無線耳機
生理數據蒐集日漸普及 耳機導入光學心律量測效果佳
能夠量測心律以及其他生命徵象的健康追蹤器可協助使用者規劃適合自己的運動菜單。這類裝置通常內建動作感測器,能偵測各種移動模式,協助判斷包括行走、跑步、游泳等狀態,讓它們能像計步器一樣運作。為了配戴舒適以及能在日常生活中方便使用,這些量測動作通常會在手腕上進行,因為感測器一般都裝在像是手錶、首飾以及腕帶內。然而對於量測品質而言,手腕並非最適合的量測位置。心律的偵測會受到許多動作瑕疵所侷限,由於有較多的肌肉遮擋以致無法更接近到動脈進行量測。
相較之下,耳朵更適合進行光學心律量測。醫學專家目前已經會從耳垂部位量測血氧濃度。然而消費產品至今還沒有充分運用這方面的技術,因為耳朵部位的量測裝置空間極為受限,但卻需要耗用大量電力以致於必須配置大型電池。不過,業界正持續推出各種高度整合的低功耗晶片,以克服這些問題。如今業界已能把可實際運行的生命徵象量測元件整合到一般入耳式耳機中。此外,改進反應速度也開拓出全新的應用領域以及可能性。本文便將針對此類系統進行介紹與評估。
感測訊號光學式量測法
底層的量測方法為光學式量測。過程中使用最多三個LED燈來量測短脈衝訊號。LED電流最高到370mA,最小脈衝寬度為1微秒。LED的最佳波長取決於量測位置以及量測方法。由於只會量測腕部的表淺動脈,因此這裡選擇的是綠色燈,若是在耳朵進行偵測,就會選擇能穿透到更深表皮以及具備更高訊號雜訊比的紅外線。光二極體其偵測區域和反應速度之間有直接關係,用它來量測反射回來的光線。光二極體會量測到訊號以及背景雜訊,下游的類比前端元件提供更高的訊號雜訊比,其作用為訊號濾波器,並將偵測到電流轉換成電壓,同時轉換成數位格式。演算法方面,除了量測反射光之外,還會利用加速度計濾除各種動作瑕疵,對訊號進行校正。
以下將介紹量測系統的元件。ADI的ADPD144RI晶片用來作為類比前端元件,另外還整合了光二極體以及LED。量測作業運用了一個三軸加速度計,這個加速度計除了用來辨識腳步型態以及動作外,還能移除各種訊號瑕疵。整個流程由微控制器負責控制,並作為各感測器以及承載演算法元件之間的傳輸介面。
圖1顯示測試系統,將光學感測器以及加速度計裝入到一般常見的入耳式耳機中。在設計時刻意將ADC採樣率限制在100Hz,LED密度也降至最低,藉此盡可能壓低耗電。
圖1 測試系統內含一個整合式光學感測器與加速計,置於標尺旁顯示實品的尺吋。
為進行系統特性分析,針對不同的移動模式,分別考量五種情境。過程中只運用光學訊號進行評估,這麼做不僅能判斷什麼情境中出現脈搏量測失準,還能知道何時需要加速計資料以提高脈搏量測的精準度。情境包含以下動作:
.停在原地未走動
.停在原地並咀嚼
.在桌邊工作
.行走
.跑步與跳躍
測試情境一:停在原地
圖2顯示原始資料的頻譜,表現出振幅與採樣率之間的關係。圖中出現峰值的時間即是脈搏。在沒有移動時,訊號相當清晰,可從波峰位置以及已知採樣率來判斷心律。
圖2 藉由量測超採樣的振幅即可得出心律的資訊
光學感測器會將心律紀錄成兩種LED顏色-紅外線以及紅色,每個顏色各有四個頻道。在這種方式中,採用兩個不同的顏色頻道來進行量測,其結果可能會有差異,可以選擇較穩健的變異數據。圖3A顯示不同頻道的訊號。在六頻道的設定中,可以辨識出明確定義的訊號,其中兩個頻道呈現飽和狀態。為達到更強且穩健的訊號,在未飽和頻道中套用演算法然後計算出心律。圖3B顯示紅色頻道(上方)以及紅外線頻道(底部)的心律,同時還以顏色標度顯示量測的信心水準。此外圖中還顯示多組心律數據,可透過取樣率以及信心指標可分辨出原始訊號(虛線)。
圖3 (a)顯示一個4頻道量測訊號,量測停在原地不動的情境,(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法即可從彙總資料中判斷出心律(黑線),色標顯示信心水準。
總結在沒有動作時,訊號很強且沒有擋到真實訊號的雜訊,因此演算法能判斷心律並達到高信心水準。紅外線頻道的訊號要強過紅光頻道的訊號。
測試情境二:停在原地並咀嚼
情境二中多了咀嚼的動作。圖4顯示紀錄頻譜。不同於測試情境一,從圖中可清楚看到各種動作瑕疵,反映在訊號波形的跳動上。另外在頻道彙總圖上也很明顯,不再展現能清楚分辨的心律。不過,即使沒有透過動作感測器提供額外的幫助,演算法仍能正確判斷心律並達到相當高的信心水準。有趣的是,紅外線訊號的強度又再一次高過紅光頻道。
圖4 (a)顯示4頻道量測訊號,量測停在原地並咀嚼的情境,(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線),色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。
測試情境三:在桌旁工作
情境三則是測試另一種日常狀況。測試人員坐在桌旁執行日常工作,並作出一些相關動作。類似情境二,系統也會偵測到各種動作瑕疵,在套用演算法後即可判斷出兩個頻道的心律。如(圖5)所示,這裡,紅外線的強度亦是勝出。
圖5 (a)顯示4頻道量測訊號,量測在桌旁工作表的情境,(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線),色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。
測試情境四:行走
先前幾個情境涵蓋各種靜態量測條件,而在這個情境中測試人員以低速朝一個方向移動(約每分鐘50步)。如圖6所示,在PPG訊號中,心律和行走步伐的訊號混在一起,各頻道彙總後呈現相當模糊不清的訊號。紅色訊號區域中無法計算出清楚的心律,而演算法則是在紅外線頻道中找到一個較明確的心律。在高度波動以及低信心水準的組合中,從加速計得到額外的動作資料的確相當有幫助,特別是因為直到此時,量測都是在低走行速度下進行。
圖6 (a)顯示一個4頻道訊號,量測步行的情境,(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線),色標代表心信水準。在紅外線情境中,不須使用加速計即可判斷心律。
測試情境五:跑步與跳躍
情境五測的不是均勻的移動,而是交雜快跑與跳躍的動作。波形中可明確看到許多動作瑕疵,即使套用演算法也很難區隔出正確的心律,如圖7所示。因此無可避免的需要動作感測器的支援。
圖7 (a)顯示4頻道量測訊號,量測跑步與跳躍的情境,(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線),色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。
為了評估對動作感測器的需求,情境5中測試的量測技術,包含使用以及不使用加速計的情境。圖8顯示的是比較沒有校正加速計資料(左邊)以及納入校正加速計資料(右邊)的加成頻譜。從圖中可看到訊號有明顯的改進,能清楚辨識出心律,但如果沒有加速計的支援便根本無法辦到。
圖8 比較沒有加速計資料(左邊)以及有加速計資料(右邊)的加成性頻譜。使用加速計後,即可重建使用者的心律。
從上述的測試情境,我們可歸納出在大多數情況下,運用整合在入耳式耳機內的感測器,可極準確判斷出心律。在局部或緩慢的平移運動,甚至不使用加速計資料也可能判斷出心律。然而在忽然與急速的動作中,如果將經過動作校正的資料一起比對,亦可對資料進行判讀。在所有情境中,紅外線訊號的強度都高過紅光訊號。
和手腕量測相比,量測耳朵的訊號強度更高,因此能得到更精準的量測數據。此外,運用紅光或紅外線還能量測血氧濃度。
總結來說,從功能測試系統的結果來看,置入耳內裝置的量測其可行性極高。量測裝置還能透過更好的機械整合,以及納入額外的量測機制使產品更加完善。此外,加速計還能用在跌倒偵測以及步伐辨識,以為客戶創造更高的附加價值。
(本文作者為ADI應用工程師)
ams發布數位降噪先進技術無線耳塞式耳機
艾邁斯半導體(ams)發布一項全新的數位降噪先進技術,配合新的、更舒適的真無線耳塞式耳機,它將轉變人們聽音樂、打電話甚至感受周圍世界的體驗。
新音訊技術鞏固了艾邁斯半導體在耳塞式耳機市場的領先地位,到2023年無線耳塞式耳機預計將保持27%的年複合增長率,屆時將會超過所有其他無線和有線產品類別,成為全球最受歡迎的耳機類型。新音訊技術再次證明了艾邁斯半導體在無線耳塞式耳機系統解決方案的領導地位。
如今消費者青睞半入耳式無線耳塞式耳機,因為長時間佩戴的舒適感。這種半入耳式耳機的缺點在於,更多的外部噪音可能洩漏到耳內。艾邁斯半導體全新的數位音訊技術平臺針對半入耳式耳機推出了自動洩漏補償(ALC)功能,可即時調整耳塞式耳機與用戶耳朵之間的漏氣量。這意味著,客戶如今在使用半入耳式耳機時也能享受出色的擴增聽覺和降噪體驗。
用戶佩戴採用艾邁斯半導體ALC技術的半入耳式真無線耳機,可獲得佩戴主動降噪(ANC)耳機一樣的無雜訊聆聽體驗。啟用ALC技術的耳塞式耳機將生成近乎無聲的背景,進而提高語音通話、音樂和媒體內容的音質。它們的噪音衰減能力達40dB,超出當今市場領先的AS3418設備(同樣來自艾邁斯半導體)30dB的噪音衰減額定值(最小值)。
艾邁斯半導體耳機和汽車部門執行副總裁Chris Feige表示,艾邁斯半導體的ALC等創新技術將引領數位擴增聽覺的新時代。艾邁斯半導體將立足新的擴增聽覺平臺,協助音訊行業客戶重新構想消費者與聆聽設備之間的關係。使用ALC技術,佩戴者可體驗純正的無聲環境。我們的技術願景是,耳機製造商將來可讓用戶自行選擇過濾或聆聽哪些類型與來源的外部雜訊。
擴增聽覺引擎也是艾邁斯AS3460主動降噪(ANC)產品的自動預設選擇(APS)功能平臺。借助APS音訊技術,耳塞式耳機製造商可以開發差異化功能,針對不同類型的環境雜訊配置和優化所需的降噪設置。還可以開發新型耳塞式耳機,根據檢測到的雜訊類型自動切換模式,進而在任何環境下都能提供最佳降噪性能。在不同預設模式之間切換時,AS3460會自動淡出一種模式,同時淡入另一種模式,使用者甚至察覺不到差異,始終保持高降噪性能。
憑藉卓越的音訊體驗,艾邁斯半導體的ALC和APS等新技術可幫助消費者提升佩戴耳塞式耳機的附加價值,無論耳塞式耳機是單獨購買還是作為手機附件提供。
看好抗噪耳機需求 Dialog力推數位化方案
目前市場上已經有許多知名耳機大廠推出具備主動式抗噪功能的高階耳罩式耳機,但由於目前這類耳機的主動式抗噪功能多半採用類比架構加上大量外部元件兜成,會占用相當大的電路板面積,因此像蘋果(Apple) AirPods這類左右獨立的無線耳塞式耳機,很難實作主動式抗噪功能。因此,Dialog決定推出整合度更高的數位式主動降噪技術,以克服無線耳塞式耳機難以支援主動降噪功能的難題。
Dialog無線音訊及語音事業部門產品行銷經理Jason Coughlan認為,搭載主動式降噪功能是未來耳機發展的主要趨勢之一,但由於目前市場上所使用的解決方案整合度不高,動輒需要數十個外部元件,占用的印刷電路板面積太大,因此目前只有耳罩式耳機能搭載主動降噪功能,耳塞式耳機很難做到。
因此,Dialog近日發表了一系列封裝尺寸只有3.26x1.72(mm),且外部元件只需要10顆的高整合度主動抗噪方案--DA740x,除了節省耳罩式耳機搭載主動抗噪功能的成本外,也讓耳塞式耳機有機會支援此功能。
除了硬體的整合度更高外,Dialog針對該系列元件,也提供對應的軟體開發工具,如以GUI為基礎的暫存器配置、設定檔腳本撰寫工具,主動抗噪功能的參數微調工具,以及生產線上會使用到的校正工具等,皆包含在該晶片隨附的軟體工具內。Coughlan認為,這些軟體配套工具將可讓主動式抗噪功能更快成為耳機的標準配備。
在抗噪性能的實測方面,Dialog以Bose QC-25抗噪耳機為基礎,改裝出DA-740x的展示系統,並以手機播放在客機內錄到的飛機引擎噪音來展示其降噪性能。由於筆者正好是Bose QC-35的使用者,兩款抗噪耳機的抗噪能力基本上是一樣的,因此正好可以做對照測試。
根據筆者的主觀聆聽體驗,在對抗飛機引擎噪音方面,QC-35與DA-740x展示平台的效果幾乎沒有任何差別,這也顯示數位式主動降噪的效果並不遜於現有解決方案,但在電路板面積、成本方面卻有更大的優勢。
OnePlus新款耳機配備樓氏平衡電樞驅動器
一加(OnePlus)與樓氏電子雙方宣佈推出一款全新的圈鐵三單元高端無線耳機,帶來豐富且卓越的聽覺盛宴。一加雲耳2結合了溫暖,飽滿低音的動圈單元,以及可完美詮釋極其清晰人聲和高頻的兩個平衡電樞驅動器(動鐵單元),為一加手機錦上添花,也是任何配備藍牙(Bluetooth)連接功能的音訊源的理想裝備。
長期以來,樓氏平衡電樞驅動器(動鐵單元)因為對音樂清晰、精準的還原,一直是專業音樂家和音響愛好者的首選。最近,越來越多的消費者耳機品牌採用平衡電樞技術,以獲得優質的聆聽體驗。透過將一個動圈單元與兩個樓氏平衡電樞驅動器(動鐵單元)相結合,一加雲耳2將吸引那些涉獵各種音樂風格的消費者,同時也提供了他們暢擁無線自由的積極生活方式。
樓氏電子聽力健康事業部全球副總裁Jon Kiachian表示,一加以其受歡迎的高性能高端手機而聞名。 樓氏電子很高興與一加合作,提供完美的聲學解決方案,並獲得高品質且令人愉悅的聆聽體驗。”
專業研究公司Futuresource Consulting的研究主管Simon Bryant說明,預計到2023年無線耳機的複合年均增長率將達到10%以上(零售收入將達到300億美元以上),而入耳式耳機將至少占其中的三分之二,因為消費者更期待,體積小的耳機也能帶來過去在頭戴式耳機中才能享受到的、更優質的音訊體驗,在這一品類中,超過100美元的高端耳機套件將實現最強勁的增長,因為考慮到便攜性和各式各樣的外形設計等因素,消費者願意繼續支付更多費用來升級他們的耳機,獲得最先進和最出色的功能,並享受更好的音訊播放體驗。
憑藉其小巧的尺寸和精確的聲音再現,將平衡電樞驅動器(動鐵單元)視為優質音質的關鍵技術,可應用于藍牙耳機和先進的TWS真無線耳機可穿戴設備中。這意味著在過去至少十年中我們所看到的趨勢正在延續。一加雲耳2(OnePlus Bullets Wireless 2)與他們的新旗艦手機型號OnePlus 7系列一同發佈。
MCU市場持續看俏 盛群紛推新品搶攻市占率
瞄準微控制器(MCU)市場商機,盛群半導體(HOLTEK)近日舉辦新品發表會,針對智慧家居及安全防護應用,推出9大類新產品。盛群總經理高國棟表示,2018年1~9月,該公司的營收為36.7億元,其中有76%的營收來自於MCU,顯示MCU為該公司相當重要的營收來源;而在市場競爭日趨激烈,以及美中貿易戰情勢不明朗的情況下,更須加緊推出新品,提升市占率。
據悉,此次盛群新品發表會以「智慧生活與安全防護應用」之相關控制及通訊應用,展示32位元MCU、無線通訊、節能馬達、安全防護、智慧家電、觸控應用、健康量測、電源管理,以及顯示音訊等9大類產品。
高國棟指出,該公司2017年1~9月MCU總體銷售量為4.49億顆,而2018年1~9月的MCU總銷售量為5.04億顆,成長12%,市占率明顯提升,推升前9 個月營收新台幣為36.7億元,年增 9%,MCU占比從去年同期的73%成長到 76%。
高國棟透露,MCU的應用非常廣泛,舉凡家電產品、醫療、工業等市場都須使用MCU。在面臨中美貿易戰,以及未來全球需求不確定性(景氣變化)的情況下,盛群所能做的便是不斷推出新的產品,滿足各應用市場的需求,藉此提升市占率,這也是該公司十分重視新產品開發的主要因素。
展望未來,高國棟表示,32位元MCU成功打進手機無線耳機市場,因此有望成為驅動明年業績的主要動力之一。盛群2018年1~9月的32位元MCU出貨量約1,200萬顆,相較於2017年同期的500萬顆,成長幅度高達140%,成長動能來自於智慧家庭應用、工業控制、健康偵測等領域。