自适应消除服务器风扇噪声的技术解决方案

来源：analog 发布时间：2023-10-26

摘要： 风扇噪音消除如何使更大的冷却风扇和更大的集中在给定区域的计算机能力。

在过去，当人们想到工作场所的噪音时，通常会想到重工业的噪音。那种噪音太大会损害工人的健康。如今，来自个人电脑、工作站、服务器、打印机、传真机等设备的噪音，虽然在办公环境中对健康的危害没有那么严重，但水平要低得多，它们会分散注意力，影响工作表现和生产力。就个人电脑、工作站和服务器而言，噪音通常来自磁盘驱动器和冷却风扇。

本文讨论的是服务器冷却风扇的噪音问题，但其中的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，特别是当服务器位于用户附近时。通常情况下，服务器的计算能力越强，功耗越高，需要更大更快的风扇，风扇噪音也会更大。有了有效的风扇噪音消除，可以使用更大的冷却风扇，允许更多的功率耗散和更集中的计算机功率在一个给定的区域。

问题描述

通常，服务器冷却风扇的噪音既有随机的成分，也有重复的成分。戴尔Poweredge 2200服务器的风扇噪声频谱图说明了这一点(图1)。此外，风扇噪声的分布可以随着时间和条件的变化而变化;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。

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]。

图2显示了应用于管道内传播噪声的基本ANC系统的框图。沿着管道传播的噪声由上游参考传声器采样，并在电子前馈路径中自适应改变，以产生抗噪声，从而使下游误差传声器的声能最小化。然而，抗噪声也可以向上游传播，并可能破坏自适应前馈路径的作用，特别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，电子反馈被用来抵消声学反馈。这种中和路径通常是离线确定的，在没有主要干扰的情况下，然后在主要噪声源存在时固定。这样做是因为主噪声与抗噪声高度相关。

短风道降噪存在诸多问题[2]，[3]，[4]。从抗噪扬声器到参考麦克风的声学反馈更为明显;声模态的数量呈指数增长;管道共振会引起谐波失真;通过转数转换器、处理单元和数字转换器的群延迟可以变得显著[5]。本文着重讨论后一个问题。

群延迟的重要性

为了在尺寸和成本方面提供一个不显眼和可行的解决方案，风管越小越好;理想情况下，它应该适合服务器盒子-这将导致非常短的声波路径。为了保持因果关系，如果要成功消除宽带初级噪声，整个(主要是电子)前馈路径的延迟必须小于或等于前向声学路径的延迟。

（1）

其中得尔塔ff 为通过前馈路径的延迟，得尔塔ap为主声延迟。

在次要扬声器嵌入其自身短导管的情况下，前馈路径也将包括通过该次要导管的声延迟。

（2）

其中得尔塔(e)为前馈路径的电子部分，得尔塔(as)为二次管道中的声延迟。

前馈路径中的电子延迟包括通过传声器、抗混叠滤波器和A/D转换器(ADC)的群延迟;处理延迟(+数字滤波器组延迟);通过D/A转换器(DAC)和抗成像滤波器实现群延时;最后是通过第二个扬声器的延迟。

(3）

因此，从因果关系来看:

（4）

为了最小化得尔塔(ap)，从而最小化管道的长度，得尔塔(ff)(及其所有不同的组成部分)应尽可能小。让我们假设通过麦克风，扬声器和二次管道路径的延迟已经最小化。然后，剩余的要最小化的量是得尔塔(adc) + 得尔塔(dsp) + 得尔塔(dac)。

得尔塔(adc)可以通过使用低群延迟抽取滤波的过采样adc来最小化;得尔塔(dsp)可以通过使用具有足够高mips和高效指令集的dsp来最小化;得尔塔(dac)可以通过使用具有低群延迟的带插值滤波的过采样dac来最小化。后者应该能够被绕过，以进一步减少群延迟。

此外，处理器应尽快使用最新的ADC样本，而DAC应尽快使用最新的DSP输出结果。为了实现这一点，必须能够以某种方式提前DAC相对于ADC的时序。

与主处理路径并行的高速增益抽头可以帮助缓解这种情况，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绕过声路径。

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

非国大架构

通过取消系统减少群延迟意味着可以使用更短的管道，使该方法更可行和可接受。为了实现非常低的群延迟，在系统的前端(AFE)部分采用了严重过采样的sigma-delta转换器技术。此外，增益抽头(AGT)和数字增益抽头(DGT)都可以用于在处理路径中提供更低的组延迟。

在没有高速增益抽头的情况下，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，每个转换通道在单独的块中显示其采样率转换:ADC通道的十进制块和DAC通道的插值块。

增益抽头的介绍如图4所示。具有增益抽头的滤波器可以被认为是单抽头FIR滤波器。前馈抽头是可编程的，并在取消期间进行调整;反馈抽头是固定的，离线时确定。

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

非国大算法

采用标准滤波-x LMS (FXLMS)算法更新ANC系数进行前馈对消;

(5）

其中，x'(k)被辅助路径模型过滤。其他自适应算法也被提出用于提高定点dsp的性能[6]。

对二次路径和反馈中和路径进行了离线建模;固定版本采用active-cancel模式。此外，每个麦克风输入都通过自适应直流抽头进行处理，并且泄漏分量是前馈路径系数更新算法的可选部分。

ANC硬件和软件要求

短管ANC硬件应该包括一个AFE，至少有两个ADC通道和一个DAC通道。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。抗噪声DAC的采样时间应该能够相对于参考ADC的采样时间提前。AFE还应该具有高速和数字增益抽头，以提供超短延迟路径。错误信号ADC还需要具有较低的组延迟，因为它的延迟有助于通过处理器从抗噪声扬声器到错误麦克风看到的二次路径的延迟。由于这个次要路径模型必须由处理块和主要前馈路径运行，因此它应该尽可能短。主处理块应该具有尽可能高的MIPS速率(具有高效的指令集)，以减少延迟，保持在低成本解决方案的一般要求之内。最后，主要信号转换和处理功能的单一封装实施例应该使ANC解决方案更加灵活且具有成本效益。

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

AD73522产品信息

AD73522(图5)是一款单器件数字信号转换器，包含双前端(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。它还具有在(AGT)和数字(DGT)域的输入到输出增益网络。AFE的低群延迟特性(通常每个ADC通道25µs，每个DAC通道50µs)使其适合单通道或多通道主动控制应用。ADC和DAC通道具有可编程的输入/输出增益，范围分别为38 dB和21 dB。片上参考电压包括允许单电源操作。

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。

AD73522-80集成了80kb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。

这两种器件都具有64 kb (512 kb)的闪存阵列，连接到DSP的字节级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。断电电路是固有的，以满足电池供电的便携式设备的低功耗需求。

Sigma-Delta ADC和DAC架构

AFE采用的转换技术为西格马 - 得尔塔型。在ADC通道中使用sigma-delta调制器，在DAC通道中使用数字sigma-delta调制器。西格马 - 得尔塔调制器是一种严重过采样系统，在噪声整形回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“成形”的。然后对调制器或噪声整形器的输出进行低通滤波，以降低采样率并去除带外噪声。

AD73522中使用的AFE转换通道如图6所示。ADC部分包括一个二阶，32x到256x过采样，1位西格马 - 得尔塔调制器，然后是一个数字立方十进制(除以32到除以256)。DAC部分包含一个数字三次插值器，一个数字二阶32×-256×过采样1位西格马 - 得尔塔调制器，然后是一个三阶开关电容LPF和一个二阶连续时间LPF。

通过ADC通道的群延迟受通过c立方十进制数的群延迟支配，由下式给出:

（6)

其中Order为抽取因子的阶数(= 3)，M为抽取因子(对于64-ksps输出采样率= 32)，得尔塔(ds)为抽取样本间隔(= 1/2.048E6 s)。

(7)

对于64 ksps输出采样率。

通过DAC通道的群延迟主要由通过c-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。通过内插器的固有群延迟与通过十进制器的固有群延迟相同，对于64 ksps的输入采样率等于22.7µs。然而，可以选择性地绕过插补器，以减少带外抑制为代价来避免这种固有的组延迟。

c³的抽取函数和插值函数的z变换由下式给出:

（8）

通过DAC部分的组延迟约为22.7µs。

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

AFE具有高速和数字前馈路径，分别通过AGT和DGT从ADC输入到DAC输出。AGT配置为差分放大器，增益可编程，从-1到+1,32步和一个单独的静音控制。每步增益增量为0.0625。通过AGT前馈路径的群延迟仅为0.5µs。DGT是一个可编程的增益块，其输入从ADC的西格马 - 得尔塔调制器的位流输出中抽取。这个单比特输入用于添加或减去数字增益抽头设置，一个16位可编程值，到DAC的插值器的输出。通过DGT前馈路径的群延迟仅为25µs。

在每个采样间隔中，DAC的长度通常与ADC数据的长度在内部同步。然而，这个DAC负载位置可以在0.5µs的步骤中提前15µs。此功能可用于进一步减少通过DSP从输入到输出的前馈延迟。

AD73522包装

三个主要的处理元件(AFE, DSP和闪存)被组合在一个单一的封装中，以提供一个经济有效的，独立的解决方案。这个单包是一个119球塑料球网格阵列(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)。

AD73522评估板

AD73522 dspConverter评估板(图8和图9)将所有前端信号调理与用户友好的编程平台相结合，可以快速轻松地开发。该板与PC的串行端口相连，带有Windows 95兼容的接口软件，允许在所有内存(包括Flash部分)之间传输数据。所有的dspConverter引脚都可以在输出连接器上使用。该板具有用于高级软件开发的EZ-ICE 连接器。其他功能包括在一个输入通道上带有调节电路的麦克风和在输出通道上带有扬声器放大器的麦克风。