Energy-Efficient Hybrid Approximate Radix-8 Multiplication Architecture for Adaptive Acoustic Feedback Suppression in Wearable Hearing Aids
تقدم هذه الورقة بنية هندسية لتثبيط التغذية الراجعة الصوتية التكيفية والموفرة للطاقة للأجهزة السمعية القابلة للارتداء، والتي تستخدم ضارباً هجيناً تقريبياً من نوع Radix-8 ومحولاً تناظرياً رقمياً تقريبياً من نوع SAR لتحقيق خفض كبير في استهلاك الطاقة وزمن انتقال منخفض مع الحفاظ على جودة كلام عالية، كما تم التحقق من ذلك من خلال نتائج التنفيذ على مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) التي أظهرت أداءً فائقاً مقارنة بالطرق الحالية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الصوت هو الجسر بين الناس، فهو يحمل تفاصيل المحادثة وراحة الصوت المألوف. بالنسبة للملايين من الأشخاص الذين يعانون من فقدان السمع، تعمل الأجهزة القابلة للارتداء كحلقة وصل حيوية، حيث تضخم العالم لتمكنهم من المشاركة الكاملة. ومع ذلك، تواجه هذه الأجهزة تحدياً فيزيائياً مستمراً: الميكروفون الذي يستمع إلى العالم والمكبر الذي يوصل الصوت يجلسان قريباً جداً من بعضهما البعض، مما يؤدي غالباً إلى عودة الصوت المضخم إلى الميكروفون. هذا يخلق طنيناً عالي النبرة يُعرف باسم "التغذية الراجعة الصوتية" (acoustic feedback)، وهو ضجيج لا يفسد تجربة الاستماع فحسب، بل يجبر الجهاز أيضاً على خفض مستوى صوته، مما يترك المستخدم يكافح لسماع الأصوات. يتطلب حل هذه المشكلة أن يستمع الجهاز باستمرار، ويحسب، ويطرح التغذية الراجعة في الوقت الفعلي، وهي عملية تتطلب قدرة حوسبة كبيرة وعمر بطارية طويل، وهما موردان دائماً ما يكونان شحيحين في جهاز صغير قابل للارتداء.
اقترح باحثون في معهد "فيل تيك رانجاراجان دكتور ساغونثالا آر آند دي للعلوم والتكنولوجيا" طريقة جديدة للتعامل مع هذه المشكلة، من خلال التركيز على قلب العملية الحسابية: الضرب. في معالجة الإشارات الرقمية، يجب على الجهاز أن يضرب الأرقام باستمرار لمعرفة مقدار التغذية الراجعة الموجودة وكيفية إلغائها. صمم الفريق، بقيادة بهاراتي فيجاياكومار وكالپانا ديفي بيرومال، نظاماً ينفذ عمليات الضرب هذه بطاقة وأجهزة أقل بكثير من الطرق الحالية، دون التضحية بوضوح الكلام. وقد أطلقوا على نهجهم اسم HARMONIC-AFS، وهو أسلوب يجمع بين طريقة ذكية لالتقاط الصوت ومحرك حسابي مبسط ولكنه فعال للغاية.
تبدأ العملية قبل بدء الرياضيات المعقدة حتى. فعندما يتحدث الشخص، تدخل الموجات الصوتية إلى المعينة السمعية كإشارة كهربائية. تقليدياً، يتطلب تحويل هذه الإشارة إلى تنسيق رقمي يمكن للحاسوب فهمه الكثير من الطاقة، خاصة عندما يحاول الجهاز التقاط كل تفصيل صغير من الصوت. أدرك الباحثون أن الكلام البشري هادئ بطبيعته ولا يستخدم النطاق الكامل للدقة الرقمية المتاحة. لذا، قدموا محولاً معدلاً يعمل كمرشح (فلتر)، حيث يتجاهل الأجزاء غير الهامة من الإشارة ويركز فقط على الأجزاء المهمة. ومن خلال تخطي عملية تحويل البيانات الأقل أهمية، يوفر الجهاز كمية كبيرة من الطاقة عند المصدر، مما يضمن بقاء البطارية لفترة أطول مع التقاط الصوت بوضوح.
بمجرد رقمنة الصوت، يجب على الجهاز تحديد وإزالة التغذية الراجعة. يتم ذلك باستخدام مرشح يعدل نفسه باستمرار ليتناسب مع المسار الذي يسلكه الصوت من المكبر عائداً إلى الميكروفون. يعتمد جوهر هذا المرشح على ضرب الصوت الوارد بمجموعة من الأرقام التي تمثل مسار التغذية الراجعة. في التصميمات القياسية، تكون عمليات الضرب هذه ثقيلة وبطيئة وتستهلك الكثير من الطاقة. استبدل الباحثون وحدة الضرب القياسية بتصميم هجين جديد يقسم العمل إلى جزأين؛ فبالنسبة للأجزاء الأكثر أهمية من الحساب، يستخدمون طريقة ترميز محسنة تقلل من عدد الخطوات المطلوبة. أما بالنسبة للأجزاء الأقل أهمية، فيستخدمون نهجاً مبسطاً يقوم بتقريب الأرقام واستبعاد الأخطاء الصغيرة التي لن يلاحظها الأذن البشرية أبداً. هذا الاستراتيجية الهجينة، التي أطلقوا عليها اسم "المضاعف التوافقي" (HARMONIC multiplier)، تقلل بشكل كبير من المساحة الفيزيائية التي تحتاجها الشريحة ومن الكهرباء التي تستهلكها.
ولإنجاح هذا الأمر، قام الفريق أيضاً بدمج مكون متخصص لضغط البيانات أثناء الحساب. فبدلاً من معالجة كل قطعة من المعلومات بدقة كاملة، يقوم هذا المكون بتجميع البيانات بطريقة تسرع العملية وتقلل من عدد المفاتيح الإلكترونية التي تحتاج إلى التحول. هذا التقليل في النشاط أمر بالغ الأهمية لأن كل مرة يتحول فيها مفتاح، فإنه يستهلك طاقة ويولد حرارة. ومن خلال تقليل هذه التحولات، يمكن للجهاز أن يعمل بشكل أسرع وأبرد. تم اختبار النظام بأكمله على شريحة كمبيوتر متخصصة مصممة للنماذج الأولية السريعة، مما سمح للباحثين بالتحقق من أن تصميمهم النظري يعمل في بيئة واقعية.
تظهر نتائج هذا العمل تحسناً كبيراً في كل من الكفاءة والأداء. فعند اختباره مع مجموعة قياسية من تسجيلات الكلام المليئة بالضجيج، حسن النظام الجديد من وضوح الصوت بمقدار 20.5 ديسيبل، وهي زيادة كبيرة تجعل الكلام أسهل بكثير في البيئات الصاخبة. ووصلت جودة الكلام المعالج، مقاسة بمدى طبيعية الصوت بالنسبة للمستمع البشري، إلى درجة 3.46، وهي أعلى مما تحققه الطرق الحالية الأخرى. ولعل الأهم بالنسبة لجهاز قابل للارتداء، هو أن التصميم الجديد استهلك 119.8 ميلي واط من الطاقة، وهو ما يقل بنحو 37 بالمائة عن الطريقة الأكثر كفاءة التي تم اختبارها. كما عالج الصوت في غض- 43.05 نانو ثانية فقط، وهو جزء من الثانية، مما يضمن سماع المستخدم للعالم في الوقت الفعلي دون أي تأخير.
قارن الباحثون تصميمهم بعدة تقنيات موجودة، بما في ذلك الطرق التي تستخدم أنواعاً مختلفة من المضاعفات وتقنيات الترشيح. وفي كل فئة، من مقدار المساحة الفيزيائية التي تشغلها الشريحة إلى السرعة التي تعمل بها، تفوق النهج الجديد. فقد استخدم أقل من نصف عدد الكتل المنطقية المطللة لبعض التصميمات المنافسة، وعمل بسرعة أعلى، حيث وصل تردده إلى 111.1 ميجاهرتز. كما ظلت نسبة الخطأ، التي تقيس مدى ابتعاد الحساب عن الإجابة الرياضية المثالية، منخفضة للغاية عند 1.68 بالمائة، مما يثبت أن الاختصارات الموفرة للطاقة لم تؤدِ إلى تشوهات ملحو-ظة.
يبرهن هذا العمل على أنه من الممكن بناء معينات سمعية أكثر ذكاءً وكفاءة. فمن خلال إعادة التفكير في كيفية تعامل الجهاز مع الرياضيات الأساسية لمعالجة الصوت، خلق الباحثون مساراً نحو بناء معينات سمعية يمكنها كبح التغذية الراجعة المزعجة بشكل أكثر فعالية مع استمرارها لفترة أطول بشحنة واحدة. وتشير النتائج إلى أن الأجهزة المستقبلية يمكن أن تكون أصغر حجماً، وأكثر قوة، وأكثر راحة للمستخدم، مما يوفر اتصالاً أوضح بالعالم لأولئك الذين يعتمدون عليها. ويخطط الفريق لتوسيع هذا العمل للتعامل مع قنوات متعددة للصوت في آن واحد واختبار التصميم على شرائح كمبيوتر أكثر تقدماً، بهدف جلب هذه الفوائد إلى الجيل القادم من تكنولوجيا السمع القابلة للارتداء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.