健康監測與TWS耳機成為可穿戴市場主要推動力

何源

健康監測類手表與TWS 耳機將持續成為可穿戴電子產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，可穿戴設備才有機會實現數據收集、信息傳輸和互動。隨著健康監測類可穿戴設備朝著智能化、便攜式和融合的趨勢發展，用于運動狀態監測的MEMS加速度計、用于體溫監測的集成數字溫度傳感器、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。

1 醫療健康監測

對于醫療健康類可穿戴設備而言，人們對身體健康的日益關注再一次推動了健康監護智能可穿戴設備的熱度。因此，如何讓普通人能負擔并易獲得醫療資源，保持健康生活，將成為全球醫療健康行業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，對從院內臨床設備發展而來的遠程監護（RPM）服務的需求也日益強烈。以可穿戴設備為代表的數字化技術能夠幫助醫療系統將重心從治療轉向預防，隨時監測和傳輸臨床級數據成為可能，家庭健康醫療產品也從有創、有感、單點測量朝著無創、無感和連續測量的方向發展，以更好的用戶體驗感進一步提升市場對該類產品的認可度。

針對可穿戴設備技術方面的特殊需求，其醫療系統的升級和演進離不開軟件上人工智能和大數據的助力，以及硬件上各種傳感器和模擬前端的精度提升。以連續血壓監測為例，其精度標準是院內有創的監測。但通過比對院內的有創連續血壓監測和光電容積脈搏波（PPG）發現，兩者的波形相似度極高。基于此，通過人工智能算法和大數據的助力，可以將二者的關系有機的聯系到一起，用無創的光電容積脈搏波來反推個體的連續血壓變化。當然，光有軟件的進步還不夠，如果硬件PPG的精度不夠，是無法捕捉到完整的波形信息進行算法比對的。比如，連續血壓監測中的降中峽信息，以及針對不同膚色和毛發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備測量ECG和生理阻抗的難題。

智能可穿戴設備正從健康、娛樂的理念向醫療診斷級轉變，要求IC 的精度更高，功能更強大，應對極端場景的能力更強。同時可穿戴設備的生產廠家不再滿足于傳統的計步、睡眠分析等功能，而是紛紛考慮或已經開始在極為有限的空間內集成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。這對可穿戴設備的元器件設計的成本、尺寸、測量精度、功耗及抗干擾能力等指標提出了極高的要求。針對這一趨勢，ADI 可以提供非常豐富的產品組合來簡化用戶的供應鏈管理，無論是針對傳統的運動監測應用，還是針對于現有新興的生物電位、ECG 監測等應用，ADI 都有相應的傳感器和模擬前端來幫助實現這些功能。由于這些子系統都集成了ADC，所以能夠輕松測量某個參數并在最終應用或系統中包含測量讀數，不需要構建具有分立元件的復雜電路，在兼顧診斷級性能的同時滿足了可穿戴產品的低功耗和小體積的需求。

雖然可穿戴設備的便攜性為用戶帶來了方便，但對于數據測量來說不可避免會遇到環境復雜、操作不穩定、接觸不牢等種種阻礙。以心電監測為例，院內可以通過在測量時涂抹導電膏作為補償機制，但這在可穿戴設備上顯然是行不通的，只能通過硬件設計和算法予以補償。因此，可穿戴領域要求要在如此小體積的設備上，采集到精準的數據，然后實現數據的處理計算，同時還要保證消費級功耗水平，這是一個系統性的工程，需要芯片廠商擁有相當的技術實力方能實現。以ADPD6000 為例，在PPG 測量所依賴的光路部分，其SNR 信噪比高達117 dB，保證了信號質量和可測覆蓋度，可以減少因為常見皮膚干擾因素導致的測量誤差。同時，它還具有環境光抑制和動態干擾抑制，可適配更多的環境和測試狀態。

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 阻抗其實是測不準的。ADI 從芯片架構設計上就規避了這些問題，通過獨特的專有技術和專利，利用硬件和算法結合的方式，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，ADPD6000 也同樣可以把誤差補償掉，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

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

隨著TWS 耳機已經逐漸取代有線耳機，后無線時代的下一個產品力，業界都不約而同地瞄準了ANC 主動降噪。降噪的需求并不僅僅來自于廠商追求產品力和差異化，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長續航。對于系統工程師而言，降噪則是一項系統性的工程，來自耳機內聲學器件、芯片本地噪聲、電源串擾、射頻雜訊等的底噪會在ANC 模式下變得更為突出，戶外場景下的風噪處理、半入耳式降噪要保證實時的降噪特性調整、降噪帶來的負壓感、爆破音的處理、實現量產的降噪效果一致性等難題對設計開發提出了極高要求。

針對諸多設計挑戰，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用場景的降噪芯片，在藍牙芯片上外掛該芯片就可以為TWS 耳機實現ANC 降噪的功能。在助力客戶解決降噪設備開發的挑戰時，ADI 芯片相應的硬件設計能進行優化處理。例如底噪主要來自于聲學器件本身的噪聲以及芯片本身的電噪聲。ADAU1850/60 首先通過底層的優秀的ADC/DAC 來保證本身的底噪較小。優化的指令集也能讓用戶可以在調整ANC 的同時，調整優化的音頻路徑，通過數字方式來減少底噪。最后在整個系統底噪上，ADI 還可以幫助客戶做布板布線的設計制造，從系統層面上進一步減少干擾產生的底噪。而針對風噪，用戶可以利用芯片內部靈活的硬件檢測模塊，自己搭建硬件級別的檢測系統，來感知麥克風的風噪，進行動態的調整，因為是硬件級別的響應，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、開發和調試軟件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，從而能夠創建復雜的音頻信號流，對于不懂編程但精通聲學的客戶群體來說，他們也可以使用該軟件輕松完成任務。