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精准数据捕获+硬件级算法耦合,ADI中国革新主动降噪和可穿戴医疗应用

2022-01-19
来源:21ic中国电子网
关键词: ADI ANC 可穿戴医疗

  当前可穿戴等消费电子设备功能愈发复杂,之前在专业的设备上高不可攀的功能,已经在大众消费电子设备上得以搭载和普及。这些专业技术在消费端的下沉和普及,面临着诸多的挑战。在复杂多变的环境里,小体积的设备上,采集到精准的数据,然后实现数据的处理计算,同时还要保证消费级功耗水平。针对这种需求,这需要芯片厂商提供全新的方案支持。ADI中国近日就发布了针对主动降噪耳机和可穿戴医疗的全新芯片,从中国本土需求出发提供一流的应用解决方案。

  TWS耳机主动降噪的设计挑战

  TWS耳机已经逐渐取代有线耳机,而无线之后的下一个产品力,业界都不约而同地瞄准了降噪。降噪的需求并不仅仅来自于厂商追求产品力和差异化,更有着健康方面的意义。从出生开始,人的听力就进入了不可逆的下降曲线:新出生的婴儿的听力频率范围是20K左右,而后每年损失约200Hz。到20岁的时候大概有8k Hz,以后随着年龄增长会逐步降低。此外,当下人们的生活环境中也充斥着各种噪音,加之不良的生活习惯也造成了更大范围听力损伤。主动降噪技术(ANC)可以帮助我们在嘈杂的环境中,实现更好的听力保护。

  据ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源分享,主动降噪技术最初的量产搭载,是1989年Bose为美国空军提供的耳机,该技术在耳机上的量产搭载给美军每年节省了两亿美元的噪声致残补偿金。2000年时ANC技术进入民用市场走高端路线,某些航空公司头等舱还以标配降噪耳机作为其卖点。2014年是一个重要节点, 这一年Bose推出了数字ANC的方案,将主动降噪耳机的价格拉到了更多人可以接触到的区间内。而后到了当下,降噪技术已经不仅仅局限于大体积的发烧耳机型号上,在小体积的TWS耳机上也开始逐步普及。但这种ANC技术呈现出的效果,不同耳机千差万别。对于耳机厂商而言,在小体积的TWS上实现优异的降噪体验也面临着诸多挑战。

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  对于系统工程师而言,“降噪”是一个系统工程,也是一门妥协的艺术。来自耳机内声学器件、芯片本地噪声、电源串扰、射频杂讯等的底噪会在ANC模式下变得更为突出;户外场景下的风噪也不容易处理;半入耳式的降噪要保证实时的降噪特性调整;降噪带来的负压感、爆破音的处理、实现量产的降噪效果一致性……以上诸多的问题给系统工程师的设计开发提出了极高的要求。

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  ADAU1850/60:灵活硬件模块+自研降噪系统

  针对诸多的ANC设计挑战,ADI中国推出了专门的芯片解决方案——ADAU1850/60。ADAU1850是一款非常精简的降噪芯片,在蓝牙芯片上外挂该芯片就可以为TWS耳机实现ANC降噪的功能。内置了可编程FastDSP音频处理器,提供高达768kHz的采样率,这是降噪的核心。3通道低延迟24位ADC, 支持3个模拟麦克风输入和4个数字麦克风输入;高性能的DAC信噪比高达110dB,在不开noise gating情况下底噪实测仅为3uV。何源介绍到,ADAU1850内置的高精度EQ动态范围和精度可以达到小数点后54个0,为调音师提供了风格化调音的硬件基础。ADAU1860是旗舰机的主动降噪芯片,功耗相比上代降低了30%,在ADAU1850一个 FastDSP的基础上,额外增加了一个高性能 Tensilica HiFi DSP核,提供了更强大的DSP算力。

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  针对上述提到的设计挑战,ADI中国在新的芯片上都有相应的硬件设计来进行处理。首先底噪是一个综合的噪声的拟合,来自多个方面。ADAU1850/60首先是通过底层的优秀的ADC和DAC来保证本身的底噪较小;优化的指令集让用户可以在调整ANC的同时,调整优化的音频路径,通过数字方式来减少底噪。最后是在整个系统底噪上,ADI中国可以帮助客户做布板布线的设计制造,从系统层面上减少干扰产生的底噪。

  针对风噪的处理,用户可以利用芯片内部灵活的硬件检测模块,自己搭建硬件级别的检测系统,来感知麦克风的风噪,进行动态的调整。因为是硬件级别的响应,因此实时性和功耗都有所保证。

  针对半入耳式耳机,ADI中国独立研发出了一套自适应的降噪系统。因为半入耳式耳机与用户的耳朵之间位置关系随时都在发生细微变化,所以需要系统跟随这些特征参数的变化,动态地进行降噪音频参数的调整。据悉在今年上半年,ADI的这套自适应降噪系统就可能在一些终端产品上搭载。

  针对负压感的处理,是通过在降噪上添加一个声学模型的输入。ADI将对于心理模型的理解,耦合到了降噪调节功能上,为用户提供安静又舒适的体验。

  针对切换顺滑度的处理,同样也是因为硬件级别的处理,所以实时性响应有很好的保证,可以实现每秒190万次的采样,这样出来的变化拟合曲线,对于人耳来说就是一个平滑的感受。

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  总的来说,ADAU1850/60因为采用了灵活可靠的硬件模块,同时提供了自研的指令集级别的降噪系统,可以在保证实时性的效果同时,提供非常好的功耗表现。该ANC芯片,并不仅仅是一个芯片,更是一个系统级别的主动降噪解决方案。搭配其简洁易用的开发工具链,可以大幅降低设计人员的开发周期。

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  医疗级检测下沉到可穿戴的挑战

  近年来因为不健康的生活习惯和环境,很多疾病的患病者有着年轻化的趋势。对于健康的监控和管理,愈发获得大众的关注。在可穿戴设备集成的医疗检测功能也越来越多,而这些功能从专业医疗设备到可穿戴设备的下沉,也面临着不小的设计挑战。

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  专业的医疗设备的使用环境比较稳定,因此更容易获得准确的模拟数据采集。例如在测心电图的时候要求用户平躺、在皮肤上涂抹很多液体、采用6个电极,以此来提高数据获取的准确性。但可穿戴的设备的使用环境非常多变,而且受制于外形尺寸的限制,数据采集的条件更为复杂,这样就为数据的捕获提出了更高的挑战。以可穿戴手表的光学检测为例,用户不同肤色的透光性、不同的体毛长度、纹身和伤疤;环境的空气干燥程度、光照条件……诸多的变量叠加之后,数据的可靠性获取是首要的挑战,其次是在可穿戴的移动设备上实现准确的算法分析。

  ADPD6000:硬件和算法深度耦合

  ADPD6000是ADI中国最新推出的多模前端,可以提供PPG、ECG和BIA的检测,针对可穿戴设备使用条件进行了专门的硬件设计优化。

  据何源介绍,ADPD6000可以将环境中灯光的频闪、光学传感器的漏光、太阳光干扰等静态干扰都忽略掉,同时ADI的光路特征也可以保证采集到的数据是可靠稳定的。电极测量的部分,可以有效地完成心电信号的收集,凭借ADI的专利技术也可以获得精准的生物阻抗信号的收集,提供给用户包括体脂、基础代谢率等信息。

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  为了克服将医疗级别的检测下沉到可穿戴设备上的挑战,仅仅有先进的硬件设计是不够的,ADI通过对不同年龄、性别、体重、身高等人群数据统计,结合临床特征和算法模型深入理解,得到了自己的一套精准的算法方案,这套方案中包括心率、血氧饱和度、心理状态、血糖等十多项,已经覆盖了可穿戴终端的产品需求。

  以阻抗数据误差把控举例,实际的工况下,链路并不对称,阻抗平衡的问题叠加后,测量误差比理想情况下要差很多,数据的准确性无法保证。而通过ADI独有技术,幅度误差能够被还原到3%以内,满足算法分析的输入数据精准度要求。

  “ADI中国”的核心竞争力

  以上的新品全部都是由ADI中国的团队,从芯片定义开始独立设计研发的。这些芯片的优势,不仅仅是硬件层面上的参数,更多的竞争力来自于ADI对于信号全链的知识积累和融合,对于应用层面的深入理解,结合硬件设计上的专利技术。能够做出这样的产品,和ADI中国的策略密不可分。中国是半导体厂商最为重视的市场, ADI对于中国市场策略,与其他厂商有先人一步的区别。

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  据ADI中国产品事业部总经理赵轶苗分享,ADI中国是单独成本核算主体,这在诸多跨国半导体公司里是唯一的存在。ADI中国去年获得了两位数的营收增长,总收入占到了全球的20%以上,已经和欧洲部分的营收差不多了。

  ADI中国的前身可以追溯到2000年,ADI在中国收购了一家小型公司。此后成立了中国研发中心,在2019年成立了中国产品事业部。ADI在中国经过了20几年的发展,从几个人到两百人的团队,积累了70多项专利、发布了6篇以上ISSCC论文。

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  中国市场的发展已经实现了从跟随到引领的变化,很多的创新都是从中国本土向全球进行推动的。设立ADI中国产品事业部是为了专注于中国需求挖掘,实现本土设计制造,服务中国客户的同时,结合了ADI全球的供应链管理优势。

  目前ADI中国布局了包括BMS、光通信控制芯片、健康管理芯片和音频处理芯片几大类别,分别推出了独立研发的芯片产品。除了上文提到的健康和音频产品外,值得一提的是在BMS的业务上,ADI中国在无线BMS、电池生命链价值挖掘、电池精准测量等角度上提供了创新的价值点,为整个产业生态发展提供了专业的技术视角和支持。

  总结

  ADI中国已经不仅仅是一家单独芯片供应商的角色:信号链上的整合方案、结合应用层面的深入理解、自研的算法模型、产品级的设计支持,这些在一起构成了一个完整的服务,提供给中国和全球的客户。此次推出的ADAU1850/60和ADPD6000,相信也会很快在中国市场上产生良好的反响。




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