自适应竟然可以取消服务器的风扇噪音

简介

过去，当人们想到工作场所的噪音时，通常会想到沉重的工业噪音。这种类型的过度噪音可能会损害工人的健康。今天，在较低的水平，虽然在办公室环境中没有严重的健康危害，但是来自个人计算机，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，从而影响性能和生产率。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，但原则可以适用到具有类似功能的其他应用程序来自服务器冷却风扇的噪音可能很烦人，尤其是当服务器位于用户附近时。通常，更高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，允许在给定区域内更多的功率耗散和更高的计算机功率集中。

问题描述

通常，服务器冷却-fan噪声具有随机和重复的成分。 Dell Poweredge 2200服务器的风扇噪声频谱图说明了这一点（图1）。此外，风扇噪音的曲线可能随时间和条件而变化;例如，靠近风扇的障碍物会影响它的速度，从而影响它产生的噪音。

一种解决方案

一种解决方案是限制传播的速度风扇噪音到管道，然后使用主动噪音控制（ANC）来降低离开风道[1]的风扇噪音强度。

应用于在管道内传播的噪声的基本ANC系统如图2所示。沿着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地改变以产生抗噪声以最小化下游误差麦克风的声能。然而，抗噪声也可以向上游传播并且可以破坏自适应前馈路径的动作，尤其是如果扬声器靠近参考麦克风（在短管道中总是如此）。为了抵消这一点，电子反馈用于抵消声反馈。该中和路径通常在没有初级干扰的情况下离线确定，然后在存在主要噪声源时固定。这样做是因为主要噪声与抗噪声高度相关。

短管噪声消除存在许多问题[2]，[3]，[4]。从抗噪声扬声器到参考麦克风的声学反馈更加明显;声模的数量呈指数增长;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会变得很重要[5]。本文特别关注后一个问题。

群延迟的重要性

为了在尺寸和成本方面提供一种不显眼且可行的解决方案，导管越好;理想情况下，它应该适合服务器盒 - 这将导致非常短的声学路径。为了保持因果关系，如果要成功取消宽带初级噪声，则整个（主要是电子的）前馈路径的延迟必须小于或等于前向声学路径的延迟。

（1）

其中δff 是通过前馈路径的延迟，δap是主要的声学延迟。

在辅助扬声器凹陷的情况下前馈路径还包括通过该辅助导管的声学延迟。

（2）

其中δ e 是前馈的电子部分路径和δ as 是次级导管中的声学延迟。

前馈路径中的电子延迟包括通过麦克风的群延迟，抗混叠滤波器和A / D转换器（ADC）; DSP中的处理延迟（+数字滤波器组延迟）;通过D / A转换器（DAC）和反成像滤波器进行群延迟;最后通过次要发言人的延迟。

（3）

因此，从因果关系：

（4）

最小化δ ap ，从而最小化管道，δ ff （及其所有各种组件）应尽可能小。让我们假设通过麦克风，扬声器和辅助导管路径的延迟已经被最小化。然后，要最小化的剩余量是δ adc + δ dsp + δ dac 。

δ adc 可以通过使用具有低群延迟抽取滤波的过采样ADC来最小化;通过使用具有足够高MIPS和高效指令集的DSP，可以最小化δ dsp ;通过使用具有低群延迟的插值滤波的过采样DAC，可以最小化δ dac 。后者应该能够被旁路以进一步最小化群延迟。

此外，处理器应该尽快使用最新的ADC样本，并且DAC应该使用最新的DSP输出结果一旦可用。为此，必须能够以某种方式提升DAC相对于ADC的时序。

与主处理路径并行的高速增益分接头有助于缓解这种情况，特别是在实际短管道的情况下，噪声可以通过管道硬件本身位于声学路径的侧面。

虽然在使用相对短的管道时需要具有非常低群延迟的前馈消除技术来取消随机分量，但是可以应用反馈方法来使用rpm同步信号作为参考输入来消除重复分量。

ANC架构

通过取消系统减少群体延迟意味着可以使用更短的管道，使得该方法更可行和可接受。为了实现非常低的群延迟，在系统的模拟前端（AFE）部分采用了严重过采样的sigma-delta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和相对较低的速率完成的。在图3中，每个转换通道都在一个单独的块中显示其采样率转换：ADC通道的抽取器模块和DAC通道的内插器模块。

增益抽头的引入如图4所示。具有增益抽头的滤波器可以被认为只是单抽头FIR滤波器。前馈龙头是可编程的，并在取消期间进行调整;反馈分接头是固定的并且离线确定。

请注意，DGT作用于ADC的高速输出，它们的输出与DAC的高速率输入相结合。

ANC算法

< p>标准滤波-x LMS（FXLMS）算法用于更新前馈消除的ANC系数，

（5）

其中 x' k 已过滤通过次要路径模型。已经提出了其他自适应算法来提高定点DSP的性能[6]。

二次路径和反馈中和路径的建模是离线完成的;然后在主动取消模式中使用固定版本。此外，每个麦克风输入都通过自适应直流抽头进行处理，泄漏组件可选择作为前馈路径系数更新算法的一部分。

ANC硬件和软件要求

短管ANC硬件应包括具有至少两个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率和低群延迟。反噪声DAC的采样时序应该能够相对于参考ADC的采样时序提前。 AFE还应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也需要低群延迟，因为其延迟有助于通过次级路径的延迟，如处理器从抗噪声扬声器到误差麦克风所见。由于此辅助路径模型必须由处理块以及主前馈路径运行，因此它应尽可能短。主处理模块应具有尽可能高的MIPS速率（使用有效的指令集）以减少延迟，从而保持低成本解决方案的一般要求。最后，主要信号转换和处理功能的单封装实施例应使ANC解决方案更灵活，更具成本效益。

使用AD73522 dspConverter可以获得一个具有单个集成电路封装的ANC解决方案。

AD73522产品信息

AD73522（图5）是单器件dspConverter包含双模拟前端（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启动内存。

AFE部分功能两个16位ADC通道和两个16位DAC通道。每个通道在语音频带信号带宽上提供77 dB的信噪比，最大采样率为64 ksps。它还在模拟（AGT）和数字（DGT）域中具有输入到输出增益网络。 AFE的低群延迟特性（每个ADC通道通常为25μs，每个DAC通道为50μs）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。片内基准电压包括单电源供电。

AD73522的52-MIPS DSP引擎结合了ADSP-2100系列基础架构（三个计算单元，数据地址生成器和一个程序定序器）具有两个串行端口，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上程序和数据存储器。

< p> AD73522-80集成了80 KB的片上存储器，配置为16K 24位字的程序RAM和16K 16位字的数据RAM。 AD73522-40集成了40K字节的片上存储器，配置为8K字的24位程序RAM和16位数据RAM。

两款器件都具有64 KB（512 Kbits）的闪存阵列，连接到DSP的字节宽DMA端口（BDMA）。这允许DSP的引导代码和系统数据参数的非易失性存储。 AD73522采用3.3 V电源供电。断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。

Sigma-Delta ADC和DAC架构

AFE采用的转换技术属于sigma-delta类型。模拟Σ-Δ调制器用于ADC通道，数字Σ-Δ调制器用于DAC通道。 Σ-Δ调制器是一种严重过采样系统，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固有地经过高通滤波并在带外“成形”。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部分包括模拟二阶，32×到256×过采样，1位sigma-delta调制器，然后是数字sinc-cubed抽取器（除以32除以256）。 DAC部分包含一个数字sinc-cubed插值器，一个数字，二阶，32×-256×过采样，1位sigma-delta调制器，然后是模拟三阶开关电容LPF和二阶连续-time LPF。

通过ADC通道的群延迟主要是通过sinc-cubed抽取器的群延迟，并由以下关系给出：

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（6）

其中< em> Order 是抽取器的顺序（= 3）， M 是抽取因子（对于64-ksps输出采样率= 32）和δ ds 是抽取采样间隔（= 1 / 2.048E6 s）

（7）

，输出采样率为64 ksps。

通过DAC通道的群延迟主要取决于通过sinc-cubed插值器的群延迟和通过三阶开关电容LPF的群延迟。通过内插器的固有群延迟与通过抽取器的相同，对于64-ksps输入采样率，等于22.7μs。但是，可以选择性地绕过内插器以避免这种固有的群延迟，但代价是减少带外抑制。

sinc-cubed抽取器和内插器的z变换由下式给出：

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通过DAC模拟部分的群延迟大约为22.7μs。

请注意，采样率仅为8 ksps时，通过抽取器和插值器的固有群延迟增加到186.8微秒。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具有从ADC输入到DAC输出的高速模拟和数字前馈路径，通过AGT和DGT分别。 AGT配置为差分放大器，增益可编程为-1至+1（32步）和单独的静音控制。每步的增益增量为0.0625。通过AGT前馈路径的群延迟仅为0.5μs。 DGT是一个可编程增益模块，其输入从ADC模拟Σ-Δ调制器的比特流输出中分出。该单比特输入用于将数字增益抽头设置（一个16位可编程值）加到或减去DAC内插器的输出。通过DGT前馈路径的群延迟仅为25μs。

DAC的加载通常在内部与每个采样间隔中ADC数据的卸载同步。但是，该DAC负载位置可以以0.5μs的步长提前15μs。该功能可用于进一步减少通过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）组合在一个包中，提供经济高效的独立解决方案。这个单封装是119球塑料球栅阵列（PBGA），如图7所示。尺寸为14 mm×22 mm×2.1 mm，焊球排列成7×17阵列，长度为1.27 mm （50 mil）间距。

AD73522评估板

AD73522 dspConverter评估板（图8和图9）结合了所有的前端模拟信号调理，具有用户友好的编程平台，可实现快速简便的开发。该板与PC的串行端口连接，附带Windows ® 95兼容接口软件，允许与所有存储器（包括闪存部分）之间传输数据。所有dspConverter引脚均可在输出连接器上使用。该板具有EZ-ICE ®连接器，用于高级软件开发。其他功能包括一个输入通道上带有调理电路的麦克风和输出通道上的扬声器放大器。

实验设置

实验设置（图10）包含一个服务器盒（仅包含风扇和电源），塑料管（带有参考和错误麦克风和辅助扬声器）和AD73522评估板。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，内部变量被写入未使用的DAC通道进行监控。最初，系统使用主扬声器而不是实际的服务器风扇进行设置，以允许使用可编程音调和宽带信号进行测试。

结果

图11显示了主扬声器单音干扰的实验装置的性能。主音降低了30 dB。当主扬声器发出宽带干扰时，降低系数约为20 dB，如图12所示。

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 dspConverter，应提供灵活且经济高效的ANC解决方案。