作者：Paschal Minogue, Neil Rankin, and Jim Ryan

過去，當人們想到工作場所的噪音時，通常會想到重工業噪音。這種類型的過度噪音可能會損害工人的健康。如今，在辦公室環境中，雖然沒有那么嚴重的健康危害，但來自個人計算機、工作站、服務器、打印機、傳真機等設備的噪音可能會分散注意力，損害性能和生產力。對于個人計算機，工作站和服務器，噪音通常來自磁盤驅動器和冷卻風扇。

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

問題描述

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

圖1.服務器風扇噪音配置文件。

一個解決方案

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

應用于管道內傳播噪聲的基本主動降噪系統框圖如圖2所示。沿管道傳播的噪聲由上游參考麥克風采樣，并在電子前饋路徑中自適應改變以產生抗噪聲，從而最大限度地減少下游錯誤麥克風的聲能。但是，抗噪聲也會向上游傳播，并可能破壞自適應前饋路徑的作用，特別是當揚聲器靠近參考麥克風時（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固定。這樣做是因為初級噪聲與抗噪聲高度相關。

短管降噪存在許多問題[2]，[3]，[4]。從抗噪揚聲器到參考麥克風的聲學反饋更明顯;聲學模式的數量呈指數級增長;管道共振會導致諧波失真;通過模數轉換器、處理單元和數模轉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問題。

圖2.基本風管主動降噪系統。

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，它應該適合服務器機箱內，這將導致非常短的聲學路徑。為了保持因果關系，如果要成功消除寬帶初級噪聲，則通過整個（主要是電子）前饋路徑的延遲必須小于或等于正向聲學路徑中的延遲。

哪里δff 是通過前饋路徑的延遲，δap是主聲學延遲。

在次級揚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延遲。

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

要最小化δ美聯社，從而管道的長度，δFF和ff（及其所有各種組件）應盡可能小。假設通過麥克風、揚聲器和輔助管道路徑的延遲已經最小化。然后，要最小化的剩余數量為δ模數轉換器 + δDSP + δ發援會.

δ模數轉換器 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MIPS和高效指令集的DSP，可以最小化;δ發援會 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。后者應該能夠被繞過，以進一步減少組延遲。

此外，處理器應在最新的ADC樣本可用時立即使用，DAC應在最新的DSP輸出結果可用時立即使用。為此，必須能夠以某種方式提前DAC相對于ADC的時序。

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

雖然在使用相對較短的管道時，需要具有非常低群延遲的前饋消除技術來消除隨機分量，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分量。

主動降噪架構

通過取消系統的組延遲更少，這意味著可以使用更短的管道，使該方法更可行和可接受。為了實現極低的群延遲，在系統的模擬前端（AFE）部分采用了高度過采樣的Σ-Δ轉換器技術。此外，模擬增益抽頭（AGT）和數字增益抽頭（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），因為所有處理都是以數字方式以相對較低的速率完成的。在圖3中，每個轉換通道及其采樣速率轉換在一個單獨的模塊中：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為是單抽頭FIR濾波器。前饋抽頭可編程，并在取消期間進行調整;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的高速率輸入相結合。

圖4.具有高速模擬和數字增益抽頭的ANC系統。

主動降噪算法

采用標準濾波xLMS（FXLMS）算法更新前饋消除的ANC系數，

哪里x'k由輔助路徑模型篩選。已經提出了其他自適應算法來提高定點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，每個麥克風輸入都通過自適應直流抽頭進行處理，漏電分量是前饋路徑系數更新算法的一部分。

主動降噪硬件和軟件要求

短管道主動降噪硬件應包括一個具有至少兩個ADC通道和一個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的采樣時序應能夠相對于基準電壓源ADC的采樣時序提前。AFE還應同時具有高速模擬和數字增益抽頭，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，因為其延遲會導致處理器從抗噪聲揚聲器到誤差麥克風的次級路徑延遲。由于此輔助路徑模型必須由處理塊和主前饋路徑運行，因此它應盡可能短。主處理模塊應具有盡可能高的MIPS速率（具有高效的指令集），以減少延遲，同時保持在低成本解決方案的一般要求范圍內。最后，主要信號轉換和處理功能的單封裝實施例應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 產品信息

AD73522（圖5）是一款單器件DSP轉換器，集成雙通道模擬前端（AFE）、針對數字信號處理（DSP）優化的微型計算機和基于閃存的DSP引導存儲器。

AFE部分具有兩個16位ADC通道和兩個16位DAC通道。每個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）和數字（DGT）域中具有輸入至輸出增益網絡。AFE的低群延遲特性（每個ADC通道通常為25 μs，每個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。該器件內置一個片內基準電壓，以允許單電源供電。

AD73522的52 MIPS DSP引擎將ADSP-2100系列基本架構（三個計算單元、數據地址發生器和一個程序序列器）與兩個串行端口、一個16位內部DMA端口、一個字節DMA端口、一個可編程定時器、標志I/O、廣泛的中斷功能以及片內程序和數據存儲器相結合。

圖5.AD73522 DSP轉換器

AD73522-80集成80 KB片內存儲器，配置為16K 24位字的程序RAM和16K 16位字數據RAM。AD73522-40集成40K字節片內存儲器，配置為8K字24位程序RAM和16位數據RAM。

這兩款器件均具有連接到DSP字節寬DMA端口（BDMA）的64 KB（512 Kbits）閃存陣列。這允許對DSP的引導代碼和系統數據參數進行非易失性存儲。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備的低功耗需求所固有的。

Σ-Δ型ADC和DAC架構

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

AD73522中使用的AFE轉換通道如圖6所示。ADC部分由一個模擬二階32×至256×過采樣、1位Σ-Δ調制器組成，后跟一個數字正弦立方抽取器（被32分頻至256分頻）。DAC部分包含一個數字墳立方插值器、一個數字、二階、32×-256×過采樣、1位Σ-Δ調制器，后接一個模擬三階開關電容LPF和一個二階連續時間LPF。

圖6.AD73522 dsp轉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，由以下關系給出：

其中階數是抽取器的階數 （= 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，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行轉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是一個可編程增益模塊，其輸入從ADC的模擬Σ-Δ調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字增益抽頭設置，即16位可編程值。通過DGT前饋路徑的群延遲僅為25 μs。

DAC的加載通常與每個采樣間隔內ADC數據的卸載在內部同步。但是，該DAC負載位置可以以15.0 μs的步長及時提前多達5 μs。該工具可用于進一步最小化通過DSP從模擬輸入到模擬輸出的前饋延遲。

AD73522 封裝

三個主要處理元件（AFE、DSP 和閃存）組合在一個封裝中，提供經濟高效的獨立解決方案。該單封裝是一個 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理與用戶友好型編程平臺相結合，可實現快速簡便的開發。該板與PC的串行端口接口，配有與Windows 95兼容的接口軟件，允許在所有內存（包括閃存部分）之間傳輸數據。輸出連接器上提供所有 dsp 轉換器引腳。該板具有用于高級軟件開發的 EZ-ICE 連接器。其他特性包括一個麥克風，在一個輸入通道上帶有調理電路，在輸出通道上帶有揚聲器放大器。??

圖9.AD73522 dsp轉換器評估板框圖

實驗設置

實驗設置（圖10）由一個服務器盒（僅包含一個風扇和電源）、一個塑料管道（帶有參考和誤差麥克風以及次級揚聲器）以及AD73522評估板組成。服務器風扇的直徑為 5 英寸（約 13 厘米）。T形管道和揚聲器的直徑為6英寸（約15）厘米。管道長度可調節至最小 12 英寸（30.5 厘米）。

在實驗過程中，AD73522評估板連接到PC進行調試。此外，內部變量被寫出到未使用的DAC通道進行監控。最初，系統是使用主揚聲器而不是實際的服務器風扇設置的，以便使用可編程音調和寬帶信號進行測試。

圖 10.服務器風扇實驗設置。

結果

主揚聲器單音干擾下的實驗設置性能如圖11所示。主音降低了 30 dB 的倍數。當主揚聲器提供寬帶干擾時，衰減系數約為20 dB，如圖12所示。

圖 12.寬帶干擾性能。

結論

結合模擬增益抽頭（AGT）和數字增益抽頭（DGT）的方法允許在低群延遲ANC應用中使用Σ-Δ技術。結合模擬和數字功能的單封裝實施例（如AD73522 dsp轉換器）應提供靈活且經濟高效的主動降噪解決方案。

審核編輯：郭婷