用于硬盘缺陷区域检测和分类的基于频率的方法

摘要

本公开涉及用于硬盘缺陷区域检测和分类的基于频率的方法。在硬盘驱动器读取通道中，通过对相应于例如存储在硬盘上的2T数据模式的信号值(诸如ADC或均衡器输出值)应用变换，诸如离散傅立叶变换(DFT)，产生两个不同数据频率(例如，2T和DC)的基于频率的测量。使用基于频率的测量检测硬盘上的缺陷区域和/或将缺陷区域分类为是由热粗糙(TA)或下降介质缺陷(MD)产生的。

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请的主题内容涉及提交于12/28/05的美国专利申请11/319,319和提交于04/29/08的美国专利申请12/111,255的主题内容，通过引用将这两者的教导完整结合在此。

技术领域

本发明涉及硬盘驱动器，并且更具体地，涉及用于检测硬盘驱动器内的缺陷区域，并且对缺陷区域相应于热粗糙(thermal asperity)缺陷还是介质缺陷进行分类的技术。

背景技术

本节介绍可以帮助便于更好地理解本发明的方面。因此，可以据此阅读本节的叙述，并且不应被理解为关于什么是现有技术以及什么不是现有技术的承认。

硬盘驱动器的理想硬盘具有极其平整的数据存储表面，并且具有极其均匀的材料组成。然而实际上硬盘不是极其平整的，并且具有变动的材料组成。作为这种情况的结果，以及出于制造原因，硬盘上可能存在不同类型的缺陷。恢复从缺陷区域读取的数据可能是困难的，并且困难程度取决于缺陷类型。在下降(drop-out)类型的缺陷区域中，模拟读取头输出信号的振幅显著低于相对平整并且具有相对均匀的材料组成的正常区域的读取头输出信号振幅。如果由处理读取头输出信号的电子设备适当放大并且调节读取头输出信号，则写在这种缺陷区域上的数据可能被恢复。在本文档内，将这种下降类型的缺陷称为“介质缺陷”(MD)。希望确定硬盘上MD区域的位置，从而可以正确处理从这些MD区域读取的信号，以便正确恢复数据。

硬盘区域的表面状况有时是如此不同，从而由于盘上存在的微观粗糙度，当读取头被放置在旋转硬盘的一些区域上时，读取头与这些区域形成物理接触。由于读取头和变动的硬盘之间的物理接触所产生的摩擦热，这些区域被称为热粗糙(TA)区域。希望确定硬盘上的TA区域的位置，从而在数据写和数据读操作期间可以避开这些区域，以便防止读取头的损坏。

当前和老式硬盘驱动器使用MR(磁阻)读取头或GMR(巨磁阻)读取头。对于这些读取头，相应于MD区域的读取头输出信号具有显著小于正常区域的信号振幅的振幅，而由于TA效应导致的基线偏移，相应于TA区域的读取头输出信号具有显著大于正常区域的信号振幅的振幅。由此，可以通过寻找低于正常信号振幅的区域，在采用MR/GMR读取头的硬盘驱动器的硬盘上定位MD区域；而可以通过寻找与正常信号振幅相比信号基线显著增加的区域，定位硬盘上的TA区域。

较新的硬盘驱动器采用TMR(隧穿MR)读取头。对于TMR读取头，TA区域可能被误认为是MD区域，这是由于相应于MD区域和TA区域两者的读取头输出信号具有显著小于正常区域的信号振幅的振幅。由此，不能为采用TMR读取头的硬盘驱动器使用用于检测和分类采用MR/GMR读取头的硬盘驱动器的MD区域和TA区域的传统信号处理技术。

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种用于检测或分类硬盘上的缺陷区域的以机器实现的方法。接收与存储在硬盘上的具有第一数据频率的数据模式的数据相对应的信号值。产生与第一数据频率相对应的第一测量，并且产生与不同于第一数据频率的第二数据频率相对应的第二测量。基于第一测量和第二测量，检测或分类缺陷区域。

在另一个实施例中，本发明是一种用于硬盘的读取通道。该读取通道包括：(1)被配置为产生相应于存储在硬盘上的数据的模拟信号的模拟电路，(2)被配置为将模拟信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)，和(3)被配置为从数字信号产生恢复数据的数字电路。该数字电路包括处理器，被配置为：(a)接收与存储在硬盘上的具有第一数据频率的数据模式的数据相对应的信号值，(b)产生与第一数据频率相对应的第一测量，(c)产生与不同于第一数据频率的第二数据频率相对应的第二测量，和(d)基于第一测量和第二测量，检测或分类硬盘上的缺陷区域。

附图说明

根据下面的详细描述、所附的权利要求和附图，可以更全面地明了本发明的其它方面、特征和优点，在附图中类似的附图标记指示类似或相同的元件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的采用隧穿磁阻(TMR)读取头的硬盘驱动器的读取通道的高阶方框图；

图2示出了根据本发明的一种可能实现的图1的MD/TA检测和分类(D&C)子系统的高阶方框图；

图3示出了图1和2的MD/TA D&C子系统的更详细的方框图；和

图4示出了图3的DFT块的一种可能硬件实现。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的采用隧穿磁阻(TMR)读取头的硬盘驱动器的读取通道100的高阶方框图。读取通道100的(常规)主信号处理路径从TMR读取头(未示出)接收模拟读取头输出信号105，并且输出二值(硬判决)输出数据信号145。

如图1所示，读取通道100包括前置放大器110、模拟前端(AFE)120、模数转换器(ADC)130和数字后端(DBE)140。前置放大器110放大并且调节读取头输出信号105，以便确保信号振幅和频率分量在AFE 120的指定处理范围内，AFE 120进一步放大和调节来自前置放大器110的预放大信号115。ADC 130数字化AFE输出信号129，以便产生多比特数字信号X(由ADC输出样本x[n]构成)，来由产生二进制输出数据信号145的DBE 140进行数字信号处理。

如图1所示，AFE 120包括高通滤波器122、可变增益放大器124、磁阻不对称(MRA)补偿模块126和连续时间低通滤波器128，而DBE 140包括部分响应(PR)均衡器142和软(例如，维特比(Viterbi))检测器144。本发明特别关注，PR均衡器142从ADC130接收数字化ADC输出信号X，并且产生多比特均衡信号Y(由均衡器输出样本y[n]构成)，软检测器144处理该信号以便产生二进制输出数据信号145。PR均衡器142可以但不必需被实现为数字有限脉冲响应(DFIR)滤波器。

另外，TMR读取通道100包括介质缺陷(MD)/热粗糙(TA)检测和分类子系统150，其接收和处理来自DBE140的信号147，以便检测硬盘上缺陷区域的位置，并且将每个检测到的缺陷区域分类为MD区域或TA区域，在信号155中表示这种信息。在一种实现中，信号147是由ADC130产生的ADC输出信号X。在另一种实现中，信号147是由PR均衡器142产生的均衡信号Y。

图2示出了根据本发明的一种可能实现的图1的MD/TA检测和分类(D&C)子系统150的高阶方框图。在这种特定实现中，D&C子系统150处理图1的信号X的ADC输出样本x[n]，以便检测和分类硬盘上的缺陷区域。具体地，D&C子系统150包括缺陷检测器202和缺陷分类器204，缺陷检测器202处理ADC输出样本x[n]，以便检测缺陷区域的位置和持续时间(duration)，缺陷分类器204处理由缺陷检测器202产生的统计信息，以便将每个检测到的缺陷区域分类为MD区域或TA区域。

图3示出了图1和2的MD/TA D&C子系统150的更详细的方框图。如图3所示，图2的缺陷检测器202包括离散傅立叶变换(DFT)块302、移动平均(MA)滤波器304、均值产生器308和310、标量乘法器312和314、以及检测块306，而图2的缺陷分类器204包括均值产生器316、标量乘法器318和分类块320。

为了执行MD/TA检测和分类，使用具有2MT周期的固定MT数据模式将数据写至硬盘，其中M是整数，并且T是1比特的持续时间。例如，在一种实现中，M＝2并且具有4T周期的相应2T数据模式(例如，[11001100...])被写到硬盘。在其它实现中，M可以是2之外的值。DFT块302对ADC输出样本x[n]并行执行两个不同DFT函数，以便产生两个不同的DFT输出样本W[n]和Z[n]，其中DFT输出样本W[n]相应于MT数据频率，并且DFT输出样本Z[n]相应于不同于MT数据频率的数据频率。例如，在硬盘驱动器数据具有2T数据模式的一种可能实现中，如下面等式(1)和(2)给出的，DFT输出样本W[n]基于2T数据频率，并且DFT输出样本Z[n]基于DC(即，0)数据频率。

W[n]＝sqrt{|x[n-4]-x[n-2]+x[n]-x[n+2]|^2+|x[n-3]-x[n-1]+x[n+1]-x[n+3]|^2}  (1)

Z[n]＝|x[n-4]+x[n-3]+x[n-2]+x[n-1]+x[n]+x[n+1]+x[n+2]+x[n+3]|              (2)

为了简化硬件实现，在一种可能实现中，2T频率的DFT样本W[n]的计算可被简化为以下面的等式(3)给出的形式：

W[n]＝|x[n-4]-x[n-2]+x[n]-x[n+2]|+|x[n-3]-x[n-1]+x[n+1]-x[n+3]|            (3)

本领域的技术人员将理解，可以替换地使用等式(1)和(2)所示的8个样本集合之外的ADC输出样本x[n]集合产生DFT输出样本W[n]和Z[n]，并且可以使用少于或多于8个样本计算这些DFT样本。

另外，DFT输出样本Z[n]可以基于DC数据频率之外的数据频率。

图4示出了图3的DFT块302的一种可能硬件实现。注意，由于等式(1)和(2)使用样本x[n]之前和之后的ADC输出样本x[i]，相应于输入样本x[n]的图4所示的DFT输出样本是W[n-3]和Z[n-3]。

再次参考图3，移动平均(MA)滤波器304分别根据下面的等式(4)和(5)产生DFT输出样本W[n]和Z[n]的局部平均W_m[n]和Z_m[n]：

$>W_m\left[n\right]=\underset{i=0}{\overset{N_1-1}{\Sigma }}W[n-i]---\left(4\right)$>

$>Z_m\left[n\right]=\underset{i=0}{\overset{N_1-1}{\Sigma }}Z[n-i]---\left(5\right)$>

其中N₁是一个适合的数，诸如4或8。注意，出于计算效率的考虑，由于和未被除以N₁，所以局部平均W_m[n]和Z_m[n]是比例平均(scaled average)。

均值产生器308根据下面的等式(6)产生无缺陷平均W_m，d：

W_m，d←W_m，d+γ(W_m[n]-W_m，d)    (6)

其中等式(6)使用的局部平均W_m[n]相应于无缺陷区域。类似地，均值产生器310根据下面的等式(7)产生无缺陷平均Z_m，d：

Z_m，d←Z_m，d+γ(Z_m[n]-Z_m，d)    (7)

其中等式(7)使用的局部平均Z_m[n]相应于无缺陷区域。注意，仅为硬盘的正常(即，无缺陷)区域更新等式(6)和(7)中的无缺陷平均W_m，d和Z_m，d。权重因子γ被设置为小于1的适合值，并且通常接近0(例如，＜0.1)。在一个实现中，权重因子γ是0.05。使用适合的种子值初始化无缺陷平均W_m，d和Z_m，d，在一种可能的实现中，它们分别为400和10。可以使用来自实际硬盘驱动器的数据，通过模拟确定这些和其它参数的精确值。为了支持高数据速率操作，可以每4比特进行对无缺陷平均W_m，d和Z_m，d的更新，与等式(6)和(7)中描述的每个比特进行更新的全速率实现相比，导致四分之一速率的实现。

标量乘法器312和314分别以指定的比例因子α₁和α₃按比例调整无缺陷平均W_m，d和Z_m，d。

得到的按比例调整后的无缺陷平均α₁W_m，d和α₃Z_m，d以及局部平均W_m[n]和Z_m[n]被应用于检测块306，检测块306根据下面的等式(8)产生二值检测标记D[n]：

>

其中0＜α₁＜1并且α₃＞1。换言之，如果等式(8)的第一行指出的两个条件中的任意一个为真，则检测到缺陷区域(即，D[n]＝1)。否则，如果这两个条件中的任意一个都不满足，则未检测到缺陷区域(即，D[n]＝0)。在一种实现中，比例因子α₁和α₃分别被设置为0.5和5.0。

对于正常(即，无缺陷)区域，2T DFT分量的局部平均W_m[n]大体上等于该分量的无缺陷平均W_m，d，并且类似地，DC DFT分量的局部平均Z_m[n]大体上等于该分量的无缺陷平均Z_m，d。由此，对于正常区域，等式(8)中的任意一个不等式都不满足。在另一方面，对于缺陷区域(即，MD区域或TMR-TA区域)，2T DFT分量的局部平均W_m[n]比该分量的无缺陷平均W_m，d小得多，而DC DFT分量的局部平均Z_m[n]可以或可以不比该分量的无缺陷平均Z_m，d大得多。在相应于TMR-TA的缺陷区域内，DC DFT分量强度将大于无缺陷区域的DC DFT分量强度，这是由于与信号频谱仅包含2T频率的无缺陷区域相比，TA的出现导致具有更宽频谱的回读信号。由此，对于缺陷区域，将满足等式(8)中的至少一个不等式。另外，如果使用这种MD/TA检测器处理来自GMR头的信号，其中TA表现为信号基线的显著偏移，则在包含GMR-TA的缺陷区域中将满足等式(8)中的第二个不等式，而可以或可以不满足第一个不等式。

当以检测块306检测缺陷区域时，缺陷分类器204的均值产生器316开始分别根据下面的等式(9)和(10)产生缺陷平均W_m，c和Z_m，c：

W_m，c＝W_m[n]+W_m[n+1]+…+W_m[n+L_m-1]      (9)

Z_m，c[n]＝Z_m[n]+Z_m[n+1]+…+Z_m[n+L_m-1]  (10)

其中：

对于i＝0，1，...L_m-1，n使得D[n+i]＝1，

L_m＝min{L_d，L_max}，L_max＝64，并且

L_d是以比特数表示的检测到的缺陷的长度。

取决于实现方便性，数量L_max可被设置为固定长度诸如64，或它可被设置为等于总缺陷长度L_d。

标量乘法器318以指定的比例因子α₂按比例调整缺陷平均W_m，c。分类块320根据下面的等式(11)产生二值分类标记C[n]：

$>C=\left(\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(Z_{m,c}<{\alpha }_2·W_{m,c})\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right)---\left(11\right)$>

其中0＜α₂＜1。具体地，C＝1暗示着缺陷区域是MD区域，并且C＝0暗示缺陷区域是TA区域。在一种实现中，比例因子α₂被设置为0.2。

对于MD区域，由于下降类型MD主要表现为信号衰减，所以2T DFT分量的平均W_m，c大于DC DFT分量的平均Z_m，c。由此，对于MD区域，满足等式(11)中的不等式。在另一方面，对于TA区域，由于由TA引入的DC频率分量的存在，所以2T DFT分量的平均W_m，c将小于DC DFT分量的平均Z_m，c。由此，对于TA区域，将不满足等式(11)中的不等式。在TMR-TA区域中，2T DFT分量将被下降效应衰减，并且DC DFT分量被增强，而在GMR-TA区域中，DC DFT分量被强基线偏移显著增强。

在MD/TA D&C子系统150的一种可能实现中，当一个缺陷区域的末端和下一个缺陷区域的开始之间的间隙小于指定的距离间隔时，则这两个缺陷区域和介于中间的正常区域被合并为一个组合缺陷区域以便进行分类处理，其中组合缺陷区域的范围从第一个缺陷区域的开始到第二个缺陷区域的末端。

虽然已经在用于TMR(隧穿磁阻)读取头的读取通道的上下文中描述了本发明，本领域的技术人员将明了，可以在其它类型的读取头的上下文中实现本发明。

虽然已经在DFT处理的上下文中描述了本发明，还可以使用其它基于频率的变换实现本发明。

本发明可被实现为基于(模拟、数字或模拟和数字两种的混合体)电路的处理，包括作为单个集成电路(诸如ASIC或FPGA)、多芯片模块、单卡或多卡电路组的可能实现。如本领域的技术人员将明了的，电路元件的各种功能还可被实现为软件程序中的处理块。这种软件可被用于例如数字信号处理器、微控制器或通用计算机。

本发明可被表达为用于实现这些方法的方法和装置的形式。还可以用具体化在有形介质内的程序代码的形式实施本发明，所述有形介质诸如磁记录介质、光记录介质、固态存储器、软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、或任意其它机器可读的存储介质，其中当由诸如计算机的机器加载并且执行该程序代码时，该机器成为实现本发明的装置。本发明还可被实施为，例如，存储在存储介质上或由机器加载和/或执行的程序代码的形式，其中当诸如计算机的机器加载并且执行该程序代码时，该机器成为实现本发明的装置。当被在通用处理器上实现时，程序代码段结合处理器提供类似于特定逻辑电路那样操作的独特设备。

除非另有明确说明，每个数值和范围应被解释为近似于该值或范围前面有词语“大约”或“近似”的情况。

还应当理解，本领域的技术人员可以对为了解释本发明的性质而描述和示出的细节、材料和部件布置进行各种修改，而不脱离下面的权利要求表述的本发明的范围。

权利要求中使用附图标号和/或附图参考标记旨在标识提出的主题内容的一个或更多个可能实施例，以便辅助解释权利要求。这种使用不被解释为将这些权利要求的范围必然地限制为在相应附图中示出的实施例。

应当理解，此处提出的示例方法的步骤不必需要以描述的顺序执行，并且这些方法的步骤顺序应被理解为仅是例子。类似地，这些方法中可以包括附加步骤，并且在与本发明的各种实施例一致的方法中可以忽略或组合一些步骤。

虽然以具有相应标记的特定序列表述下面权利要求中的元素(如果有的话)，但是除非权利要求的表述另有暗示用于实现一些或全部这些元素的特定序列，这些元素不必需旨在局限于被以该特定序列实现。

此处提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中在各处出现短语“在一个实施例中”不必然指相同实施例，不同的或替换实施例也不必然与其它实施例相互排斥。这同样适用于术语“实现”。