語音模塊音頻輸出噪音失效分析與研究

實(shí)際使用中反饋麥克風(fēng)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)噪音導(dǎo)致。經(jīng)過對語音模塊電路分析、系統(tǒng)軟件分析及模擬驗(yàn)證分析，確認(rèn)為語音模塊存在設(shè)計(jì)缺陷，時(shí)鐘頻率在高頻狀態(tài)下電壓margin 存在不足，導(dǎo)致音頻信號錯(cuò)亂而出現(xiàn)喇叭“沙沙聲”。通過對語音模塊軟件設(shè)計(jì)降低時(shí)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。

引言

人機(jī)交互模式操控平臺各種各樣，其作用主要實(shí)現(xiàn)人與機(jī)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(jī)交互功能。家用電器中空調(diào)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)備主要為遙控器、手操器、觸控屏等裝置，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的需求在不斷的增加，需要操控的功能也越來越強(qiáng)，如播放流行歌曲、當(dāng)前的天氣狀態(tài)、講個(gè)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(shí)現(xiàn)對空調(diào)各項(xiàng)功能的操作，并對操作的結(jié)果進(jìn)行設(shè)備輸出反饋，高度集成、及結(jié)合人機(jī)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(fù)雜性，其存在異常時(shí)將影響輸入、輸出信號的正常反饋，將影響用戶對空調(diào)的使用體驗(yàn)，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音不良原因及失效機(jī)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(shí)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(bào)失效出現(xiàn)語音聲控異?，F(xiàn)象，失效語音模塊通電測試故障復(fù)現(xiàn)，人機(jī)交互是揚(yáng)聲器播報(bào)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)焊接異常，核實(shí)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(shí)故障現(xiàn)象沙沙聲復(fù)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(jī)運(yùn)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(shù)：5 V 電源電壓實(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(shù)：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(yáng)聲器、通訊、麥克風(fēng)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(yàn)

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

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

2)整機(jī)裝配使用語音模塊，在主板附件放置通電線、整機(jī)不加磁環(huán)驗(yàn)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(jī)通電驗(yàn)證（左放置強(qiáng)電線，右整機(jī)不加磁環(huán)）

1.5 波形測試

1)揚(yáng)聲器波形測試

異常品揚(yáng)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(yáng)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(shí)，芯片DAC 輸出波形已經(jīng)出現(xiàn)異常，可以看到明顯的噪音，與異常品揚(yáng)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(yáng)聲器播報(bào)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(jìn)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。

圖9 VDD_LOG所處電路圖

測試VDD_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VDD_LOG電壓都在1.0 V以下。

2   語音模塊噪音失效模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)

2.1 將故障品PCBA配置Logic電壓，降頻試驗(yàn)：

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

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

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

雜音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G時(shí)，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(yàn)證結(jié)果

1)SLT與SVB工程機(jī)默認(rèn)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(fù)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(jī)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(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(dǎo)致音頻信號錯(cuò)亂而出現(xiàn)喇叭“沙沙聲”。

1   語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(jī)理分析要因，主要為時(shí)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(jìn)行可靠性改善。具體可靠性提升方案如下：

●   當(dāng)限制VDD-LOG的最低電壓為1.05 V，將CLK-I2S-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(dǎo)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(rèn)SLT 芯片端的執(zhí)行情況。

2   整改效果評估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

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

●   默認(rèn)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(xiàn)象消失，上電播音老化72 h未見異常；

●   限制VDD-LOG的最低電壓為1.05 V，同步CLK-I2S-FRAC-IN的時(shí)鐘源由1.2 GHz切換到600 MHz。關(guān)閉由時(shí)鐘源頻率過高的情況下VDD電壓margin不足導(dǎo)致的喇叭沙沙聲，上電播音老化720 h未見異常。

●   對4.3調(diào)整驗(yàn)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(bào)出現(xiàn)噪音異常。

4   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音的失效原因及失效機(jī)理分析，分析結(jié)果表明語音模塊在設(shè)計(jì)初期試驗(yàn)設(shè)計(jì)評估不足，在后續(xù)使用時(shí)出現(xiàn)運(yùn)行故障，即播報(bào)出現(xiàn)沙沙聲異?，F(xiàn)象，經(jīng)過對語音模塊重新試驗(yàn)評估并進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證，從語音模塊試驗(yàn)設(shè)計(jì)初期進(jìn)行試驗(yàn)評估完善，提高產(chǎn)品研發(fā)初期各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)評估的可靠性。該整改思路通用性強(qiáng)，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實(shí)際跟蹤驗(yàn)證，可廣泛運(yùn)用于語音模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）