簡(jiǎn)介

過去，當(dāng)人們想到工作場(chǎng)所的噪音時(shí)，通常會(huì)想到沉重的工業(yè)噪音。這種類型的過度噪音可能會(huì)損害工人的健康。今天，在較低的水平，雖然在辦公室環(huán)境中沒有嚴(yán)重的健康危害，但是來自個(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(huì)分散注意力，從而影響性能和生產(chǎn)率。對(duì)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(dòng)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，但原則可以適用到具有類似功能的其他應(yīng)用程序來自服務(wù)器冷卻風(fēng)扇的噪音可能很煩人，尤其是當(dāng)服務(wù)器位于用戶附近時(shí)。通常，更高的服務(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(huì)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，允許在給定區(qū)域內(nèi)更多的功率耗散和更高的計(jì)算機(jī)功率集中。

問題描述

通常，服務(wù)器冷卻-fan噪聲具有隨機(jī)和重復(fù)的成分。 Dell Poweredge 2200服務(wù)器的風(fēng)扇噪聲頻譜圖說明了這一點(diǎn)（圖1）。此外，風(fēng)扇噪音的曲線可能隨時(shí)間和條件而變化;例如，靠近風(fēng)扇的障礙物會(huì)影響它的速度，從而影響它產(chǎn)生的噪音。

一種解決方案

一種解決方案是限制傳播的速度風(fēng)扇噪音到管道，然后使用主動(dòng)噪音控制（ANC）來降低離開風(fēng)道[1]的風(fēng)扇噪音強(qiáng)度。

應(yīng)用于在管道內(nèi)傳播的噪聲的基本ANC系統(tǒng)如圖2所示。沿著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)地改變以產(chǎn)生抗噪聲以最小化下游誤差麥克風(fēng)的聲能。然而，抗噪聲也可以向上游傳播并且可以破壞自適應(yīng)前饋路徑的動(dòng)作，尤其是如果揚(yáng)聲器靠近參考麥克風(fēng)（在短管道中總是如此）。為了抵消這一點(diǎn)，電子反饋用于抵消聲反饋。該中和路徑通常在沒有初級(jí)干擾的情況下離線確定，然后在存在主要噪聲源時(shí)固定。這樣做是因?yàn)橹饕肼暸c抗噪聲高度相關(guān)。

短管噪聲消除存在許多問題[2]，[3]，[4]。從抗噪聲揚(yáng)聲器到參考麥克風(fēng)的聲學(xué)反饋更加明顯;聲模的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng);管道共振會(huì)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)換器的群延遲會(huì)變得很重要[5]。本文特別關(guān)注后一個(gè)問題。

群延遲的重要性

為了在尺寸和成本方面提供一種不顯眼且可行的解決方案，導(dǎo)管越好;理想情況下，它應(yīng)該適合服務(wù)器盒 - 這將導(dǎo)致非常短的聲學(xué)路徑。為了保持因果關(guān)系，如果要成功取消寬帶初級(jí)噪聲，則整個(gè)（主要是電子的）前饋路徑的延遲必須小于或等于前向聲學(xué)路徑的延遲。

（1）

其中δff 是通過前饋路徑的延遲，δap是主要的聲學(xué)延遲。

在輔助揚(yáng)聲器凹陷的情況下前饋路徑還包括通過該輔助導(dǎo)管的聲學(xué)延遲。

（2）

其中δ e 是前饋的電子部分路徑和δ as 是次級(jí)導(dǎo)管中的聲學(xué)延遲。

前饋路徑中的電子延遲包括通過麥克風(fēng)的群延遲，抗混疊濾波器和A / D轉(zhuǎn)換器（ADC）; DSP中的處理延遲（+數(shù)字濾波器組延遲）;通過D / A轉(zhuǎn)換器（DAC）和反成像濾波器進(jìn)行群延遲;最后通過次要發(fā)言人的延遲。

（3）

因此，從因果關(guān)系：

（4）

最小化δ ap ，從而最小化管道，δ ff （及其所有各種組件）應(yīng)盡可能小。讓我們假設(shè)通過麥克風(fēng)，揚(yáng)聲器和輔助導(dǎo)管路徑的延遲已經(jīng)被最小化。然后，要最小化的剩余量是δ adc + δ dsp + δ dac 。

δ adc 可以通過使用具有低群延遲抽取濾波的過采樣ADC來最小化;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 dsp ;通過使用具有低群延遲的插值濾波的過采樣DAC，可以最小化δ dac 。后者應(yīng)該能夠被旁路以進(jìn)一步最小化群延遲。

此外，處理器應(yīng)該盡快使用最新的ADC樣本，并且DAC應(yīng)該使用最新的DSP輸出結(jié)果一旦可用。為此，必須能夠以某種方式提升DAC相對(duì)于ADC的時(shí)序。

與主處理路徑并行的高速增益分接頭有助于緩解這種情況，特別是在實(shí)際短管道的情況下，噪聲可以通過管道硬件本身位于聲學(xué)路徑的側(cè)面。

雖然在使用相對(duì)短的管道時(shí)需要具有非常低群延遲的前饋消除技術(shù)來取消隨機(jī)分量，但是可以應(yīng)用反饋方法來使用rpm同步信號(hào)作為參考輸入來消除重復(fù)分量。

ANC架構(gòu)

通過取消系統(tǒng)減少群體延遲意味著可以使用更短的管道，使得該方法更可行和可接受。為了實(shí)現(xiàn)非常低的群延遲，在系統(tǒng)的模擬前端（AFE）部分采用了嚴(yán)重過采樣的sigma-delta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)字方式和相對(duì)較低的速率完成的。在圖3中，每個(gè)轉(zhuǎn)換通道都在一個(gè)單獨(dú)的塊中顯示其采樣率轉(zhuǎn)換：ADC通道的抽取器模塊和DAC通道的內(nèi)插器模塊。

增益抽頭的引入如圖4所示。具有增益抽頭的濾波器可以被認(rèn)為只是單抽頭FIR濾波器。前饋龍頭是可編程的，并在取消期間進(jìn)行調(diào)整;反饋分接頭是固定的并且離線確定。

請(qǐng)注意，DGT作用于ADC的高速輸出，它們的輸出與DAC的高速率輸入相結(jié)合。

ANC算法

< p>標(biāo)準(zhǔn)濾波-x LMS（FXLMS）算法用于更新前饋消除的ANC系數(shù)，

（5）

其中 x' k 已過濾通過次要路徑模型。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]。

二次路徑和反饋中和路徑的建模是離線完成的;然后在主動(dòng)取消模式中使用固定版本。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，泄漏組件可選擇作為前饋路徑系數(shù)更新算法的一部分。

ANC硬件和軟件要求

短管ANC硬件應(yīng)包括具有至少兩個(gè)ADC通道和一個(gè)DAC通道的AFE。參考信號(hào)ADC和抗噪聲DAC需要具有固有的高采樣率和低群延遲。反噪聲DAC的采樣時(shí)序應(yīng)該能夠相對(duì)于參考ADC的采樣時(shí)序提前。 AFE還應(yīng)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(hào)ADC也需要低群延遲，因?yàn)槠溲舆t有助于通過次級(jí)路徑的延遲，如處理器從抗噪聲揚(yáng)聲器到誤差麥克風(fēng)所見。由于此輔助路徑模型必須由處理塊以及主前饋路徑運(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（使用有效的指令集）以減少延遲，從而保持低成本解決方案的一般要求。最后，主要信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理功能的單封裝實(shí)施例應(yīng)使ANC解決方案更靈活，更具成本效益。

使用AD73522 dspConverter可以獲得一個(gè)具有單個(gè)集成電路封裝的ANC解決方案。

AD73522產(chǎn)品信息

AD73522（圖5）是單器件dspConverter包含雙模擬前端（AFE），針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）優(yōu)化的微型計(jì)算機(jī)和基于閃存的DSP啟動(dòng)內(nèi)存。

AFE部分功能兩個(gè)16位ADC通道和兩個(gè)16位DAC通道。每個(gè)通道在語音頻帶信號(hào)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）域中具有輸入到輸出增益網(wǎng)絡(luò)。 AFE的低群延遲特性（每個(gè)ADC通道通常為25μs，每個(gè)DAC通道為50μs）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。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓包括單電源供電。

AD73522的52-MIPS DSP引擎結(jié)合了ADSP-2100系列基礎(chǔ)架構(gòu)（三個(gè)計(jì)算單元，數(shù)據(jù)地址生成器和一個(gè)程序定序器）具有兩個(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上程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

< p> AD73522-80集成了80 KB的片上存儲(chǔ)器，配置為16K 24位字的程序RAM和16K 16位字的數(shù)據(jù)RAM。 AD73522-40集成了40K字節(jié)的片上存儲(chǔ)器，配置為8K字的24位程序RAM和16位數(shù)據(jù)RAM。

兩款器件都具有64 KB（512 Kbits）的閃存陣列，連接到DSP的字節(jié)寬DMA端口（BDMA）。這允許DSP的引導(dǎo)代碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的非易失性存儲(chǔ)。 AD73522采用3.3 V電源供電。斷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。

Sigma-Delta ADC和DAC架構(gòu)

AFE采用的轉(zhuǎn)換技術(shù)屬于sigma-delta類型。模擬Σ-Δ調(diào)制器用于ADC通道，數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器用于DAC通道。 Σ-Δ調(diào)制器是一種嚴(yán)重過采樣系統(tǒng)，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)換器的量化噪聲固有地經(jīng)過高通濾波并在帶外“成形”。然后對(duì)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部分包括模擬二階，32×到256×過采樣，1位sigma-delta調(diào)制器，然后是數(shù)字sinc-cubed抽取器（除以32除以256）。 DAC部分包含一個(gè)數(shù)字sinc-cubed插值器，一個(gè)數(shù)字，二階，32×-256×過采樣，1位sigma-delta調(diào)制器，然后是模擬三階開關(guān)電容LPF和二階連續(xù)-time LPF。

通過ADC通道的群延遲主要是通過sinc-cubed抽取器的群延遲，并由以下關(guān)系給出：

< tbody>

（6）

其中< em> Order 是抽取器的順序（= 3）， M 是抽取因子（對(duì)于64-ksps輸出采樣率= 32）和δ ds 是抽取采樣間隔（= 1 / 2.048E6 s）

（7）

，輸出采樣率為64 ksps。

通過DAC通道的群延遲主要取決于通過sinc-cubed插值器的群延遲和通過三階開關(guān)電容LPF的群延遲。通過內(nèi)插器的固有群延遲與通過抽取器的相同，對(duì)于64-ksps輸入采樣率，等于22.7μs。但是，可以選擇性地繞過內(nèi)插器以避免這種固有的群延遲，但代價(jià)是減少帶外抑制。

sinc-cubed抽取器和內(nèi)插器的z變換由下式給出：

< / table>

通過DAC模擬部分的群延遲大約為22.7μs。

請(qǐng)注意，采樣率僅為8 ksps時(shí)，通過抽取器和插值器的固有群延遲增加到186.8微秒。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具有從ADC輸入到DAC輸出的高速模擬和數(shù)字前饋路徑，通過AGT和DGT分別。 AGT配置為差分放大器，增益可編程為-1至+1（32步）和單獨(dú)的靜音控制。每步的增益增量為0.0625。通過AGT前饋路徑的群延遲僅為0.5μs。 DGT是一個(gè)可編程增益模塊，其輸入從ADC模擬Σ-Δ調(diào)制器的比特流輸出中分出。該單比特輸入用于將數(shù)字增益抽頭設(shè)置（一個(gè)16位可編程值）加到或減去DAC內(nèi)插器的輸出。通過DGT前饋路徑的群延遲僅為25μs。

DAC的加載通常在內(nèi)部與每個(gè)采樣間隔中ADC數(shù)據(jù)的卸載同步。但是，該DAC負(fù)載位置可以以0.5μs的步長(zhǎng)提前15μs。該功能可用于進(jìn)一步減少通過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)包中，提供經(jīng)濟(jì)高效的獨(dú)立解決方案。這個(gè)單封裝是119球塑料球柵陣列（PBGA），如圖7所示。尺寸為14 mm×22 mm×2.1 mm，焊球排列成7×17陣列，長(zhǎng)度為1.27 mm （50 mil）間距。

AD73522評(píng)估板

AD73522 dspConverter評(píng)估板（圖8和圖9）結(jié)合了所有的前端模擬信號(hào)調(diào)理，具有用戶友好的編程平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)便的開發(fā)。該板與PC的串行端口連接，附帶Windows ? 95兼容接口軟件，允許與所有存儲(chǔ)器（包括閃存部分）之間傳輸數(shù)據(jù)。所有dspConverter引腳均可在輸出連接器上使用。該板具有EZ-ICE ?連接器，用于高級(jí)軟件開發(fā)。其他功能包括一個(gè)輸入通道上帶有調(diào)理電路的麥克風(fēng)和輸出通道上的揚(yáng)聲器放大器。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)設(shè)置（圖10）包含一個(gè)服務(wù)器盒（僅包含風(fēng)扇和電源），塑料管（帶有參考和錯(cuò)誤麥克風(fēng)和輔助揚(yáng)聲器）和AD73522評(píng)估板。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(zhǎng)度可調(diào)至最小12英寸（30.5厘米）。

在實(shí)驗(yàn)過程中，AD73522評(píng)估板連接到PC進(jìn)行調(diào)試。此外，內(nèi)部變量被寫入未使用的DAC通道進(jìn)行監(jiān)控。最初，系統(tǒng)使用主揚(yáng)聲器而不是實(shí)際的服務(wù)器風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)置，以允許使用可編程音調(diào)和寬帶信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果

圖11顯示了主揚(yáng)聲器單音干擾的實(shí)驗(yàn)裝置的性能。主音降低了30 dB。當(dāng)主揚(yáng)聲器發(fā)出寬帶干擾時(shí)，降低系數(shù)約為20 dB，如圖12所示。

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 dspConverter，應(yīng)提供靈活且經(jīng)濟(jì)高效的ANC解決方案。