自适应消除服务器风扇噪音

作者：Paschal Minogue, Neil Rankin, and Jim Ryan

过去，当人们想到工作场所的噪音时，通常会想到重工业噪音。这种类型的过度噪音可能会损害工人的健康。如今，在办公室环境中，虽然没有那么严重的健康危害，但来自个人计算机、工作站、服务器、打印机、传真机等设备的噪音可能会分散注意力，损害性能和生产力。对于个人计算机，工作站和服务器，噪音通常来自磁盘驱动器和冷却风扇。

本文是关于服务器冷却风扇的噪音问题，但这些原理可以应用于具有类似功能的其他应用程序。服务器冷却风扇发出的噪音可能很烦人，尤其是当服务器位于用户附近时。通常，更大的服务器计算能力意味着更高的功耗，需要更大/更快的风扇，这会产生更大的风扇噪音。通过有效的风扇噪音消除，可以使用更大的冷却风扇，从而允许更多的功耗和更大的计算机功率集中在给定区域。

问题描述

通常，服务器冷却风扇噪音既有随机分量，也有重复分量。Dell™ Poweredge 2200服务器的风扇噪音频谱图说明了这一点（图1）。此外，风扇噪音的分布会随着时间和条件而变化;例如，靠近风扇的障碍物会影响其速度，从而影响其产生的噪音。

图1.服务器风扇噪音配置文件。

一个解决方案

一种解决方案是将大部分风扇噪声的传播限制在管道内，然后使用主动噪声控制（ANC）来降低离开管道的风扇噪声的强度[1]。

应用于管道内传播噪声的基本主动降噪系统框图如图2所示。沿管道传播的噪声由上游参考麦克风采样，并在电子前馈路径中自适应改变以产生抗噪声，从而最大限度地减少下游错误麦克风的声能。但是，抗噪声也会向上游传播，并可能破坏自适应前馈路径的作用，特别是当扬声器靠近参考麦克风时（在短管道中总是如此）。为了抵消这种情况，使用电子反馈来中和声音反馈。在没有初级干扰的情况下，该中和路径通常离线确定，然后在存在主要噪声源时固定。这样做是因为初级噪声与抗噪声高度相关。

短管降噪存在许多问题[2]，[3]，[4]。从抗噪扬声器到参考麦克风的声学反馈更明显;声学模式的数量呈指数级增长;管道共振会导致谐波失真;通过模数转换器、处理单元和数模转换器的群延迟可能会变得很大[5]。本文特别集中讨论后一个问题。

图2.基本风管主动降噪系统。

群体延迟的重要性

为了在尺寸和成本方面提供不显眼且可行的解决方案，管道越小越好;理想情况下，它应该适合服务器机箱内，这将导致非常短的声学路径。为了保持因果关系，如果要成功消除宽带初级噪声，则通过整个（主要是电子）前馈路径的延迟必须小于或等于正向声学路径中的延迟。

哪里δff 是通过前馈路径的延迟，δap是主声学延迟。

在次级扬声器凹入其自身的短管道的情况下，前馈路径还将包括通过该辅助管道的声学延迟。

哪里δe是前馈路径的电子部分，并且δ如 是辅助管道中的声学延迟。

前馈路径中的电子延迟包括通过麦克风、抗混叠滤波器和模数转换器（ADC）的群延迟;DSP中的处理延迟（+数字滤波器群延迟）;通过D/A转换器（DAC）和抗成像滤波器的群延迟;最后是通过副扬声器的延迟。

要最小化δ美联社，从而管道的长度，δFF和ff（及其所有各种组件）应尽可能小。假设通过麦克风、扬声器和辅助管道路径的延迟已经最小化。然后，要最小化的剩余数量为δ模数转换器 + δDSP + δ发援会.

δ模数转换器 通过使用具有低群延迟抽取滤波的过采样ADC，可以最小化;δDSP 通过使用具有足够高MIPS和高效指令集的DSP，可以最小化;δ发援会 通过使用具有低群延迟的插值滤波的过采样DAC，可以最大限度地减小。后者应该能够被绕过，以进一步减少组延迟。

此外，处理器应在最新的ADC样本可用时立即使用，DAC应在最新的DSP输出结果可用时立即使用。为此，必须能够以某种方式提前DAC相对于ADC的时序。

与主处理路径并联的高速增益抽头有助于缓解这种情况，特别是在实际的短管道的情况下，噪声可以通过管道硬件本身在声学路径的侧面。

虽然在使用相对较短的管道时，需要具有非常低群延迟的前馈消除技术来消除随机分量，但可以使用反馈方法使用rpm同步信号作为参考输入来消除重复分量。

主动降噪架构

通过取消系统的组延迟更少，这意味着可以使用更短的管道，使该方法更可行和可接受。为了实现极低的群延迟，在系统的模拟前端（AFE）部分采用了高度过采样的Σ-Δ转换器技术。此外，模拟增益抽头（AGT）和数字增益抽头（DGT）都可用于在处理路径中提供更低的群延迟。

由于没有高速增益抽头，因此可以使用2 ADC/1 DAC配置（图3），因为所有处理都是以数字方式以相对较低的速率完成的。在图3中，每个转换通道及其采样速率转换在一个单独的模块中：ADC通道为抽取器模块，DAC通道为插值器模块。

图3.2 ADC/1 DAC 配置，无高速增益抽头。

增益抽头的引入如图4所示。带增益抽头的滤波器可以被认为是单抽头FIR滤波器。前馈抽头可编程，并在取消期间进行调整;反馈抽头是固定的，离线确定。

请注意，DGT作用于ADC的高速率输出，其输出与DAC的高速率输入相结合。

图4.具有高速模拟和数字增益抽头的ANC系统。

主动降噪算法

采用标准滤波xLMS（FXLMS）算法更新前馈消除的ANC系数，

哪里x'k由辅助路径模型筛选。已经提出了其他自适应算法来提高定点DSP的性能[6]。

次级路径和反馈中和路径的建模离线完成;然后在主动取消模式下使用固定版本。此外，每个麦克风输入都通过自适应直流抽头进行处理，漏电分量是前馈路径系数更新算法的一部分。

主动降噪硬件和软件要求

短管道主动降噪硬件应包括一个具有至少两个ADC通道和一个DAC通道的AFE。参考信号ADC和抗噪声DAC需要具有固有的高采样速率和低群延迟。抗噪声DAC的采样时序应能够相对于基准电压源ADC的采样时序提前。AFE还应同时具有高速模拟和数字增益抽头，以提供超短延迟路径。误差信号ADC还需要具有较低的群延迟，因为其延迟会导致处理器从抗噪声扬声器到误差麦克风的次级路径延迟。由于此辅助路径模型必须由处理块和主前馈路径运行，因此它应尽可能短。主处理模块应具有尽可能高的MIPS速率（具有高效的指令集），以减少延迟，同时保持在低成本解决方案的一般要求范围内。最后，主要信号转换和处理功能的单封装实施例应使主动降噪解决方案更加灵活且更具成本效益。

使用AD73522 dsp转换器可以获得一种采用单集成电路封装的主动降噪解决方案。

AD73522 产品信息

AD73522（图5）是一款单器件DSP转换器，集成双通道模拟前端（AFE）、针对数字信号处理（DSP）优化的微型计算机和基于闪存的DSP引导存储器。

AFE部分具有两个16位ADC通道和两个16位DAC通道。每个通道在语音带信号带宽上提供 77 dB 的信噪比，最大采样率为 64 ksps。它还在模拟（AGT）和数字（DGT）域中具有输入至输出增益网络。AFE的低群延迟特性（每个ADC通道通常为25 μs，每个DAC通道通常为50 μs）使其适用于单通道或多通道有源控制应用。ADC和DAC通道具有可编程输入/输出增益，范围分别为38 dB和21 dB。该器件内置一个片内基准电压，以允许单电源供电。

AD73522的52 MIPS DSP引擎将ADSP-2100系列基本架构（三个计算单元、数据地址发生器和一个程序序列器）与两个串行端口、一个16位内部DMA端口、一个字节DMA端口、一个可编程定时器、标志I/O、广泛的中断功能以及片内程序和数据存储器相结合。

图5.AD73522 DSP转换器

AD73522-80集成80 KB片内存储器，配置为16K 24位字的程序RAM和16K 16位字数据RAM。AD73522-40集成40K字节片内存储器，配置为8K字24位程序RAM和16位数据RAM。

这两款器件均具有连接到DSP字节宽DMA端口（BDMA）的64 KB（512 Kbits）闪存阵列。这允许对DSP的引导代码和系统数据参数进行非易失性存储。AD73522采用3.3 V电源供电。省电电路是满足电池供电便携式设备的低功耗需求所固有的。

Σ-Δ型ADC和DAC架构

AFE中采用的转换技术是Σ-Delta类型。ADC通道使用模拟Σ-Δ调制器，DAC通道使用数字Σ-Δ调制器。Σ-Δ调制器是一种高度过采样的系统，它在噪声整形环路中使用低分辨率转换器。低分辨率、高速转换器的量化噪声本质上是高通滤波和带外“整形”的。然后对调制器或噪声整形器的输出进行低通滤波，以降低采样速率并消除带外噪声。

AD73522中使用的AFE转换通道如图6所示。ADC部分由一个模拟二阶32×至256×过采样、1位Σ-Δ调制器组成，后跟一个数字正弦立方抽取器（被32分频至256分频）。DAC部分包含一个数字坟立方插值器、一个数字、二阶、32×-256×过采样、1位Σ-Δ调制器，后接一个模拟三阶开关电容LPF和一个二阶连续时间LPF。

图6.AD73522 dsp转换器的模拟前端子部分。

通过ADC通道的群延迟由通过正弦立方抽取器的群延迟主导，由以下关系给出：

其中阶数是抽取器的阶数 （= 3），M 是抽取因子（对于 32-ksps 输出采样率 = 64），并且δDS 是抽取采样间隔 （= 1/2.048E6 s）

适用于 64 kSPS 的输出采样率。

通过DAC通道的群延迟主要由通过正弦立方插值器的群延迟和通过三阶开关电容LPF的群延迟决定。通过插值器的固有群延迟与通过抽取器的固有群延迟相同，对于22 ksps的输入采样速率，等于7.64 μs。但是，可以选择旁路插值器，以避免这种固有的群延迟，但代价是降低了带外抑制。

sinc-cubed 抽取器和插值器的 z 变换由下式给出：

通过DAC模拟部分的群延迟约为22.7 μs。

请注意，采样速率仅为8 ksps时，通过抽取器和插值器的固有群延迟增加到186.8 μs。因此，以尽可能高的速率运行转换器以减少固有的群延迟非常重要。

AFE 具有分别通过 AGT 和 DGT 从 ADC 输入到 DAC 输出的高速模拟和数字前馈路径。AGT配置为差分放大器，增益可编程范围为-1至+1，分32级和独立的静音控制。每步增益增量为 0.0625。通过AGT前馈路径的群延迟仅为0.5 μs。DGT是一个可编程增益模块，其输入从ADC的模拟Σ-Δ调制器的比特流输出分接。该单位输入用于在DAC插值器的输出中添加或减去数字增益抽头设置，即16位可编程值。通过DGT前馈路径的群延迟仅为25 μs。

DAC的加载通常与每个采样间隔内ADC数据的卸载在内部同步。但是，该DAC负载位置可以以15.0 μs的步长及时提前多达5 μs。该工具可用于进一步最小化通过DSP从模拟输入到模拟输出的前馈延迟。

AD73522 封装

三个主要处理元件（AFE、DSP 和闪存）组合在一个封装中，提供经济高效的独立解决方案。该单封装是一个 119 球塑料球栅阵列 （PBGA），如图 7 所示。它的尺寸为 14 mm × 22 mm × 2.1 mm，焊球排列在 7 × 17 阵列中，间距为 1.27 mm （50 mil）。

图7.AD73522塑料球栅阵列（PBGA）封装。

图8.AD73522 DSP转换器评估板

AD73522 评估板

AD73522 dspConverter评估板（图8和图9）将所有前端模拟信号调理与用户友好型编程平台相结合，可实现快速简便的开发。该板与PC的串行端口接口，配有与Windows 95兼容的接口软件，允许在所有内存（包括闪存部分）之间传输数据。输出连接器上提供所有 dsp 转换器引脚。该板具有用于高级软件开发的 EZ-ICE 连接器。其他特性包括一个麦克风，在一个输入通道上带有调理电路，在输出通道上带有扬声器放大器。®®

图9.AD73522 dsp转换器评估板框图

实验设置

实验设置（图10）由一个服务器盒（仅包含一个风扇和电源）、一个塑料管道（带有参考和误差麦克风以及次级扬声器）以及AD73522评估板组成。服务器风扇的直径为 5 英寸（约 13 厘米）。T形管道和扬声器的直径为6英寸（约15）厘米。管道长度可调节至最小 12 英寸（30.5 厘米）。

在实验过程中，AD73522评估板连接到PC进行调试。此外，内部变量被写出到未使用的DAC通道进行监控。最初，系统是使用主扬声器而不是实际的服务器风扇设置的，以便使用可编程音调和宽带信号进行测试。

图 10.服务器风扇实验设置。

结果

主扬声器单音干扰下的实验设置性能如图11所示。主音降低了 30 dB 的倍数。当主扬声器提供宽带干扰时，衰减系数约为20 dB，如图12所示。

图 12.宽带干扰性能。

结论

结合模拟增益抽头（AGT）和数字增益抽头（DGT）的方法允许在低群延迟ANC应用中使用Σ-Δ技术。结合模拟和数字功能的单封装实施例（如AD73522 dsp转换器）应提供灵活且经济高效的主动降噪解决方案。

审核编辑：郭婷