勘察儀器與原理第五章第一節(jié)第二節(jié)ok

勘查儀器原理教師：王旭Email：hfli@

第五章數(shù)據(jù)的記錄與顯示第四章學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)的傳輸,知道了采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C,接下來就該記錄這些數(shù)據(jù).地震數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的作用是將野外采集到的地震數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)母袷骄幣?然后送往數(shù)字磁帶機進行記錄。為了監(jiān)視每張地震記錄的記錄質(zhì)量,及時發(fā)現(xiàn)和糾正影響記錄質(zhì)量的因素,地震儀有一個將磁帶記錄回放顯示的電路系統(tǒng)-----監(jiān)視系統(tǒng),也就是顯示系統(tǒng)。另外,數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)既是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分,也是計算機的重要外設(shè)。隨著數(shù)據(jù)量的增大,現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的存儲器都采用了分級結(jié)構(gòu):速度快,容量小的內(nèi)存儲器；容量大,速度慢的外存儲器。內(nèi)存儲器存儲材料為半導(dǎo)體材料,一般為雙極型,MOS型；外存儲器就是就是我們常見的磁盤、磁帶、活動硬盤、U盤、光盤等,它們的讀寫速度較低,但存儲容量大,造價低,可脫機存儲。本章我們主要學(xué)習(xí)磁記錄原理,磁記錄方式,記錄格式及數(shù)據(jù)回放。第一節(jié)磁記錄原理實驗表明，任何物質(zhì)在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據(jù)物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可粗略地分為三類：

順磁性物質(zhì)抗磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)鐵磁性材料

及其特性：B磁滯回線剩磁矯頑磁力磁滯回線是磁場強度（H）與磁感應(yīng)強度（B）平面上的一條閉合曲線，如左圖所示，它的存在使H和B失去單值對應(yīng)關(guān)系，B的大小不僅與H的即時值有關(guān)，而且與H的變化歷程和歷史有關(guān)。起始磁化曲線當(dāng)外加磁場H由零增加時，鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強度B隨H增加而增加，按0→Bs（圖中藍線）曲線上升。當(dāng)H增加到Hm時，B達到絕對值Bs。此后，即使H再增加，B值也基本不再增加，因此稱Bs為絕對磁感。如果這時減小外加磁場H，B并不沿著原路變化，而沿著另一曲線Bs→Br變化。0Hm

鐵磁性物質(zhì)具有良好的導(dǎo)磁性能，在外加磁場的作用下能產(chǎn)生很強的與外加磁場同向的磁感應(yīng)強度；當(dāng)外加磁場除去后，仍保留磁性——剩磁。

當(dāng)外加磁場H減小到零時，鐵磁體的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到零，而是保留一個剩余磁感應(yīng)強度Br值，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。

當(dāng)B值降到零時的外加磁場強度（Hc）稱為矯頑磁場強度。（簡稱矯頑磁力)硬磁性材料：剩磁和矯頑力都比較大，磁滯回線所圍的面積大。如鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金等。適合作磁帶、磁盤等磁記錄和永久磁鐵。軟磁性材料：易磁化、易退磁。如純鐵，硅鋼坡莫合金，鐵氧體等。適宜制造電磁鐵、變壓器、交流發(fā)電機、繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒、磁頭等。BHoBHo如果規(guī)定用+Br狀態(tài)表示代碼1，-Br狀態(tài)表示代碼0，那么要使磁性材料記憶1，就要加正向脈沖電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶0，則要加負(fù)向脈沖電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個磁化元或存儲元，它是記錄一個二進制信息位的最小單位。

5.1.1磁記錄原理1、記錄介質(zhì)在磁表面存儲器中，信息是記錄在一薄層磁性材料的表面上，這個薄層稱為磁層。磁層與所附著的載體被稱為記錄介質(zhì)或記錄媒體。2、磁頭磁頭是磁記錄設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，它是一種電磁轉(zhuǎn)換元件，能把電脈沖表示的二進制代碼轉(zhuǎn)換成磁記錄介質(zhì)上的磁化狀態(tài)，即電－磁轉(zhuǎn)換；反過來，能把磁記錄介質(zhì)上的磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電脈沖，即磁－電轉(zhuǎn)換。磁頭縫隙通常用玻璃等非磁性材料填充,新研制的磁頭尺寸在30～50nm范圍,是人發(fā)絲寬度的1/2000。前間隙后間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質(zhì)磁頭，軟磁材料導(dǎo)磁率高，飽和磁感應(yīng)強度大矯頑力小，剩余磁感應(yīng)強度小磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時間長輸出信號幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無麻點、薄厚均勻，溫度、濕度影響小3、寫入過程在寫磁頭線圈中通以一定方向的寫電流，于是在磁頭下方的一個局部區(qū)域被磁化，形成一個磁化單元或稱記錄單元。當(dāng)這部分介質(zhì)移出磁頭作用區(qū)后，仍將留下足夠強的剩磁。在寫磁頭中通以正、負(fù)兩個不同方向的寫電流，就會產(chǎn)生兩種不同的剩磁狀態(tài)，正好對應(yīng)二進制信息的“1”和“0”。寫入：局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I

4、讀出過程讀出時，讀出線圈不外加電流。當(dāng)某一磁化單元運動到讀磁頭下方時，使得磁頭中流過的磁通有很大的變化，于是在讀出線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。感應(yīng)電動勢E經(jīng)放大、檢波、限幅、整形和選通后，獲得符合要求的信號。N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出“0”讀出“1”讀出：寫線圈讀線圈載磁體磁層運動方向S-NN-S局部磁化單元在讀寫過程中，記錄介質(zhì)與磁頭之間相對運動，一般是記錄介質(zhì)運動而磁頭不動。工作縫隙磁頭鐵芯磁帶介紹:磁帶存儲信息采用的是離線硬拷貝方式,其存儲信息可靠性高,實踐證明,一盒磁帶上的數(shù)據(jù)可以保存30年以上,容量極大,如428XL所用3592磁帶機,單盒磁帶記錄容量60G,若進行數(shù)據(jù)壓縮,可記錄180G,甚至有的磁帶機達到900G.且,磁帶存儲信息成本最低,標(biāo)準(zhǔn)化程度最高,易于保存，是地震勘探野外常用的存儲介質(zhì)。5.1.2評價磁表面存儲器的主要指標(biāo)1、記錄密度記錄密度是指磁表面存儲器單位長度或單位面積磁層表面所能存儲的二進制信息量。通常以道密度和位密度表示，也可用兩者的乘積面密度來表示。⑴道密度道密度又叫橫向密度，是指垂直于磁道方向上單位長度中的磁道數(shù)目，道密度的單位是道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。磁道指的是磁頭寫入磁場在記錄介質(zhì)表面上形成的磁化軌跡。⑵位密度位密度又叫縱向密度，是指沿磁道方向上單位長度中所能記錄的二進制信息的位數(shù)，位密度的單位為位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。2、存儲容量存儲容量是指整個磁表面存儲器所能存儲的二進制信息的總量，一般用位或字節(jié)為單位表示，它與存儲介質(zhì)尺寸和記錄密度直接相關(guān)。磁表面存儲器的存儲容量有非格式化容量和格式化容量兩種指標(biāo)。非格式化容量是指磁記錄表面上可全部利用的磁化單元數(shù)；格式化容量是指用戶實際可以使用的存儲容量。格式化容量一般約為非格式化容量的60～70％左右。3、平均存取時間當(dāng)磁頭接到讀/寫命令，從原來的位置移動到指定位置，并完成讀/寫操作的時間叫存取時間。對于磁盤存儲器來說，存取時間主要包括兩部分：一部分是指磁頭從原先位置移動到目的磁道所需要的時間，稱為定位時間或找道時間；另一部分是指在到達目的磁道以后，等待被訪問的記錄區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所等待的時間。平均存取時間還應(yīng)當(dāng)包括信息的讀/寫操作時間，但這一時間相對平均找道時間和平均等待時間來說可以忽略不計。所以磁盤的平均存取時間Ta，由平均找道時間Ts和平均等待時間Tw組成：

4、數(shù)據(jù)傳送率磁表面存儲器在單位時間內(nèi)向主機傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳送率Dr，單位為位/秒或字節(jié)/秒。5、誤碼率誤碼率是衡量磁表面存儲器出錯概率的參數(shù)，它等于讀出的出錯信息位數(shù)和讀出總的信息位數(shù)之比。Ta=Ts+Tw=Tsmax+Tsmin2Twmax+Twmin2+6、編碼效率指一次磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所能存儲的數(shù)據(jù)位的個數(shù)?？捎冒俜直葋肀硎?即

編碼效率η=記錄1位/最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)編碼效率越高,說明存儲相同數(shù)據(jù)位時磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的次數(shù)越少。7、自同步能力是指從單個磁道讀出脈沖序列中提取同步時鐘的難易程度。它是衡量編碼性能的重要指標(biāo)。8、帶寬帶寬越窄的碼型抗干擾能力越強,越易于濾波處理,電路易于實現(xiàn)。9、讀出分辨率是讀出可靠性的指標(biāo)。10、信息獨立性讀出時,某一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼不會影響后續(xù)的其它位數(shù)據(jù)的正確性,即誤碼傳輸受限,檢讀時當(dāng)前信息位與前、后狀態(tài)無關(guān)。1）非破壞性讀出。2）記錄信息永久性存儲。3）可多次重寫。4）數(shù)據(jù)的存儲方式可為順序存儲（磁帶），也可為直接存儲方式（磁盤）。5）在機械運動中讀寫，速度較慢。6）記錄密度高、容量大、價格低。5.1.3磁表面存儲器的特點第二節(jié)

磁記錄方式

全稱是數(shù)字磁記錄編碼方式，簡稱磁記錄方式。它是一種編碼方式，指的是按照某種規(guī)律將一連串二進制數(shù)字信息變換成存儲介質(zhì)磁層中的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式，并經(jīng)讀寫控制電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。為什么要進行編碼？是為了提高記錄密度和增加記錄的可靠性。在磁表面存儲器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。5.2.1直接記錄方式當(dāng)記錄密度較低時，可以不編碼，直接按記錄信息的“0”、“1”排序記錄。這類方式有：1、歸零制（RZ）特點：正脈沖電流表示“1”，負(fù)脈沖電流表示“0”；不論記錄“0”或“1”，在記錄下一個信息前，記錄電流恢復(fù)到零電流；簡單易行，記錄密度低，改寫磁層上的記錄比較困難，一般是先去磁后寫入；具有自同步能力（能從磁頭讀出信號中分離并獲得同步信號）。位周期T數(shù)據(jù)序列RZ011100010零電流2、不歸零制（NRZ）在記錄信息時，磁頭線圈里如果沒有正向電流就必有反向電流，而沒有無電流的狀態(tài)，為不歸零制。特點是磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流(代表1)就是反向電流(代表0)，因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。對連續(xù)記錄的“1”和“0”，寫電流的方向是不改變的。無自同步能力。

011100010NRZ的優(yōu)點簡單帶寬利用率高NRZ的缺點存有直流分量缺少同步能力零電流3、見“1”就翻的不歸零制(NRZI)和不歸零制一樣，記錄信息時，磁頭線圈中始終有電流通過。不同之處在于，流過磁頭的電流只有在記錄“1”時變化方向，使磁層磁化方向翻轉(zhuǎn)；記錄“0”時，電流方向不變，磁層保持原來的磁化方向。數(shù)據(jù)序列01001100011

以上各種記錄方式，目前已很少應(yīng)用，但不歸零制是編碼方式的基礎(chǔ)，無論哪一種編碼方式，只要數(shù)據(jù)序列變換成記錄序列之后，均按照NRZ-I制規(guī)則記錄到磁層上。數(shù)據(jù)序列000011111RZNRZNRZ-IT05.2.2按位編碼記錄方式這種記錄方式常用于磁帶機中。1、調(diào)相制(PM)調(diào)相制又稱相位編碼(PE)，它是利用兩個相位相差180°的磁化翻轉(zhuǎn)方向代表數(shù)據(jù)“0”和“1”。位周期TPM111110000記錄數(shù)據(jù)“0”時，規(guī)定磁化翻轉(zhuǎn)的方向由負(fù)變?yōu)檎?；記錄?shù)據(jù)“1”時從正變?yōu)樨?fù)，且每個數(shù)據(jù)位的寫入是在它的中間位置上。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)兩個或兩個以上“1”或“0”時，為了維持上述原則，在位周期起始處也要翻轉(zhuǎn)一次。數(shù)據(jù)序列2、調(diào)頻制(FM)調(diào)頻制的記錄規(guī)則是，記錄“1”時，不僅在位周期的中心產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，而且在位與位之間也必須翻轉(zhuǎn)。記錄“0”時，位周期中心不產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，但位與位之間的邊界處要翻轉(zhuǎn)一次。由于記錄數(shù)據(jù)“1”時磁化翻轉(zhuǎn)的頻率為記錄數(shù)據(jù)“0”時的兩倍，因此又稱“倍頻制”。位周期T數(shù)據(jù)序列FM1011110003、改進調(diào)頻制(MFM)這種記錄方式基本上與調(diào)頻制相同，即記錄數(shù)據(jù)“1”時在位周期中心磁化翻轉(zhuǎn)一次，記錄數(shù)據(jù)“0”時不翻轉(zhuǎn)。區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個或兩個以上“0”時，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)序列位周期TMFM1111100004、改進的改進型調(diào)頻制（M2FM）M2FM制的編碼規(guī)則為：記錄“1”時，寫電流在位周期中間改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄獨立的一個“0”，寫電流不改變方向，不產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄連續(xù)的兩個“0”，寫電流在位周期邊界處改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄連續(xù)兩個以上的“0”，寫電流在前兩個“0”的位周期邊界處改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，以后每隔兩個“0”的位周期邊界處，寫電流再改變一次方向，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)。改進的改進型調(diào)頻制的磁化翻轉(zhuǎn)間距有四種：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，對應(yīng)于四種不同的頻率，所以又稱為四頻制。數(shù)據(jù)序列000011111FMMFMM2FMT0PE常用磁記錄方式波形圖NRZNRZ1PMFMMFM位信息101110001位周期RZ無電流、空白，密度低見變就翻見1就翻在每一位的起點電流都反轉(zhuǎn)只有在連續(xù)多個“0”時，起點電流才反轉(zhuǎn)，密度高。5.2.3成組編碼方式GCR(4/5制)成組編碼的原理是把數(shù)據(jù)序列按幾位編成一組，對應(yīng)每一種組成就有一種記錄序列。GCR(4/5)編碼是把數(shù)據(jù)按4位編成一組，與之對應(yīng)，再變換成5位的記錄序列，一組一組對應(yīng)，每組以及各組記錄連接后的序列中不允許出現(xiàn)兩個以上的連續(xù)0。100000000010000111010110011001011011GCR(4/5)編碼數(shù)據(jù)序列寫入電