Embed Size (px)
Citation preview
オールパスフィルタの付加による ダクト用アナログANC回路の性能向上
名古屋工業大学
兵藤樹、朝倉岳、塚田究、加藤正史
ＤＳＰによるダクト内ＡＮＣ模式図
reference mic
A/D
DSP
canceling speaker
D/A A/D
error mic
noise
信号処理に時間が必要により
ｘ＝数 十cmから数mの 距離が必要
普及への問題点 システムサイズが巨大化
DSPのコスト
• 高速な演算が可能
システムサイズの小型化
• Ａ/Ｄ，Ｄ/Ａ変換回路、ＤＳＰが不要
コスト削減の可能性
アナログの利点
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
アナログニューラルネットワーク（ＮＮ）を用いた ダクト内ＡＮＣのブロック図
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
ＷＲＭ：ワイドレンジギルバート乗算器：アナログ乗算回路
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
Ｉｎｔ：積分器
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct
ＷＲＭの構成
ワイドレンジギルバート乗算器（ＷＲＭ） C.Mead, Analog VLSI and neural systems, 1989.
CMOSにより設計
数式で出力を表すと
)()( 2211 ininininoutout VVVVVV ・二つの差動入力の積
ＷＲＭの乗算結果
WRMVout-
Vout+V2V1
V4
V3Vdc
Vdc
シミュレーション回路構成
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Vo
ut+
-Vo
ut-
(V)
V1-V2(V)
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
V3-V4(V)
シミュレーション結果
積分器（Ｉｎｔ）
Vout+R1
R2
C
Vout-
R2
CR1
Vin+
Vin-
完全差動積分器
inout VsCRR
RV
1
1
21
2
伝達関数
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
フォワード回路 Ｗ
フォワード回路で逆位相音を作製
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
騒音と重ね、低減
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct cancelation
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
フィードバック回路
Ｗ
フィードバック回路でerrorをもとにフォワード回路の適正化
WRM1
WRM2 Int
reference mic
canceling speaker
error mic
noise duct
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
シミュレーション用ブロック図
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
input’ controlled noise
noise
input output error
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
noise:ホワイトノイズを500Hz以上でカットしたもの
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
input’ controlled noise
noise
input output error
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
controlled noise
noise
input output error
input’
ダクト内の音伝搬による遅延ｘ（ｃｍ）
Delay:リファレンスマイクと騒音低減用スピーカ距離
アナログ回路によるダクト内ＡＮＣ模式図
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
controlled noise
noise
input output error
input’
理想オペアンプよる加算器
Add:騒音低減動作
-2
0
2
4
6
8
10
12
0
5
10
15
20
25
30
35
1 10 100
Ce
ff (a
ctu
al)
[dB
]
Ce
ff (s
imu
lati
on
) [d
B]
x or distance [cm]
simulation
actual measurement
ダクト内アナログＡＮＣの騒音低減効果
騒音低減効果の式
controlwithsignalinvoltagetotal
controlwithoutsignalinvoltagetotalCeff 10log20
実測
シミュレーション
-2
0
2
4
6
8
10
12
0
5
10
15
20
25
30
35
1 10 100
Ce
ff (a
ctu
al)
[dB
]
Ce
ff (s
imu
lati
on
) [d
B]
x or distance [cm]
simulation
actual measurement
ダクト内アナログＡＮＣの騒音低減効果
シミュレーション ：０cmで最大 実測 ：２～３ｄＢ
実測
シミュレーション
ダクト内アナログＡＮＣの騒音低減効果
Analog ANC
→ 約340m/sec（空気中）
ダクト内遅延時間＞＞回路内遅延時間
オールパスフィルタ（ＡＰＦ）を付加する
ＡＰＦを付加したアナログＡＮＣのブロック図
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
input’ controlled noise
noise
input
output error APF
APFはinputとWRM1,2に挿入→inputを遅延
ＡＰＦ
R1
R2
R3
C
+
－
inv
outv
伝達関数（R1=R2=R3=R）
sRC
sRCH
1
1
ゲインを変えず位相のみを遅らせる回路。 遅れる位相θの式
2
1
1
2tan
RC
RC
)2( fπf：音の周波数 遅延θは距離xの関係式
cx
c：音速
時定数（ＲＣ）に対する周波数ごとの距離ｘ
時定数によって遅延距離ｘが変えられるが 周波数によって遅延距離ｘに差がある
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
x [c
m]
RC parameter [/s]
100Hz
200Hz
300Hz
400Hz
500Hz
10－4 10－5
10－3 10－2
ＡＰＦを付加したアナログＡＮＣのブロック図
Delay Add
WRM1
WRM2 Int
input’ controlled noise
noise
input
output error APF
ＶＤＥＣ提供のＨＳＰＩＣＥによりシミュレーション （ＣＭＯＳ １．２μｍプロセス）
ＡＰＦパラメータと遅延距離
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
x [c
m]
RC parameter [/s]
100Hz
200Hz
300Hz
400Hz
500Hz
10－4 10－5
10－3 10－2
1.5×10－4 /s
7.5×10－4 /s
2.0×10－3 /s RC =
提案回路のＡＮＣシミュレーション
最大騒音低減効果を得る距離ｘが移動したことを確認
0
10
20
30
40
1 10 100
Ce
ff [d
B]
x [cm]
w/o APFRC=
RC=
RC=
1.5×10-4 /s
7.5×10-4 /s
2.0×10-3 /s
実測システム
アクリルダクト 25cm×25cm×200cm
ダクト端 騒音用スピーカー15cmφ
出口端より60cm 騒音低減用スピーカー
側面にマイク用穴
実測システムのブロック図
効果向上のため完全差動
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
ＡmpでＷＲＭの処理可能電圧に
実測システムのブロック図
ＡＰＦを通し、ＤｉｆＧで差動信号に
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
DifCで差動信号合成後ＡＭＰで増幅し出力
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
騒音低減用スピーカとエラーマイク間は5cm固定
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
エラーをＡｍｐでＷＲＭ処理電圧にし、差動信号へ
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
評価マイクで拾いオシロスコープで評価
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
On semi 1.2μmプロセスによるIC
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
ディスクリート素子により自作
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
実測システムのブロック図
ダクト上部から見た時のdistance (cm)の定義
ＡＮＣ実測結果
騒音低減効果が最大７ｄＢまであることを確認
-2
0
2
4
6
8
1 10 100
Ce
ff [d
B]
distance [cm]
w/o APFRC=
RC=
RC=
1.5×10-4 /s
7.5×10-4 /s
2.0×10-3 /s
-4
0
4
8
12
0
10
20
30
40
1 10 100
Ce
ff (a
ctu
al)
[d
B]
Ce
ff (s
imu
lati
on
) [d
B]
x or distance [cm]
simulation
actual measurement
シミュレーションと実測の比較
最大騒音低減効果の距離が９ｃｍから６ｃｍに
実測
シミュレーション
ＲＣ＝ 1.5×10－4における比較
-4
-2
0
2
4
6
8
0
10
20
1 10 100
Ce
ff (a
ctu
al) [
dB
]
Ce
ff (s
imu
lati
on
) [d
B]
x or distance [cm]
simulation
actual measurement
シミュレーションと実測の比較
実測
シミュレーション
最大騒音低減効果の距離が３０ｃｍから２０ｃｍに
ＲＣ＝ 7.5×10－4における比較
-4
-2
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
10
12
1 10 100
Ce
ff (a
ctu
al) [
dB
]
Ce
ff (s
imu
lati
on
) [d
B]
x or distance [cm]
simulation
actual measurement
シミュレーションと実測の比較
実測 シミュレーション
最大騒音低減効果の距離はともに４０ｃｍ
ＲＣ＝ 2.0×10－3における比較
ＡＰＦを付加したアナログＡＮＣのブロック図
ＮＮの有無による騒音低減効果
noise speaker
Amp＆DifG
WRM1
WRM2 Int
Amp＆DifC Amp＆APF＆DifG
reference mic
canceling speaker
error mic
5cm various distance
evaluation mic
アナログＮＮなしのブロック図
ＡＰＦ単体での騒音低減効果測定
noise speaker
Amp Amp＆APF
reference mic
canceling speaker
various distance
evaluation mic
アナログＮＮ有用性
-2
0
2
4
6
8
0 5 10 15 20
Ce
ff [d
B]
distance [cm]
with APF and NN
w/o APF with NN
with APF w/o NN
アナログＮＮがなくなると騒音低減効果が減少する
結論
アナログＡＮＣにおいてＡＰＦを付加することによる騒音低減効果の向上への試み
実測で３ｄＢから７ｄＢ（distance=6cm）への騒音低減効果向上を確認
謝辞：本研究は東京大学大規模集積システム設計教育センターを通じてケイデンス（株）、シノプシス（株）、オン・セミコンダクター（株）の協力で行われたものである
ＡＰＦのパラメータで最大騒音低減効果の距離が変化することを確認
