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A Low-Power Keyword Spotting System With High-Order Passive Switched-Capacitor Bandpass Filters for Analog-MFCC Feature Extraction

定位关键字 Mel倒谱 计算机科学 带通滤波器 开关电容器 电容器 模拟滤波器 放大器 特征提取 语音识别 电子工程 人工智能 带宽(计算) 工程类 电气工程 电信 数字滤波器 电压
作者
Shiying Zhang,Fukun Su,Yi Wang,Songping Mai,Kong‐Pang Pun,Xian Tang
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (11): 4235-4248 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tcsi.2023.3299855
摘要

This paper presents a low-power high-accuracy key-word spotting (KWS) system based on analog passive switched-capacitor (SC) bandpass filters (BPF). The proposed system inno-vatively extracts the Mel-frequency cepstrum coefficient (MFCC) features with all-analog circuits, providing a better spotting performance than the present analog short-time amplitude or energy features under the same condition. At the circuit level, the analog-MFCC extraction includes the low-noise amplifier, BPF, squarer, integrator, and discrete cosine transformer. And thanks to the effective analog-MFCC features, the size of the fully-connected neural network (FCNN) classifier in our KWS system is enormously reduced. A high-order and fully-differential BPF is also proposed, achieving ultra-low power and high dynamic range by combining zero and pole generation stages rather than building stages separately in traditional ways. Fabricated in 0.18- $\mu \text{m}$ CMOS, our filterbank of eight BPFs is measured with a power consumption of 83.2 nW, with a 69.7 dB dynamic range at 5% THD, having advantages over other SC BPFs with similar functions. The total power consumption of our feature extractor is 661.7 nW, achieving an accuracy of 96.6% in two-keyword spotting by an FPGA-based, 15k bit parameter FCNN with a 9.6 $\mu \text{s}$ latency.
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