ADI推出ADPD 7000模拟前端，让可穿戴设备“更懂你”
“现在一切皆内卷，但内卷也出精品。当你发现市场同质化很严重时，你就需要内卷出给用户带来价值的产品，没有差异化就只能去拼价格了。”ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源感慨道。
何源现在负责ADI的诸多消费市场技术应用拓展，包括音响、TWS耳机以及可穿戴类产品。在他看来，ADI一直以来都在利用创新技术，帮助客户尤其是消费类应用摆脱价格战的局限。
近日，ADI宣布推出了由ADI中国事业部定义、设计并由中国合作伙伴制造的新一代多模式传感器模拟前端ADPD7000，该传感器除了支持PPG、ECG和BIA之外，还提供EDA检测功能。这将给可穿戴市场带来新动力，让可穿戴技术“卷”出更精彩的产品。
这些名词我们稍后再解释，总而言之，利用这些技术，可穿戴设备可以化身健康助手，监测绝大部分的身体状况。
健康消费成为可穿戴设备的差异化关键
正如何源所说，目前可穿戴设备处于严重下滑且内卷的状况。
不久前，IDC发布报告显示，2023年第一季度中国可穿戴设备市场出货量(Sales-In)为2,471万台，同比下降4.1%。智能手表市场方面，出货量(Sales-In)590万台，同比下降16.7%。其中成人智能手表310万台，同比下滑19.5%;儿童智能手表出货量280万台，同比下降13.3%。
IDC中国助理研究总监潘雪菲认为，整体对未来依然抱持谨慎乐观的态度，腕戴产品在健康领域的技术瓶颈突破、经济环境和消费意愿的复苏步伐以及产品人群匹配定位的准确性都将长期影响腕戴市场的发展。
相关厂商已经关注起了这一趋势，就在刚刚结束的7月底，三星发布了其年度手表Galaxy Watch 6，将“健康追踪套件”作为其主打特色之一，支持包括心电图、心率及心率警报、血压、月经周期预测和跌倒检测。而苹果也于6月宣布包括iOS 17, iPadOS 17, 和 watchOS 10 将推出心理健康和视力健康功能。
不夸张的说，健康领域即将或已经被普遍认为是可穿戴市场的重要差异化技术。
原理很简单，但测准很难
AFE（模拟前端）简单理解就是可以准确测量出光学和电学信号，并将其转换成数字信号，交给处理器进行计算，从而计算出人体的各种健康数据。对于生命体征监测而言，AFE是最重要的链接人体和数字世界的桥梁，也是影响可穿戴设备体验的最边缘最直接的节点。
首先我们多了解一下不同生命体征的监测方法。
PPG（光电容积脉搏波法）：PPG传感器中的LED发射绿光穿过皮肤中的组织和动脉静脉，并被吸收和反射回到光电二极管PD中。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等对光的吸收是基本不变的(前提是测量部位没有大幅度的运动)，但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。随着心脏的收缩与舒张，能够监测到的光强度不同，将呈脉动性变化的折射或反射光进行计算，从而得到心率、血氧等数据，新冠疫情中所使用的指夹式血氧仪即采用了这一原理。相比指夹式，可穿戴设备无法测量穿透光，只能测量反射光，因此对于硬件和算法等要求不同。
除了光学检测之外，电学检测也是重要监测手段。生物组织的电特性按照电信号来源可分为主动和被动两类。如果生物组织的电流由细胞内部的离子产生，称之为主动响应。这些电信号称为生物电位，最为人所熟知的例子就是心电图(ECG)和脑电图(EEG)信号。如果生物组织对外部电刺激（例如电流或电压发生器）做出响应，则该响应为被动的。在这种情况下，需要考虑生物电阻抗。
ECG就是利用主动电响应原理，计算经胸腔以时间为单位记录心脏的电生理活动，利用在人体皮肤表面贴上的电极，可以侦测到心脏的电位传动，而心电图所记录的并不是单一心室或心房细胞的电位变化，而是心脏整体的电位变化。测量ECG信号常常要在身体多个部位连接传感器电极，在胸部和四肢之间最多可以连接12个电极，这也是医院常用的心电图仪的原理。不过可穿戴设备受限于电极数量，只能测量I导联，何源对此表示，“尽管I导联不能检测心梗之类的，但可以测出心脏最中心位置的信息，已经可以支持房颤、心率过速、心率过缓等等很多生命体征的监测，提供风险预警。”
BIA（生物阻抗测量）是一种典型的被动响应测试。它的原理，就是利用少量的电流通过人体，借由测量电阻，来测量身体脂肪组织和非脂肪组织的比例，包含水分、脂肪、肌肉、细胞健康等数值，如今常见的体脂秤就是这一原理。与ECG相类似，对于可穿戴设备而言，其电极并没有体脂秤或者专业的体质分析仪电极分布合理，但借助其他技术，同样可以实现较为准确的体脂测量。
EDA（皮肤电活动）也是一种被动响应测试，BIA检测的是深层组织，而EDA则是检测皮肤浅层表现。皮肤电反应是最敏感的情绪反馈之一，来源于皮肤汗腺的自主激活。与情绪、唤醒度和注意力等密切相关，是生理学反应系统中应用最广泛的测量指标类型。如今，EDA信号与交感神经系统的关系使其分析不仅在医学领域非常有用，而且在心理学领域也非常有用，包括抑郁症筛查、压力测试等应用中被认可。何源介绍道，皮肤电活动并不是一项新技术，早在60年代，测谎仪就利用了这一原理。
无论是光学还是电学测试，在可穿戴测试中都存在一些挑战。何源例举到，包括肤色、体毛等会对光学测试产生影响，而皮肤干燥程度、年龄、电极尺寸、信号测试路径等都会影响电学测试性能。
高性能ADPD解决难题
一直以来，ADI的高性能模拟前端在各种医疗设备中得到了广泛应用，而随着可穿戴设备在健康和疾病管理方面能发挥越来越重要的作用，ADI也在加速布局可穿戴的健康产品线。
相比于医疗器械，可穿戴设备设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见需求。ADI也从最开始的分立式方案，逐步向高集成多参数生命体征监测方向迁移。单个AFE设计可减少多参数生命体征监测系统的IC数量，从而大大缩减成本和尺寸。此外，采用集成式方案设计的多参数系统可以生成同步数据，从而消除了数据同步的负担。
从ADPD188开始，到ADPD4100，再到ADPD6000和如今的ADPD7000，ADI的生命体征测量解决方案的集成度越来越高，同时内置的信号调理技术也越来越精密，给与可穿戴设备更精准的测量体验。
具体在ADPD7000中，包括PPG, ECG, BIA以及GSR（EDA）功能都得到了增强。
ADPD7000特色
何源具体解释到，比如PPG光学测试，为了克服包括肤色、体毛、伤疤等影响，需要采用更多光路，从而滤除噪声。ADPD 7000系列集成8个LED驱动，支持四通道光电二极管输入，另外也集成了200mV @ 100mA的顺从电压(Compliance Voltage)，可节约一颗外置电源IC，这些高集成度，使其在性价比和功耗方面实现了最佳平衡。
针对ECG，最突出的特点为输入阻抗最大为20G，相当于200亿欧姆，是上一代的7至10倍，该值越大就意味着动态范围越好。“ECG在干燥皮肤下测试很困难，这是因为量程饱和了，而在ADPD 7000方案中，我们使用了包括痱子粉、滑石粉等模拟手臂干燥环境下进行测试，都得到了良好结果。”何源解释道。
针对BIA，同样是干的皮肤和湿的皮肤在做阻抗测量的时候，两对测试输入阻抗不均衡，因此会带来很大误差。为了克服这个问题，ADI通过硬件创新拓扑以及软件算法改进，消除了寄生和不对称性，从而得到最准确的测量结果。
EDA也有类似问题，其信号放大方面的问题主要源于其宽范围和高分辨率要求。一般地，皮肤电导设备必须覆盖的范围为0 μS至100 μS，还要能检测0.05 μS的波动。ADPD 7000的量程为10nS~100uS，精度为10nS，完全符合EDA测试要求。
如何更好地使用模拟前端
除了通过集成化，降低客户的开发门槛之外，ADI还通过各种方式加速端到端的医疗级解决方案，这其中将包括硬件组合、软件、算法、云连接、数据分析以及其他服务。
何源强调ADI正在围绕健康监护打造丰富的生态合作伙伴体系，包括本地定义、本地设计、本地制造的全链条产业链，以及可以配合平台商的算法实现全栈式方案，另外还有ADI认证的方案商为厂商提供支持。“ADI可以提供全栈式方案，以及海内外全部的行业资源对接。可以说在生命体征监测市场，ADI远不止一家芯片公司，更多地是一个值得信赖的合作伙伴。”何源说道。
ADI提供的Demo开发板和手表参考设计
ADI自研算法一览
ADI中国事业部自研算法和合作伙伴算法举例
可穿戴的未来
模拟前端产品正不断在功耗、尺寸、性能、性价比、集成度等方面持续进化，并不断扩展其应用场景。ADI的ADPD系列产品不止可应用于可穿戴设备中，还可应用于各种临床级监护仪中，这也充分说明了其产品的精准度。除了这些常规应用，ADI正在尝试将生命体征监测技术与汽车应用相结合，比如利用方向盘实现对驾驶员的健康监护等。
何源表示，“如今基于光学的应用已经很成熟了，基于电极的应用正在发展的道路上，也许有一天智能手表可能比你都更了解你自己。”
