8]。ここでのアプローチは、媒体雑音の効果のための簡易化モデルを基礎にしている。このアプローチを用いて経験を積むにつれて、またより精緻なモデルが使用可能になるにつれて、我々はそれらを使用することになろう。２．書き込み・読み出し・書き込み事前補償：加法雑音の場合我々はこの計画のための解析を記録プロセスに対する線形近似から開始する。我々はこのプロセスが本来非線形であることを認識し、記録システムのためのより正確な非線形モデルを使用することによって、ここに示すアプローチを改良して行かなければならないことを予測している。エレクトロニクスの速度に起因して、提唱するアプローチがシリコンで実現される可能性がある。図２に、書き込み・読み出し・書き込み記録プロセスのブロック線図を示す。図２は、磁気媒体上を浮動する３つのヘッドを示している。第１のヘッドは、診断信号s₁(t)を記録する。第２のヘッドは、媒体上に得られた磁化を読み出す。第３のヘッドは、エレクトロニクスによって計算された、所望の信号と媒体雑音に関する補償とを含む信号を媒体上に書き込む。後刻情報が読み出された時には信号対雑音比が大幅に大きくなっているので、所望の信号はより良好に回復される。エレクトロニクスブロックの最終的な設計は、媒体雑音を明確にするようなモデルに基づいている。本論文は、媒体雑音のための加法モデルを検討することを基礎としている。図３に、磁気記録システムの近似線形モデルを示す。このシステムでは、全てのブロックが線形であって時間に対して不変であるものとし、そして全てのランダムプロセスが広センス静止（wide-sense stationary）であるものとする。診断信号s₁(t)が書き込みヘッドを使用して書き込まれ(h(t))、媒体雑音が加算され(n_d(t)＋n₁(t))、信号が読み出され(g(t))てエレクトロニクス雑音が導入される(w₁(t))。システム内に等化器（イコライザ）が存在していてもよく、これはh (t)もしくはg(t)内に組み入れられる。消耗のチャネル応答はd(t)である。ここで、b(t)＝(g^*h)(t)とする。但し「^*」は畳み込み（convolution）を表す。g(t) プラスw₁(t)の出力をy₁(t)で表すと、誤差信号e(t)＝y₁(t)−(b^*s₁)(t)は受信した電圧波形の、システム雑音に起因する部分に等しい。雑音は、媒体に起因する繰り返し性成分n_d(t)と、２つの非繰り返し性成分、即ち、媒体に起因するn₁(t) 及びエレクトロニクスに起因するw₁(t)とを有している。目的はこの繰り返し性成分を補償することである。これを達成するために、e(t)を濾波し、記録すべき情報を担持する信号s(t)から減算し、そして書き込みヘッドを使用して再度記録する。物理的に言えば、信号を媒体に書き込んで読み出し、電子的に計算された所望信号d(t)をこの信号から減算して誤差信号e(t)を生成し、そして媒体上の同一位置に新しい信号(s(t)−(c^*e)(t))を書き込むのである。媒体雑音の繰り返し性成分に起因して最終的に読み出される波形y(t)内のひずみを最小にする設計問題を述べる。この観点からは、図４に示す縮小化したシステムからc(t)を設計することができる。図４では情報を担持する信号s(t)及び診断信号s₁(t)が除去されている。ひずみを雑音パワーによって測定するものとする。従って、目的は出力の雑音成分y_c(t)内の信号パワーを最小にするためのc(t )を設計することである。どのような実システムを設計する場合でも、それらを実現可能にするようにc(t)のための制約クラスCが存在している。典型的な制約は、それを固定数のタップを有する横方向（transversal）フィルタの出力とする、ということである。問題ステートメントは、多くの制約の場合、問題は公知の常方程式を解くことに縮小される。（１）を最小にするために、 e(t)=y₁(t)−s₁(t)＝w₁(t)＋(g^*(n₁＋n_d))(t) （２）を代入する。予測される値を計算すると、問題ステートメントはである。 b(t)＝(g^*h)(t) またR_ww(t)、R_nn(t)、及びR_dd(t)はそれぞれ、w_i(t)、n_i(t)、及びn_d(t)のための自己共変関数（ｉ＝１もしくは２）である。（３）に対する制約されない解は、もし存在すれば、 c_u(t)=p(ω)/Q(ω) （６）である。ここに、P(ω)及びQ(ω)はそれぞれ、p(t)及びq(t)のフーリエ変換であり、c_u(t)内の下付文字ｕはこれが制約されない最適解であることを表している。また、たとえこの解が存在しているとしても、現実には実現することは不可能であろう。c(t)のための解が存在するように、通常はある型の制約が付加され、十分に挙動する（容易に実現可能である）。次節ではタップ付き遅延線によって実現される（従って、標準VLSI設計を使用して容易に実現できる）解の制約が付加される。もし全ての雑音が加法雑音及びガウス雑音であり、また制約されない解（６）を使用するものとすれば、容量の増加の制限はチャネルのパワースペクトルの変化によって決定されることに注目されたい。標準書き込み計画を使用する場合とは対照的に、繰り返し性媒体雑音に起因する成分は減衰される。この減衰は、非繰り返し性成分のエネルギに対して繰り返し性成分のエネルギが増加する程増加する。即ち、もし未補償システム内の雑音に起因するパワースペクトルが S_y(ω)＝S_r(ω)＋S_u(ω)（但しS_r(ω)は繰り返し性成分）であれば、補償済システムのパワースペクトルは、である。S_u(ω)＝｜G(ω)｜²S_nn(ω)＋S_ww(ω)、及びS_r(ω)＝｜G(ω)｜²S_dd(ω )であり、S_ww、S_nn、及びS_ddはそれぞれ、R_ww、R_nn、及びR_ddのフーリエ変換であることに注目されたい。そこでガウスのチャネルの容量が増加する。この増加は、スペクトルの形状（即ち、g(t)、h(t)のようなシステム要因、及び雑音レベル）と、標準満水容量公式の詳細な解析[9，p.267]とに依存する。我々の実験装置では、被試験媒体に依存して、繰り返し性成分は合計雑音パワーの半分乃至9/ 10であることを見出した。もし全ての繰り返し性媒体雑音を加法雑音として十分にモデル化すれば、式（７）は1.2乃至7.2dBの信号対雑音比の潜在的増加を暗示している。３．タップ付き遅延線の実施例前節で説明したように、実際の実施例は式（６）とは異なっている。ある実現可能性のある制約を賦課しなければならない。１つの自然な制約（しかしながらこの可能性のある１つに限られるものではなく、他の制約も考慮され、そして以下の導出はこれら他の制約を勘酌するように容易に変更することができる）は、実施例をタップ付き遅延線によって実現することである。タップ付き遅延線（有限数の係数を有する有限インパルス応答フィルタ）はVLSI技術を使用して容易に構成することができる。制約クラスは以下のようなc(t)の集合である。ここに、δはディラックデルタ関数であり、Ｔはタップ間の時間間隔である。各整数ｎ毎に p[n]＝p(nT)及び q[n]=q(nT) （９）とする。最適のタップ重みのための解は、c(t)のための式（８）を式（３）内に代入し、次にタップ重みc[n]に対する導関数を求めることによって求められる。これにより、2N＋1の未知のタップ重みc[n]内に2N＋1の方程式が得られる。これらの方程式は、−Ｎ≦ｎ≦Ｎに対して、である。もし、c[n]及びp[n]の値をベクトルｃ及びｐ内に入れ、Qのn、kエントリがq[n-k]であるようにq[n]の値をマトリクスQ内に入れれば式（１０）はコンパクトに Qc＝p （１１）と書くことができる。この方程式は c_opt＝Q^-1p （１２）を与えるように直接解くことができる。代替としてｑ、ｃ、及びｐの対称特性を利用して、式（１２）に必要なマトリクス反転の計算の複雑さを縮小することができる。これらの対称特性は、q[n]＝q[-n]、及びp[n]＝p[-n]でコンパクトに表すことができる。これらは、ｃのための解が奇対称であることを暗示しており、従ってc[n]＝-c[-n]である。４．シミュレーションこの第１のシミュレーションにおいて我々は、簡易化のために多くの仮定を用いた。我々は、書き込みヘッドのインパルス応答関数h(t)がδ(t)であるものとし、読み出しヘッドの単位ステップ応答関数がローレンツパルスであるものと仮定した。また我々はヘッドメカニズムが、媒体上の予め決められた位置に書き込むのに十分精密であるものと仮定した。全ての雑音源は、ホワイトノイズ及びガウス雑音であるものと仮定した。加法繰り返し性雑音、ヘッド雑音、及びエレクトロニック雑音の間の合計雑音パワーの比は８：１：１に配分した。合計雑音パワーは信号パワーの10％である。読み出しヘッドのステップ応答は s(t)＝１/［１＋(2t/TS)²］ここにTS/2はローレンツパルスの半幅である。これをｔに関して微分すると読み出しヘッドのインパルス応答関数g(t)が求められる。 g(t)＝−(8t/T²S²)/［1＋(2t/Ts)²］² g(t)のフーリエ変換を行うと、 G(f)＝−jaf exp(−b｜f｜) 但し、ａ＝−π²TS、及びb＝πTS である。サンプリングレートをf_s(＝K/T)とすれば、f_s/2より高い周波数内のエネルギはエイリアスになる（get aliased）。従って、エイリアスになる合計エネルギはである。ここに、ｖ＝π/(2TS)、及びX＝f_sb＝πSKであり、またKはあるビットがサンプルされる回数（f_s＝K/T）である。E(X)対Xのグラフから、X＝12の場合には、エイリアスになるエネルギは0.1％より少ないと結論付けることができる。我々のシミュレーションではS＝1/πとしたが、これはかなり高い線形密度を表している。また我々はK＝10としたが、この場合g(t)のエネルギの0.3％以下、及び方形波のエネルギの４％以下がエイリアスになる。エイリアスになる方形波のエネルギのパーセンテージはK＝10の場合には高いが、システムの線形度を利用することによって信号には無関係に雑音パワーを計算することができるから、このシミュレーションにとって問題とはならない。g(t)の離散化バージョンであるg[n]は、｜n｜が大きくても０ではないことに注目されたい。しかしながら、それは大きさが単調に低下する。我々のシミュレーションではg[n]を適当に切り詰めたが、切り詰めたg[n]、即ち−8≦n≦8が元の切り詰められていないg[n]のエネルギの99％以上を有するようにした。フィルタc[n]内のタップ重みは−16≦ n≦16として計算した。シミュレーションの結果、上述した仮定の書き込み・読み出し・書き込み計画の下での雑音パワーは、平均で4.74dB低減されることが分かった。図５は、1000 回の実行で得られた信号の事前補償の前後の雑音パワーを比較したものである。図６及び７は補償無し、及び補償有りで信号を書き込むことによって得られる典型的な読み出し波形を示している。５．結論最近の実験により媒体雑音が繰り返し性成分を有していることが分かった［10 ］。この要約において我々は、書き込み・読み出し・書き込みプロトコルを使用することによって、加法である局部的な媒体の効果を補償する戦略を概述した。また我々は、乗法効果を含む媒体雑音の効果に対するより精緻なモデルの使用を探査した。初期の研究で、上述した比較的簡単な解析では乗法雑音に対して十分ではないことが分かった。乗法及び加法成分の効果を推定することはできるが、それらを信号成分に最適に使用することは複雑である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号０８／２０８，９９７ (32)優先日 1994年３月10日 (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＺ，ＦＩ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ (72)発明者オサリヴァンジョセフアンドリュウアメリカ合衆国ミズーリ 63105 セントルイスノースムーアドライヴ 7321

Claims

【特許請求の範囲】１．雑音補償された信号を、普通の記録用変換器を有する装置を用いて磁気媒体上に書き込む方法において、アナログ電気信号によって表される上記磁気媒体の残留雑音を決定する段階と、上記信号を、上記残留雑音に関して補償する段階と、上記補償された信号を、上記磁気媒体上に書き込む段階とを備えていることを特徴とする方法。２．上記決定段階は、上記磁気媒体を飽和させる段階と、上記飽和させた磁気媒体から上記残留雑音を読み出す段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。３．上記装置は３つの整列された記録用変換器を含み、上記飽和段階は上記記録用変換器の１つを用いて実現され、上記読み出し段階は上記記録用変換器の別の変換器を用いて実現され、そして上記書き込み段階は上記記録用変換器の第３の変換器を用いて実現されることを特徴とする請求項２に記載の方法。４．上記残留雑音を用いて上記記録用変換器を指標付け、それによって上記磁気媒体上の上記残留雑音が補償された点に上記補償された信号が書き込まれるようにした段階をも備えていることを特徴とする請求項３に記載の方法。５．先ず上記磁気媒体上に上記信号を書き込む段階と、上記磁気媒体から上記信号を読み出す段階とをも備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。６．上記残留雑音を決定する段階は、上記読み出された信号と、最初に書き込まれた信号とを比較する段階を備えていることを特徴とする請求項５に記載の方法。７．信号が書き込まれている磁気媒体を作成し、上記信号が読み出された時には既に磁気媒体内の残留雑音に関して補償済であるようにする方法において、上記磁気媒体上に上記信号を書き込む段階と、上記磁気媒体から上記信号を読み出す段階と、少なくとも部分的に上記磁気媒体の残留雑音を表している、上記信号と上記読み出された信号との間の差に関して上記信号を補償する段階と、上記補償された信号を、上記磁気媒体上に、そして始めに書き込まれていた位置と同一の位置に書き込む段階とを備えていることを特徴とする方法。８．磁気媒体から読み出された信号を、上記媒体の残留雑音に関して補償する方法において、上記磁気媒体から上記信号を読み出す段階と、上記磁気媒体の残留雑音を決定する段階と、上記読み出された信号を、上記残留雑音に関して補償する段階とを備えていることを特徴とする方法。９．上記決定段階は、上記磁気媒体を飽和させる段階と、上記飽和させた磁気媒体を読み出し、それによってその残留雑音を決定する段階をも備えていることを特徴とする請求項８に記載の方法。１０．比較的短い時間遅れで上記信号が補償できるように、上記残留雑音を決定する段階は上記信号を読み出す段階の直ぐ後に遂行されることを特徴とする請求項９に記載の方法。１１．磁気媒体から読み出された信号を、上記磁気媒体の残留雑音に関して実時間で補償する方法において、第１の記録用変換器を用いて上記磁気媒体から上記信号を読み出す段階と、上記第１の記録用変換器と整列し、且つそれの後に極めて接近して離間させた第２の記録用変換器を用いて上記磁気媒体を飽和させ、それによって上記磁気媒体の上記飽和を上記読み出しから短い時間遅れるだけで実現させる段階と、上記両信号が生成されると直ちに上記残留雑音を用いて上記読み出された信号を連続的に補償し、それによって補償された信号を実時間で連続的に発生する段階とを備えていることを特徴とする方法。１２．磁気媒体内のベンチマークを決定する方法において、上記磁気媒体の一部分を飽和させる段階と、上記磁気媒体の上記飽和させた部分を読み出し、それによってその残留雑音を決定する段階とを備え、上記残留雑音が上記部分に独自であり、従って上記部分を識別するベンチマークであることを特徴とする方法。１３．アナログ電気信号によって表される磁気媒体の残留雑音を決定する段階と上記残留雑音に関して上記信号を補償する段階と、上記磁気媒体上に上記補償された信号を書き込む段階とを備えている方法を実行することによって記録された残留雑音補償済信号を有する磁気媒体。１４．磁気媒体上に上記信号を書き込む段階と、上記磁気媒体から上記信号を読み出す段階と、少なくとも部分的に上記磁気媒体の残留雑音を表している、上記信号と上記読み出された信号との間の差に関して上記信号を補償する段階と、上記補償された信号を、上記磁気媒体上に、そして始めに書き込まれていた位置と同一の位置に書き込む段階とを備えている方法を実行することによって記録された残留雑音補償済信号を有する磁気媒体。１５．磁気媒体から読み出される信号を、上記磁気媒体の残留雑音に関して補償する装置において、第１の記録用変換器を用いて上記磁気媒体から上記信号を読み出す手段と、上記第１の記録用変換器と整列し、且つ上記第１の記録用変換器の後に極めて接近して離間させた第２の記録用変換器を用いて上記磁気媒体を飽和させ、それによって上記磁気媒体の上記飽和を上記読み出しから短い時間遅れるだけで実現させる手段と、上記第１の記録用変換器と整列し、且つそれの後に極めて接近して離間させた第３の記録用変換器を用いて上記飽和させた磁気媒体を読み出してその残留雑音を連続的に決定し、それによって上記残留雑音の上記決定を上記飽和から短い時間遅れるだけで実現させる手段と、上記両信号が生成されると直ちに上記残留雑音を用いて上記読み出された信号を連続的に補償し、それによって補償された信号を実時間で連続的に発生する手段とを備えていることを特徴とする装置。