一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，与现有技术相比解决了自适应前馈补偿性能受限于传感器测量带宽的缺陷。本发明专利技术包括以下步骤：音频信号的提取和数字化；机械传动函数识别；计算位置误差控制的前馈补偿信号。本发明专利技术采用基于扬声器的自适应前馈方法来降低系统成本，同时避免硬盘驱动器伺服系统的带宽限制。

Adaptive feedforward control method for hard disk audio vibration based on signal extraction from headphone jack

The invention relates to an adaptive feedforward control method for hard disk audio vibration based on headphone jack signal extraction, which solves the defect that the adaptive feedforward compensation performance is limited by the measurement bandwidth of the sensor compared with the prior art. The invention comprises the following steps: extracting and digitizing audio signals; identifying mechanical transmission functions; calculating feedforward compensation signals for position error control. The adaptive feedforward method based on loudspeaker is adopted to reduce the system cost and avoid the bandwidth limitation of the hard disk drive servo system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法
本专利技术涉及硬盘驱动器
，具体来说是一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法。
技术介绍
随着多媒体应用在笔记本电脑的日常使用中变得越来越重要，扬声器引起的震动增大对硬盘驱动器(HDD)位置控制产生了挑战。扬声器震动导致的硬盘驱动器吞吐性能下降和响应时间变慢，对于客户体验十分不利。为了提高笔记本电脑硬盘驱动器应用效果，要求硬盘驱动器行业提高其音频振动抑制性能。目前在硬盘驱动器行业，基于传感器的自适应前馈(SAFF)扰动补偿方案已经被研究和应用了很多年，该方案利用传感器，如加速度计，在硬盘驱动器的PCBA板上获取相关传感器的振动度量。然后，利用最小均方误差(LMS)算法进一步进行度量，以实现最小化读/写头的位置偏差信号值。基于传感器的自适应前馈(SAFF)扰动补偿方案在一些应用上有效地降低了位置偏差信号。然而，补偿性能最终受限于传感器测量的带宽。这种硬件限制了SAFF扰动补偿方案补偿传感器带宽以上的音频振动。此外，对于基于传感器的音频抑制方案，其系统复杂性的增加(例如传感器)不可避免地会导致与成本和鲁棒性增加相关的问题。因此，急需一种方法能够解决SAFF扰动补偿方案的这些限制因素，以实现硬盘由于音频振动的自适应前馈扰动补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中自适应前馈补偿性能受限于传感器测量带宽的缺陷，提供一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，包括以下步骤：音频信号的提取和数字化，将标准耳机插孔5V输出信号通过SIO引脚进行连接，当硬盘检测到指定的引脚上有可用的音频信号时，自动激活其内部多路复用器，用以允许信号调节电路和ADC电路将音频模拟信号转换为数字信号以供固件使用；机械传动函数识别，硬盘接收到进行机械传动系统滤波器识别指令，硬盘内部的固件收集音频信号和位置误差信号，将数字化音频信号和位置误差信号经过机械传动系统滤波器进行识别；计算位置误差控制的前馈补偿信号，通过自适应方法来学习出FIR滤波器的参数，得到机械传动系统滤波器输出，从而消除音频扰动对硬盘性能的影响。所述的机械传动函数识别包括以下步骤：主机通知硬盘启动MTF校准，主机通过特殊命令通知硬件准备进行机械传动系统滤波器识别；主机通过耳机开始校准信号，耳机的扬声器播放白噪声音频信号或粉红噪声音频信号来激励硬盘，从而触发硬盘内部固件收集音频信号和PES信号；硬盘内部固件收集音频信号和PES信号，并存储在硬盘的闪存中；进行数据分析和近似滤波系数计算；硬盘固件将识别出机械传动函数的机械传动系统滤波器保存到FLASH文件，并设置校准完成标志。所述的计算位置误差控制的前馈补偿信号包括以下步骤：设机械传动系统滤波器输出y表示如下，y(n)＝WT(n)*x(n)*MTF(n)，其中，x(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-M+1)]T，MTF(n)为机械传递函数，w(n)＝[w0(n),w1(n),...,wM-1(n)]T，w(n)为待估计的FIR滤波器的参数；利用最小均方算法推导出，w(n+1)＝w(n)+μXC·(n)e(n)，其中，e(n)＝d(n)-yc(n)，所述的进行数据分析和近似滤波系数计算包括以下步骤：设系统识别模型服从ARX模型，其差分方程表示如下：其中，ARX模型的参数为通过迭代递归推导法自适应的辨识出ARX模型的参数，设定theta和P的初始值；定义差分方程的阶数，φ(t)＝[-y(t-1)...-y(t-n)u(t-1)...u(t-m)]T，其中，n＝na，m＝nb，输出值y为PES信号，输入值u为数字化的音频信号；通过迭代递归推导法自适应的辨识出ARX模型的参数，将φ(t)带入到P(t)、P(t)带入递归求解，计算出theta，theta为向量，包括了系统的参数，识别出机械传动函数MTF(n)；P(t)的计算公式如下：的计算公式如下：有益效果本专利技术的一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，与现有技术相比采用基于扬声器的自适应前馈(SPAFF)方法来降低系统成本，同时避免硬盘驱动器伺服系统的带宽限制，取消硬件传感器进行自适应前馈的设计，不仅降低了硬盘制作成本，还改善了扬声器音频振动下的硬盘性能。本专利技术利用PC行业的标准耳机插孔作为音频信号传感源获取到简单的信号调控；通过SIO引脚可以将信号与HDD进行连接，再利用HDD内部模数转换器(ADC)对信号进行数字化，对硬盘固件进行补偿；通过机械传动函数校准了不同硬盘驱动器的位置偏差，使其能够很好的适应不同笔记本电脑之间底盘结构和音频系统设计的差异。附图说明图1为本专利技术的方法顺序图。具体实施方式为使对本专利技术的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：如图1所示，本专利技术所述的一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，通过提取扬声器信号来替代现有的传感器，从而大幅度地避免传感器带宽、系统成本高和鲁棒性相关的问题。通过利用音频振动源(扬声器)信号将模拟扬声器信号转换为数字信号，然后利用SAFF方案进行处理，实现SAFF技术可以在不影响传感器的带宽限制下弥补PES信号。此外，由于传感器数量的下降，系统成本得以降低。然而，存在两个因素限制了音频振动源(扬声器)信号取代传感器数据。其一为通过主板的扬声器路径提取扬声器信号值超过了ADC的工作范围；其二为因为扬声器信号和PES信号是互不关联的，利用扬声器信号作为低成本的替代传感器，SAFF方案不能有效的删除PES信号。在此，从耳机插孔提取信号和预ADC缩放的硬件改造使得扬声器信号适应ADC的工作范围(大约1V)。此外，考虑到SAFF补偿对于扬声器信号和PES信号的一致性问题，本专利技术利用机械系统的识别功能来提高PES的补偿性能。通过仿真和实验结果表明，良好的PES补偿可以通过利用各种音频振动影响相关的技术来进行维护，附加的好处是可以应用将DSWAFF和SPAFF一起应用于硬盘驱动器伺服系统中。其包括以下步骤：第一步，音频信号的提取和数字化。由于PC和笔记本电脑供应商设计差异，由于负载的变化，通过主板的扬声器路径直接提取信号可能是十分困难的。幸运的是，在个人电脑行业，具有标准5V输出范围的耳机插孔是很常见的。因此，将标准耳机插孔5V输出信号通过SIO引脚进行连接，当硬盘检测到指定的引脚上有可用的音频信号时，自动激活其内部多路复用器，用以允许信号调节电路和ADC电路将音频模拟信号转换为数字信号以供固件使用。在实验过程中，利用耳机插孔信号替代扬声器的音频信号，再通过分压器进行调节，发现其可以很好适应现有ADC的工作范围。通过此步骤，解决了通过主板的扬声器路径提取扬声器信号值超过了ADC的工作范围的问题。第二步，机械传动函数识别，硬盘接收到进行机械传动系统滤波器识别指令，硬盘内部的固件收集音频信号和位置误差信号，将数字化音频信号和位置误差信号经过机械传动系统滤波器进行识别。机械系统的识别功能能够提高PES的补偿性能，解决了扬声器信号和PES本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：11)音频信号的提取和数字化，将标准耳机插孔5V输出信号通过SIO引脚进行连接，当硬盘检测到指定的引脚上有可用的音频信号时，自动激活其内部多路复用器，用以允许信号调节电路和ADC电路将音频模拟信号转换为数字信号以供固件使用；12)机械传动函数识别，硬盘接收到进行机械传动系统滤波器识别指令，硬盘内部的固件收集音频信号和位置误差信号，将数字化音频信号和位置误差信号经过机械传动系统滤波器进行识别；13)计算位置误差控制的前馈补偿信号，通过自适应方法来学习出FIR滤波器的参数，得到机械传动系统滤波器输出，从而消除音频扰动对硬盘性能的影响。

【技术特征摘要】
1.一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：11)音频信号的提取和数字化，将标准耳机插孔5V输出信号通过SIO引脚进行连接，当硬盘检测到指定的引脚上有可用的音频信号时，自动激活其内部多路复用器，用以允许信号调节电路和ADC电路将音频模拟信号转换为数字信号以供固件使用；12)机械传动函数识别，硬盘接收到进行机械传动系统滤波器识别指令，硬盘内部的固件收集音频信号和位置误差信号，将数字化音频信号和位置误差信号经过机械传动系统滤波器进行识别；13)计算位置误差控制的前馈补偿信号，通过自适应方法来学习出FIR滤波器的参数，得到机械传动系统滤波器输出，从而消除音频扰动对硬盘性能的影响。2.根据权利要求1所述的一种基于耳机插孔信号提取的硬盘音频振动自适应前馈控制方法，其特征在于，所述的机械传动函数识别包括以下步骤：21)主机通知硬盘启动MTF校准，主机通过特殊命令通知硬件准备进行机械传动系统滤波器识别；22)主机通过耳机开始校准信号，耳机的扬声器播放白噪声音频信号或粉红噪声音频信号来激励硬盘，从而触发硬盘内部固件收集音频信号和PES信号；23)硬盘内部固件收集音频信号和PES信号，并存储在硬盘的闪存中；24)进行数据分析和近似滤波系数计算；25)硬盘固件将识别出机械传动函数的机械传动系统滤波器保存到FLASH文件，并设置校准完成标志。3.根据权利要求1所述的一种基于耳机插孔信号提取的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海雷，李文波，吴雪莲，
申请(专利权)人：中科院合肥技术创新工程院，
类型：发明
国别省市：安徽,34