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健康监测与TWS耳机成为可穿戴市场主要推动力

作者:何源(ADI中国产品事业部高级市场应用经理)时间:2022-05-12来源:电子产品世界收藏

健康监测类手表与TWS 耳机将持续成为可穿戴电子产品市场蓬勃增长的主要推动力,这离不开消费者的兴趣使然和逐步强化的用户黏性,也离不开信号链芯片例如传感器及前端的功能支持。正是有了高性能传感器及前端,可穿戴设备才有机会实现数据收集、信息传输和互动。随着健康监测类可穿戴设备朝着智能化、便携式和融合的趋势发展,用于运动状态监测的MEMS加速度计、用于体温监测的集成数字温度传感器、用于心率与血氧含量测量的光电传感器、生物阻抗测量、生理电势采集传感器等都有成为刚需市场的可能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202205/433991.htm

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何源(ADI中国产品事业部高级市场应用经理)

1   医疗健康监测

对于医疗健康类可穿戴设备而言,人们对身体健康的日益关注再一次推动了健康监护智能可穿戴设备的热度。因此,如何让普通人能负担并易获得医疗资源,保持健康生活,将成为全球医疗健康行业新的重心和需求所在。

与此同时,随着老龄化人群和慢病人群对居家健康管理需求的提升,对从院内临床设备发展而来的远程监护(RPM)服务的需求也日益强烈。以可穿戴设备为代表的数字化技术能够帮助医疗系统将重心从治疗转向预防,随时监测和传输临床级数据成为可能,家庭健康医疗产品也从有创、有感、单点测量朝着无创、无感和连续测量的方向发展,以更好的用户体验感进一步提升市场对该类产品的认可度。

针对可穿戴设备技术方面的特殊需求,其医疗系统的升级和演进离不开软件上人工智能和大数据的助力,以及硬件上各种传感器和模拟前端的精度提升。以连续血压监测为例,其精度标准是院内有创的监测。但通过比对院内的有创连续血压监测和光电容积脉搏波(PPG)发现,两者的波形相似度极高。基于此,通过人工智能算法和大数据的助力,可以将二者的关系有机的联系到一起,用无创的光电容积脉搏波来反推个体的连续血压变化。当然,光有软件的进步还不够,如果硬件PPG的精度不够,是无法捕捉到完整的波形信息进行算法比对的。比如,连续血压监测中的降中峡信息,以及针对不同肤色和毛发情况下的信号幅度等;再比如,在电极接触时测量中,干电极和小面积电极带来的测量误差,一直是个困扰可穿戴设备测量ECG和生理阻抗的难题。

智能可穿戴设备正从健康、娱乐的理念向医疗诊断级转变,要求IC 的精度更高,功能更强大,应对极端场景的能力更强。同时可穿戴设备的生产厂家不再满足于传统的计步、睡眠分析等功能,而是纷纷考虑或已经开始在极为有限的空间内集成ECG(心电图测量)、体脂率、情绪检测等功能,并满足有限电量下的使用。这对可穿戴设备的元器件设计的成本、尺寸、测量精度、功耗及抗干扰能力等指标提出了极高的要求。针对这一趋势,ADI 可以提供非常丰富的产品组合来简化用户的供应链管理,无论是针对传统的运动监测应用,还是针对于现有新兴的生物电位、ECG 监测等应用,ADI 都有相应的传感器和模拟前端来帮助实现这些功能。由于这些子系统都集成了ADC,所以能够轻松测量某个参数并在最终应用或系统中包含测量读数,不需要构建具有分立元件的复杂电路,在兼顾诊断级性能的同时满足了可穿戴产品的低功耗和小体积的需求。

虽然可穿戴设备的便携性为用户带来了方便,但对于数据测量来说不可避免会遇到环境复杂、操作不稳定、接触不牢等种种阻碍。以心电监测为例,院内可以通过在测量时涂抹导电膏作为补偿机制,但这在可穿戴设备上显然是行不通的,只能通过硬件设计和算法予以补偿。因此,可穿戴领域要求要在如此小体积的设备上,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,这是一个系统性的工程,需要芯片厂商拥有相当的技术实力方能实现。以ADPD6000 为例,在PPG 测量所依赖的光路部分,其SNR 信噪比高达117 dB,保证了信号质量和可测覆盖度,可以减少因为常见皮肤干扰因素导致的测量误差。同时,它还具有环境光抑制和动态干扰抑制,可适配更多的环境和测试状态。

此外,智能手表在BIA 阻抗测试上,为保证精度通常至少需要四个电极,其中两个电极一般是在表壳上与手臂接触,另外两个电极则放到表盘旁边,需要手指按上。然而表盘旁边的电极非常小,用户的手指要想按上电极同时又不跟胳膊或者表壳接触基本不大可能,所以很多时候BIA 阻抗其实是测不准的。ADI 从芯片架构设计上就规避了这些问题,通过独特的专有技术和专利,利用硬件和算法结合的方式,即使用户在测试的时候手指直接跟表壳有不同的接触状态,ADPD6000 也同样可以把误差补偿掉,保证了非平衡接触高阻抗下的测量精度要求。

2   TWS的降噪革命

对于耳戴式设备,ADI 建议厂商考虑更多与用户相关的深层设计,比如如何避免“负压感”,如何让产品自动适应佩戴状态,自动适配降噪效果和调音效果,以及空间音频等计算音频的方案,更高水准的聆听体验等等,这些是持续吸引消费者的关键。同时,在耳机产品上加入健康监测的传感器,也许可为这个市场带来新的差异化和价值。

随着TWS 耳机已经逐渐取代有线耳机,后无线时代的下一个产品力,业界都不约而同地瞄准了ANC 主动降噪。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,同时还要具备尽量低的功耗以实现长续航。对于系统工程师而言,降噪则是一项系统性的工程,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,户外场景下的风噪处理、半入耳式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等难题对设计开发提出了极高要求。

针对诸多设计挑战,ADI 新一代低功耗主动降噪芯片ADAU1850/1860 是一款非常适合低功耗等精简应用场景的降噪芯片,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。在助力客户解决降噪设备开发的挑战时,ADI 芯片相应的硬件设计能进行优化处理。例如底噪主要来自于声学器件本身的噪声以及芯片本身的电噪声。ADAU1850/60 首先通过底层的优秀的ADC/DAC 来保证本身的底噪较小。优化的指令集也能让用户可以在调整ANC 的同时,调整优化的音频路径,通过数字方式来减少底噪。最后在整个系统底噪上,ADI 还可以帮助客户做布板布线的设计制造,从系统层面上进一步减少干扰产生的底噪。而针对风噪,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。

在算法层面上,例如TWS 的上行降噪,ADI 想让客户能够更自由和自主地来搭配滤波器,因此ADI提供了免费的音频处理器编程、开发和调试软件LarkStudio 工具,该工具提供多种集成至直观的图形用户界面(GUI)的信号处理算法,从而能够创建复杂的音频信号流,对于不懂编程但精通声学的客户群体来说,他们也可以使用该软件轻松完成任务。

(本文来源于《电子产品世界》杂志社杂志2022年5月期)



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