第四章 数字磁记录原理
? 模拟磁记录, 需要记忆和存储的信息是随时间连
续变化的，记录介质上留下按一定规律变化的磁
场 。
? 数字磁记录, 被记录的信号是脉冲信号，记录介
质上留下的是一连串等距或不等距的饱和磁化翻
转 。
? 写入过程
媒体的磁化过程
? 读出过程
数据的恢复过程
? 存储过程
? 抹除过程
磁带机：直流抹除
硬盘机：重写覆盖
软盘机：边缘抹除
i
v
4.1 概述
一、磁记录的基本过程
二、磁存储设备的主要技术参数
1,道密度, 沿磁盘径向单位长度的磁道数 (TPI或 TPMM)
GWD t ??
1
WG
信息道
2,位密度, 磁道单位长度上所记录的二进制数的位
数 (bpi或 bpmm)
m i nD
ftD
b ??
f, 数传率 ( b/s )
t, 每转时间 (s)
Dmin, 最内圈磁道直径等位密度记录,
变频法
变速法
3,面密度, 单位面积上所记录的二进制数的位数
( b/in2 或 b/mm2 )
4,存储容量, 存储器所能容纳的二进制数码的总量
( b 或 B )
非格式化容量,
f t m nC d ?
f, 数传率 ( b/s )
t, 每转时间 (s)
m, 记录面数
n, 每面磁道数
5,存取时间,从所在位置到达所需求的某一位置,并
完成写入或读出所需的全部时间,
Ts, 找道时间,平均找道时间 Tsa= (Ts(min) +Ts(max) ) / 2
Tw, 等待时间,平均等待时间 Twa = t / 2
平均存取时间 Ta ≈ Tsa + Twa
Tseek Twait Tread/write
当
前
道
目
标
道
目
标
始
扇
段
读
写
完
毕
6,数传率,单位时间内外存储设备向主存储器传送数
码的位数,
f = Db·V
V, 媒体相对于 R/W头的移动速度
7,误码率,写入一批数据并回读后所检出的错误位数
与这一批数据总位数之比,
软错误：经检错后能纠正的错误
硬错误：经检错后不能纠正的错误
磁盘的原始误码率,10-9 ~ 10-12
光盘的原始误码率,10-5 ~ 10-6
三、磁学基础
1,磁感应强度 B、磁化强度 M和磁场强度 H的关系
B = ? H
在 SI制中 A/m
磁导率（ H／ m）
T（特斯拉）
M = ? H
磁化率
A/m
2、磁滞回线
Mr
Hc H
M
-Hc
-Mr
Ms
-Ms
0
a
b
c
d e
f
重要参数
Hc, 矫顽力
Mr,剩余磁化强度
Ms,饱和磁化强度
S, 矩形比 = Mr / Ms
磁场强度向量沿 一闭合路径的线积分
等于该闭合路径所包围的电流和
3、安培环路定律
?? ? IlH d
4、电磁感应定律
法拉第电磁感应定律：
t
Ne
d
d ???
?,磁通量（ Wb：韦伯）
N,线圈匝数
e,电动势
4.2 写入过程
一、磁头场函数
■ 几点假设
⑴ 磁头铁芯的 ? -> ∞,
⑵ 磁介质的 ? -> 1,
⑶ 无限极尖,
⑷ 磁头前隙内的磁场 （ Hg） 是均匀的,
g
■ 前隙内磁场 Hg
N,线圈匝数 (匝 ).
i, 线圈中的电流 (A).
g, 前隙长度 (m).
Hg,前隙内的磁场 (A/m)
g
i
?? ? IlH d
? ? ???
铁芯 前隙
iNH d lH d l
iNlHlB ??? ?? dd
前隙铁芯 铁芯?
iNgH g ???
gH N i g??
Hg
g
磁力线
Hy
Hx
H
y
x
■ 卡尔奎斯特方程
? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
?
?
?
?
?
? ?
?
?
?
22
22
)2(
)2(
ln
2
,
22
,
ygx
ygxH
yxH
y
gx
a r c t g
y
gx
a r c t g
H
yxH
g
y
g
x
?
?
■ 磁头场分析
g
x
- y/g =0.01
- y/g =0.1
- y/g =0.25
x
Hx
1,垂直磁记录
以 Hy作为磁化场并沿磁道垂直磁化的记录
纵向（水平）磁记录
以 HX作为磁化场并沿磁道纵向磁化的记录
2、沿前隙中心线 (x=0),Hx 最大,且相对它对称,
总为正或负,
3,y/g越小,Hx 变化越快
二、静态写入过程
g
等磁场强度线
Hx = H2
-Mr②② ①③ ③ ④④ Mr
Hx = Hc
Hx = H1
d
t
磁介质纵向磁化区
Mr
Hc
H1
H2 H
M
磁介质磁滞回线
①, Hx > H2,正向饱和磁化 ------- Mr
②, Hc < Hx < H2,反转磁化，但不饱和 ------- < Mr
③, H1 < Hx < Hc,不能反转磁化 ------- < |-Mr |
④, Hx < H1,------- -Mr
? 存在过渡区 (△ x)，
它是限制记录密度的主要因素
dM/dx = (dM/dH)·(dH/dx)
所以，要求
（ 1）磁化强度梯度大 (dM/dH)，
即媒体退磁曲线陡,矩形比大。
（ 2）水平方向磁场强度梯度 (dH/dx)大。
三、动态写入过程
t1 t2
g
v
* 后沿写入：
磁化区边界在后沿,磁化区域的长度主要取决
于磁头前隙边缘磁场后沿的翻转
L = v (t2-t1)
A
B
C
D
四、自退磁现象
H
自退磁场,
磁性体被磁化后，在其内部产生的减退磁化的反作
用磁场。
He= H + Hd
Hd= -NM ( N:自退磁系数）
M= ?He ( ?:磁化率）
+
+
+
-
-
-
Hd
自相一致磁化,
达到磁场与磁化强度互相一致。
介质的剩余磁化强度（ Mr）由 Hd 和介质的磁滞回线决
定 。
* 自退磁现象不仅减退 剩磁，更重要的是扩大了磁化
翻转的过渡区。
Hx M(1) Hd(1)
Hx + Hd(1) M(2) Hd(2)
Hx + Hd(2) M(3) Hd(3)
…
Hx + Hd(n-1) M(n)
五、过渡区长度
求 △ x的目的：评估记录系统可能有的
最大翻转密度及影响密度的因素。
极限密度 = 1/△ x
a
xa r c t gMM
rx ?
2?
选择反正切函数模拟过渡区
的磁化分布：Mx
x/a
△ x/a
Mr
-Mr
a:过渡区参数
? ? ? ? r
axrx M
ax
M
axd
dM
??
2
1
2 0
2
??
??
?ax ???
当介质极薄时（即 t/a<<1),有：
a ≥ 2 t M r/Hc
∴ △ x(min) = 2 ? t Mr/Hc
极限密度 = Hc/(2 ? t Mr )
重要结论,欲提高记录密度，
1.减薄磁层厚度。
2.提高介质矫顽力。
3.减小浮动间隙。
4.采用磁滞回线的矩形比大的材料
5.写电流大小适中，上升时间短。
4.3 读出过程
一、磁头感应电势的表达式
S N N S
根据法拉第电磁感应定律：
?,进入磁头铁芯的磁通量（ Wb)
一般用互易原则来分析感应电势
w, 磁道宽度（ cm); d, 头盘间距（ cm);
t, 磁层厚度（ cm);
x, 过渡区中心至磁头前隙中心线的距离（ cm);
g -> 0：
二、读出波形的半幅宽度
S N N S
x
e
p50
p
emax
emax/2
半幅宽度 （ p50 ）：
最大幅度一半处的波形宽度
底宽 （ p ), emax /10 处的波形宽度
当 x=0 时,e 有最大值：
（ 1） g→0 时
二、读出波形的半幅宽度
S N N S
x
e
p50
p
emax
emax/2
而 a ≥ 2 t M r/Hc
结论,
?减薄介质厚度
?减小头盘间距
?增大介质的磁特性 (即增加 Hc/Mr)
可使半幅宽度小,波形变窄,从而提
高记录密度,
（ 2） t→0 时
结论,
? 减小前隙长度
可使半幅宽度小,波形变窄,从而提高记录密度,
+
为提高记录密度，应使半幅宽度小，同时读出信号幅值
保持一定,影响因素有,
（ 1）浮动间隙 d, d 越大,p50 越大,波形展宽,另外,
进入磁头的磁通量越少,emax 减小,
------ d 应尽量小
（ 2）介质厚度 t, t 越薄,p50 越小,波形变窄，
t较厚时,emax增大，但过渡区加大
------ t 应小 ( 采用磁性能好的薄膜介质,
使磁层减薄后仍有一定的读出幅度）
（ 3）前隙长度 g,减小 g,p50 减小，波形变窄，
读出时磁头前隙损失减小，故 emax增大；但前隙磁阻
变小，磁头效率降低。
----- 合理选择 g
三、脉冲拥挤效应
磁盘上实际记录的是一连串信息，相互会产生影
响而引起脉冲拥挤效应这一重要现象。
分析脉冲拥挤效应时，采用线性迭加法。
1、当两相邻磁化翻转相隔较远时（即 Tb ? Tp)
Mr-Mr -Mr
Tb
Tp
两波形底部重叠很少，
故相互影响很小,
无脉冲拥挤效应。
(1) 读出信号幅度彼此削弱：
------ 峰值减小
(2) 波峰间距离偏大：
------ 峰点偏移
2、当两相邻磁化翻转相隔较近时（即 Tb ＜ Tp)
(1)两侧波形 峰值减小 较少，中间 峰值减小 较多；
(2)中间峰点位置不变，两侧峰点向外偏移。
3、三个相隔较近的等距离磁化翻转
(1)峰值均减小
(2)中间连续部分峰点位置不变，
首尾两峰点向外偏移。
4、一连串相隔较近的等距离磁化翻转
峰点偏移由脉冲两侧的增加或削弱作用的不平衡引
起，最大峰点偏移发生在增加与削弱作用最不平衡
处。
5、三个相隔较近的不等距离磁化翻转
脉冲拥挤效应
因增加磁化翻转密度导致的读出信号幅度衰
减和峰点偏移现象。
在磁盘机中，读电路大多一般采用 峰点鉴别法,
所以，在读 /写电路中，采用相应的 预补偿,
以减小脉冲拥挤效应带来的峰点偏移。
4.4 数字磁记录编码
将一连串数码为 1,0的二进制信号变成磁介质中
相对应的磁化翻转的过程。
一、早期的非编码记录方式
直接将原始的二进制数据序列写在磁介质上。
1,归零制（ RZ）
i
非磁化状态
1 0 1 1 0 特点：
介质有未被磁化的长度，
故记录密度很低。
2,不 归零制（ NRZ）
1 0 1 1 0i 特点：
去掉了未被磁化的空白
区，提高了记录密度。
但读出时很困难，须加
入固定的同步时钟以判
断,1/0”的个数。同步
时钟
有两种同步方式：
（ 1）外同步：固定的专用时钟。
（ 2）内同步（自同步）：在编码中加入同步时钟。?
研究磁记录编码的目的：
（ 1）不断提高记录密度。
即以较少的区域记录更多的数据。
（ 2）合理提高自同步能力，以便读出数据。
编码记录方式的几个概念：
数据序列：实际要记录的二进制数据串。
记录序列：编码后的二进制数据串。包含数据位和时钟位
时钟位：同步信号
位单元：编码后包括数据位和时钟位的一个单元，时钟位处
于开始，数据位处于正中。
3、见,1”就翻的不归零制（ NRZ1）
规则, (1) 记录, 1”时,电流方向发生变化,引起磁化翻转 ;
(2) 记录, 0”时,电流方向不发生变化,不引起磁化翻
转,
1 1 0 1 0 0 1
i
t
和 NRZ比：减少了磁化翻转次数。
是后来的编码记录方式的基础。
二、几种常用的编码方式
1,FM (调频制 )
编码规则, (1)记录, 1”时,在位单元中心写入一个脉冲 ;
记录, 0”时,在位单元中心无脉冲。
(2) 在每个位单元开头写入一个时钟脉冲,
1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
数据
脉冲
时钟
脉冲
记录
脉冲
1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
翻转规则,
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 位元开始的边界处均产生磁化翻转,
特点,
?读出数据时有固定的自同步时钟 ;
?磁化翻转次数多,限定了系统的存储密度,
2,MFM (改进调频制 )
编码规则,
(1) 同 FM;
(2) 在当前位单元及它之前的位单元数据位都为 0 时，
则在当前位单元的开始处写时钟位,
1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
数据
脉冲
时钟
脉冲
记录
脉冲
0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
翻转规则,
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 只有出现连续两个, 0” 时，
才在位元开始的边界处产 生磁化翻转,
特点,
?磁化翻转次数少,记录密度是 FM 的 2 倍,
?连续, 0”时有自同步时钟,有较强的自同步能力,
3,M2FM (改进的改进调频制 )
编码规则, (1) 同 MFM ;
(2) 在连续两个及以上位单元数据位都为 0 时，
则在前两个位单元的边界处写时钟位,以后每隔
两个 位单元的边界处再写时钟位。
1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 数据序列
T0
0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
记录
脉冲
翻转规则：
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 连续两个以上, 0” 时，最前面两个, 0”
的位元交界处产 生磁化翻转，以后每隔两个, 0”
的边界处产 生磁化翻转,
MFM
M2FM
1.5T0
1 1 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
T0
1.5T0 2.5T0
MFM, Tw时钟 = 0.5T0,Tw数据 = 0.5T0
M2FM, Tw时钟 = 0.4T0,Tw数据 = 0.6T0
特点,
?时钟脉冲比 MFM的间隔时间长,时钟脉冲的峰点偏
移比 MFM小,故可对数据脉冲设置较大的检读窗宽,
?最大峰点偏移比 MFM大,
1 0 0 0 1 1 0数据序列
T0
2.5T0 T0
M2FM
峰偏最严重
4,GCR (成组编码 )
GCR（ 4/5）,
把数据序列的每四位一组，按变换规则变成五位记录序列。
规则：
变换后的记录序列中不能出现连续 3个及以上的 0，
而变换后的记录序列仍按 NRZ1方式写入。
P272 表 4.1
磁化翻转波形图
1 0 0 0 0 0 1 0 数据序列
1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 记录序列
5,3PM (三位调制码 ), 3-Position Modulation
把数据序列的每 3位一组，按变换规则变成 6位记录序列。
约束条件：
两个, 1”之间至少含有 2个, 0”，最多含有 11个, 0”
磁化翻转波形图
0 1 0 1 1 0 1 0 1 数据序列
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 记录序列
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
6,(1,7)RLL码
约束条件,
两个, 1”之间至少含有 1 个, 0”，最多含有 7 个
,0”
数据字 记录字
01 *00
10 010
11 *01
0001 *00001
0010 *00000
0011 010001
0000 010000
(1,7)码变换规则
*, 前一记录序列中最末一位的反码
当数据序列为 (01),(10),(11) 时,即
(Ｄ 0·Ｄ 1 ) = 0,按２－３变换,
当数据序列为 (00) 时,即
(Ｄ 0·Ｄ 1 ) = 1,按 4－ 6变换,
7,(2,7)RLL码
约束条件,
两个, 1”之间至少含有 2 个, 0”，最多含有 7 个
,0”
数据字 记录字
11 1000
10 0100
011 001000
010 100100
000 000100
0011 00001000
0010 00100100
(2,7)码变换规则
假设送来的写入数据为 1001100001010001，分别画出
采用 FM,MFM和 M2FM制编码方式的磁化翻转波形图
三,RLLC( Run Length Limited Code)
游程长度受限码
FM,10001－ > 1110101011
MFM,1010001 － > 01000100101001
n个, １, 或, ０, 构成的数据串，称为长度为 n的游
程。
RLLC的结构参数有５个 (d,k,m,n,r)
d,相邻, 1” 之间, ０, 的最少个数；
k：相邻, 1” 之间, ０, 的最多个数；
m：编码前数据序列的码长；（ m>=1)
m=1:按位编码 m>1:按组编码
n,编码后记录序列的码长；（ n>=m)
r：变换所取码长的种数。
r=1:固定长度码 r>1:可变长度码
d k m n r
FM 0 1 1 2 1
MFM 1 3 1 2 1
(1,7)RLLC 1 7 2 3 2
(2,7)RLLC 2 7 2 4 3
四、评价编码的主要指标
1,编码效率
指一次磁化翻转所存储数据信息的位数。
= (d+1) mn
FM,50%
MFM,100%
(1,7),133%
(2,7),150%
2,自同步能力
指从一条磁道上的读出脉冲序列中提取同步时钟脉
冲的难易程度。
自同步能力好，可抵消各种误差因素对读出信号的
影响，提高数据的可靠性。
判别方法,用磁化翻转间隔比（Ｐ），Ｐ要小
FM,2
MFM,2
(1,7),4
(2,7),2.67
最大磁化翻转间隔
最小磁化翻转间隔Ｐ ＝
= k+1d+1
3,读出分辨力
指读出波形峰点的偏移量。
用检读窗宽来衡量（ Tw）,Tw大，则分辨力高。
FM,T０ / 2
MFM,T０ / 2
(1,7),2 T０ / 3
(2,7),T０ / 2
Tw = T omn
T0, 编码前数据序列的周期
4,信道带宽
指记录信息的频率范围。
△ f小,带宽窄,“0”和,1”的信息频率接近,抗干扰能力强
△ f = - = ( - )1T
min
1
Tmax
n
mT0
1
d+1
1
k+1
5,编码变换比
R = m/n <=1
R大,抗干扰能力强
6,可靠性
指抗噪声的能力。
游程长度未受限码 － > 游程长度受限码
按位编码 － > 按组编码 － > 可变长度固定变比
总结,
(1) 围绕着提高自同步能力，编码效率，扩大检读
窗口，减窄频带宽度，减少峰偏等方面不断发展。
(2） R大,M大,P小的编码在给定的信道中能获得最
高的 Db
4.5 垂直磁记录
一,纵向磁记录在进一步提高密度时的困难
记录区长度 L = Le+△ x
而 △ x ∝ t, Mr / Hc
(1)提高 Hc,先后采用了 ?-Fe2 O3,Cr O2,掺 Co 的 ?-
Fe2 O3,金属。
(2) 降低 Mr 。 不可取，因会造成低的 S/N。
(3) 减小 t。 减到一定程度，会加宽过渡区，同时，均
匀性的破坏和每位信息对应的剩余磁通量减小，是
S/N降低。
（ 4）减小 g。
一方面存在着制造工艺上的困难，另一方面，磁
化介质的能力低。
（ 5）缩短记录波长（ ?）
?
间隔损失 Ld = 54.6 ·d / ?
?
二、垂直磁记录的特点
?
? 磁化垂直于介质平面和介质的运动方向
? 随着记录密度的提高，退磁场反而减小
? 过渡区相互吸引且极小
+ +
+ -
+-
过渡区磁荷
孤立的磁化反转
高密度磁化反转
两种模式的特征对比
纵向 垂直
三、实现垂直磁记录的重要条件
1,垂直磁记录磁头 ––– 单极型磁头
获得垂直磁化场,其垂直分量与环形头的水平分
量等效,
主磁极
辅助磁极
2,垂直磁记录介质, 垂直于表面的单轴各向异性
? 模拟磁记录, 需要记忆和存储的信息是随时间连
续变化的，记录介质上留下按一定规律变化的磁
场 。
? 数字磁记录, 被记录的信号是脉冲信号，记录介
质上留下的是一连串等距或不等距的饱和磁化翻
转 。
? 写入过程
媒体的磁化过程
? 读出过程
数据的恢复过程
? 存储过程
? 抹除过程
磁带机：直流抹除
硬盘机：重写覆盖
软盘机：边缘抹除
i
v
4.1 概述
一、磁记录的基本过程
二、磁存储设备的主要技术参数
1,道密度, 沿磁盘径向单位长度的磁道数 (TPI或 TPMM)
GWD t ??
1
WG
信息道
2,位密度, 磁道单位长度上所记录的二进制数的位
数 (bpi或 bpmm)
m i nD
ftD
b ??
f, 数传率 ( b/s )
t, 每转时间 (s)
Dmin, 最内圈磁道直径等位密度记录,
变频法
变速法
3,面密度, 单位面积上所记录的二进制数的位数
( b/in2 或 b/mm2 )
4,存储容量, 存储器所能容纳的二进制数码的总量
( b 或 B )
非格式化容量,
f t m nC d ?
f, 数传率 ( b/s )
t, 每转时间 (s)
m, 记录面数
n, 每面磁道数
5,存取时间,从所在位置到达所需求的某一位置,并
完成写入或读出所需的全部时间,
Ts, 找道时间,平均找道时间 Tsa= (Ts(min) +Ts(max) ) / 2
Tw, 等待时间,平均等待时间 Twa = t / 2
平均存取时间 Ta ≈ Tsa + Twa
Tseek Twait Tread/write
当
前
道
目
标
道
目
标
始
扇
段
读
写
完
毕
6,数传率,单位时间内外存储设备向主存储器传送数
码的位数,
f = Db·V
V, 媒体相对于 R/W头的移动速度
7,误码率,写入一批数据并回读后所检出的错误位数
与这一批数据总位数之比,
软错误：经检错后能纠正的错误
硬错误：经检错后不能纠正的错误
磁盘的原始误码率,10-9 ~ 10-12
光盘的原始误码率,10-5 ~ 10-6
三、磁学基础
1,磁感应强度 B、磁化强度 M和磁场强度 H的关系
B = ? H
在 SI制中 A/m
磁导率（ H／ m）
T（特斯拉）
M = ? H
磁化率
A/m
2、磁滞回线
Mr
Hc H
M
-Hc
-Mr
Ms
-Ms
0
a
b
c
d e
f
重要参数
Hc, 矫顽力
Mr,剩余磁化强度
Ms,饱和磁化强度
S, 矩形比 = Mr / Ms
磁场强度向量沿 一闭合路径的线积分
等于该闭合路径所包围的电流和
3、安培环路定律
?? ? IlH d
4、电磁感应定律
法拉第电磁感应定律：
t
Ne
d
d ???
?,磁通量（ Wb：韦伯）
N,线圈匝数
e,电动势
4.2 写入过程
一、磁头场函数
■ 几点假设
⑴ 磁头铁芯的 ? -> ∞,
⑵ 磁介质的 ? -> 1,
⑶ 无限极尖,
⑷ 磁头前隙内的磁场 （ Hg） 是均匀的,
g
■ 前隙内磁场 Hg
N,线圈匝数 (匝 ).
i, 线圈中的电流 (A).
g, 前隙长度 (m).
Hg,前隙内的磁场 (A/m)
g
i
?? ? IlH d
? ? ???
铁芯 前隙
iNH d lH d l
iNlHlB ??? ?? dd
前隙铁芯 铁芯?
iNgH g ???
gH N i g??
Hg
g
磁力线
Hy
Hx
H
y
x
■ 卡尔奎斯特方程
? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
?
?
?
?
?
? ?
?
?
?
22
22
)2(
)2(
ln
2
,
22
,
ygx
ygxH
yxH
y
gx
a r c t g
y
gx
a r c t g
H
yxH
g
y
g
x
?
?
■ 磁头场分析
g
x
- y/g =0.01
- y/g =0.1
- y/g =0.25
x
Hx
1,垂直磁记录
以 Hy作为磁化场并沿磁道垂直磁化的记录
纵向（水平）磁记录
以 HX作为磁化场并沿磁道纵向磁化的记录
2、沿前隙中心线 (x=0),Hx 最大,且相对它对称,
总为正或负,
3,y/g越小,Hx 变化越快
二、静态写入过程
g
等磁场强度线
Hx = H2
-Mr②② ①③ ③ ④④ Mr
Hx = Hc
Hx = H1
d
t
磁介质纵向磁化区
Mr
Hc
H1
H2 H
M
磁介质磁滞回线
①, Hx > H2,正向饱和磁化 ------- Mr
②, Hc < Hx < H2,反转磁化，但不饱和 ------- < Mr
③, H1 < Hx < Hc,不能反转磁化 ------- < |-Mr |
④, Hx < H1,------- -Mr
? 存在过渡区 (△ x)，
它是限制记录密度的主要因素
dM/dx = (dM/dH)·(dH/dx)
所以，要求
（ 1）磁化强度梯度大 (dM/dH)，
即媒体退磁曲线陡,矩形比大。
（ 2）水平方向磁场强度梯度 (dH/dx)大。
三、动态写入过程
t1 t2
g
v
* 后沿写入：
磁化区边界在后沿,磁化区域的长度主要取决
于磁头前隙边缘磁场后沿的翻转
L = v (t2-t1)
A
B
C
D
四、自退磁现象
H
自退磁场,
磁性体被磁化后，在其内部产生的减退磁化的反作
用磁场。
He= H + Hd
Hd= -NM ( N:自退磁系数）
M= ?He ( ?:磁化率）
+
+
+
-
-
-
Hd
自相一致磁化,
达到磁场与磁化强度互相一致。
介质的剩余磁化强度（ Mr）由 Hd 和介质的磁滞回线决
定 。
* 自退磁现象不仅减退 剩磁，更重要的是扩大了磁化
翻转的过渡区。
Hx M(1) Hd(1)
Hx + Hd(1) M(2) Hd(2)
Hx + Hd(2) M(3) Hd(3)
…
Hx + Hd(n-1) M(n)
五、过渡区长度
求 △ x的目的：评估记录系统可能有的
最大翻转密度及影响密度的因素。
极限密度 = 1/△ x
a
xa r c t gMM
rx ?
2?
选择反正切函数模拟过渡区
的磁化分布：Mx
x/a
△ x/a
Mr
-Mr
a:过渡区参数
? ? ? ? r
axrx M
ax
M
axd
dM
??
2
1
2 0
2
??
??
?ax ???
当介质极薄时（即 t/a<<1),有：
a ≥ 2 t M r/Hc
∴ △ x(min) = 2 ? t Mr/Hc
极限密度 = Hc/(2 ? t Mr )
重要结论,欲提高记录密度，
1.减薄磁层厚度。
2.提高介质矫顽力。
3.减小浮动间隙。
4.采用磁滞回线的矩形比大的材料
5.写电流大小适中，上升时间短。
4.3 读出过程
一、磁头感应电势的表达式
S N N S
根据法拉第电磁感应定律：
?,进入磁头铁芯的磁通量（ Wb)
一般用互易原则来分析感应电势
w, 磁道宽度（ cm); d, 头盘间距（ cm);
t, 磁层厚度（ cm);
x, 过渡区中心至磁头前隙中心线的距离（ cm);
g -> 0：
二、读出波形的半幅宽度
S N N S
x
e
p50
p
emax
emax/2
半幅宽度 （ p50 ）：
最大幅度一半处的波形宽度
底宽 （ p ), emax /10 处的波形宽度
当 x=0 时,e 有最大值：
（ 1） g→0 时
二、读出波形的半幅宽度
S N N S
x
e
p50
p
emax
emax/2
而 a ≥ 2 t M r/Hc
结论,
?减薄介质厚度
?减小头盘间距
?增大介质的磁特性 (即增加 Hc/Mr)
可使半幅宽度小,波形变窄,从而提
高记录密度,
（ 2） t→0 时
结论,
? 减小前隙长度
可使半幅宽度小,波形变窄,从而提高记录密度,
+
为提高记录密度，应使半幅宽度小，同时读出信号幅值
保持一定,影响因素有,
（ 1）浮动间隙 d, d 越大,p50 越大,波形展宽,另外,
进入磁头的磁通量越少,emax 减小,
------ d 应尽量小
（ 2）介质厚度 t, t 越薄,p50 越小,波形变窄，
t较厚时,emax增大，但过渡区加大
------ t 应小 ( 采用磁性能好的薄膜介质,
使磁层减薄后仍有一定的读出幅度）
（ 3）前隙长度 g,减小 g,p50 减小，波形变窄，
读出时磁头前隙损失减小，故 emax增大；但前隙磁阻
变小，磁头效率降低。
----- 合理选择 g
三、脉冲拥挤效应
磁盘上实际记录的是一连串信息，相互会产生影
响而引起脉冲拥挤效应这一重要现象。
分析脉冲拥挤效应时，采用线性迭加法。
1、当两相邻磁化翻转相隔较远时（即 Tb ? Tp)
Mr-Mr -Mr
Tb
Tp
两波形底部重叠很少，
故相互影响很小,
无脉冲拥挤效应。
(1) 读出信号幅度彼此削弱：
------ 峰值减小
(2) 波峰间距离偏大：
------ 峰点偏移
2、当两相邻磁化翻转相隔较近时（即 Tb ＜ Tp)
(1)两侧波形 峰值减小 较少，中间 峰值减小 较多；
(2)中间峰点位置不变，两侧峰点向外偏移。
3、三个相隔较近的等距离磁化翻转
(1)峰值均减小
(2)中间连续部分峰点位置不变，
首尾两峰点向外偏移。
4、一连串相隔较近的等距离磁化翻转
峰点偏移由脉冲两侧的增加或削弱作用的不平衡引
起，最大峰点偏移发生在增加与削弱作用最不平衡
处。
5、三个相隔较近的不等距离磁化翻转
脉冲拥挤效应
因增加磁化翻转密度导致的读出信号幅度衰
减和峰点偏移现象。
在磁盘机中，读电路大多一般采用 峰点鉴别法,
所以，在读 /写电路中，采用相应的 预补偿,
以减小脉冲拥挤效应带来的峰点偏移。
4.4 数字磁记录编码
将一连串数码为 1,0的二进制信号变成磁介质中
相对应的磁化翻转的过程。
一、早期的非编码记录方式
直接将原始的二进制数据序列写在磁介质上。
1,归零制（ RZ）
i
非磁化状态
1 0 1 1 0 特点：
介质有未被磁化的长度，
故记录密度很低。
2,不 归零制（ NRZ）
1 0 1 1 0i 特点：
去掉了未被磁化的空白
区，提高了记录密度。
但读出时很困难，须加
入固定的同步时钟以判
断,1/0”的个数。同步
时钟
有两种同步方式：
（ 1）外同步：固定的专用时钟。
（ 2）内同步（自同步）：在编码中加入同步时钟。?
研究磁记录编码的目的：
（ 1）不断提高记录密度。
即以较少的区域记录更多的数据。
（ 2）合理提高自同步能力，以便读出数据。
编码记录方式的几个概念：
数据序列：实际要记录的二进制数据串。
记录序列：编码后的二进制数据串。包含数据位和时钟位
时钟位：同步信号
位单元：编码后包括数据位和时钟位的一个单元，时钟位处
于开始，数据位处于正中。
3、见,1”就翻的不归零制（ NRZ1）
规则, (1) 记录, 1”时,电流方向发生变化,引起磁化翻转 ;
(2) 记录, 0”时,电流方向不发生变化,不引起磁化翻
转,
1 1 0 1 0 0 1
i
t
和 NRZ比：减少了磁化翻转次数。
是后来的编码记录方式的基础。
二、几种常用的编码方式
1,FM (调频制 )
编码规则, (1)记录, 1”时,在位单元中心写入一个脉冲 ;
记录, 0”时,在位单元中心无脉冲。
(2) 在每个位单元开头写入一个时钟脉冲,
1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
数据
脉冲
时钟
脉冲
记录
脉冲
1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
翻转规则,
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 位元开始的边界处均产生磁化翻转,
特点,
?读出数据时有固定的自同步时钟 ;
?磁化翻转次数多,限定了系统的存储密度,
2,MFM (改进调频制 )
编码规则,
(1) 同 FM;
(2) 在当前位单元及它之前的位单元数据位都为 0 时，
则在当前位单元的开始处写时钟位,
1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
数据
脉冲
时钟
脉冲
记录
脉冲
0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
翻转规则,
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 只有出现连续两个, 0” 时，
才在位元开始的边界处产 生磁化翻转,
特点,
?磁化翻转次数少,记录密度是 FM 的 2 倍,
?连续, 0”时有自同步时钟,有较强的自同步能力,
3,M2FM (改进的改进调频制 )
编码规则, (1) 同 MFM ;
(2) 在连续两个及以上位单元数据位都为 0 时，
则在前两个位单元的边界处写时钟位,以后每隔
两个 位单元的边界处再写时钟位。
1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 数据序列
T0
0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 记录序列
i
t
写入
电流
磁化
状态
记录
脉冲
翻转规则：
(1) 记录, 1” 时,位元中心产生磁化翻转，
,0,, 不 ;
(2) 连续两个以上, 0” 时，最前面两个, 0”
的位元交界处产 生磁化翻转，以后每隔两个, 0”
的边界处产 生磁化翻转,
MFM
M2FM
1.5T0
1 1 0 1 0 0 0 1 数据序列
T0
T0
1.5T0 2.5T0
MFM, Tw时钟 = 0.5T0,Tw数据 = 0.5T0
M2FM, Tw时钟 = 0.4T0,Tw数据 = 0.6T0
特点,
?时钟脉冲比 MFM的间隔时间长,时钟脉冲的峰点偏
移比 MFM小,故可对数据脉冲设置较大的检读窗宽,
?最大峰点偏移比 MFM大,
1 0 0 0 1 1 0数据序列
T0
2.5T0 T0
M2FM
峰偏最严重
4,GCR (成组编码 )
GCR（ 4/5）,
把数据序列的每四位一组，按变换规则变成五位记录序列。
规则：
变换后的记录序列中不能出现连续 3个及以上的 0，
而变换后的记录序列仍按 NRZ1方式写入。
P272 表 4.1
磁化翻转波形图
1 0 0 0 0 0 1 0 数据序列
1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 记录序列
5,3PM (三位调制码 ), 3-Position Modulation
把数据序列的每 3位一组，按变换规则变成 6位记录序列。
约束条件：
两个, 1”之间至少含有 2个, 0”，最多含有 11个, 0”
磁化翻转波形图
0 1 0 1 1 0 1 0 1 数据序列
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 记录序列
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
6,(1,7)RLL码
约束条件,
两个, 1”之间至少含有 1 个, 0”，最多含有 7 个
,0”
数据字 记录字
01 *00
10 010
11 *01
0001 *00001
0010 *00000
0011 010001
0000 010000
(1,7)码变换规则
*, 前一记录序列中最末一位的反码
当数据序列为 (01),(10),(11) 时,即
(Ｄ 0·Ｄ 1 ) = 0,按２－３变换,
当数据序列为 (00) 时,即
(Ｄ 0·Ｄ 1 ) = 1,按 4－ 6变换,
7,(2,7)RLL码
约束条件,
两个, 1”之间至少含有 2 个, 0”，最多含有 7 个
,0”
数据字 记录字
11 1000
10 0100
011 001000
010 100100
000 000100
0011 00001000
0010 00100100
(2,7)码变换规则
假设送来的写入数据为 1001100001010001，分别画出
采用 FM,MFM和 M2FM制编码方式的磁化翻转波形图
三,RLLC( Run Length Limited Code)
游程长度受限码
FM,10001－ > 1110101011
MFM,1010001 － > 01000100101001
n个, １, 或, ０, 构成的数据串，称为长度为 n的游
程。
RLLC的结构参数有５个 (d,k,m,n,r)
d,相邻, 1” 之间, ０, 的最少个数；
k：相邻, 1” 之间, ０, 的最多个数；
m：编码前数据序列的码长；（ m>=1)
m=1:按位编码 m>1:按组编码
n,编码后记录序列的码长；（ n>=m)
r：变换所取码长的种数。
r=1:固定长度码 r>1:可变长度码
d k m n r
FM 0 1 1 2 1
MFM 1 3 1 2 1
(1,7)RLLC 1 7 2 3 2
(2,7)RLLC 2 7 2 4 3
四、评价编码的主要指标
1,编码效率
指一次磁化翻转所存储数据信息的位数。
= (d+1) mn
FM,50%
MFM,100%
(1,7),133%
(2,7),150%
2,自同步能力
指从一条磁道上的读出脉冲序列中提取同步时钟脉
冲的难易程度。
自同步能力好，可抵消各种误差因素对读出信号的
影响，提高数据的可靠性。
判别方法,用磁化翻转间隔比（Ｐ），Ｐ要小
FM,2
MFM,2
(1,7),4
(2,7),2.67
最大磁化翻转间隔
最小磁化翻转间隔Ｐ ＝
= k+1d+1
3,读出分辨力
指读出波形峰点的偏移量。
用检读窗宽来衡量（ Tw）,Tw大，则分辨力高。
FM,T０ / 2
MFM,T０ / 2
(1,7),2 T０ / 3
(2,7),T０ / 2
Tw = T omn
T0, 编码前数据序列的周期
4,信道带宽
指记录信息的频率范围。
△ f小,带宽窄,“0”和,1”的信息频率接近,抗干扰能力强
△ f = - = ( - )1T
min
1
Tmax
n
mT0
1
d+1
1
k+1
5,编码变换比
R = m/n <=1
R大,抗干扰能力强
6,可靠性
指抗噪声的能力。
游程长度未受限码 － > 游程长度受限码
按位编码 － > 按组编码 － > 可变长度固定变比
总结,
(1) 围绕着提高自同步能力，编码效率，扩大检读
窗口，减窄频带宽度，减少峰偏等方面不断发展。
(2） R大,M大,P小的编码在给定的信道中能获得最
高的 Db
4.5 垂直磁记录
一,纵向磁记录在进一步提高密度时的困难
记录区长度 L = Le+△ x
而 △ x ∝ t, Mr / Hc
(1)提高 Hc,先后采用了 ?-Fe2 O3,Cr O2,掺 Co 的 ?-
Fe2 O3,金属。
(2) 降低 Mr 。 不可取，因会造成低的 S/N。
(3) 减小 t。 减到一定程度，会加宽过渡区，同时，均
匀性的破坏和每位信息对应的剩余磁通量减小，是
S/N降低。
（ 4）减小 g。
一方面存在着制造工艺上的困难，另一方面，磁
化介质的能力低。
（ 5）缩短记录波长（ ?）
?
间隔损失 Ld = 54.6 ·d / ?
?
二、垂直磁记录的特点
?
? 磁化垂直于介质平面和介质的运动方向
? 随着记录密度的提高，退磁场反而减小
? 过渡区相互吸引且极小
+ +
+ -
+-
过渡区磁荷
孤立的磁化反转
高密度磁化反转
两种模式的特征对比
纵向 垂直
三、实现垂直磁记录的重要条件
1,垂直磁记录磁头 ––– 单极型磁头
获得垂直磁化场,其垂直分量与环形头的水平分
量等效,
主磁极
辅助磁极
2,垂直磁记录介质, 垂直于表面的单轴各向异性
