CN102103866A - 在伺服模式中具有多用途字段的信息存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例在包括所选择的数学性质的编码位序列的综合伺服字段中实现关于存储器件的一些或所有主要伺服子功能。综合伺服字段由多个编码序列构成，这些编码序列为所选择的序列组的成员，所选择的序列组被约束来优选地提供下列功能中的某些或全部：伺服磁道标志(STM)、定位误差信号(PES)和位置信息(诸如磁道-ID)。附加地约束序列在伺服楔子的并列来增加读出信号中的邻近序列的基值的可检测性。综合伺服字段可以通过为邻近序列读出信号的幅度，提供与数据磁道的中心相关的定位误差信号(PES)。

Description

在伺服模式中具有多用途字段的信息存储器件
技术领域
本发明总体涉及信息存储系统，更特别地涉及记录盘上的伺服模式和在盘旋转的同时选择性地将换能器(磁头)定位在盘的磁道之上的伺服定位系统。
背景技术
硬盘驱动器(HDD)具有在其上放置了铁磁性薄材料的一个或多个盘。记录在盘上的信息通常组织在同心磁道中。作为制造过程的一部分，在盘上记录永久伺服信息，以当盘在操作期间正在旋转时向系统提供关于磁头的定位的信息。盘上的伺服数据提供几种基本功能，并被典型地安排在沿磁道方向依次布置的四个截然不同的字段中。首先，它在伺服字段内供应用于同步数据的定时标志(称为伺服磁道标志(Servo Track Mark，STM)或伺服地址标志(Servo Address Mark，SAM))，也在盘的数据部分中提供用于写入和读出操作的定时信息。其次，伺服区域供应10-30位数字字段，其提供粗略(coarse)磁道-ID(TID)号和附加信息，以识别物理伺服扇区号。一般按照存在或不存在已记录双位以Gray码写TID。在寻道操作期间，当磁头正在跨越磁道时，磁头一般可以只读出每一个TID中的一部分Gray码。将Gray码构造成TID片段实质上(in effect)可以从邻近磁道组合而成，以在寻道期间给出近似磁道位置。
最后，伺服字段供应定位误差字段，其提供小数磁道定位误差信号(Position Error Signal，PES)。有时也使用诸如幅度度量或可重复偏离(repeatablerun-out，RRO)字段之类的辅助功能。在读出或写入操作期间，驱动器的伺服控制系统使用记录在盘面上的PES伺服信息作为反馈，以将磁头保持在目标数据磁道之上大致居中的位置中。将典型PES模式称为四脉冲串模式(quad-burst pattern)，在该模式下脉冲串(burst)是高频磁通量转变(highfrequency magnetic flux transition)的等同组。不像磁道-ID(TID)字段号，PES脉冲串不编码数值信息(numerical information)。与TID相反，它是脉冲串的定位，其提供关于磁头相对于磁道的中心线的地方的信息。对每个四个磁道组重复四脉冲串模式，因此仅仅提供局部信息。每个伺服楔子(wedge)具有为PES脉冲串保留的四个(A，B，C，D)连续隙(slot)。每个磁道在四个隙的仅仅一个隙中具有居中的PES脉冲串。每个脉冲串居中在所选磁道上，但其宽度延伸到邻近磁道的中心线。因此，当磁头居中在所选磁道之上时，它将从居中在所选磁道上的脉冲串中检测最强的信号，但也将从邻近磁道上的脉冲串中检测较弱的信号。例如，当磁头居中在具有在A-定位中的脉冲串的磁道之上时，它也可以检测右邻近磁道上的后续弱B-脉冲串，然后检测来自左邻近磁道的弱D-脉冲串。当磁头经过(pass)PES模式之上时，处于范围内的脉冲串生成指示磁头在盘之上的定位并用作反馈来调节磁头的定位的模拟信号(波形)。以上所述的标准四脉冲串模式的变型包括使用由Serrano等人在美国专利6078445中描述的、两个常规的以双频(dual frequency)散置(intersperse)的单频、四脉冲串伺服模式，双脉冲串伺服模式。
由于整个行业相对微弱的变化，自允许将数字信号处理技术应用到伺服问题的PRML记录技术出现以来，这些伺服功能中的每一种的实现一直保持相对不变。这些功能中的每一种在现有伺服系统一般都消耗伺服楔子的一个相对独立的部分。
在磁盘上支持这些功能的开销在驱动器的格式效率方面是一个很大的因素。一般来说，伺服字段可以消耗盘的记录面在5％到10％之间。由于磁性的面密度磁增益(areal density gains in the magnetic)和数据信号处理组件变成越来越难达到，伺服开销减少变成了越来越吸引人的目标，而减轻需要的面密度目标是达到特别的HDD容量点。与现有系统相比，这里描述的发明提供伺服开销方面的显著减少。
授予Bandic等人的美国专利6,967,808描述了一种伺服模式，其具有用于控制记录磁头的定位的伺服信息的伪随机二元序列。第一伪随机二元序列(PRBS)和等同于第一PRBS但被移位第一PRBS的周期的一部分的第二PRBS位于伺服模式的第一区域中的交替磁道(alternating track)中的磁道边界之间以及沿磁道与第一区域隔开的第二区域中的交替磁道中的磁道中心之间。本发明的伺服解码器具有两个相关器，每一个PRBS用一个。当其PRBS重复时，每个相关器输出双脉冲。双脉冲的幅度的差异表示磁头定位信号。双脉冲也控制用于由磁头读回的信号的放大器以及磁道-ID(TID)检测器的定时。现有技术中的AGC、STM和PES字段用伪随机二元序列(PRBS)字段代替。使用产生更小字段并且比用于Gray码的现有技术的双位编码方法更有效的不归零(NRZ)编码，编码不包括在PRBS的TID字段两次。也使用NRZ编码写入PRBS字段。第一TID字段位于两个PRBS字段之间。在所描述的优选实施例中，通过采用一个PRBS和循环地移位了其周期的一部分(最好约其周期的一半)的相同PRBS来形成这两个PRBS序列。这种循环移位指的是，当将原始序列输入到与已移位序列匹配的相关器时，将在具有等于约一半序列长度的宽度的窗口之上没有任何输出，反之亦然。在滞后值(lag value)的这个范围之上，将这两个序列说成是正交的。一个序列(PRBS1)被称为A/C序列，因为它编码A-脉冲串和C-脉冲串PES功能两者。另一个序列(PRBS2)被称为B/D序列，因为它编码B-脉冲串和D-脉冲串PES功能两者。
涉及的现有技术包括授予Coker等人的美国专利7,193,800，其描述了使用用于PES和基本TID检测目的的特殊伪噪声(PN)或伪随机序列字段。将现有技术中的AGC、STM、TID和PES字段用一对伪随机二元序列(PRBS)字段代替。伺服磁道中的两个PRBS字段相同，但邻近磁道中的PRBS字段不同。一组交替磁道使用作为具有优良自相关性质的伪噪声序列的前导(leading)伪随机二元序列(PRBS)和从该前导PRBS循环移位而来的后续PRBS。与第一组交织的第二组交替磁道也具有前导PRBS和从该前导PRBS循环移位而来的后续PRBS，但在第二组中的每一个磁道中的前导PRBS与在第一组的磁道中的前导PRBS沿磁道(along-the-track)偏离。磁头定位控制系统使用前导PRBS生成伺服定时标志(STM)，使用循环移位生成磁道-ID(TID)，并使用来自邻近磁道的后续PRBS生成磁头定位误差信号(PES)。交替(alternating)磁道(例如，奇伺服磁道)中的第一PRBS字段与其他磁道(即，偶伺服磁道)中的第一PRBS字段偏离。伺服磁道上的第一或前导PRBS字段用作STM。STM提供用于为第二PRBS字段开窗口的基准，用于编码TID和PES两者。由于第一PRBS字段和第二PRBS字段之间的循环移位而以圆周相位关系(circumferential phase relationship)编码TID。前导和后续PRBS之间的循环移位在径向上以关于每一磁道的固定增量增加，以便每一个磁道中的前导和后续PRBS之间的循环移位的长度表示TID。当读出磁头在径向上跨过邻近伺服磁道时，从来自不同伺服磁道的第二或后续PRBS字段的相对基值(relativecontribution)导出PES。根据两个邻近磁道中的后续PRBS的检测的、双脉冲的幅度的差异表示发送到盘驱动器传动机构的PES，以将磁头保持在磁道上。
公开的Blaum等人的美国专利申请20090168227描述了分布磁道-ID的方法，在其中磁道-ID的第一和第二部分被物理地分开在盘扇区中。使用Gray码编码磁道-ID的每个部分。
关于对HDD的应用也可以拟定根据无线通信技术的理论构思(诸如码分多址(CDMA))，但HDD的问题强加了很不同的约束，并且需要实质上不同的序列组。CDMA是扩展频谱技术，其允许在给定频带上同时共存多个用户的可变数据流。CDMA分配惟一码给每个用户的数据流，以区分其与其他流。用在CDMA和其他高级无线通信技术中的序列类型使用正交序列组，这些正交序列组在循环扩展和非零相对滞后时间下保持它们的正交性。这些组在文字上被不同地称为松散同步组(loosely-synchronous set)或零相关带组(zerocorrelation zone set)。
发明内容
本发明的一个实施例在包括具有所选数学性质的编码位的序列的综合伺服字段中，实现存储器件的一些或所有主要伺服子功能。像现有技术中那样，综合伺服字段可以周期地以具有可变用户数据的伺服楔子安排在盘上，该可变用户数据正在被记录在伺服楔子之间。综合伺服字段由多个编码序列组成，所述多个编码序列作为被约束来优选提供以下功能中的一些或所有的所选序列组的成员：伺服磁道标志(STM)、定位误差信号(PES)和定位信息(诸如磁道-ID)。额外地约束在伺服楔子中的序列的并列(juxtaposition)以增加读出信号中邻近序列的基值的可检测性。综合伺服字段通过为邻近序列读出信号的幅度，提供相对于数据磁道的中心的定位误差信号(PES)。
在一个实施例中，每个综合伺服字段由作为其一半与数据磁道一样宽的序列组成。在另一个实施例中，每个综合伺服字段由每个与数据磁道一样宽的序列组成，并且这些序列以至少一个序列偏离数据磁道中心线该数据磁道的宽度的一半、一前一后地(tandem)被写入。
数学上约束所述序列组，使得综合字段优选提供基本伺服功能如下：
1.每个序列可以优选充当伺服磁道标志(STM)。所述组中的每个序列具有足够的非周期自相关性质，使得最佳匹配滤波器的输出给出明确的位置信息。
2.将序列以伺服楔子中的模式安排来编码数字位置信息(诸如磁道和扇区ID(位置标识符))。准许的序列组合被映射到整数组，其提供数字定位信息。
3.从在STM的时间上出现在磁头信号中的邻近(正交磁道(cross-track))序列相对幅度确定PES。
受益于让在读出信号中一次出现一个以上的序列(消息)，以上约束(2)实质上不同于其他数字信令技术(诸如标准正交消息信令)。这种数字技术也允许使用序列的相对幅度的PES的连续(“模拟”)估计。像布局在盘上那样，选择邻近序列(在正交磁道方向上)为数学上正交，即，它们的点积为零。
一个实施例包括HDD专有约束，以与来自高级无线通信方法的相对标准序列组相比，产生在HDD应用中特别有用和有效的新颖的序列组。产生的序列组一般允许在读出信道中滤波器的产生组的很有效的实现，并产生对伺服写入器相位误差、DC磁头信号移位和最重要类型的磁头非线性性不敏感的系统。
在替代实施例中，跨越多个伺服楔子分布位置标识符(诸如磁道-ID)。这种实施例通过限制支持HDD的全行程(full stroke)所需要的序列的数量，极大地改善了系统的实现效率。本发明的一些实施例使用将在所选数量的相邻伺服楔子中检测到序列映射到盘上的磁头的整体位置的方法。在本发明的方法中，很多这样的映射是可能的。例如，一个实施例使用基于中国剩余定理的映射。
附图说明
图1A是在根据本发明的盘上的邻近综合伺服字段的实施例的说明。
图1B是在根据本发明的盘上的一前一后/偏移排列(tandem/offsetarrangement)中的综合伺服字段的实施例的说明。
图1C是根据本发明的、用在具有冗余前导和结尾位的综合伺服字段中的扩展序列的实施例的说明。
图2示出根据本发明的、具有τ＝1的长度为8的四个二元、相互准同步序列组。
图3示出根据本发明的、九个精确无DC长度为12的序列的六个序列组。
图4是说明图3的C’组中的9个序列的准同步性质的图。
图5说明关于本发明的分布磁道-ID实施例中的伺服楔子的样本盘模式。
图6说明关于使用中国剩余定理编码的本发明的4-楔子分布磁道-ID实施例的盘模式。
图7是关于使用中国剩余定理编码的本发明的4-楔子分布磁道-ID实施例的序列循环的示例。
图8说明根据本发明的实施例的示例滤波器堆(bank)。
图9说明根据本发明的实施例的关于9-序列滤波器堆和二序列输入的滤波器输出。
图10是说明根据本发明的实施例的伺服系统的方块图。
图11是说明根据本发明的盘驱动系统的方块图。
具体实施方式
与现有技术的伺服系统相比，本发明的优点是每个伺服楔子的尺寸要求明显减少。一些实验表明，5到10倍的减少是可能的。该系统在减少伺服写入器的固有相位误差和频率要求的同时，也保持尺寸优点。
由于本发明使用具有多功能的单一综合伺服字段，因此它比现有技术的方法更有效。本发明是在基本上仅仅可工作为多半具有1位STM或磁道-ID、于是仅仅使用特殊序列类型(伪噪声(PN)或伪随机序列之一)的PES字段的现有技术的方法之上的改进。本发明允许包括多个有效磁道-ID(TID)位和全序列组而不是现有技术的单一的正相反地使用的序列的方案。
将以四个主要节来描述本发明的构思。首先将描述用在本发明中的基本序列和序列组的实施例。序列组和对应的滤波器组实质上指定了伺服磁道标志(STM)功能。其次，将描述用于在盘上以可以编码数字定位信息(诸如磁道或扇区ID)和PES的方式安排这样的序列组的方法。第三，描述用于跨越多个伺服楔子分布和合并数字位置信息的方法。最后，讨论本发明的检测和信号处理方面。
本发明的基本构成模块是从其构建综合伺服字段的基本序列组的设计。序列在伺服楔子中的排列编码所希望的数字位置信息(诸如磁道和扇区号)，同时也供应模拟PES用于小数(fractional)磁道定位。
图11是说明根据本发明的实施例的信息存储系统(盘驱动器)110的方块图。该盘驱动器包括以传统方式安排的数据记录盘15、传动臂113和读出磁头112。写入磁头(未示出)以及读出磁头也将包括在同一封装中。该盘驱动器还包括伺服系统90、读出/写入电子装置114、接口电子装置115、控制器电子装置116、微处理器117和RAM 118。基本系统组成总的来说是根据这里描述的现有技术的构思。盘驱动器可以包括多个盘，这些盘堆叠在由盘马达旋转的轴(hub)上，并且每个盘的每个面有一个单独的磁头。
术语伺服楔子120将用于指在盘上综合伺服字段从ID扩展到OD的临近组。像在现有技术中那样，根据本发明的盘15典型地具有径向地跨越盘安排的多个伺服楔子120，但仅仅示出了两个。
图1A是根据本发明的盘15上的综合伺服字段11的实施例的说明。仅仅示出了两个数据磁道的一小部分。成千条磁道典型地出现在HDD中的盘上。数据磁道的宽度是由HDD中的磁头(未示出)写入的数据的宽度。磁头的有效读出宽度可能稍微小于写入宽度。正如以下将描述的那样，在这个说明中仅仅示出了四个序列(A-D)，但实际实施例会包括更大数量的序列。在这个实施例中，编码序列A-D的宽度是数据磁道宽度的一半。序列A-D最好作为制造过程的一部分由伺服写入器写入。序列A-D的宽度相当于伺服磁道间距(pitch)。
因此，这个示例中的读出磁头的有效读出宽度约等于或稍微小于2个编码序列的组合宽度。因此，读出信号将需要包括来自至少两个编码序列的基值。选择序列并安排在盘上，以便于读出信号中的邻近序列基值的解码。磁道N的综合伺服字段由作为所选序列组的成员的编码序列A和B构成。类似地，磁道N+1的综合伺服字段由作为所选序列组的成员的编码序列C和D构成。
图1B是根据本发明的盘15上的综合伺服字段11T的替代实施例的说明。在这个实施例中，编码序列A-D的宽度等于数据磁道宽度。磁道N的序列A和B以序列B被偏移数据磁道的宽度的一半的方式一前一后地写入。
图1C是可以用在上述实施例中的任何一个的扩展序列12的实施例的说明。扩展序列12由以下将详细描述的方法确定的位B0至Bi的序列13组成。也示出可选的前导和结尾冗余位13L和13T，它们分别是B0和Bi的副本。因此，前导冗余位13L是序列13中的最后位Bi的副本。结尾冗余位13T是序列13中的第一位B0的副本。代表序列13的循环扩展的替代实施例将被称为扩展序列。由于以下描述的特殊序列性质，附加冗余位改善了序列的可检测性。
序列组
虽然以下描述的特殊优选实施例对特别用于HDD应用的序列组施加几个约束，但本发明的其他实施例不需要包括这些约束。对于HDD应用，适合所描述的实施例的约束如下：
1、序列组中的每个序列必须是在磁介质中可写入的，否则可存储的。双极二元(Bipolar binary)(+1，-1)序列匹配用于传统记录的这种约束。单极二元(1，0)序列适合于通常考虑到位模式记录(Bit-Patterned Recording，BPR)或离散磁道记录(Discrete Track Recording，DTR)下的DC-磁伺服写入系统。为什么序列必须是二元没有基本原理，因此它们在原理上能够被做成三元甚至实数值。例如，根据二元和单极选项的组合，实施例可以包括三元(+1，0，-1)序列。这里描述的特殊实施例和示例使用双极二元约束。
2、像记录在盘上那样，该组中的每个序列应该相当无DC，也就是说，应该避免极端的位序列。每个序列最好相加起来约为零。这种性质在读出通道硬件的匹配滤波器检测堆中降低了对垂直磁记录系统或AC耦极(couplingpole)中的低频问题的灵敏度，并消除了臂电子装置(AE)和通道电子装置中的静态DC偏移问题。
3、像布局在盘上那样，将邻近序列(在正交磁道方向)选择为正交，即，它们的点积为零。这意味着与这些序列对应的分析匹配滤波器不相互干扰。这允许使用读出通道硬件中的滤波器将所希望的序列与出现在读出信号中的其他序列分开出来。这个约束与标准正交序列组的约束之间的重要区别是，仅仅在盘上邻近的这些序列必须是需要相互正交的，也就是说，序列组可以包含不相互正交的成员。约束(1)和(3)的组合意味着确实只有一半序列元素(位)逐磁道地改变，这限制了PES主控的正交磁道转变噪声。最后，(2)和(3)的组合意味着次要(second-order)磁头非线性性不影响分析滤波器输出。
4、将盘上的邻近序列约束成在循环扩展下正交，并且时间移位达到将被称为“τ”的所选参数。这种性质将被称为准同步性质(plesiosynchronousproperty)。准同步性质将用作松散同步的同义词，而准同步序列组是“零相关带”序列组。
这种性质提供了对在伺服写入过程中的相位误差的不敏感度，改善了每个序列关于STM目的的自相关性质，并且在检测电子装置中作为信号处理检查是有用的。
本领域普通技术人员将注意到，对这些约束细节的显而易见的改变可能导致在本发明的范围内的其他类型的序列组。
一旦选择了序列中的位数，以上列出的4个约束的应用就产生新颖的一族序列组，其可以通过穷举计算机搜索以直接(straightforward)方式找到。具有8位长度的四个最简单的这种组(被括在括号中)示出在图2中。这些序列不是严格无DC的(DC-free)，但每个序列具有至少2位反号，以便序列相加达到最大+/-4。图2示出具有τ＝1长度为8的四个二元、相互准同步的序列组。在图2的序列组的特殊情况下，该组中的所有序列相互正交，并且在1单位的循环移位下保持正交。每个序列关于所有其他序列移位一个单元。通过反转序列中的每一个位值来获得正相反序列。由于每个组的正相反序列是可使用的，所以存在总共8个序列可用在这个示例的综合伺服字段中。这一点将在下面更详细地讨论。
Figure BSA00000363380100091
表1：关于来自图2中的组3的长度为8的序列的正交关系。正相反序列用“^”字上划线指定。
序列与其负(正相反)序列在盘上的伺服楔子中不可能邻近的约束避免了不适合正STM检测的零(null)信号条件。正相反序列是可允许的，而且通常用在仅仅PES的应用(诸如一步PES和零相位PES)中。除了从作为示例的图2中的第三序列组中产生的任何准同步约束之外，产生的邻接约束也示出在表中。将图2中的第三序列组的四个序列21、22、23和24分别列成序列号1至4，而它们的4个对应正相反序列用“^”符号表示。“*”在单元中的出现意味着两个序列在盘上可能邻近。没有任何序列与其自身或其正相反序列正交，否则在这个示例中所有序列相互正交，并且可以在盘上邻近。
图3示出计算机产生的序列组的更复杂的示例，在其中不是组中的所有序列都相互准同步。在图3中，存在9个精确无DC长度为12的序列的6个序列组(A’-F’)。准同步的这些序列具有参数τ＝1。这组序列说明了在其中序列组的尺寸可以通过允许非正交序列为该组的一部分而增加的更一般的情况。通过将序列出现在盘上的次序安排成盘上的(在正交磁道方向上)邻近序列事实上是正交的，来保持正交序列的优点。这种约束因为序列一旦被写入在盘上就被确定和固定，而不是用于一般通信(general communication)的情况，因而可以实现。
图3中的序列组C’具有有趣的性质，即该组中的每个序列的回文(palindrome)也在该组中(在一个符号内)。短语“回文组”将用于描述这种性质。即使所有模式被反转，也可以使用相同基本读出通道电子装置硬件解码基于回文组的伺服模式。这样的性质在使用同一母盘的盘的A和B面的BPM制造中是有用的。(例如参见美国公开申请20080266701)。
图3的组C’中的9个序列的准同步性质被示出在图4的图中，并被标记为1至9，1为图3的组C’中的第一个序列，而9为最后一个。顶点表示序列，边的存在或不存在表示相应序列之间准同步性质的存在或不存在。
表2描述关于图4的序列与使用“^”符号列出的正相反序列的序列关系。表2中的信息是一个图的等效物。完全图是其中所有顶点与所有其他顶点通过边连接的图。存在可以以与图2的长度为8的序列组相同的方式使用的4个序列(例如，序列1、2、4和5)的4个完全子图。序列是图的顶点。图中连接顶点的边指定哪些序列可以在盘上邻近。
然而，这些区别序列组相互连接，提供新的自由度和更复杂的盘模式配置，而不是总允许独立使用4组。严格无DC的最小可能长度的序列(在阶数为4的组中)是12。所有这样的组被列出在图3中。
Figure BSA00000363380100111
表2：关于来自图3中的组C’的长度为12的序列的正交关系。正相反序列用“^”字上划线指定。
因此，该展示深刻说明了在可用序列数量与序列复杂度(即长度)之间的折中。表3示出了该折中还涉及准同步参数τ。表3示出全部相互准同步组的最大阶M作为序列长度L和参数τ的函数。
  L   τ＝1   τ＝2   τ＝3   τ＝4
  4   ---   ---   ---   ---
  8   2   ---   ---   ---
  12   4   2   ---   ---
  16   6   3   2   ---
  20   8   4   3   ---
  24   5   4   2
表：像通过穷举计算机搜索找到的那样，完全图序列组的最大阶作为序列长度L和准同步参数τ的函数。
通过多个序列的数字数据和PES的编码
现在将描述像盘上布局来编码磁道-ID数据和PES那样的序列模式的特殊实施例。以上已经注意了在其上序列可以邻近的限制的示例。在丢失很少的一般性的情况下，我们可以考虑模式在盘上逐磁道出现的次序是周期为T的周期模式的情况。这样的循环模式可以作为可能重复顶点的闭路径而不是边画在图上。这样的路径将被称为“循环”。例如，如果一个可允许的循环是1-2-3-4-1-2-3-4-1-2-3-4等并且磁头信号可以被确定为由某个相对幅度的序列2和3构成，则该磁头必定处于沿着联接顶点(对应于序列)2和3的边的该循环的惟一点上。由来自读出磁头(传感器)的信号中的两个序列的相对幅度确定小数磁道信息(即PES)。例如，如果两个幅度是相同，则磁头位于那个循环上的顶点2和3之间的边中间。
从这个示例总结出来，如果磁头的读出宽度精确地等于伺服磁道间距(数据磁道宽度的一半)，那么我们可以以模循环T的长度来确定(除了在循环上的有限个奇异点之外)磁头的整数和小数位置两者。以下将进一步讨论小数误差信号(PES)。
优点是最大化循环长度T，其具有增加在单一度量中有效磁道或扇区ID位数量的效果。这个问题等效于在图上寻找欧拉(Eulerian)循环(即，精确地使用每条边一次的循环)的著名问题。根据欧拉循环定理，可以证明对N个序列和N个正相反序列的完全图，总存在长度为2*N*(N-1)的循环。例如，在N＝4的情况下，存在长度为24的循环。可以用N个序列的完全组达到的磁道或扇区位的有效数量约为1+2log2(N)。
在3个序列存在于读出信号中的情况下，图不包含需要应用到物理系统的所有约束。特别地，3个邻近序列的第一和第三个不能是正相反的。这个额外的约束典型地十分弱。例如，容易证明，长度为24的欧拉循环存在于服从这个附加约束的图上。
类似的考虑应用于更复杂的示例，诸如基于诸如在图4中图示的那些的混合序列组的系统。在这种图上存在长度80的欧拉循环，产生约6.4个可用于磁道或扇区ID的有效数字位。需要7阶(order)的完全图序列组以超过这个有效位数量。这样的序列组存在(如表3所示)，然而，这些序列更长和/或更复杂。
定位误差信号(PES)
从来自两个或多个序列的信号幅度获得用于本发明的实施例中的磁头的小数磁道定位的PES。在图1A的实施例中，磁头的读出宽度大于在盘上写入的序列的(正交磁道)宽度，但小于序列的宽度的两倍。在这种情况下，依赖于读出磁头和写入磁道边缘的相对位置，读出磁头信号总是包含来自邻近磁道的两个或三个序列的、名义上线性的组合。磁道数的小数部分(PES)与(|V1|-|V2|)/(|V1|+|V2|)成比例，其中V1和V2是从邻近序列读出信号幅度，并且绝对值是必须的，因为可能出现序列的正相反版本。
如果磁头的读出宽度定位在3个序列之上，并且中间序列幅度为V2，那么PES与(|V1|-|V3|)/(|V1|+|V2|+|V3|)成比例。替代的PES计算是可能的。如果磁头在两个序列之上，则位置检测默认以上概述的算法。在任何一种情况下，两个或三个幅度完全确定循环上的位置。
替代实施例可以在单一楔子中使用多个字段。在图1B中说明了对偶字段系统的一个示例。在这个示例中，两个字段中的序列每个与数据磁道宽度一样宽，但沿着在该图中水平延伸的磁道(顺磁道方向)一前一后地被写入。在这个实施例中，第二序列字段(右边的序列B和D)被定位为与对应的序列A和C(异相)偏移数据磁道宽度的一半(关于正交磁道方向)。作为一个示例，假设读出磁头读出宽度约等于数据磁道宽度，并且盘正在读出磁头下从右到左旋转。如果磁头居中在磁道N+1之上，则读出路径直接经过左边的序列C字段之上，然后跨骑在右边的序列B和D上。在这种类型的实施例中，会同时在磁头下存在1或2个序列。例如，如果磁头读出第一字段中的一个序列，则该磁头典型地可以读出第二字段中的两个邻近序列。类似地，如果磁头关于边界对准以便仅仅第二字段中的一个序列被读出，则可以从第一字段中读出两个序列。这种半个数据磁道偏移排列模仿了现有技术的标准四-脉冲串PES排列，足以允许标准PES计算在读出两个邻近字段的情况下工作。当磁头不居中在任何字段上时，磁头可以读出每个字段中的两个邻近序列。这种实施例可容易地配置来模仿现有技术的PES系统的特性，因为对邻近字段读出信号的幅度以从四-脉冲串PES读出信号的幅度进行的相同方式告诉伺服系统磁头相对于数据磁道的中心所在的地方。
在多个字段中分布磁道和扇区ID信息
从以上讨论清楚，在单一周期T中横跨整个驱动器所需的序列数可能非常大，因为HDD中的每个盘上的磁道数通常成百上千。增加磁道或扇区位的有效数量的有效方法就是将所需要的信息分布到多个字段。可以在一个伺服楔子的多个字段之间共享信息，或者在多个伺服楔子中共享信息字段(或者两者)。在这一节中，给出了这些技术的两个示例。
在第一示例中，在每个楔子中使用单一字段，将磁道-ID信息跨越4个邻近楔子进行分布。替代地，该4个字段能够被包括在序列所占据的面积具有显著增加的每个楔子中。在这个示例中，将仅仅示出磁道-ID信息，但可以使用同一构思添加扇区-ID信息。
该4个相邻楔子分布系统适合于磁头的读出宽度被已知为比伺服磁道间距(典型是数据磁道的一半宽度)足够大的时候。在这个实施例中，全磁道-ID通过读出4个相邻字段恢复，并且惟一地将来自该4个字段的序列映射到所期望的磁道-ID。在这个实施例中，使用中国剩余定理(CRT)映射，但其他映射可以用来将在一个或多个伺服楔子中读出的一组序列转变成磁道-ID。例如，表查找方法能够将有序序列组映射成磁道-ID、扇区ID或其他所要求的信息。
图5说明四个楔子的组的第一伺服楔子71中的64个序列的循环M64的排列。每个序列是数据磁道的宽度的一半，因此每个磁道存在两个序列。图6说明四个伺服楔子71、72、73和74的组。在这个说明(其不是成比例画出的)中，仅仅示出了所选择的伺服字段，并且未示出将被记录在伺服字段之间的数据。多个磁道被表示在作为在图中的竖向的正交磁道方向上。图6中的盘模式从ID到OD重复。对于伺服楔子71，在正交磁道方向上重复64个序列的循环M64。对于伺服楔子72，重复63个序列的循环M63。对于伺服楔子73，重复61个序列的循环M61。对于伺服楔子74，重复59个序列的循环M59。
在图7中示出4个循环M64、M63、M61和M59的组，其是基于图3的序列组C’中的长度为12的序列以及用“^”符号表示的其正相反序列的。存在总共18个允许的序列。这些循环具有任何3个邻近序列相互不同和准同步的性质。
使用中国剩余定理(CRT)映射，其保障惟一性并借助于图7中所示的4个循环的组实现，每个不同周期T＝64、63、61和59(对应于M64、M63、M61和M59)相对互质。产生的系统用中国剩余定理(CRT)的惟一性部分标识磁道-ID(模Ti)的整数部分，这里i＝1，2，3，4，恢复整个磁道-ID模64*63*61*59＝14511168伺服磁道，其对于流行的HDD足够大。注意，在这个示例中，每个数据磁道存在两个伺服磁道。
作为示例，假设磁头正在沿着图6中所示的路径82读出，其被假设居中在从该图的底部算起的第1数据磁道上。在伺服楔子71中，磁头将读出循环M64中的第1对序列，其由记号M64(1，2)表示。类似地，在伺服楔子72、73和74中，磁头也将读出循环M63、M61和M59中的第1对序列。一个原理上简单的实现能够使用表来将四对序列翻译成磁道号，但以上描述的计算可能更可取。
为了比较，在磁头正在沿着图6中所示的路径83读出时，其被假设居中在从该图的底部算起的第33数据磁道上。在伺服楔子71中，磁头将读出循环M64中的第1对序列，其也是M64(1，2)。但在伺服楔子72中，磁头将读出循环M63中的第2和第3序列＝M63(2，3)，因为循环M63是短于M64的一个序列。由此得知，在伺服楔子73，磁头将读出序列M61(4，5)，而在伺服楔子74，磁头将读出序列M59(6，7)。因此，系统地确定了惟一地对应于每个磁道的序列组。将像使用中国剩余解算器那样，描述实现如上方法所定义的位置标识符解码器。
扇区标识
以上仅仅提到了磁道-ID号，但本发明的构思可以扩展来包括扇区标识符。扇区编码可以以几种方式达到。每个磁道中可以存在成百的扇区。例如，一种方法是使用第二群滤波器来解码图3中所示的其他组序列之一。给定的伺服楔子能够利用序列组C’或序列组D’来分别解码‘0’或‘1’扇区位。
作为另一个替代，可以从关于那个伺服楔子的循环中周期挪用(stolen)序列。例如，可以使用第一序列字段的正相反序列编码扇区。第二种方法是使用正相反序列编码扇区位，而不是利用正相反序列构造更长的循环。更有效地，可以使用用于第一序列的两个不同的图。这里，关键是存在编码关于每个伺服楔子的信息中的1位的方法，该位信息可以用于分布的扇区标识符(不管分布方法如何)。在这个实施例中，两个序列用于生成两个不同的STM来编码这个位。第三方法引入另一个STM类型来编码用于给定伺服楔子的扇区位。现有技术的装置通过利用两个不同的STM模式来使用类似技术。然而，用以编码STM的方法与现有技术不同。图类型编码扇区位。例如，参考图4，STM1图能够使用节点+/-1、+/-2、+/-4和+5。STM2图能够使用节点+/-6、+/-8、+/-9和-5。
综合伺服字段的信号处理和检测
优选实施例利用设计的正交约束的优点来借助于匹配滤波器检测STM、序列和序列的幅度。在匹配滤波器检测系统中，每个序列确定盘上的模式(在这种情况下其将是序列的循环扩展)和用于检测那个序列的存在的相关性滤波器两者。这些序列组具有快速算法来从表示磁头信号的单一输入中确定分析滤波器堆的多个输出。
图8示出实现用于图2中的序列组(序列21、22、23和24)的快速算法的示例滤波器堆81，在其中盘上的序列(+1或-1)的每一个元素被采样M次，逻辑框(Boxcar)累积器82平均这M个结果。标记为A的输出对应于序列21，输出B对应于序列22，输出C对应于序列23，而输出D对应于序列24。产生的滤波器堆的复杂度基本上由延迟元件控制。存在10个2-输入加法器(add)和21M个延迟器(delay)。类似地，简单的滤波器堆实现具有以上考虑的类型的更复杂的序列组是可能的。
图9示出用于9-序列版本的匹配滤波器堆的输出，在其中磁头信号包含两个序列的最大值的线性组合，对应于以具有三角形或圆形的线图示的滤波器输出。产生的信息(检测到哪些序列，它们的幅度)给出磁道或扇区ID信息以及PES。示例STM检测规则是：找到具有足够的总绝对幅度的位置，在其中每个滤波器输出的幅度在最大值的任何一边上都足够接近于零(参看图9中的标记的点)。第二个约束对于减少错误STM是有帮助的，而且来源于准同步τ参数。
图10是说明根据本发明的实施例的伺服系统90的方块图。如上所述的多个序列滤波器92检测输入数据流中预定序列的存在。序列滤波器92的输入是来自处理来自磁头的信号的读出通道(未示出)的模拟-数字转换器(ADC)样本。STM/Seq检测器94使用来自序列滤波器92的输出，并将信号供应给位置标识符解码器：TID解码器96和扇区解码器97。PES多路复用单元95使用来自序列滤波器92的输出以及来自STM/Seq检测器94的信号。硬盘控制器(HDC)/伺服处理器100供应期望的TID给TID解码器96，其反过来将实际TID供应给HDC/伺服处理器100。扇区解码器97供应扇区ID给HDC/伺服处理器100。用于HDC/伺服处理器100的PES信号来源于PES多路复用单元95，而PES多路复用单元95使用来自序列滤波器92的输出以及来自STM/Seq检测器94的信号。
虽然本发明已经参考实施例进行了说明，但本领域普通技术人员会理解，可以进行形式和细节上的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。从而，本发明的公开实施例仅仅是说明性的，无意于限制本发明像附属的权利要求书所指定的那样的范围。

Claims (20)

1.一种信息存储系统，包括：
周期性地在其上安排多个预先记录的伺服字段的盘，所述伺服字段限定多条同心数据磁道，每个伺服字段包括作为预定序列组的成员的至少一个序列，所述序列在伺服字段中被安排成在正交磁道方向上邻近的序列在数学上正交，并且所述序列以编码位置标识符的预定序列组合被安排在伺服字段中。
2.权利要求1的信息存储系统，其中在盘上的正交磁道方向上邻近的每对序列在每对中的第一或第二序列循环地扩展一个单位移位时正交。
3.权利要求1的信息存储系统，其中每个序列跟着结尾冗余位，其等于所述序列中的第一位。
4.权利要求1的信息存储系统，其中位置标识符包括磁道标识符和扇区标识符。
5.权利要求1的信息存储系统，其中所述伺服字段以伺服楔子安排在盘上，并且对于每个数据磁道在每个伺服楔子中存在至少两个序列。
6.权利要求5的信息存储系统，其中对于每个数据磁道在每个伺服楔子中的两个序列在正交磁道方向上并排定位，并且两个序列中的每一个的一半与数据磁道一样宽。
7.权利要求5的信息存储系统，其中对于每个数据磁道在每个伺服楔子中的两个序列在沿着磁道的顺磁道方向上一前一后地定位，所述两个序列中的每一个接近与数据磁道一样宽，并且所述两个序列之一在正交磁道方向上被偏移数据磁道的宽度的一半。
8.权利要求1的信息存储系统，其中所述预定序列组包括正相反序列。
9.权利要求1的信息存储系统，还包括：
读出磁头，其产生由在盘正在旋转时经过读出磁头下的序列引起的信号；以及
伺服系统，具有用于检测对应于信号中的第一和第二序列的第一和第二信号幅度以产生定位误差信号来将读出磁头定位在所选择的数据磁道之上的部件。
10.权利要求9的信息存储系统，其中伺服系统还包括滤波器组，其包括用于检测信号的序列组中的每个序列的对应滤波器，并且其中所述滤波器组提供伺服磁道标志信号。
11.权利要求1的信息存储系统，其中所述预定序列组由不包含任何正相反序列的序列的第一子组和作为与第一子组中的序列正相反的序列的第二子组组成，并且其中第一子组中的每一个序列与第一子组中的所有其他序列数学上正交。
12.权利要求1的信息存储系统，其中所述序列组相互准同步。
13.一种信息存储系统，包括：
周期性地安排在盘上的多个预先记录的伺服字段，所述伺服字段限定多条同心数据磁道，每个伺服字段包括作为预定序列组的成员的至少两个序列，所述序列组包括在数学上不相互正交的序列，所述序列在伺服字段中被安排成在正交磁道方向上邻近的序列在数学上正交，并且所述序列以编码位置标识符的预定序列组合被安排在伺服字段中。
14.权利要求13的信息存储系统，其中每个伺服字段中的两个序列在正交磁道方向上并排定位，并且两个序列中的每一个的一半与数据磁道一样宽。
15.权利要求13的信息存储系统，其中每个伺服字段中的两个序列在沿着磁道的顺磁道方向上一前一后地定位，所述两个序列中的每一个具有接近等于数据磁道的宽度的宽度，并且所述两个序列之一在正交磁道方向上被偏移数据磁道的宽度的一半。
16.权利要求13的信息存储系统，其中在盘上的正交磁道方向上邻近的每对序列在每对中的第一或第二序列循环地扩展一个单位移位时正交。
17.权利要求13的信息存储系统，其中每个序列跟着结尾冗余位，其等于所述序列中的第一位。
18.权利要求13的信息存储系统，还包括：
读出磁头，其产生由在盘正在旋转时经过读出磁头下的序列引起的信号；以及
伺服系统，具有用于检测对应于信号中的第一和第二序列的第一和第二信号幅度以产生定位误差信号来将读出磁头定位在所选择的数据磁道之上的部件。
19.一种信息存储系统，包括：
具有多个预先记录的伺服字段的盘，所述伺服字段限定多条同心数据磁道，每个伺服字段包括作为预定序列组的成员的至少两个序列，所述序列组包括在数学上不相互正交的序列，所述序列在伺服字段中被安排成在正交磁道方向上邻近的序列在数学上正交，并且所述序列以编码位置标识符的预定序列组合被安排在伺服字段中；
读出磁头，其产生由在盘正在旋转时经过读出磁头下的序列引起的信号；以及
伺服系统，包括滤波器组，该波器组包括相应滤波器，用于检测信号中的序列组中的每一个序列，并且其中通过滤波器的序列的检测供应输入到伺服磁道标志信号发生器。
20.权利要求19的信息存储系统，其中所述伺服系统还包括用于检测对应于信号中的第一和第二序列的第一和第二信号幅度以产生定位误差信号来将读出磁头定位在所选择的数据磁道之上的部件。
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