自適應(yīng)消除服務(wù)器風(fēng)扇噪音

作者：Paschal Minogue, Neil Rankin, and Jim Ryan

過去，當(dāng)人們想到工作場所的噪音時(shí)，通常會想到重工業(yè)噪音。這種類型的過度噪音可能會損害工人的健康。如今，在辦公室環(huán)境中，雖然沒有那么嚴(yán)重的健康危害，但來自個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、服務(wù)器、打印機(jī)、傳真機(jī)等設(shè)備的噪音可能會分散注意力，損害性能和生產(chǎn)力。對于個(gè)人計(jì)算機(jī)，工作站和服務(wù)器，噪音通常來自磁盤驅(qū)動器和冷卻風(fēng)扇。

本文是關(guān)于服務(wù)器冷卻風(fēng)扇的噪音問題，但這些原理可以應(yīng)用于具有類似功能的其他應(yīng)用程序。服務(wù)器冷卻風(fēng)扇發(fā)出的噪音可能很煩人，尤其是當(dāng)服務(wù)器位于用戶附近時(shí)。通常，更大的服務(wù)器計(jì)算能力意味著更高的功耗，需要更大/更快的風(fēng)扇，這會產(chǎn)生更大的風(fēng)扇噪音。通過有效的風(fēng)扇噪音消除，可以使用更大的冷卻風(fēng)扇，從而允許更多的功耗和更大的計(jì)算機(jī)功率集中在給定區(qū)域。

問題描述

通常，服務(wù)器冷卻風(fēng)扇噪音既有隨機(jī)分量，也有重復(fù)分量。Dell? Poweredge 2200服務(wù)器的風(fēng)扇噪音頻譜圖說明了這一點(diǎn)（圖1）。此外，風(fēng)扇噪音的分布會隨著時(shí)間和條件而變化;例如，靠近風(fēng)扇的障礙物會影響其速度，從而影響其產(chǎn)生的噪音。

圖1.服務(wù)器風(fēng)扇噪音配置文件。

一個(gè)解決方案

一種解決方案是將大部分風(fēng)扇噪聲的傳播限制在管道內(nèi)，然后使用主動噪聲控制（ANC）來降低離開管道的風(fēng)扇噪聲的強(qiáng)度[1]。

應(yīng)用于管道內(nèi)傳播噪聲的基本主動降噪系統(tǒng)框圖如圖2所示。沿管道傳播的噪聲由上游參考麥克風(fēng)采樣，并在電子前饋路徑中自適應(yīng)改變以產(chǎn)生抗噪聲，從而最大限度地減少下游錯(cuò)誤麥克風(fēng)的聲能。但是，抗噪聲也會向上游傳播，并可能破壞自適應(yīng)前饋路徑的作用，特別是當(dāng)揚(yáng)聲器靠近參考麥克風(fēng)時(shí)（在短管道中總是如此）。為了抵消這種情況，使用電子反饋來中和聲音反饋。在沒有初級干擾的情況下，該中和路徑通常離線確定，然后在存在主要噪聲源時(shí)固定。這樣做是因?yàn)槌跫壴肼暸c抗噪聲高度相關(guān)。

短管降噪存在許多問題[2]，[3]，[4]。從抗噪揚(yáng)聲器到參考麥克風(fēng)的聲學(xué)反饋更明顯;聲學(xué)模式的數(shù)量呈指數(shù)級增長;管道共振會導(dǎo)致諧波失真;通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的群延遲可能會變得很大[5]。本文特別集中討論后一個(gè)問題。

圖2.基本風(fēng)管主動降噪系統(tǒng)。

群體延遲的重要性

為了在尺寸和成本方面提供不顯眼且可行的解決方案，管道越小越好;理想情況下，它應(yīng)該適合服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)，這將導(dǎo)致非常短的聲學(xué)路徑。為了保持因果關(guān)系，如果要成功消除寬帶初級噪聲，則通過整個(gè)（主要是電子）前饋路徑的延遲必須小于或等于正向聲學(xué)路徑中的延遲。

哪里δff 是通過前饋路徑的延遲，δap是主聲學(xué)延遲。

在次級揚(yáng)聲器凹入其自身的短管道的情況下，前饋路徑還將包括通過該輔助管道的聲學(xué)延遲。

哪里δe是前饋路徑的電子部分，并且δ如 是輔助管道中的聲學(xué)延遲。

前饋路徑中的電子延遲包括通過麥克風(fēng)、抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的群延遲;DSP中的處理延遲（+數(shù)字濾波器群延遲）;通過D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）和抗成像濾波器的群延遲;最后是通過副揚(yáng)聲器的延遲。

要最小化δ美聯(lián)社，從而管道的長度，δFF和ff（及其所有各種組件）應(yīng)盡可能小。假設(shè)通過麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和輔助管道路徑的延遲已經(jīng)最小化。然后，要最小化的剩余數(shù)量為δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 + δDSP + δ發(fā)援會.

δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 通過使用具有低群延遲抽取濾波的過采樣ADC，可以最小化;δDSP 通過使用具有足夠高M(jìn)IPS和高效指令集的DSP，可以最小化;δ發(fā)援會 通過使用具有低群延遲的插值濾波的過采樣DAC，可以最大限度地減小。后者應(yīng)該能夠被繞過，以進(jìn)一步減少組延遲。

此外，處理器應(yīng)在最新的ADC樣本可用時(shí)立即使用，DAC應(yīng)在最新的DSP輸出結(jié)果可用時(shí)立即使用。為此，必須能夠以某種方式提前DAC相對于ADC的時(shí)序。

與主處理路徑并聯(lián)的高速增益抽頭有助于緩解這種情況，特別是在實(shí)際的短管道的情況下，噪聲可以通過管道硬件本身在聲學(xué)路徑的側(cè)面。

雖然在使用相對較短的管道時(shí)，需要具有非常低群延遲的前饋消除技術(shù)來消除隨機(jī)分量，但可以使用反饋方法使用rpm同步信號作為參考輸入來消除重復(fù)分量。

主動降噪架構(gòu)

通過取消系統(tǒng)的組延遲更少，這意味著可以使用更短的管道，使該方法更可行和可接受。為了實(shí)現(xiàn)極低的群延遲，在系統(tǒng)的模擬前端（AFE）部分采用了高度過采樣的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器技術(shù)。此外，模擬增益抽頭（AGT）和數(shù)字增益抽頭（DGT）都可用于在處理路徑中提供更低的群延遲。

由于沒有高速增益抽頭，因此可以使用2 ADC/1 DAC配置（圖3），因?yàn)樗刑幚矶际且詳?shù)字方式以相對較低的速率完成的。在圖3中，每個(gè)轉(zhuǎn)換通道及其采樣速率轉(zhuǎn)換在一個(gè)單獨(dú)的模塊中：ADC通道為抽取器模塊，DAC通道為插值器模塊。

圖3.2 ADC/1 DAC 配置，無高速增益抽頭。

增益抽頭的引入如圖4所示。帶增益抽頭的濾波器可以被認(rèn)為是單抽頭FIR濾波器。前饋抽頭可編程，并在取消期間進(jìn)行調(diào)整;反饋抽頭是固定的，離線確定。

請注意，DGT作用于ADC的高速率輸出，其輸出與DAC的高速率輸入相結(jié)合。

圖4.具有高速模擬和數(shù)字增益抽頭的ANC系統(tǒng)。

主動降噪算法

采用標(biāo)準(zhǔn)濾波xLMS（FXLMS）算法更新前饋消除的ANC系數(shù)，

哪里x'k由輔助路徑模型篩選。已經(jīng)提出了其他自適應(yīng)算法來提高定點(diǎn)DSP的性能[6]。

次級路徑和反饋中和路徑的建模離線完成;然后在主動取消模式下使用固定版本。此外，每個(gè)麥克風(fēng)輸入都通過自適應(yīng)直流抽頭進(jìn)行處理，漏電分量是前饋路徑系數(shù)更新算法的一部分。

主動降噪硬件和軟件要求

短管道主動降噪硬件應(yīng)包括一個(gè)具有至少兩個(gè)ADC通道和一個(gè)DAC通道的AFE。參考信號ADC和抗噪聲DAC需要具有固有的高采樣速率和低群延遲?？乖肼旸AC的采樣時(shí)序應(yīng)能夠相對于基準(zhǔn)電壓源ADC的采樣時(shí)序提前。AFE還應(yīng)同時(shí)具有高速模擬和數(shù)字增益抽頭，以提供超短延遲路徑。誤差信號ADC還需要具有較低的群延遲，因?yàn)槠溲舆t會導(dǎo)致處理器從抗噪聲揚(yáng)聲器到誤差麥克風(fēng)的次級路徑延遲。由于此輔助路徑模型必須由處理塊和主前饋路徑運(yùn)行，因此它應(yīng)盡可能短。主處理模塊應(yīng)具有盡可能高的MIPS速率（具有高效的指令集），以減少延遲，同時(shí)保持在低成本解決方案的一般要求范圍內(nèi)。最后，主要信號轉(zhuǎn)換和處理功能的單封裝實(shí)施例應(yīng)使主動降噪解決方案更加靈活且更具成本效益。

使用AD73522 dsp轉(zhuǎn)換器可以獲得一種采用單集成電路封裝的主動降噪解決方案。

AD73522 產(chǎn)品信息

AD73522（圖5）是一款單器件DSP轉(zhuǎn)換器，集成雙通道模擬前端（AFE）、針對數(shù)字信號處理（DSP）優(yōu)化的微型計(jì)算機(jī)和基于閃存的DSP引導(dǎo)存儲器。

AFE部分具有兩個(gè)16位ADC通道和兩個(gè)16位DAC通道。每個(gè)通道在語音帶信號帶寬上提供 77 dB 的信噪比，最大采樣率為 64 ksps。它還在模擬（AGT）和數(shù)字（DGT）域中具有輸入至輸出增益網(wǎng)絡(luò)。AFE的低群延遲特性（每個(gè)ADC通道通常為25 μs，每個(gè)DAC通道通常為50 μs）使其適用于單通道或多通道有源控制應(yīng)用。ADC和DAC通道具有可編程輸入/輸出增益，范圍分別為38 dB和21 dB。該器件內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，以允許單電源供電。

AD73522的52 MIPS DSP引擎將ADSP-2100系列基本架構(gòu)（三個(gè)計(jì)算單元、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序序列器）與兩個(gè)串行端口、一個(gè)16位內(nèi)部DMA端口、一個(gè)字節(jié)DMA端口、一個(gè)可編程定時(shí)器、標(biāo)志I/O、廣泛的中斷功能以及片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲器相結(jié)合。

圖5.AD73522 DSP轉(zhuǎn)換器

AD73522-80集成80 KB片內(nèi)存儲器，配置為16K 24位字的程序RAM和16K 16位字?jǐn)?shù)據(jù)RAM。AD73522-40集成40K字節(jié)片內(nèi)存儲器，配置為8K字24位程序RAM和16位數(shù)據(jù)RAM。

這兩款器件均具有連接到DSP字節(jié)寬DMA端口（BDMA）的64 KB（512 Kbits）閃存陣列。這允許對DSP的引導(dǎo)代碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行非易失性存儲。AD73522采用3.3 V電源供電。省電電路是滿足電池供電便攜式設(shè)備的低功耗需求所固有的。

Σ-Δ型ADC和DAC架構(gòu)

AFE中采用的轉(zhuǎn)換技術(shù)是Σ-Delta類型。ADC通道使用模擬Σ-Δ調(diào)制器，DAC通道使用數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器。Σ-Δ調(diào)制器是一種高度過采樣的系統(tǒng)，它在噪聲整形環(huán)路中使用低分辨率轉(zhuǎn)換器。低分辨率、高速轉(zhuǎn)換器的量化噪聲本質(zhì)上是高通濾波和帶外“整形”的。然后對調(diào)制器或噪聲整形器的輸出進(jìn)行低通濾波，以降低采樣速率并消除帶外噪聲。

AD73522中使用的AFE轉(zhuǎn)換通道如圖6所示。ADC部分由一個(gè)模擬二階32×至256×過采樣、1位Σ-Δ調(diào)制器組成，后跟一個(gè)數(shù)字正弦立方抽取器（被32分頻至256分頻）。DAC部分包含一個(gè)數(shù)字墳立方插值器、一個(gè)數(shù)字、二階、32×-256×過采樣、1位Σ-Δ調(diào)制器，后接一個(gè)模擬三階開關(guān)電容LPF和一個(gè)二階連續(xù)時(shí)間LPF。

圖6.AD73522 dsp轉(zhuǎn)換器的模擬前端子部分。

通過ADC通道的群延遲由通過正弦立方抽取器的群延遲主導(dǎo)，由以下關(guān)系給出：

其中階數(shù)是抽取器的階數(shù) （= 3），M 是抽取因子（對于 32-ksps 輸出采樣率 = 64），并且δDS 是抽取采樣間隔 （= 1/2.048E6 s）

適用于 64 kSPS 的輸出采樣率。

通過DAC通道的群延遲主要由通過正弦立方插值器的群延遲和通過三階開關(guān)電容LPF的群延遲決定。通過插值器的固有群延遲與通過抽取器的固有群延遲相同，對于22 ksps的輸入采樣速率，等于7.64 μs。但是，可以選擇旁路插值器，以避免這種固有的群延遲，但代價(jià)是降低了帶外抑制。

sinc-cubed 抽取器和插值器的 z 變換由下式給出：

通過DAC模擬部分的群延遲約為22.7 μs。

請注意，采樣速率僅為8 ksps時(shí)，通過抽取器和插值器的固有群延遲增加到186.8 μs。因此，以盡可能高的速率運(yùn)行轉(zhuǎn)換器以減少固有的群延遲非常重要。

AFE 具有分別通過 AGT 和 DGT 從 ADC 輸入到 DAC 輸出的高速模擬和數(shù)字前饋路徑。AGT配置為差分放大器，增益可編程范圍為-1至+1，分32級和獨(dú)立的靜音控制。每步增益增量為 0.0625。通過AGT前饋路徑的群延遲僅為0.5 μs。DGT是一個(gè)可編程增益模塊，其輸入從ADC的模擬Σ-Δ調(diào)制器的比特流輸出分接。該單位輸入用于在DAC插值器的輸出中添加或減去數(shù)字增益抽頭設(shè)置，即16位可編程值。通過DGT前饋路徑的群延遲僅為25 μs。

DAC的加載通常與每個(gè)采樣間隔內(nèi)ADC數(shù)據(jù)的卸載在內(nèi)部同步。但是，該DAC負(fù)載位置可以以15.0 μs的步長及時(shí)提前多達(dá)5 μs。該工具可用于進(jìn)一步最小化通過DSP從模擬輸入到模擬輸出的前饋延遲。

AD73522 封裝

三個(gè)主要處理元件（AFE、DSP 和閃存）組合在一個(gè)封裝中，提供經(jīng)濟(jì)高效的獨(dú)立解決方案。該單封裝是一個(gè) 119 球塑料球柵陣列 （PBGA），如圖 7 所示。它的尺寸為 14 mm × 22 mm × 2.1 mm，焊球排列在 7 × 17 陣列中，間距為 1.27 mm （50 mil）。

圖7.AD73522塑料球柵陣列（PBGA）封裝。

圖8.AD73522 DSP轉(zhuǎn)換器評估板

AD73522 評估板

AD73522 dspConverter評估板（圖8和圖9）將所有前端模擬信號調(diào)理與用戶友好型編程平臺相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速簡便的開發(fā)。該板與PC的串行端口接口，配有與Windows 95兼容的接口軟件，允許在所有內(nèi)存（包括閃存部分）之間傳輸數(shù)據(jù)。輸出連接器上提供所有 dsp 轉(zhuǎn)換器引腳。該板具有用于高級軟件開發(fā)的 EZ-ICE 連接器。其他特性包括一個(gè)麥克風(fēng)，在一個(gè)輸入通道上帶有調(diào)理電路，在輸出通道上帶有揚(yáng)聲器放大器。??

圖9.AD73522 dsp轉(zhuǎn)換器評估板框圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)設(shè)置（圖10）由一個(gè)服務(wù)器盒（僅包含一個(gè)風(fēng)扇和電源）、一個(gè)塑料管道（帶有參考和誤差麥克風(fēng)以及次級揚(yáng)聲器）以及AD73522評估板組成。服務(wù)器風(fēng)扇的直徑為 5 英寸（約 13 厘米）。T形管道和揚(yáng)聲器的直徑為6英寸（約15）厘米。管道長度可調(diào)節(jié)至最小 12 英寸（30.5 厘米）。

在實(shí)驗(yàn)過程中，AD73522評估板連接到PC進(jìn)行調(diào)試。此外，內(nèi)部變量被寫出到未使用的DAC通道進(jìn)行監(jiān)控。最初，系統(tǒng)是使用主揚(yáng)聲器而不是實(shí)際的服務(wù)器風(fēng)扇設(shè)置的，以便使用可編程音調(diào)和寬帶信號進(jìn)行測試。

圖 10.服務(wù)器風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

結(jié)果

主揚(yáng)聲器單音干擾下的實(shí)驗(yàn)設(shè)置性能如圖11所示。主音降低了 30 dB 的倍數(shù)。當(dāng)主揚(yáng)聲器提供寬帶干擾時(shí)，衰減系數(shù)約為20 dB，如圖12所示。

圖 12.寬帶干擾性能。

結(jié)論

結(jié)合模擬增益抽頭（AGT）和數(shù)字增益抽頭（DGT）的方法允許在低群延遲ANC應(yīng)用中使用Σ-Δ技術(shù)。結(jié)合模擬和數(shù)字功能的單封裝實(shí)施例（如AD73522 dsp轉(zhuǎn)換器）應(yīng)提供靈活且經(jīng)濟(jì)高效的主動降噪解決方案。

審核編輯：郭婷