Energy-Efficient Hybrid Approximate Radix-8 Multiplication Architecture for Adaptive Acoustic Feedback Suppression in Wearable Hearing Aids
Cet article présente une architecture de suppression de la rétroaction acoustique adaptative et économe en énergie pour les aides auditives portables qui utilise un multiplicateur Radix-8 hybride approximatif et un ADC SAR approximatif pour parvenir à une réduction significative de la puissance et une faible latence tout en maintenant une haute qualité de parole, comme le valident les résultats d'implémentation sur FPGA montrant des performances supérieures par rapport aux méthodes existantes.
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Le son est le pont entre les individus, transportant la nuance d'une conversation et le réconfort d'une voix familière. Pour des millions de personnes souffrant de perte auditive, les appareils portables constituent un lien vital, amplifiant le monde pour qu'elles puissent participer pleinement. Cependant, ces dispositifs sont confrontés à un défi physique persistant : le microphone qui écoute le monde et le haut-parleur qui délivre le son sont si proches l'un de l'autre que le son amplifié revient souvent dans le microphone. Cela crée un sifflement aigu connu sous le nom de rétroaction acoustique, un bruit qui non seulement gâche l'expérience d'écoute, mais force également l'appareil à abaisser son volume, laissant l'utilisateur en difficulté pour entendre. Résoudre ce problème nécessite que l'appareil écoute, calcule et soustraie constamment la rétroaction en temps réel, un processus qui exige une puissance de calcul et une autonomie de batterie importantes, deux ressources qui sont toujours rares dans un petit gadget portable.
Des chercheurs de l'Institut de science et de technologie R & D Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala ont proposé une nouvelle façon de gérer ce problème, en se concentrant sur le cœur même du calcul : la multiplication. Dans le traitement numérique du signal, l'appareil doit constamment multiplier des nombres pour déterminer l'ampleur de la rétroaction et comment l'annuler. L'équipe, dirigée par Bharathi Vijayakumar et Kalpana Devi Perumal, a conçu un système qui effectue ces multiplications avec beaucoup moins d'énergie et de matériel que les méthodes actuelles, sans sacrifier la clarté de la parole. Ils appellent leur approche HARMONIC-AFS, une méthode qui combine une manière intelligente de capturer le son avec un moteur de calcul simplifié, mais hautement efficace.
Le processus commence avant même que le calcul complexe ne débute. Lorsqu'une personne parle, les ondes sonores pénètrent dans l'aide auditive sous la forme d'un signal électrique. Traditionnellement, la conversion de ce signal en un format numérique compréhensible par un ordinateur nécessite beaucoup d'énergie, surtout lorsque l'appareil tente de capturer chaque infime détail du son. Les chercheurs ont réalisé que la parole humaine est naturellement calme et n'utilise pas toute la gamme de précision numérique disponible. Ils ont introduit un convertisseur modifié qui agit comme un filtre, ignorant les parties insignifiantes du signal et se concentrant uniquement sur les parties importantes. En sautant la conversion des données les moins importantes, l'appareil économise une quantité substantielle de puissance dès la source, garantissant que la batterie dure plus longtemps tout en capturant clairement la voix.
Une fois le son numérisé, l'appareil doit identifier et supprimer la rétroaction. Cela se fait à l'aide d'un filtre qui s'ajuste constamment pour corresponder au chemin emprunté par le son du haut-parleur vers le microphone. Le cœur de ce filtre repose sur la multiplication du son entrant par un ensemble de nombres qui représentent le chemin de la rétroaction. Dans les conceptions standard, ces multiplications sont lourdes, lentes et gourmandes en énergie. Les chercheurs ont remplacé l'unité de multiplication standard par un nouveau design hybride qui divise le travail en deux parties. Pour les parties les plus importantes du calcul, ils utilisent une méthode de codage raffinée qui réduit le nombre d'étapes nécessaires. Pour les parties moins critiques, ils utilisent une approche simplifiée qui arrondit les nombres et élimine les erreurs minuscules que l'oreille humaine ne remarquerait jamais. Cette stratégie hybride, qu'ils ont nommée le multiplicateur HARMONIC, réduit considérablement l'espace physique dont la puce a besoin et l'électricité qu'elle consomme.
Pour faire fonctionner cela, l'équipe a également intégré un composant spécialisé qui compresse les données pendant le calcul. Au lieu de traiter chaque morceau d'information avec une précision parfaite, ce composant regroupe les données d'une manière qui accélère le processus et réduit le nombre de commutateurs électroniques qui doivent basculer. Cette réduction d'activité est cruciale car chaque fois qu'un commutateur bascule, il consomme de l'énergie et génère de la chaleur. En minimisant ces basculements, l'appareil peut fonctionner plus rapidement et plus froidement. L'ensemble du système a été testé sur une puce informatique spécialisée conçue pour le prototypage rapide, permettant aux chercheurs de vérifier que leur conception théorique fonctionne dans un environnement réel.
Les résultats de ce travail montrent une amélioration significative de l'efficacité et de la performance. Testé avec un ensemble standard d'enregistrements de parole bruyants, le nouveau système a amélioré la clarté du son d'un facteur de 20,5 décibels, un gain substantiel qui rend la parole beaucoup plus facile à comprendre dans des environnements bruyants. La qualité de la parole traitée, mesurée par sa dimension naturelle pour un auditeur humain, a atteint un score de 3,46, ce qui est supérieur à ce que permettent les autres méthodes actuelles. Peut-être plus important encore pour un appareil portable, la nouvelle conception a consommé 119,8 milliwatts de puissance, soit environ 37 % de moins que la méthode la plus efficace testée. Elle a également traité le son en seulement 43,05 nanosecondes, une fraction de seconde, garantissant que l'utilisateur entende le monde en temps réel sans aucun décalage.
Les chercheurs ont comparé leur conception à plusieurs technologies existantes, y compris des méthodes utilisant différents types de multiplicateurs et de techniques de filtrage. Dans chaque catégorie, de la quantité d'espace physique occupé par la puce à la vitesse à laquelle elle fonctionne, la nouvelle approche l'a emporté. Elle a utilisé moins de la moitié du nombre de blocs logiques requis par certaines conceptions concurrentes et a fonctionné à une vitesse plus élevée, atteand une fréquence de 111,1 mégahertz. Le taux d'erreur, qui mesure l'écart entre le calcul et la réponse mathématique parfaite, est resté incroyablement bas à 1,68 %, prouvant que les raccourcis d'économie d'énergie n'ont pas introduit de distorsions perceptibles.
Ce travail démontre qu'il est possible de construire des aides auditives qui soient à la fois plus intelligentes et plus efficaces. En repensant la façon dont l'appareil gère les mathématiques fondamentales du traitement du son, les chercheurs ont créé une voie vers des aides auditives capables de supprimer la rétroaction gênante plus efficacement tout en durant plus longtemps sur une seule charge. Les conclusions suggèrent que les futurs appareils pourraient être plus petits, plus puissants et plus confortables pour l'utilisateur, offrant une connexion plus claire avec le monde pour ceux qui en dépendent. L'équipe prévoit d'étendre ce travail pour gérer plusieurs canaux de son simultanément et de tester la conception sur des puces informatiques encore plus avancées, visant à apporter ces bénéfices à la prochaine génération de technologie auditive portable.
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