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可穿戴领域的趋同推动芯片级创新

时间:2021-09-11 09:58:16 作者:Christophe Waelchli 阅读:
数字信号处理技术的进步,使无线连接以及AI与机器学习技术集成到可听戴与可穿戴设备成为可能。易用性和电池寿命长是该技术成功的主要考虑因素。
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数字助听器的发展历程对过去几年消费电子行业的发展起了指导作用。从许多方面来看,助听器都代表“完美的”嵌入式系统。它一直以满足更广泛市场的各种首要要求为目的,包括小尺寸、超低功耗、高性能以及通过新功能和更好的音质实现持续改进。

根据摩尔定律,半导体技术能够在可预测周期内增加集成功能,支持所有终端市场。更高的集成度可提高功能密度,从而支持尺寸更小巧的终端产品。在这方面,最好的例子莫过于能放入耳朵或隐藏在耳后的设备。

助听器功能的第一次主要改进就是非线性放大,可以根据接收到的信号更客观地放大不同声音。数字信号处理器 (DSP) 的出现可提高精度和位深,以便对不同频率进行选择性放大,从而将助听器提高到了一个新维度。

以蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy)连接为代表的无线个人局域网开辟了第三代助听器技术。联网的助听器可以通过手机应用控制,有些助听器还能够接电话,甚至听音乐。未来的趋势是,助听器行业正在评估人工智能(AI)和机器学习作为助听器的进一步扩展功能。这可以视为是第四代助听器,而且可能是最具影响力的一代。

此外,人耳适合放置各种传感器。如今,助听器集成了用于医疗目的的传感器(如心率监测、血氧监测、血糖测量以及老年人跌倒检测)。这些传感器还可用于实现消费类电子产品的功能,包括计步器和心率监测。

智能手机和蓝牙连接如何重新定义市场

1支持蓝牙无线技术的助听器

虽然非线性放大和 DSP 技术对助听器的性能和用户体验有着直接的影响,但无线连接的意义或许更为深远。在任何设备中集成无线功能可将设备带入物联网时代;设备不再是孤立的应用,而是互联事物,是生态系统的组成部分,一个更大的实体。

就助听器而言,添加蓝牙无线技术可以让助听器直接连接至智能手机。这看起来像是一个简单的扩展,但实际上是一个巨大的进步。在助听器实现无线连接之前,佩戴者必须把手伸到耳朵后面才能访问设备上的微型控制按钮。这对老年人(助听器的传统佩戴者)来说尤其具有挑战性,因为他们的敏捷性通常也较低。

其实,无线连接为用户提供的不仅仅是一种调高或调低音量的新方法,还提供了一种控制和修改助听器设置的方法。一旦连接至智能手机的应用,助听器就成为了一个用途极为广泛的外设,可为用户提供一个直接和非常亲密的连接。助听器有两个非常重要的功能,充当一个话筒(或几个)和一个扬声器的功能。随着蓝牙连接功能的加入,助听器可同时与用户和更广泛的互联网进行通信。蓝牙连接可让佩戴者直接访问互联网上的任何内容。边缘 AI 算法可识别“OK”或“Alexa”等词语,从而为用户提供与当前智能音箱类似的体验。

除了边缘 AI,“舒适度算法”也对改善听力体验产生了相当大的影响。例如:环境分类可以让助听器适应当时的环境条件,降噪可以过滤掉背景声音。

然而,一旦与手机应用程序连接,这些功能也可以由用户进行设置或修改,但需要明确的干预。AI 和机器学习的加入旨在消除此类用户干预,使助听器能够自动适应各种条件或用户的个人喜好。通过强化学习,可逐步提高性能。通过允许与其他用户利用智能手机应用安全地共享数据,所有用户都将受益于系统通过 AI 学习实现的改进。

可听戴设备是新型的可穿戴设备

通过整合所有上述功能,制造商已经明显改变了助听器性能和用户体验标准。虽然助听器主要是为了帮助丧失听力或有其他听觉障碍的人,但它反映了可穿戴技术的普及已成为更广泛的趋势。现时一些集成了跌倒检测和体温监测等高级功能的设备已经上市。预计在不久的将来可以看到更多这样的设备。

通过配套的智能手机应用和互联网,甚至可以实现更高级的功能。例如,至少有一家助听器制造商已经开始提供实时语言翻译和转录这两项功能。其他便捷功能(如背景降噪)也越来越受到消费者的欢迎。随着这一趋势的继续,助听器和通常用于听音乐和打电话的耳机之间可能会出现某种程度的趋同。

一些助听器制造商已经将无缝接口技术集成到语音控制型数字助手中。这趋势的发展可能带来意想不到的好处;佩戴助听器所带来的便捷性可能会鼓励更多人探索助听器的用途,最终惠及那些需要辅助听觉支持但自己还不知道的人。

赋能技术

这一发展主要得益于数字信号处理的进步,即 DSP 高级架构的创建,该架构可提供更高的性能处理与更少的时钟周期,以及出色的音质。这些 DSP 进步反过来又得益于半导体处理技术,该技术可为高度集成的小型解决方案提供平台,以实现助听器接下来发展所必需的功能密度。

安森美半导体的 EZAIRO 系列 DSP 音频处理器解决方案中的最新设备就是一个实例。Ezairo 8300 主要针对助听器和可听戴设备,采用 6 个处理内核,每个内核都针对该应用领域的性能进行了优化。它包括 3 个 DSP 内核、1 个微控制器和 2 个硬件加速器,其中一个为神经网络加速器,旨在以高效节能的方式执行 AI 和机器学习功能,且不需要额外的处理器干预。

如图 1 所示,Ezairo 8300 的架构包括灵活的输入和输出级,以及一些片上外设和接口。

 2用于助听器和可听戴设备的 Ezairo 8300 处理器框图

Ezairo 8300 所提供的功能已被开发用于各种先进的新兴产品,包括专业与OTC无线助听器。Ezairo 8300 采用的新型高质量 ADC 和 DAC 能处理 HiFi 音频,有助于实现新一代可听戴和可穿戴技术,带来更多便利和消费型功能。该领域的折中方案还包括传统的头戴式耳机和耳麦。

总结

数字信号处理技术的进步,使无线连接以及AI与机器学习技术集成到可听戴与可穿戴设备成为可能。易用性和电池寿命长是该技术成功的主要考虑因素。

作者:Christophe Waelchli,安森美产品经理 

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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