Energy-Efficient Hybrid Approximate Radix-8 Multiplication Architecture for Adaptive Acoustic Feedback Suppression in Wearable Hearing Aids
本文提出了一种用于可穿戴助听器的节能自适应声反馈抑制架构，该架构利用混合近似 Radix-8 乘法器和近似 SAR ADC，在保持高语音质量的同时实现了显著的功耗降低和低延迟，其 FPGA 实现结果验证了其优于现有方法的卓越性能。
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声音是人与人之间的桥梁，它承载着对话中的细微差别和熟悉声音带来的慰藉。对于数百万听力受损的人来说，佩戴式设备是至关重要的纽带，通过放大世界的声音让他们能够充分参与其中。然而，这些设备面临着一个持久的物理挑战：监听世界的麦克风与传递声音的扬声器距离太近，导致放大的声音经常回流到麦克风中。这会产生一种被称为“声反馈”的高频尖叫声，这种噪音不仅破坏了听觉体验，还迫使设备降低音量，导致用户难以听清。解决这一问题需要设备不断地进行监听、计算并实时减去反馈信号，这一过程对计算能力和电池寿命提出了极高的要求，而这两者在小型佩戴式设备中总是稀缺的资源。
维尔泰克·兰加拉詹·德拉·萨贡塔拉·R & D 科学技术研究院（Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala R & D Institute of Science and Technology）的研究人员提出了一种处理此问题的新方法，其核心在于针对计算中最关键的部分——乘法进行优化。在数字信号处理中，设备必须不断进行数字乘法，以确定存在多少反馈以及如何消除反馈。由 Bharathi Vijayakumar 和 Kalpana Devi Perumal 领导的团队设计了一个系统，该系统能以远低于现有方法的能耗和硬件成本完成这些乘法运算，且不会牺牲语音的清晰度。他们将这种方法称为 HARMONIC-AFS，这是一种结合了智能声音采集方式与简化且高效的计算引擎的方法。
该过程在复杂的数学运算开始之前就已经开始了。当一个人说话时，声波进入助听器并转化为电信号。传统上，将这种信号转换为计算机可以理解的数字格式需要消耗大量能量，尤其是当设备试图捕捉声音的每一个微小细节时。研究人员意识到，人类的语言天生较为安静，并不需要使用数字精度所能提供的全部范围。他们引入了一种改进型的转换器，其作用类似于过滤器，忽略信号中无关紧要的部分，只关注重要的部分。通过跳过对次要数据的转换，设备在源头处就节省了大量的电量，确保在清晰捕捉声音的同时延长电池寿命。
一旦声音被数字化，设备就必须识别并消除反馈。这是通过一个不断自我调整以匹配声音从扬声器回到麦克风路径的滤波器来实现的。该滤波器的核心依赖于将输入的声波与代表反馈路径的一组数字相乘。在标准设计中，这些乘法运算是沉重、缓慢且耗能的。研究人员用一种全新的混合设计取代了标准的乘法单元，将工作分为两个部分。对于最重要的计算部分，他们使用了一种精炼的编码方法来减少所需的步骤；对于不太关键的部分，他们则采用了一种简化的处理方式，通过舍入数值并丢弃人类耳朵无法察觉的微小误差。这种被称为 HARMONIC 乘法器的混合策略，大幅减少了芯片所需的物理空间和消耗的电量。
为了实现这一目标，团队还集成了一个专门的组件，用于在计算过程中压缩数据。该组件不再以完美的精度处理每一条信息，而是以一种分组方式处理数据，从而加快处理速度并减少电子开关的切换次数。这种活动量的减少至关重要，因为每次开关切换都会消耗能量并产生热量。通过最小化这些切换，设备可以运行得更快、更凉爽。整个系统在一种专为快速原型设计而开发的专用计算机芯片上进行了测试，使研究人员能够验证其理论设计在现实环境中的有效性。
这项工作的研究结果显示，在效率和性能方面都有显著提升。在使用一组标准的嘈杂语音录音进行测试时，新系统将声音清晰度提高了 20.5 分贝，这一大幅度的增益使得在嘈效环境下更容易理解语音。通过衡量处理后语音对人类听者的自然程度，其得分达到了 3.46，高于目前其他方法所能达到的水平。或许对佩戴式设备而言最重要的一点是，新设计的功耗仅为 119.8 毫瓦，比测试的次高效方法大约低了 37%。此外，它处理声音仅需 43.05 纳秒（即一瞬间），确保用户能够实时听到世界的声音，没有任何延迟。
研究人员将他们的设计与包括使用不同类型乘法器和滤波技术的几种现有技术进行了对比。在每一个类别中，从芯片占用的物理空间到运行速度，新方法都处于领先地位。它所使用的逻辑块数量不到某些竞争设计的一半，并且运行速度更高，达到了 111.1 兆赫兹。其误差率（衡量计算结果与完美数学答案的偏差程度）保持在极低的 1.68%，证明了这种节能捷径并不会引入明显的失真。
这项工作证明了制造既更智能又更高效的助听器是完全可能的。通过重新思考设备处理声音处理基本数学运算的方式，研究人员创造了一条路径，使助听器能够更有效地抑制令人烦恼的反馈，同时在单次充电下使用更久。研究结果表明，未来的设备可以做得更小、功能更强、佩戴更舒适，从而为依赖这些设备的人们提供与世界更清晰的连接。该团队计划扩展这项工作，以处理多个声道的音频，并在更先进的计算机芯片上测试该设计，旨在为下一代佩戴式听力技术带来这些益处。
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