CN116025595A - 具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统 - Google Patents

Abstract

电子系统包含风扇模块、嵌入式控制器、误差麦克风、主动降噪控制器，和扬声器模块。误差麦克风会在电子系统运作时撷取噪音并输出相对应误差信号。主动降噪控制器依据误差信号和嵌入式控制器提供之风扇信息计算出风扇模块在实际运作时所产生噪音中相关实际单叶片基频噪音或实际BPF基频噪音的窄频带噪音和相对应的相位差，再依此驱动扬声器模块以提供反相噪音信号。通过适应性地调整反向噪音信号以将误差信号之值调至0，以抵消电子系统运作时所产生噪音，进而同时提供散热和降噪功能。

Description

具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统

技术领域

本发明提供一种具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统，尤指一种具散热和前馈式主动窄频噪音控制功能之电子系统。

背景技术

在现代化的信息社会，电脑系统已经成为多数人不可或缺的信息工具。为了避免元件因过热而发生功率降低或是毁损，电脑系统一般会使用风扇来提供散热功能，以将装置内部所产生的热量排出或是将装置外部之冷空气吸入。

风扇的转速和静压决定了风扇的空气流量，风扇运转时的噪音大约和其转速的五次方根成正比，转速越快散热能力越强，但造成的噪音越大。随着中央处理器的功能越来越强，装置内部所产生的废热也因此增加，加上微型化的趋势会降低热流效率，如何兼顾散热和降噪是重要课题。

发明内容

本发明提供一种具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统，其包含一风扇模块、一嵌入式控制器、一误差麦克风、一主动降噪控制器，以及一扬声器模块。该风扇模块依据一风扇控制信号来运作以提供散热功能。该嵌入式控制器用来提供该风扇控制信号和一同步信号，其中该同步信号包含该风扇模块之结构和运作设定之信息。该误差麦克风用来侦测该电子系统运作时所产生的噪音以提供相对应之一误差信号。该主动降噪控制器用来求出该风扇模块在每一转速下运作时之一实际单叶片基频、一实际叶片通过频率基频、一实际叶片通过频率倍频，和一相位偏移；依据该同步信号来提供一相位补偿信号，其中该相位补偿信号包含该风扇模块以一目前转速运作时之该实际单叶片基频、该实际叶片通过频率基频、该实际叶片通过频率倍频，和该相位偏移；以及依据该误差信号和该相位补偿信号来产生一扬声器控制信号。该扬声器模块用来依据该扬声器控制信号来产生一反相噪音信号，其中该反相噪音信号至少包含一第一噪音消除波形和一第二噪音消除波形，该第一噪音消除波形为相关该实际单叶片基频之反向信号，而该第二噪音消除波形为相关该实际叶片通过频率基频之反向信号。

附图说明

图1为本发明实施例中一种具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统的功能方块图。

图2为本发明实施例中主动降噪控制器实作方式之示意图。

图3为本发明实施例中电子系统在离线模式运作时之流程图。

图4为本发明实施例中电子系统在上线模式运作时之流程图。

其中：

10：处理器；

20：风扇模块；

30：嵌入式控制器；

40：扬声器模块；

50：误差麦克风；

60：主动降噪控制器；

62：频率计算器；

64：信号产生器；

66：数字滤波器；

68：扬声器驱动电路；

70：次级路径补偿转移函数模块；

72：次级路径转移函数模块；

74：噪音加权和转换模块；

76：适应性滤波器；

100：电子系统；

310-340、410-450：步骤；

S_FG：风扇控制信号；

S_MIC：扬声器控制信号；

S_SYN：同步信号；

x(n)：相位补偿信号；

x’(n)：校正相位补偿信号；

y(n)：反相噪音信号；

y’(n)：校正反相噪音信号；

e(n)：误差信号；

e’(n)：处理后误差信号；

d(n)：噪音信号。

具体实施方式

图1为本发明实施例中一种具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统100的功能方块图。电子系统100包含一处理器10、一风扇模块20、一嵌入式控制器(embeddedcontroller,EC)30、一扬声器模块40、一误差麦克风50，以及一主动降噪(active noisecancellation,ANC)控制器60。

处理器10可为一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)或一图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)，其为电子系统100中关键的运算引擎，负责执行作业系统所需的指令与程序，也是电子系统100中废热的主要来源。

风扇模块20视其类型可具备不同结构，主要都是利用马达带动扇叶转动，以将较冷的空气带到机箱内部，并将内部较热的空气排出，进而达到散热效果。在本发明中，风扇模块20会依据嵌入式控制器30提供之一风扇控制信号S_FG来运作，风扇控制信号S_FG之值越大，风扇模块20中的马达转速越快，散热效果越强，但也会产生较大噪音。在电子系统100的运作期间，风扇模块20通常会是主要的噪音来源。在一实施例中，风扇控制信号S_FG可为一脉波频宽调变(Pulse Width Modulation,PWM)之方波信号，通过改变其工作周期(dutycycle)来调整风扇模块20中的马达转速。在一实施例中，风扇模块20可包含一个或多个轴流式风扇或离心式风扇。然而，风扇模块20所包含的风扇数目、风扇类型和风扇驱动方式并不限定本发明之范畴。

嵌入式控制器30会储存相关电子系统100各项运作的EC代码和开机时重要信号的时序。在关机状态下，嵌入式控制器30会一直保持运行以等待用户的开机信息；在开机状态下，嵌入式控制器30会控制系统的待机/休眠状态、键盘控制器、充电指示灯，和风扇模块20中的马达转速。嵌入式控制器30通常包含一温度感测器(未显示于图1)来监控处理器10的操作温度，并依此输出风扇控制信号S_FG。当处理器10的操作温度越高，风扇控制信号S_FG的工作周期越大，而风扇模块20中的马达转速越快；当处理器10的操作温度越低，风扇控制信号S_FG的工作周期越小，而风扇模块20中的马达转速越慢。

扬声器模块40是一种可将电子信号转换成声音信号的电子元件，通常包含振膜(diaphragm)和由电磁铁和音圈所组成的驱动电路。扬声器模块40可依据ANC控制器60提供之一扬声器控制信号S_MIC来运作，当扬声器控制信号S_MIC之电流通过音圈时，音圈即随着电流的频率振动，而和音圈相连的振膜当然也就跟着振动，进而推动周围的空气振动以产生声音。在本发明实施例中，扬声器模块40之振膜会设置在风扇模块20之出风结构内，可依据扬声器控制信号S_MIC来产生一反相噪音信号y(n)。

误差麦克风50用来在电子系统100运作时撷取噪音，并输出相对应之误差信号e(n)至ANC控制器60，其中d(n)代表在电子系统100运作期间欲消除的噪音信号。由于风扇模块20为主要噪音源，误差麦克风50可设置在接近风扇模块20的出风口之处。误差麦克风50可通过一主要路径和一次级路径来侦测噪音：主要路径相关于风扇模块20和误差麦克风50之间的信号传递路径，通过主要路径会撷取到噪音信号d(n)；而次级路径相关于扬声器模块40和误差麦克风20间的信号传递路径，通过次级路径会撷取到相关反相噪音信号y(n)之一校正后反相噪音信号y’(n)。更详细地说，误差麦克风50所输出之误差信号e(n)为噪音信号d(n)和校正后反相噪音信号y’(n)之间的差值，误差信号e(n)之值越小代表降噪效果越好。在一实施例中，误差麦克风50可为一数字式微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)麦克风，其具备高耐热、高抗振和高抗射频干扰等性能。然而，误差麦克风50之种类并不限定本发明之范畴。

ANC控制器60可从嵌入式控制器30接收一同步信号S_SYN，以及从误差麦克风50接收误差信号e(n)，其中同步信号S_SYN包含相关风扇模块20之结构(例如各风扇叶片数)和运作设定(例如在不同模式下马达转速)之信息。依据同步信号S_SYN及误差信号e(n)，ANC控制器60可计算出风扇模块20在实际运作时所产生噪音中的窄频带噪音，再依此提供扬声器控制信号S_MIC以驱动扬声器模块40，使得扬声器模块40提供之反相噪音信号y(n)能有效地抵消噪音信号d(n)，亦即尽量让误差信号e(n)降至0。

图2为本发明实施例中ANC控制器60实作方式之示意图。ANC控制器60包含一频率计算器62、一信号产生器64、一数字滤波器66、一扬声器驱动电路68、一次级路径补偿转移函数模块70、一次级路径转移函数模块72、一噪音加权和转换模块74，以及一适应性滤波器76。

在本发明中，电子系统100可在一离线模式和一上线模式下运作，其中离线模式可求出相关于在特定马达转速下的频率相位偏移之信息，而上线模式可提供前馈式主动噪音控制。

图3显示了电子系统100在离线模式运作时之流程图，其包含下列步骤：

步骤310：风扇模块20以特定风扇转速来运作。

步骤320：量测特定风扇转速的噪音频率和相对应之功率。

步骤330：求出特定风扇转速下每一噪音频率的相位偏移关系。

步骤340：针对特定风扇转速设计出相位补偿信号x(n)。

风扇模块20在运作时的噪音源来自马达转动造成的空气流，其中窄频成份可能源自于由扇叶运动所产生体积位移之厚度噪音，或由扇叶表面之变动性负载力(有轴向之升力与风扇面之拉力)所造成的叶片通过频率(blade passing frequency,BPF)噪音。由于BPF及相关谐波与在每一风扇叶片通过固定参考点时产生之压力扰动有关，当扇叶尖端产生周期性压力波时就会产生特定的窄频噪音。ANC控制器60之频率计算器62可依据嵌入式控制器30提供之同步信号S_SYN得知风扇模块20的目前转速、预估单叶片频率点和叶片数，其中BPF之值为风扇模块20的马达转速和叶片数之乘积。假设风扇模块20之叶片数为37，下列表1显示了频率计算器62所计算出的资料，但并不限定本发明之范畴。马达转速的单位为rpm，而频率单位为赫兹。

马达转速	基频	二倍频	三倍频	四倍频	叶片数	BPF	BPFx2	BPFx3
									500	8.3	16.6	24.9	33.2	37	307.1	614.2	921.3
1000	16.6	33.2	49.8	66.4	37	614.2	1228.4	1842.6
									1500	25	50	75	100	37	925	1850	2775
2000	33.3	66.6	99.9	133.2	37	1232.1	2464.2	3696.3
									2500	41.7	83.4	125.1	166.8	37	1542.9	3085.8	4628.7
3000	50	100	150	200	37	1850	3700	5550
									3500	58.3	116.6	174.9	233.2	37	2157.1	4314.2	6471.3
4000	66.7	133.4	200.1	266.8	37	2467.9	4935.8	7403.7
									4500	75	150	225	300	37	2775	5550	8325
5000	83.3	166.6	249.9	333.2	37	3082.1	6164.2	9246.3
									5500	91.6	183.2	274.8	366.4	37	3389.2	6778.4	10167.6
5700	95	190	285	380	37	3515	7030	10545

表1

如前所述，风扇模块20可能会有不同的转速设定，而不同转速所产生的噪音信号可能会因电子系统100的公差发生相位偏移，因此本发明会先在离线模式下求出相关风扇模块20每一转速的相位偏移信息。

当在步骤310中风扇模块20以特定转速来运作后，接着在步骤320中会量测特定转速的实际噪音频率和相对应之功率。在一实施例中，步骤320可包含声音信号切割、声音信号补零、声音信号转换和声音信号峰值判断等运作。更详细地说，当电子系统100在离线模式下运作时，误差麦克风50会撷取在特定风扇转速下风扇模块20所产生的噪音信号，将撷取到的噪音信号切割成复数段(例如每段包含1024个取样点)，延伸每段序列的长度(例如将每段长度延伸为1024×8个取样点)，将原噪音信号之1024个取样点置于延伸后每段序列的前端，再将每段序列的后端新增的1024×7个取样点补零。接着，本发明会对补零之后的每一个序列带入快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，以将噪音信号由时域转换成频域的功率频率响应。最后，本发明会判断频率响应中的峰值，以求出在此特定风扇转速下的实际BPF基频和实际BPF倍频。上述实际BPF基频和实际BPF倍频之值和表一所示之理论值可能相差±100Hz之间。

在步骤330中，本发明会求出特定风扇转速下每一噪音频率的相位偏移关系。在一实施例中，由于BPF基频的信号处理会影响到BPF倍频信号，所以扬声器驱动电路68可控制扬声器模块40依序播放特定风扇转速下噪音信号之BPF基频信号、二倍频信号，…，N倍频信号(N为大于1之整数)，直到该特定风扇转速的倍频信号都处理完。

接下来说明步骤330之详细实施方式，音频信号之功率相关于频率，首先针对BPF基频信号提供一个包含K个序列长度的动态相位正弦波，每一个序列相位偏移

为

因此第k个序列的信号可表达为

其中K为大于1之整数，而k为介于1和K之间的整数。也就是说，当BPF基频信号之相位固定时，其正弦波中每一个序列的相位差异固定(例如40°,60°,80°…)，而上述动态相位正弦波中每一个序列的相位差异会增加

度的变化(例如在K＝12时依序为40°,90°,140°…)。

接着，扬声器驱动电路68会控制扬声器模块40依序播放特定风扇转速下之动态相位正弦波，并由误差麦克风50撷取后计算出每一个序列的功率，再将功率最小的序列所对应的相位设为该噪音频率的相位偏移。举例来说，针对相关BPF基频信号的动态相位正弦波，若其第2个序列

的功率最小，BPF基频信号的相位偏移会设为

针对相关BPF二倍频信号的动态相位正弦波，若其第k个序列

的功率最小，BPF二倍频信号的相位偏移会设为

最后在步骤340中，本发明会针对风扇模块20之每一风扇转速重复步骤310-330，以对每一个风扇转速设计出一个相对应的相位补偿信号x(n)，其中BPF的基频和倍频各有不同功率和相位。

图4显示了电子系统100在上线模式运作时之流程图，其包含下列步骤：

步骤410：误差麦克风50撷取噪音并提供相对应之误差信号e(n)。

步骤420：ANC控制器60从嵌入式控制器30提供之同步信号S_SYN得到风扇模块20中各风扇叶片数和在各模式下马达转速，并提供相对应之相位补偿信号x(n)。

步骤430：ANC控制器60依据误差信号e(n)和相位补偿信号x(n)求出风扇模块20运作时的实际单叶片基频、实际倍频和实际BPF等信息，并依此提供扬声器控制信号S_MIC。

步骤440：扬声器模块40依据扬声器控制信号S_MIC产生反相噪音信号y(n)。

步骤450：ANC控制器60针对次级路径校正参考信号x(n)提供校正后参考信号x’(n)，以及校正反向噪音信号y(n)以提供校正后反向噪音信号y’(n)；执行步骤310。

在步骤410中，当电子系统100在上线模式运作时，误差麦克风50会撷取噪音并提供相对应之误差信号e(n)。如前所述，误差麦克风50所提供之误差信号e(n)为噪音信号d(n)和校正后反相噪音信号y’(n)之间的差值，而噪音信号d(n)主要来自风扇模块20运作时扇叶的转动。

在步骤420中，ANC控制器60之信号产生器64会依据频率计算器62计算出来的资料和于下线模式中求得的资料来提供对应之相位补偿信号x(n)，其中相位补偿信号x(n)包含风扇模块20在现有转速下的实际倍频、实际BPF、相位偏移，以及声压频谱(dBSPL)等信息，可决定扬声器控制信号S_MIC之基准功率值，而通过调整数字滤波器66之参数W(Z)可改变扬声器控制信号S_MIC之功率值。

在步骤430和440中，ANC控制器60之数字滤波器66会依据误差信号e(n)和相位补偿信号x(n)来驱动扬声器驱动电路68以输出扬声器控制信号S_MIC，进而驱动扬声器模块40以提供反相噪音信号y(n)，其中W(Z)代表数字滤波器66的可调整运作参数。

扬声器模块40自身特性和运作时发送至风扇模块20的白噪音(white noise)会影响扬声器模块40和误差麦克风50之间的次级路径，假设扬声器模块40目前提供的反相噪音信号y(n)可完全抵消噪音信号d(n)，但在经由次级路径传送后，误差麦克风50撷取到的反相噪音信号y(n)可能会因为信号衰减或变形而无法完全抵消噪音信号d(n)。因此，在步骤450中，ANC控制器60之次级路径补偿转移函数模块70可从嵌入式控制器30得知次级路径之预估信号

再依据预估信号

来校正参考信号x(n)以提供校正后参考信号x’(n)。ANC控制器60之次级路径转移函数模块72可为一频谱分析仪，用来量测次级路径的实际频率响应S(Z)，再依此校正反向噪音信号y(n)以提供校正后反向噪音信号y’(n)，进而补偿次级路径对信号传输造成的影响。

噪音加权转换模块74耦接至误差麦克风50，可依据一特定信号加权方式和信号转换方式来处理误差麦克风50量测到的误差信号e(n)，再将处理后之误差信号e’(n)传送至适应性滤波器76。在一实施例中，噪音加权转换模块74可采用A加权(A weighting)和快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)来处理误差信号e(n)。然而，噪音加权转换模块74所使用的信号加权方式和信号转换方式并不限定本发明之范畴。

适应性滤波器76耦接至次级路径补偿转移函数模块70和噪音加权转换模块74，可依据一特定演算法来处理校正后相位补偿信号x’(n)和处理后误差信号e’(n)，进而调整数字滤波器66之参数W(Z)。更详细地说，校正后相位补偿信号x’(n)包含风扇模块20的实际马达转速、实际单叶片基频、实际倍频、实际BPF和相位偏移等信息，适应性滤波器76再依据处理后误差信号e’(n)即可求出风扇模块20运作时的校正后实际单叶片基频、校正后实际倍频和校正后实际BPF等相关窄频噪音的信息，进而依此调整数字滤波器66之参数W(Z)。如此一来，当数字滤波器66驱动扬声器驱动电路68以输出扬声器控制信号S_MIC时，扬声器模块40所产生的反相噪音信号y(n)会反应风扇模块20的实际运作状况和目前降噪程度。更明确地说，反相噪音信号y(n)至少包含一第一噪音消除波形和一第二噪音消除波形，其中第一噪音消除波形为相关于实际单叶片基频的反向信号，而第二噪音消除波形为相关于实际BPF基频的反向信号。

在一实施例中，适应性滤波器76可依据最小均方(Least mean square,LMS)演算法来处理校正后相位补偿信号x’(n)和处理后误差信号e’(n)。然而，适应性滤波器76所使用的演算法并不限定本发明之范畴。

综上所述，本发明之电子系统100会先在离线模式下求出相关风扇模块20每一转速的相位偏移信息。接着在上线模式下运作时，误差麦克风50会撷取噪音并输出相对应之误差信号，ANC控制器60会依据误差信号和嵌入式控制器30提供之风扇信息计算出风扇模块20在实际运作时所产生噪音中的窄频带噪音(实际单叶片基频噪音或实际BPF基频噪音)，再依此驱动扬声器模块40以提供反相噪音信号y(n)，使得反相噪音信号y(n)能抵消电子系统100运作时所产生噪音。通过适应性地调整反向噪音信号以将误差信号之值调至0，本发明能兼顾散热和降噪的重要课题，并能抵消系统公差造成的相位偏移以提升主动噪音控制的精准度。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请权利要求所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (11)

1.一种具散热和前馈式主动噪音控制功能之电子系统，其包含：

一风扇模块，用来依据一风扇控制信号来运作以提供散热功能；

一嵌入式控制器，用来提供该风扇控制信号和一同步信号，其中该同步信号包含该风扇模块之结构和运作设定之信息；

一误差麦克风，用来侦测该电子系统运作时所产生的噪音以提供相对应之一误差信号；一主动降噪控制器，用来：

求出该风扇模块在每一转速下运作时之一实际单叶片基频、一实际叶片通过频率基频、一实际BPF倍频，和一相位偏移；

依据该同步信号来提供一相位补偿信号，其中该相位补偿信号包含该风扇模块以一目前转速运作时之该实际单叶片基频、该实际BPF基频、该实际BPF倍频，和该相位偏移；以及

依据该误差信号和该相位补偿信号来产生一扬声器控制信号；以及

一扬声器模块，用来依据该扬声器控制信号来产生一反相噪音信号，其中该反相噪音信号至少包含一第一噪音消除波形和一第二噪音消除波形，该第一噪音消除波形为相关该实际单叶片基频之反向信号，而该第二噪音消除波形为相关该实际BPF基频之反向信号。

2.如权利要求1所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器包含：

一频率计算器，用来依据该同步信号求出该风扇模块以每一转速运作时之一预估单叶片基频、一预估单叶片倍频和一预估BPF基频；

一信号产生器，用来对该误差麦克风所侦测到之信号执行一声音信号切割运作、一声音信号补零运作、一声音信号转换运作和一声音信号峰值判断运作以求出该风扇模块以每一转速运作时之该实际单叶片基频、该实际BPF基频，和该实际BPF倍频；以及

一数字滤波器，用来对该相位补偿信号执行运算以决定该扬声器控制信号之一基准功率值。

3.如权利要求2所述的电子系统，其特征在于，

该误差麦克风另用来侦测该风扇模块以一特定转速运作时所产生的一噪音信号；

该扬声器模块另播放该噪音信号之一BPF基频信号，该BPF基频信号为包含复数个序列长度的一第一动态相位正弦波；

该主动降噪控制器另用来将该第一动态相位正弦波中功率最小的序列所对应的相位设为该噪音信号中该BPF基频信号的相位偏移；

在播放该噪音信号之该BPF基频信号后，该扬声器模块另播放该噪音信号之至少一N倍频信号，该至少一N倍频信号为包含复数个序列长度的一第二动态相位正弦波；

该主动降噪控制器另用来将该第二动态相位正弦波中功率最小的序列所对应的相位设为该噪音信号中该至少一N倍频信号的相位偏移；以及

N为大于1之整数。

4.如权利要求2所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另包含：

一适应性滤波器，用来依据该相位补偿信号和该误差信号来调整该数字滤波器在执行运算时所使用的参数，进而适应性地调整该扬声器控制信号之功率值。

5.如权利要求4所述的电子系统，其特征在于，

该适应性滤波器系使用一最小均方演算法来处理该参考信号和该误差信号。

6.如权利要求4所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另包含：

一次级路径补偿转移函数模块，耦接于该嵌入式控制器以接收一次级路径之预估信号，再依据该次级路径之预估信号来校正该相位补偿信号以提供一校正后相位补偿信号；以及

一噪音加权和转换模块，用来依据一特定信号加权方式和一特定信号转换方式来处理该误差信号以提供一处理后误差信号，其中：

该次级路径相关该扬声器模块和该误差麦克风之间的信号传递路径；且

该适应性滤波器系依据该校正后相位补偿信号和该处理后误差信号来调整该数字滤波器在执行运算时所使用的参数。

7.如权利要求6所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另包含：

一次级路径转移函数模块，用来量测该次级路径之实际频率响应，再依此校正该反向噪音信号以提供一校正后反向噪音信号。

8.如权利要求6所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另用来依据该校正后相位补偿信号和该处理后误差信号来调整该数字滤波器在执行运算时所使用的参数，进而适应性地调整该扬声器控制信号之功率值以降低该误差信号之值。

9.如权利要求1所述的电子系统，其特征在于，该误差麦克风系设置在该风扇模块之出风口。

10.如权利要求1所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另用来：

量测该扬声器模块和该误差麦克风之间信号传递路径之一实际频率响应；以及

依据该实际频率响应来校正该反向噪音信号以提供一校正后反向噪音信号。

11.如权利要求1所述的电子系统，其特征在于，该主动降噪控制器另用来：

从该嵌入式控制器接收该扬声器模块和该误差麦克风之间信号传递路径之一预估频率响应；以及

依据该预估频率响应来校正该相位补偿信号以提供一校正后相位补偿信号。

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