Energy-Efficient Hybrid Approximate Radix-8 Multiplication Architecture for Adaptive Acoustic Feedback Suppression in Wearable Hearing Aids
Dit artikel presenteert een energie-efficiënte adaptieve architectuur voor de onderdrukking van akoestische feedback voor draagbare gehoorapparaten die een hybride benaderende Radix-8 vermenigvuldiger en een benaderende SAR ADC gebruikt om een aanzienlijke vermindering van het stroomverbruik en een lage latentie te bereiken, terwijl de hoge spraakkwaliteit behouden blijft, zoals gevalideerd door FPGA-implementatieresultaten die een superieure prestatie laten zien vergeleken met bestaande methoden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Geluid is de brug tussen mensen, die de nuance van een gesprek en het comfort van een vertrouwde stem overbrengt. Voor miljoenen mensen met gehoorverlies fungeren draagbare apparaten als een vitale schakel, die de wereld versterken zodat zij volledig kunnen deelnemen. Deze apparaten worden echter geconfronteerd met een hardnekkige fysieke uitdaging: de microfoon die naar de wereld luistert en de luidspreker die het geluid afgeeft, zitten zo dicht bij elkaar dat het versterkte geluid vaak terug in de microfoon circuleert. Dit creëert een hoog piepend geluid dat bekend staat als akoestische feedback, een ruis die niet alleen de luisterervaring verpest, maar de gebruiker ook dwingt om het volume te verlagen, waardoor de gebruiker moeite heeft om te horen. Het oplossen hiervan vereist dat het apparaat constant luistert, berekent en de feedback in realtime aftrekt, een proces dat aanzienlijke rekenkracht en batterijduur vraagt, twee middelen die in een klein, draagbaar gadget altijd schaars zijn.
Onderzoekers aan het Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala R & D Institute of Science and Technology hebben een nieuwe manier voorgesteld om dit probleem aan te pakken, waarbij de focus ligt op het hart van de berekening: de vermenigvuldiging. In digitale signaalverwerking moet het apparaat constant getallen vermenigvuldigen om te bepalen hoeveel feedback aanwezig is en hoe deze kan worden gecompenseerd. Het team, onder leiding van Bharathi Vijayakumar en Kalpana Devi Perumal, heeft een systeem ontworpen dat deze vermenigvuldigingen uitvoert met veel minder energie en hardware dan de huidige methoden, zonder het verlies van de spraakhelderheid. Ze noemen hun benadering HARMONIC-AFS, een methode die een slimme manier van geluid vastleggen combineert met een vereenvoudigde, maar zeer effectieve rekenmotor.
Het proces begint nog voordat de complexe wiskunde begint. Wanneer een persoon spreekt, komen de geluidsgolven als een elektrisch signaal de gehoorapparaat binnen. Traditioneel vereist het omzetten van dit signaal naar een digitaal formaat dat een computer kan begrijpen veel energie, vooral wanneer het apparaat probeert elk klein detail van het geluid vast te leggen. De onderzoekers realiseerden zich dat menselijke spraak van nature zacht is en niet het volledige bereik van de beschikbare digitale precisie gebruikt. Ze introduceerden een aangepaste converter die werkt als een filter, door de onbeduidende delen van het signaal te negeren en zich alleen op de belangrijke delen te concentreren. Door het omzetten van de minder belangrijke gegevens over te slaan, bespaart het apparaat een aanzienlijke hoeveelheid vermogen direct bij de bron, wat ervoor zorgt dat de batterij langer meegaat terwijl de stem nog steeds duidelijk wordt vastgelegd.
Zodra het geluid is gedigitaliseerd, moet het apparaat de feedback identificeren en verwijderen. Dit gebeurt met behulp van een filter dat zichzelf constant aanpast om overeen te komen met het pad dat het geluid aflegt van de luidspreker terug naar de microfoon. De kern van dit filter berust op het vermenigvuldigen van het binnenkomende geluid met een reeks getallen die het feedbackpad vertegenwoordigen. In standaardontwerpen zijn deze vermenigvuldigingen zwaar, traag en energievretend. De onderzoekers vervingen de standaard vermenigvuldigingsunit door een nieuw, hybride ontwerp dat het werk in twee delen splitst. Voor de belangrijkste delen van de berekening gebruiken ze een verfijnde coderingsmethode die het aantal benodigde stappen vermindert. Voor de minder kritische delen gebruiken ze een vereenvoudigde aanpak die de getallen afrondt en de kleine fouten weglaat die het menselijk oor nooit zou opmerken. Deze hybride strategie, die ze de HARMONIC-multiplier noemden, vermindert drastisch de fysieke ruimte die de chip nodig heeft en het elektriciteit die het verbruikt.
Om dit werkend te maken, heeft het team ook een gespecialiseerd onderdeel geïntegreerd dat de gegevens tijdens de berekening comprimeert. In plaats van elke enkele stuk informatie met perfecte precisie te verwerken, groepeert dit onderdeel de gegevens op een manier die het proces versnelt en het aantal elektronische schakelaars dat moet omschakelen vermindert. Deze vermindering in activiteit is cruciaal, omdat elke keer dat een schakelaar omschakelt, er energie wordt verbruikt en warmte wordt gegenereerd. Door deze schakelingen te minimaliseren, kan het apparaat sneller en koeler werken. Het hele systeem werd getest op een gespecialiseerde computerchip die ontworpen is voor snelle prototyping, waardoor de onderzoekers konden verifiëren dat hun theoretische ontwerp werkt in een real-world setting.
De resultaten van dit werk tonen een significante verbetering in zowel efficiëntie als prestaties. Bij testen met een standaard set met lawaaierige spraakopnames verbeterde het nieuwe systeem de helderheid van het geluid met een factor 20,5 decibel, een substantiële winst die spraak veel gemakkelijker verstaanbaar maakt in luidruchtige omgevingen. De kwaliteit van de verwerkte spraak, gemeten aan hoe natuurlijk het klinkt voor een menselijke luisteraar, bereikte een score van 3,46, wat hoger is dan wat andere huidige methoden bereiken. Misschien wel het belangrijkste voor een draagbaar apparaat, het nieuwe ontwerp verbruikte 119,8 milliwatt aan vermogen, wat ongeveer 37 procent minder is dan de meest efficiënte methode die is getest. Het verwerkte het geluid ook in slechts 43,05 nanoseconden, een fractie van een seconde, wat ervoor zorgt dat de gebruiker de wereld in realtime hoort zonder enige vertraging.
De onderzoekers vergeleken hun ontwerp met verschillende bestaande technologieën, waaronder methoden die gebruikmaken van verschillende typen multipliers en filteringstechnieken. In elke categorie, van de hoeveelheid fysieke ruimte die de chip inneemt tot de snelheid waarmee hij werkt, kwam de nieuwe aanpak als winnaar uit de bus. Het gebruikte minder dan de helft van het aantal logische blokken dat sommige concurrerende ontwerpen vereist en werkte op een hogere snelheid, waarbij een frequentie van 111,1 megahertz werd bereikt. De foutmarge, die meet hoe ver de berekening afwijkt van het perfecte wiskundige antwoord, werd extreem laag gehouden op 1,68 procent, wat bewijst dat de energiebesparende shortcuts geen merkbare vervormingen introduceerden.
Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om gehoorapparaten te boueren die zowel slimmer als efficiënter zijn. Door opnieuw na te denken over hoe het apparaat de fundamentele wiskunde van geluidverwerking afhandelt, hebben de onderzoekers een pad gecreëerd naar gehoorapparaten die irritante feedback effectiever kunnen onderdrukken terwijl ze langer meegaan op een enkele lading. De bevindingen suggereren dat toekomstige apparaten kleiner, krachtiger en comfortabeler kunnen zijn voor de gebruiker, wat een helderdere verbinding biedt met de wereld voor hen die op hen vertrouwen. Het team plant om dit werk uit te breiden om meerdere kanalen van geluid gelijktijdig te verwerken en het ontwerp te testen op nog geavanceerdere computerchips, met als doel deze voordelen naar de volgende generatie draagbare gearticulatietechnologie te brengen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.