Energy-Efficient Hybrid Approximate Radix-8 Multiplication Architecture for Adaptive Acoustic Feedback Suppression in Wearable Hearing Aids
यह शोध पत्र एक ऊर्जा-कुशल अनुकूली ध्वनिक फीडबैक दमन (acoustic feedback suppression) आर्किटेक्चर प्रस्तुत करता है जो पहनने योग्य श्रवण यंत्रों के लिए है, जो महत्वपूर्ण शक्ति कटौती और कम विलंबता प्राप्त करने के लिए एक हाइब्रिड अनुमानित रेडिक्स-8 मल्टीप्लायर और एक अनुमानित SAR ADC का उपयोग करता है, जैसा कि FPGA कार्यान्वयन परिणामों द्वारा प्रमाणित किया गया है जो मौजूदा विधियों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
ध्वनि लोगों के बीच एक सेतु है, जो बातचीत की बारीकियों और एक परिचित आवाज़ के सुकून को संजोए रखती है। सुनने की क्षमता खो चुके लाखों लोगों के लिए, पहनने योग्य उपकरण (wearable devices) एक महत्वपूर्ण कड़ी के रूप में कार्य करते हैं, जो दुनिया को इतना प्रवर्धित (amplify) करते हैं कि वे पूरी तरह से इसमें भाग ले सकें। हालाँकि, इन उपकरणों को एक निरंतर भौतिक चुनौती का सामना करना पड़ता है: वह माइक्रोफ़ोन जो दुनिया को सुनता है और वह स्पीकर जो ध्वनि प्रदान करता है, एक-दूसरे के इतने करीब होते हैं कि प्रवर्धित ध्वनि अक्सर वापस माइक्रोफ़ोन में ही लौट आती है। यह एक उच्च-तीव्रता वाली सीटी जैसी आवाज़ पैदा करता है जिसे 'एकॉस्टिक फीडबैक' (acoustic feedback) कहा जाता है, एक ऐसा शोर जो न केवल सुनने के अनुभव को खराब कर देता है बल्कि डिवाइस को अपनी आवाज़ कम करने के लिए मजबूर करता है, जिससे उपयोगकर्ता को सुनने में संघर्ष करना पड़ता है। इसे हल करने के लिए डिवाइस को लगातार सुनना, गणना करना और फीडबैक को वास्तविक समय में घटाना आवश्यक है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें अत्यधिक कंप्यूटिंग शक्ति और बैटरी जीवन की आवश्यकता होती है, जो कि एक छोटे, पहनने योग्य गैजेट में हमेशा दुर्लभ संसाधन होते हैं।
वेल टेक रंगरजन डॉ. सुगंथला आर एंड डी इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जो गणना के बिल्कुल केंद्र पर ध्यान केंद्रित करता है: गुणन (multiplication)। डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग में, डिवाइस को यह समझने के लिए लगातार संख्याओं को गुणा करना पड़ता है कि कितना फीडबैक मौजूद है और उसे कैसे रद्द किया जाए। भारथी विजयकुमार और कल्पना देवी पेरुमल के नेतृत्व में टीम ने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की है जो वर्तमान तरीकों की तुलना में बहुत कम ऊर्जा और हार्डवेयर के साथ इन गुणनों को करती है, और ऐसा करते हुए भाषण की स्पष्टता से कोई समझौता नहीं करती है। वे अपने दृष्टिकोण को HARMONIC-AFS कहते हैं, जो एक ऐसी विधि है जो ध्वनि को कैप्चर करने के स्मार्ट तरीके और एक सरल, फिर भी अत्यधिक प्रभावी गणना इंजन को जोड़ती है।
यह प्रक्रिया जटिल गणित शुरू होने से पहले ही शुरू हो जाती है। जब कोई व्यक्ति बोलता है, तो ध्वनि तरंगें श्रवण यंत्र (hearing aid) में एक विद्युत संकेत के रूप में प्रवेश करती हैं। पारंपरिक रूप से, इस संकेत को डिजिटल प्रारूप में बदलने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से जब डिवाइस ध्वनि के हर सूक्ष्म विवरण को पकड़ने की कोशिश करता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि मानव भाषण स्वाभाविक रूप से शांत होता है और उपलब्ध डिजिटल सटीकता की पूरी सीमा का उपयोग नहीं करता है। उन्होंने एक संशोधित कनवर्टर पेश किया जो एक फिल्टर की तरह कार्य करता है, जो संकेत के महत्वहीन हिस्सों को अनदेखा करता है और केवल महत्वपूर्ण हिस्सों पर ध्यान केंद्रित करता है। इस कम महत्वपूर्ण डेटा के रूपांतरण को छोड़कर, डिवाइस स्रोत पर ही काफी मात्रा में बिजली बचाता है, जिससे बैटरी लंबे समय तक चलती है जबकि आवाज स्पष्ट रूप से पकड़ी जाती है।
एक बार ध्वनि डिजिटल हो जाने के बाद, डिवाइस को फीडबैक की पहचान करनी होती है और उसे हटाना होता है। यह एक ऐसे फिल्टर का उपयोग करके किया जाता है जो लगातार खुद को उस पथ के अनुसार ढालता रहता है जिससे ध्वनि स्पीकर से वापस माइक्रोफ़ोन तक पहुँचती है। इस फिल्टर का मूल आधार इनपुट ध्वनि को संख्याओं के एक सेट से गुणा करना है जो फीडबैक पथ का प्रतिनिधित्व करते हैं। मानक डिजाइनों में, ये गुणन भारी, धीमे और ऊर्जा की खपत करने वाले होते हैं। शोधकर्ताओं ने मानक गुणन इकाई को एक नई, हाइब्रिड डिज़ाइन से बदल दिया है जो काम को दो भागों में विभाजित करती है। गणना के सबसे महत्वपूर्ण हिस्सों के लिए, वे एक परिष्कृत एन्कोडिंग विधि का उपयोग करते हैं जो आवश्यक चरणों की संख्या को कम करती है। कम महत्वपूर्ण हिस्सों के लिए, वे एक सरल दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं जो संख्याओं को राउंड ऑफ करता है और उन सूक्ष्म त्रुटियों को हटा देता है जिन्हें मानवीय कान कभी नहीं देख पाएंगे। इस हाइब्रिड रणनीति, जिसे उन्होंने HARMONIC मल्टीप्लायर नाम दिया है, चिप के लिए आवश्यक भौतिक स्थान और बिजली की खपत को नाटकीय रूप से कम कर देती है।
इसे सफल बनाने के लिए, टीम ने एक विशेष घटक को भी एकीकृत किया है जो गणना के दौरान डेटा को संकुचित (compress) करता है। हर एक जानकारी को पूर्ण सटीकता के साथ प्रोसेस करने के बजाय, यह घटक डेटा को इस तरह से समूहित करता है जो प्रक्रिया को तेज करता है और इलेक्ट्रॉनिक स्विचों के फ्लिप होने की संख्या को कम करता है। गतिविधियों में यह कमी अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि हर बार जब एक स्विच फ्लिप होता है, तो वह ऊर्जा का उपयोग करता है और गर्मी उत्पन्न करता है। इन फ्लिप्स को कम करके, डिवाइस तेजी से और ठंडा चल सकता है। पूरी प्रणाली का परीक्षण एक विशेष कंप्यूटर चिप पर किया गया था जो रैपिड प्रोटोटाइपिंग के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि उनका सैद्धांतिक डिजाइन वास्तविक दुनिया के परिवेश में काम करता है।
इस कार्य के परिणाम दक्षता और प्रदर्शन दोनों में महत्वपूर्ण सुधार दिखाते हैं। शोर वाले भाषण रिकॉर्डिंग के एक मानक सेट के साथ परीक्षण करने पर, नए सिस्टम ने ध्वनि की स्पष्टता में 20.5 डेसिबल का सुधार किया, जो एक बड़ा लाभ है जो शोर वाले वातावरण में भाषण को समझना बहुत आसान बना देता है। प्रोसेस्ड स्पीच की गुणवत्ता, जिसे एक मानव श्रोता के लिए इसके प्राकृतिक होने के आधार पर मापा गया, 3.46 के स्कोर तक पहुँच गई, जो अन्य वर्तमान तरीकों की तुलना में अधिक है। शायद पहनने योग्य डिवाइस के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि नए डिजाइन ने 119.8 मिलीवाट बिजली की खपत की, जो परीक्षण किए गए अगले सबसे कुशल तरीके से लगभग 37 प्रतिशत कम है। इसने ध्वनि को केवल 43.05 नैनोसेकंड में प्रोसेस किया, जो एक सेकंड का बहुत छोटा हिस्सा है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उपयोगकर्ता बिना किसी लैग (lag) के वास्तविक समय में दुनिया को सुन सके।
शोधकर्ताओं ने अपने डिजाइन की तुलना कई मौजूदा तकनीकों से की, जिसमें विभिन्न प्रकार के मल्टीप्लायर्स और फिल्टरिंग तकनीक का उपयोग करने वाले तरीके शामिल हैं। हर श्रेणी में, चिप द्वारा घेरे गए भौतिक स्थान से लेकर इसके संचालन की गति तक, नया दृष्टिकोण आगे रहा। इसने कुछ प्रतिस्पर्धी डिजाइनों की तुलना में आधे से भी कम लॉजिक ब्लॉक्स का उपयोग किया और उच्च गति (111.1 मेगाहर्ट्ज) पर संचालित हुआ। त्रुटि दर (error rate), जो यह मापती है कि गणना आदर्श गणितीय उत्तर से कितनी विचलित होती है, 1.68 प्रतिशत पर अविश्वसनीय रूप से कम रखी गई, जो यह सिद्ध करता है कि ऊर्जा बचाने वाले शॉर्टकट ने ध्यान देने योग्य विकृति पैदा नहीं की।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि ऐसे श्रवण यंत्र बनाना संभव है जो अधिक स्मार्ट और अधिक कुशल हों। ध्वनि प्रसंस्करण के मौलिक गणित को संभालने के तरीके को बदलकर, शोधकर्ताओं ने ऐसे श्रवण यंत्र बनाने का मार्ग प्रशस्त किया है जो परेशान करने वाले फीडबैक को अधिक प्रभावी ढंग से दबा सकते हैं और एक बार चार्ज करने पर अधिक समय तक चल सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के उपकरण छोटे, अधिक शक्तिशाली और उपयोगकर्ता के लिए अधिक आरामदायक हो सकते हैं, जो उन लोगों के लिए दुनिया के साथ एक स्पष्ट संबंध प्रदान करेंगे जो उन पर निर्भर हैं। टीम इस कार्य को एक साथ ध्वनि के कई चैनलों को संभालने के लिए विस्तारित करने और इस डिजाइन को और भी उन्नत कंप्यूटर चिप्स पर परीक्षण करने की योजना बना रही है, जिसका लक्ष्य अगली पीढ़ी की पहनने योग्य श्रवण तकनीक के लिए ये लाभ लाना है।
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