語(yǔ)音模塊音頻輸出噪聲失效分析與研究

摘 要：隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展空調控制裝置也在與時(shí)俱進(jìn)，由目前的遙控器、手操器、觸屏手動(dòng)模式控制向聲控轉變，通過(guò)人聲能夠遠距離進(jìn)行聲控控制，即通過(guò)將人的語(yǔ)言轉換成計算機可讀的語(yǔ)言進(jìn)行空調各項功能執行操作，再通過(guò)DAC芯片將數字信號轉換成模擬信號音頻輸出執行結果。實(shí)際使用中反饋麥克風(fēng)或音箱出現不同程度的沙沙聲，對語(yǔ)音模塊電路分析音頻輸出信號出現噪聲導致。經(jīng)過(guò)對語(yǔ)音模塊電路分析、系統軟件分析及模擬驗證分析，確認為語(yǔ)音模塊存在設計缺陷，時(shí)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喇叭“沙沙聲”。通過(guò)對語(yǔ)音模塊軟件設計降低時(shí)鐘頻率及檢測方法的完善，提升語(yǔ)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(shí)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(lái)完成人機交互功能。家用電器中空調實(shí)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(zhù)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(lái)越強，如播放流行歌曲、當前的天氣狀態(tài)、講個(gè)笑話(huà)、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(jīng)滿(mǎn)足不了現代發(fā)展的需求，語(yǔ)音交互模式脫穎而出，它可以識別人的語(yǔ)言實(shí)現對空調各項功能的操作，并對操作的結果進(jìn)行設備輸出反饋，高度集成、及結合人機交互功能特性的語(yǔ)音模塊成為空調產(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(shí)將影響輸入、輸出信號的正常反饋，將影響用戶(hù)對空調的使用體驗，因此語(yǔ)音交互平臺可靠性的問(wèn)題急需研究解決。

1   語(yǔ)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(chǎn)過(guò)程中，引入使用A 廠(chǎng)家語(yǔ)音模塊在實(shí)際生產(chǎn)及用戶(hù)使用過(guò)程中出現多次投訴事故，反饋空調語(yǔ)音播報失效出現語(yǔ)音聲控異?，F象，失效語(yǔ)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(yǔ)音模塊PCBA。

圖1 語(yǔ)音模塊PCBA

語(yǔ)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(yǔ)音模塊外觀(guān)、焊接檢查

對故障語(yǔ)音模塊使用放大鏡觀(guān)察元器件無(wú)受損及焊接異常、X-RAY 掃描未發(fā)現焊接異常，核實(shí)外觀(guān)檢查均未發(fā)現裝配問(wèn)題，如圖2。

圖2 外觀(guān)檢查（左），X-RAY掃描（中、右）

1.2 上電測試電性能參數

對失效語(yǔ)音模塊上電測試，語(yǔ)音交互測試時(shí)故障現象沙沙聲復現，語(yǔ)音模塊關(guān)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(shí)電流實(shí)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(shí)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(shí)際測試值為3.32 V，符合要求范圍1.7~3.6 V。

圖3 語(yǔ)音模塊通電測試

1.3 關(guān)鍵端口參數測試

測試故障品揚聲器、通訊、麥克風(fēng)端口的PN 值與正常品對比，測試結果一致，未發(fā)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(guò)不加磁環(huán)及在強電場(chǎng)附近驗證，均未發(fā)現異常（如圖4）。

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

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

圖4 語(yǔ)音模塊裝整機通電驗證（左放置強電線(xiàn)，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“沙沙聲”時(shí)，芯片DAC 輸出波形已經(jīng)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(yǔ)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(yǔ)音模塊架構

1.6 語(yǔ)音模塊Logic電壓測試

測試語(yǔ)音模塊MCU 主控芯片的Logic 電壓進(jìn)行測試，發(fā)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(guò)電壓測試對比發(fā)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(yǔ)音模塊噪聲失效模擬實(shí)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(wú)雜音；

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

雜音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G 時(shí)，VDD_LOG@0.95 V 用0.95 V 電壓不足，通過(guò)I2S 降頻或VDD_LOG 提升電壓可以解決雜音問(wèn)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(jiàn)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(tài)分布”，IC 內部有“自適應”電壓機制，屬于A(yíng)P 型主控行業(yè)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(shí)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(diǎn)。在I2S_in 時(shí)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(yǔ)音模塊失效因素及失效機理分析要因，主要為時(shí)鐘頻率過(guò)高、軟件匹配性不足、Logic 電壓過(guò)程監控不足方面進(jìn)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(shí)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(guò)軟件優(yōu)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(shí)鐘頻率由1.2 GHz 降低為600 MHz 時(shí)故障現象消失，上電播音老化72 h，未見(jiàn)異常；

2）默認1.2 GHz 配置時(shí)，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(jiàn)異常；

3）限制VDD-LOG 的最低電壓為1.05 V，同步CLKI2S-FRAC-IN 的時(shí)鐘源由1.2 GHz 切換到600 MHz。關(guān)閉由時(shí)鐘源頻率過(guò)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(jiàn)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(yǔ)音模塊播報出現噪聲異常。

5   語(yǔ)音模塊音頻輸出改善意義

本文結合失效現象，對語(yǔ)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(yǔ)音模塊在設計初期試驗設計評估不足，在后續使用時(shí)出現運行故障，即播報出現沙沙聲異?，F象，經(jīng)過(guò)對語(yǔ)音模塊重新試驗評估并進(jìn)行調整驗證，從語(yǔ)音模塊試驗設計初期進(jìn)行試驗評估完善，提高產(chǎn)品研發(fā)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(guān)整改方案已經(jīng)得到實(shí)際跟蹤驗證，可廣泛運用于語(yǔ)音模塊產(chǎn)品設計試驗驗證過(guò)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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