健康監(jiān)測(cè)與TWS耳機(jī)成為可穿戴市場(chǎng)主要推動(dòng)力

何源

健康監(jiān)測(cè)類手表與TWS 耳機(jī)將持續(xù)成為可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)蓬勃增長的主要推動(dòng)力，這離不開消費(fèi)者的興趣使然和逐步強(qiáng)化的用戶黏性，也離不開信號(hào)鏈芯片例如傳感器及前端的功能支持。正是有了高性能傳感器及前端，可穿戴設(shè)備才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、信息傳輸和互動(dòng)。隨著健康監(jiān)測(cè)類可穿戴設(shè)備朝著智能化、便攜式和融合的趨勢(shì)發(fā)展，用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的MEMS加速度計(jì)、用于體溫監(jiān)測(cè)的集成數(shù)字溫度傳感器、用于心率與血氧含量測(cè)量的光電傳感器、生物阻抗測(cè)量、生理電勢(shì)采集傳感器等都有成為剛需市場(chǎng)的可能。

1 醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)

對(duì)于醫(yī)療健康類可穿戴設(shè)備而言，人們對(duì)身體健康的日益關(guān)注再一次推動(dòng)了健康監(jiān)護(hù)智能可穿戴設(shè)備的熱度。因此，如何讓普通人能負(fù)擔(dān)并易獲得醫(yī)療資源，保持健康生活，將成為全球醫(yī)療健康行業(yè)新的重心和需求所在。

與此同時(shí)，隨著老齡化人群和慢病人群對(duì)居家健康管理需求的提升，對(duì)從院內(nèi)臨床設(shè)備發(fā)展而來的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)（RPM）服務(wù)的需求也日益強(qiáng)烈。以可穿戴設(shè)備為代表的數(shù)字化技術(shù)能夠幫助醫(yī)療系統(tǒng)將重心從治療轉(zhuǎn)向預(yù)防，隨時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸臨床級(jí)數(shù)據(jù)成為可能，家庭健康醫(yī)療產(chǎn)品也從有創(chuàng)、有感、單點(diǎn)測(cè)量朝著無創(chuàng)、無感和連續(xù)測(cè)量的方向發(fā)展，以更好的用戶體驗(yàn)感進(jìn)一步提升市場(chǎng)對(duì)該類產(chǎn)品的認(rèn)可度。

針對(duì)可穿戴設(shè)備技術(shù)方面的特殊需求，其醫(yī)療系統(tǒng)的升級(jí)和演進(jìn)離不開軟件上人工智能和大數(shù)據(jù)的助力，以及硬件上各種傳感器和模擬前端的精度提升。以連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)為例，其精度標(biāo)準(zhǔn)是院內(nèi)有創(chuàng)的監(jiān)測(cè)。但通過比對(duì)院內(nèi)的有創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)和光電容積脈搏波（PPG）發(fā)現(xiàn)，兩者的波形相似度極高?；诖耍ㄟ^人工智能算法和大數(shù)據(jù)的助力，可以將二者的關(guān)系有機(jī)的聯(lián)系到一起，用無創(chuàng)的光電容積脈搏波來反推個(gè)體的連續(xù)血壓變化。當(dāng)然，光有軟件的進(jìn)步還不夠，如果硬件PPG的精度不夠，是無法捕捉到完整的波形信息進(jìn)行算法比對(duì)的。比如，連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)中的降中峽信息，以及針對(duì)不同膚色和毛發(fā)情況下的信號(hào)幅度等;再比如，在電極接觸時(shí)測(cè)量中，干電極和小面積電極帶來的測(cè)量誤差，一直是個(gè)困擾可穿戴設(shè)備測(cè)量ECG和生理阻抗的難題。

智能可穿戴設(shè)備正從健康、娛樂的理念向醫(yī)療診斷級(jí)轉(zhuǎn)變，要求IC 的精度更高，功能更強(qiáng)大，應(yīng)對(duì)極端場(chǎng)景的能力更強(qiáng)。同時(shí)可穿戴設(shè)備的生產(chǎn)廠家不再滿足于傳統(tǒng)的計(jì)步、睡眠分析等功能，而是紛紛考慮或已經(jīng)開始在極為有限的空間內(nèi)集成ECG（心電圖測(cè)量）、體脂率、情緒檢測(cè)等功能，并滿足有限電量下的使用。這對(duì)可穿戴設(shè)備的元器件設(shè)計(jì)的成本、尺寸、測(cè)量精度、功耗及抗干擾能力等指標(biāo)提出了極高的要求。針對(duì)這一趨勢(shì)，ADI 可以提供非常豐富的產(chǎn)品組合來簡化用戶的供應(yīng)鏈管理，無論是針對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，還是針對(duì)于現(xiàn)有新興的生物電位、ECG 監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，ADI 都有相應(yīng)的傳感器和模擬前端來幫助實(shí)現(xiàn)這些功能。由于這些子系統(tǒng)都集成了ADC，所以能夠輕松測(cè)量某個(gè)參數(shù)并在最終應(yīng)用或系統(tǒng)中包含測(cè)量讀數(shù)，不需要構(gòu)建具有分立元件的復(fù)雜電路，在兼顧診斷級(jí)性能的同時(shí)滿足了可穿戴產(chǎn)品的低功耗和小體積的需求。

雖然可穿戴設(shè)備的便攜性為用戶帶來了方便，但對(duì)于數(shù)據(jù)測(cè)量來說不可避免會(huì)遇到環(huán)境復(fù)雜、操作不穩(wěn)定、接觸不牢等種種阻礙。以心電監(jiān)測(cè)為例，院內(nèi)可以通過在測(cè)量時(shí)涂抹導(dǎo)電膏作為補(bǔ)償機(jī)制，但這在可穿戴設(shè)備上顯然是行不通的，只能通過硬件設(shè)計(jì)和算法予以補(bǔ)償。因此，可穿戴領(lǐng)域要求要在如此小體積的設(shè)備上，采集到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，同時(shí)還要保證消費(fèi)級(jí)功耗水平，這是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，需要芯片廠商擁有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實(shí)力方能實(shí)現(xiàn)。以ADPD6000 為例，在PPG 測(cè)量所依賴的光路部分，其SNR 信噪比高達(dá)117 dB，保證了信號(hào)質(zhì)量和可測(cè)覆蓋度，可以減少因?yàn)槌Ｒ娖つw干擾因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差。同時(shí)，它還具有環(huán)境光抑制和動(dòng)態(tài)干擾抑制，可適配更多的環(huán)境和測(cè)試狀態(tài)。

此外，智能手表在BIA 阻抗測(cè)試上，為保證精度通常至少需要四個(gè)電極，其中兩個(gè)電極一般是在表殼上與手臂接觸，另外兩個(gè)電極則放到表盤旁邊，需要手指按上。然而表盤旁邊的電極非常小，用戶的手指要想按上電極同時(shí)又不跟胳膊或者表殼接觸基本不大可能，所以很多時(shí)候BIA 阻抗其實(shí)是測(cè)不準(zhǔn)的。ADI 從芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)上就規(guī)避了這些問題，通過獨(dú)特的專有技術(shù)和專利，利用硬件和算法結(jié)合的方式，即使用戶在測(cè)試的時(shí)候手指直接跟表殼有不同的接觸狀態(tài)，ADPD6000 也同樣可以把誤差補(bǔ)償?shù)?，保證了非平衡接觸高阻抗下的測(cè)量精度要求。

2 TWS的降噪革命

對(duì)于耳戴式設(shè)備，ADI 建議廠商考慮更多與用戶相關(guān)的深層設(shè)計(jì)，比如如何避免“負(fù)壓感”，如何讓產(chǎn)品自動(dòng)適應(yīng)佩戴狀態(tài)，自動(dòng)適配降噪效果和調(diào)音效果，以及空間音頻等計(jì)算音頻的方案，更高水準(zhǔn)的聆聽體驗(yàn)等等，這些是持續(xù)吸引消費(fèi)者的關(guān)鍵。同時(shí)，在耳機(jī)產(chǎn)品上加入健康監(jiān)測(cè)的傳感器，也許可為這個(gè)市場(chǎng)帶來新的差異化和價(jià)值。

隨著TWS 耳機(jī)已經(jīng)逐漸取代有線耳機(jī)，后無線時(shí)代的下一個(gè)產(chǎn)品力，業(yè)界都不約而同地瞄準(zhǔn)了ANC 主動(dòng)降噪。降噪的需求并不僅僅來自于廠商追求產(chǎn)品力和差異化，更有著健康方面的意義，同時(shí)還要具備盡量低的功耗以實(shí)現(xiàn)長續(xù)航。對(duì)于系統(tǒng)工程師而言，降噪則是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，來自耳機(jī)內(nèi)聲學(xué)器件、芯片本地噪聲、電源串?dāng)_、射頻雜訊等的底噪會(huì)在ANC 模式下變得更為突出，戶外場(chǎng)景下的風(fēng)噪處理、半入耳式降噪要保證實(shí)時(shí)的降噪特性調(diào)整、降噪帶來的負(fù)壓感、爆破音的處理、實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的降噪效果一致性等難題對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)提出了極高要求。

針對(duì)諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，ADI 新一代低功耗主動(dòng)降噪芯片ADAU1850/1860 是一款非常適合低功耗等精簡應(yīng)用場(chǎng)景的降噪芯片，在藍(lán)牙芯片上外掛該芯片就可以為TWS 耳機(jī)實(shí)現(xiàn)ANC 降噪的功能。在助力客戶解決降噪設(shè)備開發(fā)的挑戰(zhàn)時(shí)，ADI 芯片相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)能進(jìn)行優(yōu)化處理。例如底噪主要來自于聲學(xué)器件本身的噪聲以及芯片本身的電噪聲。ADAU1850/60 首先通過底層的優(yōu)秀的ADC/DAC 來保證本身的底噪較小。優(yōu)化的指令集也能讓用戶可以在調(diào)整ANC 的同時(shí)，調(diào)整優(yōu)化的音頻路徑，通過數(shù)字方式來減少底噪。最后在整個(gè)系統(tǒng)底噪上，ADI 還可以幫助客戶做布板布線的設(shè)計(jì)制造，從系統(tǒng)層面上進(jìn)一步減少干擾產(chǎn)生的底噪。而針對(duì)風(fēng)噪，用戶可以利用芯片內(nèi)部靈活的硬件檢測(cè)模塊，自己搭建硬件級(jí)別的檢測(cè)系統(tǒng)，來感知麥克風(fēng)的風(fēng)噪，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，因?yàn)槭怯布?jí)別的響應(yīng)，因此實(shí)時(shí)性和功耗都有所保證。

在算法層面上，例如TWS 的上行降噪，ADI 想讓客戶能夠更自由和自主地來搭配濾波器，因此ADI提供了免費(fèi)的音頻處理器編程、開發(fā)和調(diào)試軟件LarkStudio 工具，該工具提供多種集成至直觀的圖形用戶界面（GUI）的信號(hào)處理算法，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜的音頻信號(hào)流，對(duì)于不懂編程但精通聲學(xué)的客戶群體來說，他們也可以使用該軟件輕松完成任務(wù)。