語音模塊音頻輸出噪聲失效分析與研究

摘 要：隨著社會發展空調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換成計算機可讀的語言進行空調各項功能執行操作，再通過DAC芯片將數字信號轉換成模擬信號音頻輸出執行結果。實際使用中反饋麥克風或音箱出現不同程度的沙沙聲，對語音模塊電路分析音頻輸出信號出現噪聲導致。經過對語音模塊電路分析、系統軟件分析及模擬驗證分析，確認為語音模塊存在設計缺陷，時鐘頻率在高頻狀態下電壓margin存在不足，導致音頻信號錯亂而出現喇叭“沙沙聲”。通過對語音模塊軟件設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，其作用主要實現人與機器的交流，靠設備的輸入輸出和軟件的流程控制來完成人機交互功能。家用電器中空調實現人機交互的設備主要為遙控器、手操器、觸控屏等裝置，隨著計算機技術的不斷發展，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、講個笑話、現在的日期等，同步需要的操作指令也在增多，傳統的操作模式已經滿足不了現代發展的需求，語音交互模式脫穎而出，它可以識別人的語言實現對空調各項功能的操作，并對操作的結果進行設備輸出反饋，高度集成、及結合人機交互功能特性的語音模塊成為空調產品的優選。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

在空調生產過程中，引入使用A 廠家語音模塊在實際生產及用戶使用過程中出現多次投訴事故，反饋空調語音播報失效出現語音聲控異常現象，失效語音模塊通電測試故障復現，人機交互是揚聲器播報有沙沙聲現象，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、焊接等失效異常或者軟件異常導致輸出音頻信號有沙沙聲。

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 掃描未發現焊接異常，核實外觀檢查均未發現裝配問題，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

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

1)電流參數：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：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：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 關鍵端口參數測試

測試故障品揚聲器、通訊、麥克風端口的PN 值與正常品對比，測試結果一致，未發現異常，如表1。

表1 各端口參數測試PN值

1.4 抗干擾試驗

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

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

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

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）

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“沙沙聲”時，芯片DAC 輸出波形已經出現異常，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，如圖8。

圖8 語音模塊架構

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，發現PCBA 中對應的VDD_LOG 電壓與正常品對比存在異常，出現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現合格的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

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，測試結果如表2。

表2 模擬驗證結果

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 可以復現雜音現象；

3)將由1.2 GHz 降低到600 MHz 后，雜音現象消失。

綜上所述：芯片存在“正態分布”，IC 內部有“自適應”電壓機制，屬于AP 型主控行業內做法。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“正態分布”，故障樣品0.95 V的“正態分布”稍差一點。在I2S_in 時鐘頻率1.2 GHz 狀態下，電壓margin 不足導致音頻信號錯亂而出現喇叭“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，通過軟件優化增加系統對VDD-log 電壓匹配的冗余率；

●   增加執行VDD-LOG“電壓測試”，確認SLT 芯片端的執行情況。

4   整改效果評估及應用效果驗證

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) 調整驗證的結果，增加執行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噪聲異常。

5   語音模塊音頻輸出改善意義

本文結合失效現象，對語音模塊音頻輸出噪聲的失效原因及失效機理分析，分析結果表明語音模塊在設計初期試驗設計評估不足，在后續使用時出現運行故障，即播報出現沙沙聲異常現象，經過對語音模塊重新試驗評估并進行調整驗證，從語音模塊試驗設計初期進行試驗評估完善，提高產品研發初期各項數據參數評估的可靠性。該整改思路通用性強，相關整改方案已經得到實際跟蹤驗證，可廣泛運用于語音模塊產品設計試驗驗證過程中，整改思路及可靠性提升方案行業均可借鑒。

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