語音模塊音頻輸出噪聲失效分析與研究

摘 要：隨著社會發(fā)展空調(diào)控制裝置也在與時俱進，由目前的遙控器、手操器、觸屏手動模式控制向聲控轉(zhuǎn)變，通過人聲能夠遠距離進行聲控控制，即通過將人的語言轉(zhuǎn)換成計算機可讀的語言進行空調(diào)各項功能執(zhí)行操作，再通過DAC芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號音頻輸出執(zhí)行結(jié)果。實際使用中反饋麥克風或音箱出現(xiàn)不同程度的沙沙聲，對語音模塊電路分析音頻輸出信號出現(xiàn)噪聲導致。經(jīng)過對語音模塊電路分析、系統(tǒng)軟件分析及模擬驗證分析，確認為語音模塊存在設(shè)計缺陷，時鐘頻率在高頻狀態(tài)下電壓margin存在不足，導致音頻信號錯亂而出現(xiàn)喇叭“沙沙聲”。通過對語音模塊軟件設(shè)計降低時鐘頻率及檢測方法的完善，提升語音模塊整體使用的可靠性。

0   引言

人機交互模式操控平臺各種各樣，其作用主要實現(xiàn)人與機器的交流，靠設(shè)備的輸入輸出和軟件的流程控制來完成人機交互功能。家用電器中空調(diào)實現(xiàn)人機交互的設(shè)備主要為遙控器、手操器、觸控屏等裝置，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的需求在不斷地增加，需要操控的功能也越來越強，如播放流行歌曲、當前的天氣狀態(tài)、講個笑話、現(xiàn)在的日期等，同步需要的操作指令也在增多，傳統(tǒng)的操作模式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代發(fā)展的需求，語音交互模式脫穎而出，它可以識別人的語言實現(xiàn)對空調(diào)各項功能的操作，并對操作的結(jié)果進行設(shè)備輸出反饋，高度集成、及結(jié)合人機交互功能特性的語音模塊成為空調(diào)產(chǎn)品的優(yōu)選。由于其本身硬件、軟件的復雜性，其存在異常時將影響輸入、輸出信號的正常反饋，將影響用戶對空調(diào)的使用體驗，因此語音交互平臺可靠性的問題急需研究解決。

1   語音模塊音頻輸出噪聲不良原因及失效機理分析

在空調(diào)生產(chǎn)過程中，引入使用A 廠家語音模塊在實際生產(chǎn)及用戶使用過程中出現(xiàn)多次投訴事故，反饋空調(diào)語音播報失效出現(xiàn)語音聲控異常現(xiàn)象，失效語音模塊通電測試故障復現(xiàn)，人機交互是揚聲器播報有沙沙聲現(xiàn)象，如圖1 語音模塊PCBA。

圖1 語音模塊PCBA

語音模塊沙沙聲主要是音頻信號輸出異常導致，分析可能的原因有音頻輸出電路器件失效、焊接等失效異?；蛘哕浖惓е螺敵鲆纛l信號有沙沙聲。

1.1 語音模塊外觀、焊接檢查

對故障語音模塊使用放大鏡觀察元器件無受損及焊接異常、X-RAY 掃描未發(fā)現(xiàn)焊接異常，核實外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)裝配問題，如圖2。

圖2 外觀檢查（左），X-RAY掃描（中、右）

1.2 上電測試電性能參數(shù)

對失效語音模塊上電測試，語音交互測試時故障現(xiàn)象沙沙聲復現(xiàn)，語音模塊關(guān)鍵性能參數(shù)電壓值、電流值均在正常范圍內(nèi)，如圖3。

1)電流參數(shù)：顯示整機運行時電流實際測試值為264 mA，符合要求范圍170~270 mA；

2)電源電壓參數(shù)：5 V 源電壓實際測試值為5.22 V，符合要求范圍4.6~5.5 V；

3)MIC 電壓參數(shù)：MIC 電壓實際測試值為3.32 V，符合要求范圍1.7~3.6 V。

圖3 語音模塊通電測試

1.3 關(guān)鍵端口參數(shù)測試

測試故障品揚聲器、通訊、麥克風端口的PN 值與正常品對比，測試結(jié)果一致，未發(fā)現(xiàn)異常，如表1。

表1 各端口參數(shù)測試PN值

1.4 抗干擾試驗

針對外部電磁信號干擾試驗驗證，通過不加磁環(huán)及在強電場附近驗證，均未發(fā)現(xiàn)異常（如圖4）。

1)語音模塊裝整機不加磁環(huán)均可以正常工作，測試30 min 未出現(xiàn)播報異常。

2)整機裝配使用語音模塊，在主板附件放置通電線、整機不加磁環(huán)驗證語音功能正常，測試30 min 未出現(xiàn)破音故障。

圖4 語音模塊裝整機通電驗證（左放置強電線，右整機不加磁環(huán)）

1.5 波形測試

1)揚聲器波形測試

異常品揚聲器波形輸出異常，幅值偏大，峰- 峰值為8.2 V 的雜波，正常波形為幅值在3.16~3.3 V 之間有序的正弦波，如圖5（左圖為異常品波形，右圖為正常品波形）：

圖5 揚聲器波形輸出測試

2)芯片DAC 波形測試

測量正常工作狀態(tài)下，芯片DAC 輸出波形正常，如圖6。

圖6 正常品芯片DAC 輸出波形

喇叭出現(xiàn)“沙沙聲”時，芯片DAC 輸出波形已經(jīng)出現(xiàn)異常，可以看到明顯的噪聲，與異常品揚聲器波形輸出一致，如圖7。

圖7 異常品芯片DAC 輸出波形

3)芯片DAC 集成在MCU 主控中，分析語音模塊揚聲器播報有沙沙聲失效因素與MCU 主控芯片有關(guān)，如圖8。

圖8 語音模塊架構(gòu)

1.6 語音模塊Logic電壓測試

測試語音模塊MCU 主控芯片的Logic 電壓進行測試，發(fā)現(xiàn)PCBA 中對應(yīng)的VDD_LOG 電壓與正常品對比存在異常，出現(xiàn)沙沙聲異常的普遍偏低。

測試V_{DD_LOG} 電壓，售后故障件電壓在0.946 V，合格電壓在1.105 V，通過電壓測試對比發(fā)現(xiàn)合格的V_{DD_LOG} 電壓在1.1 V 左右，故障品V_{DD_LOG} 電壓都在1.0 V 以下。

2   語音模塊噪聲失效模擬實驗驗證復現(xiàn)

2.1 將故障品PCBA配置Logic電壓，降頻試驗：

1)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G，有喇叭雜音；

2)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=600 M，拷機24 h，正常無雜音；

3)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G，拷機24 h，正常無雜音。

雜音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G 時，VDD_LOG@0.95 V 用0.95 V 電壓不足，通過I2S 降頻或VDD_LOG 提升電壓可以解決雜音問題。

2.2 將芯片從PCBA拆下重新植球后在SLT&SVB測試，測試結(jié)果如表2。

表2 模擬驗證結(jié)果

1)SLT 與SVB 工程機默認配置未見異常，表明芯片是OK 品；

2)將VDD_LOG 降低到0.95 V 可以復現(xiàn)雜音現(xiàn)象；

3)將由1.2 GHz 降低到600 MHz 后，雜音現(xiàn)象消失。

綜上所述：芯片存在“正態(tài)分布”，IC 內(nèi)部有“自適應(yīng)”電壓機制，屬于AP 型主控行業(yè)內(nèi)做法。對于分布在一般性能的IC，VDD_LOG 電壓適配在1.05 V；對于分布在高性能（小比例）的IC，VDD_LOG 電壓適配在0.95 V。VDD_LOG 在0.95 V 時也存在“正態(tài)分布”，故障樣品0.95 V的“正態(tài)分布”稍差一點。在I2S_in 時鐘頻率1.2 GHz 狀態(tài)下，電壓margin 不足導致音頻信號錯亂而出現(xiàn)喇叭“沙沙聲”。

圖9 VDD_LOG所處電路圖

3   音模塊音頻輸出可靠性提升方案

對語音模塊失效因素及失效機理分析要因，主要為時鐘頻率過高、軟件匹配性不足、Logic 電壓過程監(jiān)控不足方面進行可靠性改善。具體可靠性提升方案如下：

●   當限制VDD-LOG 的最低電壓為1.05 V，將CLKI2S-FRAC-IN 的時鐘源由1.2 GHz 切換到600 MHz，關(guān)閉由VDD 電壓margin 不足導致的喇叭沙沙聲；

●   軟件改善，通過軟件優(yōu)化增加系統(tǒng)對VDD-log 電壓匹配的冗余率；

●   增加執(zhí)行VDD-LOG“電壓測試”，確認SLT 芯片端的執(zhí)行情況。

4   整改效果評估及應(yīng)用效果驗證

1） 將I2S-in 音頻時鐘頻率由1.2 GHz 降低為600 MHz 時故障現(xiàn)象消失，上電播音老化72 h，未見異常；

2）默認1.2 GHz 配置時，將VDD-LOG 抬壓后，

VDD-LOG 電壓不低于1.05 V，故障現(xiàn)象消失，上電播音老化72 h 未見異常；

3）限制VDD-LOG 的最低電壓為1.05 V，同步CLKI2S-FRAC-IN 的時鐘源由1.2 GHz 切換到600 MHz。關(guān)閉由時鐘源頻率過高的情況下VDD 電壓margin 不足導致的喇叭沙沙聲，上電播音老化720 h 未見異常。

4） 對3) 調(diào)整驗證的結(jié)果，增加執(zhí)行VDD-LOG“電壓測試”，目前再未反饋VDD-LOG 電壓低、使用語音模塊播報出現(xiàn)噪聲異常。

5   語音模塊音頻輸出改善意義

本文結(jié)合失效現(xiàn)象，對語音模塊音頻輸出噪聲的失效原因及失效機理分析，分析結(jié)果表明語音模塊在設(shè)計初期試驗設(shè)計評估不足，在后續(xù)使用時出現(xiàn)運行故障，即播報出現(xiàn)沙沙聲異?，F(xiàn)象，經(jīng)過對語音模塊重新試驗評估并進行調(diào)整驗證，從語音模塊試驗設(shè)計初期進行試驗評估完善，提高產(chǎn)品研發(fā)初期各項數(shù)據(jù)參數(shù)評估的可靠性。該整改思路通用性強，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實際跟蹤驗證，可廣泛運用于語音模塊產(chǎn)品設(shè)計試驗驗證過程中，整改思路及可靠性提升方案行業(yè)均可借鑒。

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