Способы записи цифровой информации на магнитный носитель.

Прежде чем рассматривать способы записи информации на магнитный носитель договоримся о следующем. Говоря о продольной плотности записи, будем подразумевать физическую плотность, измеряемую предельным числом перепадов намагниченности на 1мм вдоль дорожки носителя при заданных отношениях сигнал/помеха или достоверности записи. Эта характеристика может существенно отличаться от информационной плотности (числа битов на 1мм), так как для записи одного бита может понадобиться до двух переключений потока. Участок дорожки, выделяемый для записи одного бита информации, будем называть ячейкой. Время записи одного бита информации, определяемое отношением длины ячейки к скорости движения носителя, называется периодом записи Т_зп, а величина 1/Т_зп = f_зп – частота записи.

Сравнение способов записи будем проводить при условии неизменности параметров системы “головка – носитель”.

Общим для всех способов является то, что в качестве физической величины, несущей информацию, принимается остаточная намагниченность магнитного слоя носителя. Для кодирования могут быть использованы три состояния магнитного слоя, характеризуемые остаточным полем (+Jr, 0, -Jr) или индукцией (+Br, 0, -Br). Однако, в практике получили распространение и продолжают развиваться лишь способы, использующие длякодирования два уровня +Br и –Br. Такие способы называются способами без возвращения к нулю. Они не требуют размагничивания носителя перед записью, что упрощает процесс записи.

Значительная часть известных способов отличается алгоритмом, используемым для преобразования исходной двоичной последовательности в комбинацию переключений магнитного потока. При воспроизведении производятся обратные преобразования. В некоторых способах, разработанных в последние годы, предполагается дополнительное перекодирование исходной информации.

 

Способ с возвратом к фиксированному уровню.

В этом способе запись производится на предварительно намагниченный носитель до уровня –Br.

 

+Br

-Br

e

Uпор

СИ

t

t

t

1 1 0 1 0 0

Код

 

УЗп

УЗп

«1»

«0»

МГ

U

Магнитный слой перемагничивается лишь в ячейках, предназначенных для записи “1”. Каждой “1” соответствует участок перемагниченного материала с двумя перепадами намагниченности. Логическая схема тракта записи проста и содержит усилитель записи, на вход которого поступают импульсы только при записи “1”. Однако такая логика работы канала записи не позволяет осуществлять повторную запись без предварительного стирания МН постоянным полем стирания. Устраняется этот недостаток путём введения в канал дополнительного усилителя записи, который производит запись “0” и посылает импульс записи во вторую обмотку МГ, включённую встречно относительно первой.

При воспроизведении каждой “1” соответствует двухполярный сигнал на обмотке М/Г воспроизведения. Далее этот сигнал ограничивается на уровне U_пор (U_пор выше уровняпомех) и формируется до стандартной формы. Такой способ называется амплитудным детектированием. Изменение формы и величины сигнала воспроизведения е(t) под воздействием дестабилизирующих факторов может привести к искажению выходного сигнала. Чтобы избежать этого, целесообразно при амплитудном детектировании использовать усилители воспроизведения с автоматической регулировкой усиления. Для распознавания последовательности нулей требуется синхронизация. В данном случае она может быть только внешней, так как при неограниченном числе нулей в кодовой последовательности самосинхронизация невозможна.

 

&

СИ

Вых

имп.воспр.

Для синхронизации может быть использована последовательность синхросигналов СИ, которые подаются на один вход конъюнктура в моменты ожидаемого максимума сигнала е(t). На другой вход конъюнктура подаётся усилённый и сформированный сигнал воспроизведения. Сигнал на выходе конъюнктура соответствует “1” воспроизводимой информации, его отсутствие в момент прихода сигнала синхронизации означает воспроизведение “0”. Синхронизация позволяет также сделать канал нечувствительным к каким-либо помехам в промежутках между СИ. Очевидно, что СИ должны точно совпадать по времени с воспроизводимыми сигналами, тогда как частота воспроизведения fвоспр. не является величиной постоянной в силу электромеханического характера самого ЗУ. Поэтому СИ записывается на специальной дорожке того же накопителя, воспроизводятся и формируются отдельным каналом. Важно лишь, чтобы относительное смещение основной и служебной МГ и другие факторы не приводили к чрезмерному расхождению (выхода за пределы допуска – окна детектирования) фаз основного и служебного сигналов.

 

Способ записи с фазовой модуляцией.

В основу кодирования информации по этому способу положена фазовая модуляция (ФМ) – различие направлений перепадов намагниченности при записи “1” или “0”.

 

t

t

+Br

-Br

e(t)

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 1 0 1 0 0

Условимся, что единице соответствует переход намагниченности в середине ячейки от –Br к +Br, а нулю – обратное направление. Для получения непрерывной сигналограммы необходимы дополнительные перемагничивания в моменты времени t1 и t5 (для кодовой последовательности примера).

Как видим, логика работы канала записи оказывается более сложной про сравнению с предыдущим способом: при записи информации требуется проводить анализ двух бит информации, чтобы производить дополнительное переключение тока в МГ.

Как и в предыдущем способе, в способе ФМ для записи одному биту может соответствовать до двух перепадов намагниченности, что в значительной мере определяет достижимую плотность записи. Существенная особенность способа в том, что сигнал воспроизведения е(t) не имеет промежутков, а интервалы между его пиковыми значениями могут принимать значения Т_зп и 2Т_зп (Т_зп –период записи). Поэтому способ ФМ является типичным двухинтервальным способом записи. Это обстоятельство позволяет при дешифрации сигнала воспроизведения использовать пиковые детекторы, а также получать СИ из самой информации, т.е. способ обладает свойством самосинхронизации.

Предпочтение, которое отдаётся в практике пиковому детектированию, объясняется тем, что при значительном непостоянстве амплитуды сигнала е(t) моменты его перехода через нуль оказываются более постоянными. Для выделения этих моментов могут быть применены дифференцирование сигнала е(t) и последующее сильное двустороннее ограничение сигнала , например с помощью компаратора с уровнями ограничения в единицы милливольт.

 

Частотно – модулированный способ.

При этом способе единица от нуля отличаются частотой переключения тока записи и, следовательно, промежутком между перепадами остаточной намагниченности магнитного слоя носителя:

 

+Br

-Br

e(t)

t

t

0 0 1 0 1 1

 

Анализируя сигналограмму B_r(t) замечаем, что нулям соответствуют дополнительные перепады в середине ячейки, хотя направление этих перепадов может быть различным. Как и предыдущий способ, частотно-модулированный способ (ЧМ) является типичным двухинтервальным способом записи; по всем своим основным характеристикам он совпадает со способом ФМ, хотя логические схемы их каналов записи различны.

 

Способ записи с переключением тока для каждой двоичной единицы.

Этот способ получил название способ без возвращения к нулю модифицированный. Каждой записываемой единице здесь соответствует переключение тока в обмотке МГ и, следовательно, перепад остаточной намагниченности на носителе:

1 1 0 1 0 0

t

t

t

t

+Br

-Br

e(t)

+Uогр

-Uогр

UA

СИ

«1»

Таким образом, для записи одного бита информации необходимо не более одного перепада намагниченности, что по сравнению с предыдущими способами позволяет увеличить продольную плотность записи в два раза.

 

Т

УЗп

УЗп

МГ

«1»

 

Логическая организация канала записи проста: она совпадает с логикой работы триггера со счётным входом, к выходам которого подключены два усилителя записи УЗп. Прерывистость сигнала воспроизведения является причиной того, что в этом способе невозможна самосинхронизация, а для выделения сигнала воспроизведения может быть использовано лишь амплитудное детектирование. Канал воспроизведения включает линейный усилитель воспроизведения, двусторонний ограничитель, дизъюнктор и конъюнктор. Работу канала поясняет временная диаграмма.

 

УВ

Огр.

&

МГ

СИ

А

«1»

Временные интервалы между соседними сигналами воспроизведения могут сильно изменяться в зависимости от записываемого кода, что при записи с перекрытиемприводит к нестабильным амплитудным и фазовым искажениям. Ослабить этот недостаток можно, если на записываемые коды наложить некоторые ограничения, например между соседними единицами должно быть не менее d, но не более k нулей. Коды, в которых приняты dk-ограничения, называют dk-кодами. Запись dk-кодов может вестись рассмотренным БВНМ-способом, но с большей плотностью. К тому же при воспроизведении импульсы от единицы могут быть использованы для запуска генератора синхроимпульсов, точность работы которого на протяжённости k переходов воспроизведения обеспечит её правильность. Использование dk-кодов требует дополнительной операции перекодирования исходной информации при записи и обратного перекодирования при воспроизведении. Способы записи с таким перекодированием данных называются способами группового кодирования. На практике числа d и k выбираются равными нескольким единицам.

Очевидно, что групповое кодирование требует заметного усложнения каналов записи и воспроизведения. Однако эти затраты компенсируются значительным ростом характеристик накопителей, в частности обеспечивают почти предельную плотность записи информации (до нескольких сот бит на мм). Известно и много других способов записи информации на магнитный носитель, но они имеют много общего с уже рассмотренными способами.

 

 

Магнитные головки.

К магнитным головкам предъявляются высокие требования по точности изготовления, небольшим габаритам, идентичности характеристик, высокой стойкости рабочих поверхностей, хорошей помехозащищённости.

Материал сердечника МГ должен иметь высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу, высокое удельное электрическое сопротивление для снижения частотных потерь; хорошо обрабатываться, чтобы обеспечить геометрическую форму и малую шероховатость полюсных наконечников. Всему комплексу указанных требований не отвечает ни один известный материал. Поэтому на практике приходится соглашаться на компромиссные решения.

Для изготовления сердечников широко используются ленточный материал (толщиной до 0,02мм) – пермаллои (железо-никелевые сплавы), обладающие высокими магнитными характеристиками. Их недостатки – невысокое электрическое сопротивление, недостаточная твёрдость, снижение магнитных свойств от механических деформаций, которым подвергается материал при обработке. Лучшими механическими свойствами обладает другой ленточный материал – альфенол. Однако он уступает пермаллоям по магнитным характеристикам. Лучшими электрическими характеристиками обладают ферритовые сердечники. Поэтому при высоких частотах записи (10 МГц и выше) используются ферритовые МГ. Хрупкость ферритов, большая абразивность и трудность обработки выдвигают сложные задачи по их изготовлению и использованию.

Одна из сложнейших операций при изготовлении МГ – получение рабочего зазора, величина которого не превышает микрометров. Для его образования может быть использована фольга из бронзы, а в ферритовых МГ – стекло, вводимое в зазор в расплавленном виде.

В накопителях с жёсткими магнитными дисками используются бесконтактные плавающие МГ, обеспечивающие в условиях неизбежного торцевого биения поверхности МД относительно постоянный зазор (неконтакт) между поверхностью МД и полюсными наконечниками МГ величиной 0,2–3 мкм. Для этого МГ устанавливается на несущем элементе НЭ плоской формы.

 

МД

НЭ

a

Fy

FП

Fy

h1

h2

VH

Δ

 

Поверхность МД движется со скоростью V_Н, увлекает за собой воздух и создаёт воздушный поток. Подъёмная сила F_п зависит от скорости воздушного потока V, площади и формы несущего элемента. Например, для простейшей формы НЭ – квадратной пластины и при соблюдении условия h₁=2h₂ подъёмная сила по законам аэродинамики равна

т.е. обратно пропорциональна расстоянию от движущейся поверхности МД до несущего элемента. (ρ – плотность воздуха; С – коэффициент подъёмной силы, зависит от формы НЭ и его положения в потоке.) Чтобы поддержать заданный зазор ∆ сила F_п уравновешивается внешними уравновешивающими силами F_y (например, с помощью пружины). Если вследствие биения МД величина ∆ увеличивается, плавающий элемент оказывается в потоке меньшей скорости, сила F_п уменьшается и уменьшается величина ∆. И наоборот, уменьшение величины ∆ ведёт к увеличению F_п, а следовательно, к подъёму НЭ, т.е. стабилизации величины ∆. Разумеется, малая и стабильная величина ∆ может достигаться лишь при небольших величинах биения МД, высокой чистоте поверхностей МД и НЭ, на котором укреплены одна или несколько МГ.

 

 

Магнитные носители.

В качестве магнитных носителей информации используются магнитные ленты, диски, барабаны, карты. Магнитные ленты обычно изготавливаются на лавсановой основе, толщиной 25÷50 мкм, на которую нанесено магнитное покрытие толщиной 5-12 мкм из ферролака на основе гамма – оксида железа γFe₂O₃ (γ – двухвалентный ион какого – либо металла Cu, Zn, Ni) или двуокиси хрома и полимерных связующих. Концентрация оксида, имеющего игольчатую структуру с величиной частицы не более 1 мкм, составляет 30÷50%.

Типичные магнитные параметры МЛ следующие: остаточная индукция В_r=0,09÷0,14Тл, коэрцитивная сила Нс=22500 А/м, коэффициент прямоугольности 0,7÷0,8.

Традиционное магнитное покрытие магнитных дисков – ферролаковое с толщиной покрытия 0,5÷3 мкм которое имеет следующие параметры: B_r=0,3÷0,5Тл, Нс=(3÷5)·10⁴А/м. Ферролаковое покрытие дисков в последнее время заменяется тонкоплёночными металлическими покрытиями на основе кобальта, никеля и других материалов. Толщина таких покрытий до 30 нм, В_r=1,5 Тл, Н_С= до 12·10⁴ А/м. Гибкие магнитные диски чаще всего изготавливаются на лавсановой основе толщиной 0,12мм, на которую наносится ферролаковое покрытие.