健康監(jiān)測與TWS耳機成為可穿戴市場主要推動力

健康監(jiān)測類手表與TWS 耳機將持續(xù)成為可穿戴電子產(chǎn)品市場蓬勃增長的主要推動力，這離不開消費者的興趣使然和逐步強化的用戶黏性，也離不開信號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)備才有機會實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、信息傳輸和互動。隨著健康監(jiān)測類可穿戴設(shè)備朝著智能化、便攜式和融合的趨勢發(fā)展，用于運動狀態(tài)監(jiān)測的MEMS加速度計、用于體溫監(jiān)測的集成數(shù)字溫度傳感器、用于心率與血氧含量測量的光電傳感器、生物阻抗測量、生理電勢采集傳感器等都有成為剛需市場的可能。

何源(ADI中國產(chǎn)品事業(yè)部高級市場應(yīng)用經(jīng)理)

1   醫(yī)療健康監(jiān)測

對于醫(yī)療健康類可穿戴設(shè)備而言，人們對身體健康的日益關(guān)注再一次推動了健康監(jiān)護智能可穿戴設(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，隨著老齡化人群和慢病人群對居家健康管理需求的提升，對從院內(nèi)臨床設(shè)備發(fā)展而來的遠(yuǎn)程監(jiān)護（RPM）服務(wù)的需求也日益強烈。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，隨時監(jiān)測和傳輸臨床級數(shù)據(jù)成為可能，家庭健康醫(yī)療產(chǎn)品也從有創(chuàng)、有感、單點測量朝著無創(chuàng)、無感和連續(xù)測量的方向發(fā)展，以更好的用戶體驗感進(jìn)一步提升市場對該類產(chǎn)品的認(rèn)可度。

針對可穿戴設(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)測為例，其精度標(biāo)準(zhǔn)是院內(nèi)有創(chuàng)的監(jiān)測。但通過比對院內(nèi)的有創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測和光電容積脈搏波（PPG）發(fā)現(xiàn)，兩者的波形相似度極高?；诖?，通過人工智能算法和大數(shù)據(jù)的助力，可以將二者的關(guān)系有機的聯(lián)系到一起，用無創(chuàng)的光電容積脈搏波來反推個體的連續(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)行算法比對的。比如，連續(xù)血壓監(jiān)測中的降中峽信息，以及針對不同膚色和毛發(fā)情況下的信號幅度等；再比如，在電極接觸時測量中，干電極和小面積電極帶來的測量誤差，一直是個困擾可穿戴設(shè)備測量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)療診斷級轉(zhuǎn)變，要求IC 的精度更高，功能更強大，應(yīng)對極端場景的能力更強。同時可穿戴設(shè)備的生產(chǎn)廠家不再滿足于傳統(tǒng)的計步、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（心電圖測量）、體脂率、情緒檢測等功能，并滿足有限電量下的使用。這對可穿戴設(shè)備的元器件設(shè)計的成本、尺寸、測量精度、功耗及抗干擾能力等指標(biāo)提出了極高的要求。針對這一趨勢，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，無論是針對傳統(tǒng)的運動監(jiān)測應(yīng)用，還是針對于現(xiàn)有新興的生物電位、ECG 監(jiān)測等應(yīng)用，ADI 都有相應(yīng)的傳感器和模擬前端來幫助實現(xiàn)這些功能。由于這些子系統(tǒng)都集成了ADC，所以能夠輕松測量某個參數(shù)并在最終應(yīng)用或系統(tǒng)中包含測量讀數(shù)，不需要構(gòu)建具有分立元件的復(fù)雜電路，在兼顧診斷級性能的同時滿足了可穿戴產(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，但對于數(shù)據(jù)測量來說不可避免會遇到環(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)測為例，院內(nèi)可以通過在測量時涂抹導(dǎo)電膏作為補償機制，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)計和算法予以補償。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)，然后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理計算，同時還要保證消費級功耗水平，這是一個系統(tǒng)性的工程，需要芯片廠商擁有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實力方能實現(xiàn)。以ADPD6000 為例，在PPG 測量所依賴的光路部分，其SNR 信噪比高達(dá)117 dB，保證了信號質(zhì)量和可測覆蓋度，可以減少因為常見皮膚干擾因素導(dǎo)致的測量誤差。同時，它還具有環(huán)境光抑制和動態(tài)干擾抑制，可適配更多的環(huán)境和測試狀態(tài)。

此外，智能手表在BIA 阻抗測試上，為保證精度通常至少需要四個電極，其中兩個電極一般是在表殼上與手臂接觸，另外兩個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又不跟胳膊或者表殼接觸基本不大可能，所以很多時候BIA 阻抗其實是測不準(zhǔn)的。ADI 從芯片架構(gòu)設(shè)計上就規(guī)避了這些問題，通過獨特的專有技術(shù)和專利，利用硬件和算法結(jié)合的方式，即使用戶在測試的時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償?shù)?，保證了非平衡接觸高阻抗下的測量精度要求。

2   TWS的降噪革命

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

隨著TWS 耳機已經(jīng)逐漸取代有線耳機，后無線時代的下一個產(chǎn)品力，業(yè)界都不約而同地瞄準(zhǔn)了ANC 主動降噪。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，同時還要具備盡量低的功耗以實現(xiàn)長續(xù)航。對于系統(tǒng)工程師而言，降噪則是一項系統(tǒng)性的工程，來自耳機內(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在ANC 模式下變得更為突出，戶外場景下的風(fēng)噪處理、半入耳式降噪要保證實時的降噪特性調(diào)整、降噪帶來的負(fù)壓感、爆破音的處理、實現(xiàn)量產(chǎn)的降噪效果一致性等難題對設(shè)計開發(fā)提出了極高要求。

針對諸多設(shè)計挑戰(zhàn)，ADI 新一代低功耗主動降噪芯片ADAU1850/1860 是一款非常適合低功耗等精簡應(yīng)用場景的降噪芯片，在藍(lán)牙芯片上外掛該芯片就可以為TWS 耳機實現(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，ADI 芯片相應(yīng)的硬件設(shè)計能進(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，調(diào)整優(yōu)化的音頻路徑，通過數(shù)字方式來減少底噪。最后在整個系統(tǒng)底噪上，ADI 還可以幫助客戶做布板布線的設(shè)計制造，從系統(tǒng)層面上進(jìn)一步減少干擾產(chǎn)生的底噪。而針對風(fēng)噪，用戶可以利用芯片內(nèi)部靈活的硬件檢測模塊，自己搭建硬件級別的檢測系統(tǒng)，來感知麥克風(fēng)的風(fēng)噪，進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整，因為是硬件級別的響應(yīng)，因此實時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）的信號處理算法，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜的音頻信號流，對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)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社雜志2022年5月期）