簡介

過去，當人們想到工作場所的噪音時，通常會想到沉重的工業(yè)噪音。這種類型的過度噪音可能會損害工人的健康。今天，在較低的水平，雖然在辦公室環(huán)境中沒有嚴重的健康危害，但是來自個人計算機，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，從而影響性能和生產率。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，但原則可以適用到具有類似功能的其他應用程序來自服務器冷卻風扇的噪音可能很煩人，尤其是當服務器位于用戶附近時。通常，更高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，允許在給定區(qū)域內更多的功率耗散和更高的計算機功率集中。

問題描述

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

一種解決方案

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

應用于在管道內傳播的噪聲的基本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采樣并在電子前饋路徑中自適應地改變以產生抗噪聲以最小化下游誤差麥克風的聲能。然而，抗噪聲也可以向上游傳播并且可以破壞自適應前饋路徑的動作，尤其是如果揚聲器靠近參考麥克風（在短管道中總是如此）。為了抵消這一點，電子反饋用于抵消聲反饋。該中和路徑通常在沒有初級干擾的情況下離線確定，然后在存在主要噪聲源時固定。這樣做是因為主要噪聲與抗噪聲高度相關。

短管噪聲消除存在許多問題[2]，[3]，[4]。從抗噪聲揚聲器到參考麥克風的聲學反饋更加明顯;聲模的數量呈指數增長;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會變得很重要[5]。本文特別關注后一個問題。

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，導管越好;理想情況下，它應該適合服務器盒 - 這將導致非常短的聲學路徑。為了保持因果關系，如果要成功取消寬帶初級噪聲，則整個（主要是電子的）前饋路徑的延遲必須小于或等于前向聲學路徑的延遲。

（1）

其中δff 是通過前饋路徑的延遲，δap是主要的聲學延遲。

在輔助揚聲器凹陷的情況下前饋路徑還包括通過該輔助導管的聲學延遲。

（2）

其中δ e 是前饋的電子部分路徑和δ as 是次級導管中的聲學延遲。

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

（3）

因此，從因果關系：

（4）

最小化δ ap ，從而最小化管道，δ ff （及其所有各種組件）應盡可能小。讓我們假設通過麥克風，揚聲器和輔助導管路徑的延遲已經被最小化。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MIPS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 。后者應該能夠被旁路以進一步最小化群延遲。

此外，處理器應該盡快使用最新的ADC樣本，并且DAC應該使用最新的DSP輸出結果一旦可用。為此，必須能夠以某種方式提升DAC相對于ADC的時序。

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，特別是在實際短管道的情況下，噪聲可以通過管道硬件本身位于聲學路徑的側面。

雖然在使用相對短的管道時需要具有非常低群延遲的前饋消除技術來取消隨機分量，但是可以應用反饋方法來使用rpm同步信號作為參考輸入來消除重復分量。

ANC架構

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。為了實現非常低的群延遲，在系統(tǒng)的模擬前端（AFE）部分采用了嚴重過采樣的sigma-delta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和相對較低的速率完成的。在圖3中，每個轉換通道都在一個單獨的塊中顯示其采樣率轉換：ADC通道的抽取器模塊和DAC通道的內插器模塊。

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，并在取消期間進行調整;反饋分接頭是固定的并且離線確定。

請注意，DGT作用于ADC的高速輸出，它們的輸出與DAC的高速率輸入相結合。

ANC算法

< p>標準濾波-x LMS（FXLMS）算法用于更新前饋消除的ANC系數，

（5）

其中 x' k 已過濾通過次要路徑模型。已經提出了其他自適應算法來提高定點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;然后在主動取消模式中使用固定版本。此外，每個麥克風輸入都通過自適應直流抽頭進行處理，泄漏組件可選擇作為前饋路徑系數更新算法的一部分。

ANC硬件和軟件要求

短管ANC硬件應包括具有至少兩個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率和低群延遲。反噪聲DAC的采樣時序應該能夠相對于參考ADC的采樣時序提前。 AFE還應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也需要低群延遲，因為其延遲有助于通過次級路徑的延遲，如處理器從抗噪聲揚聲器到誤差麥克風所見。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（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，主要信號轉換和處理功能的單封裝實施例應使ANC解決方案更靈活，更具成本效益。

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

AD73522產品信息

AD73522（圖5）是單器件dspConverter包含雙模擬前端（AFE），針對數字信號處理（DSP）優(yōu)化的微型計算機和基于閃存的DSP啟動內存。

AFE部分功能兩個16位ADC通道和兩個16位DAC通道。每個通道在語音頻帶信號帶寬上提供77 dB的信噪比，最大采樣率為64 ksps。它還在模擬（AGT）和數字（DGT）域中具有輸入到輸出增益網絡。 AFE的低群延遲特性（每個ADC通道通常為25μs，每個DAC通道為50μs）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。片內基準電壓包括單電源供電。

AD73522的52-MIPS DSP引擎結合了ADSP-2100系列基礎架構（三個計算單元，數據地址生成器和一個程序定序器）具有兩個串行端口，一個16位內部DMA端口，一個字節(jié)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上程序和數據存儲器。

< p> AD73522-80集成了80 KB的片上存儲器，配置為16K 24位字的程序RAM和16K 16位字的數據RAM。 AD73522-40集成了40K字節(jié)的片上存儲器，配置為8K字的24位程序RAM和16位數據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的引導代碼和系統(tǒng)數據參數的非易失性存儲。 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備的低功耗需求所固有的。

Sigma-Delta ADC和DAC架構

AFE采用的轉換技術屬于sigma-delta類型。模擬Σ-Δ調制器用于ADC通道，數字Σ-Δ調制器用于DAC通道。 Σ-Δ調制器是一種嚴重過采樣系統(tǒng)，在噪聲整形環(huán)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固有地經過高通濾波并在帶外“成形”。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部分包括模擬二階，32×到256×過采樣，1位sigma-delta調制器，然后是數字sinc-cubed抽取器（除以32除以256）。 DAC部分包含一個數字sinc-cubed插值器，一個數字，二階，32×-256×過采樣，1位sigma-delta調制器，然后是模擬三階開關電容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，并由以下關系給出：

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（6）

其中< em> Order 是抽取器的順序（= 3）， M 是抽取因子（對于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電容LPF的群延遲。通過內插器的固有群延遲與通過抽取器的相同，對于64-ksps輸入采樣率，等于22.7μs。但是，可以選擇性地繞過內插器以避免這種固有的群延遲，但代價是減少帶外抑制。

sinc-cubed抽取器和內插器的z變換由下式給出：

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通過DAC模擬部分的群延遲大約為22.7μs。

請注意，采樣率僅為8 ksps時，通過抽取器和插值器的固有群延遲增加到186.8微秒。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具有從ADC輸入到DAC輸出的高速模擬和數字前饋路徑，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是一個可編程增益模塊，其輸入從ADC模擬Σ-Δ調制器的比特流輸出中分出。該單比特輸入用于將數字增益抽頭設置（一個16位可編程值）加到或減去DAC內插器的輸出。通過DGT前饋路徑的群延遲僅為25μs。

DAC的加載通常在內部與每個采樣間隔中ADC數據的卸載同步。但是，該DAC負載位置可以以0.5μs的步長提前15μs。該功能可用于進一步減少通過DSP從模擬輸入到模擬輸出的前饋延遲。

AD73522封裝

三個主要處理元件（AFE，DSP和閃存）組合在一個包中，提供經濟高效的獨立解決方案。這個單封裝是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，長度為1.27 mm （50 mil）間距。

AD73522評估板

AD73522 dspConverter評估板（圖8和圖9）結合了所有的前端模擬信號調理，具有用戶友好的編程平臺，可實現快速簡便的開發(fā)。該板與PC的串行端口連接，附帶Windows ? 95兼容接口軟件，允許與所有存儲器（包括閃存部分）之間傳輸數據。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，用于高級軟件開發(fā)。其他功能包括一個輸入通道上帶有調理電路的麥克風和輸出通道上的揚聲器放大器。

實驗設置

實驗設置（圖10）包含一個服務器盒（僅包含風扇和電源），塑料管（帶有參考和錯誤麥克風和輔助揚聲器）和AD73522評估板。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，內部變量被寫入未使用的DAC通道進行監(jiān)控。最初，系統(tǒng)使用主揚聲器而不是實際的服務器風扇進行設置，以允許使用可編程音調和寬帶信號進行測試。

結果

圖11顯示了主揚聲器單音干擾的實驗裝置的性能。主音降低了30 dB。當主揚聲器發(fā)出寬帶干擾時，降低系數約為20 dB，如圖12所示。

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 dspConverter，應提供靈活且經濟高效的ANC解決方案。