语音模块音频输出噪音失效分析与研究

实际使用中反馈麦克风或音箱出现不同程度的沙沙声，对语音模块电路分析音频输出信号出现噪音导致。经过对语音模块电路分析、系统软件分析及模拟验证分析，确认为语音模块存在设计缺陷，时钟频率在高频状态下电压margin 存在不足，导致音频信号错乱而出现喇叭“沙沙声”。通过对语音模块软件设计降低时钟频率及检测方法的完善，提升语音模块整体使用的可靠性。

引言

人机交互模式操控平台各种各样，其作用主要实现人与机器的交流，靠设备的输入输出和软件的流程控制来完成人机交互功能。家用电器中空调实现人机交互的设备主要为遥控器、手操器、触控屏等装置，随着计算机技术的不断发展，人们的需求在不断的增加，需要操控的功能也越来越强，如播放流行歌曲、当前的天气状态、讲个笑话、现在的日期等，同步需要的操作指令也在增多，传统的操作模式已经满足不了现代发展的需求，语音交互模式脱颖而出，它可以识别人的语言实现对空调各项功能的操作，并对操作的结果进行设备输出反馈，高度集成、及结合人机交互功能特性的语音模块成为空调产品的优选。由于其本身硬件、软件的复杂性，其存在异常时将影响输入、输出信号的正常反馈，将影响用户对空调的使用体验，因此语音交互平台可靠性的问题急需研究解决。
 
1  语音模块音频输出噪音不良原因及失效机理分析

在空调生产过程中，引入使用A厂家语音模块在实际生产及用户使用过程中出现多次投诉事故，反馈空调语音播报失效出现语音声控异常现象，失效语音模块通电测试故障复现，人机交互是扬声器播报有沙沙声现象，如图1语音模块PCBA。

图1 语音模块PCBA

语音模块沙沙声主要是音频信号输出异常导致，分析可能的原因有音频输出电路器件失效、焊接等失效异常或者软件异常导致输出音频信号有沙沙声。
 
1.1 语音模块外观、焊接检查

对故障语音模块使用放大镜观察元器件无受损及焊接异常、X-RAY扫描未发现焊接异常，核实外观检查均未发现装配问题，如图2。

图2 外观检查（左），X-RAY扫描（中、右）

1.2 上电测试电性能参数

对失效语音模块上电测试，语音交互测试时故障现象沙沙声复现，语音模块关键性能参数电压值、电流值均在正常范围内，如图3。
 
1)电流参数：显示整机运行时电流实际测试值为264 mA，符合要求范围170~270 mA；
2)电源电压参数：5 V 电源电压实际测试值为5.22 V，符合要求范围4.6~5.5 V；
3)MIC 电压参数：MIC 电压实际测试值为3.32 V，符合要求范围1.7~3.6 V。

图3 语音模块通电测试

1.3  关键端口参数测试

测试故障品扬声器、通讯、麦克风端口的PN值与正常品对比，测试结果一致，未发现异常，如表1。

表1 各端口参数测试PN值 

1.4  抗干扰试验

针对外部电磁信号干扰试验验证，通过不加磁环及在强电场附近验证，均未发现异常（如图4）。
 
1)语音模块装整机不加磁环均可以正常工作，测试30 min未出现播报异常。
 
2)整机装配使用语音模块，在主板附件放置通电线、整机不加磁环验证语音功能正常，测试30 min未出现破音故障。

图4 语音模块装整机通电验证（左放置强电线，右整机不加磁环）

1.5 波形测试

1)扬声器波形测试

异常品扬声器波形输出异常，幅值偏大，峰-峰值为8.2 V的杂波，正常波形为幅值在3.16~3.3 V之间有序的正弦波，如图5（左图为异常品波形，右图为正常品波形）：

图5 扬声器波形输出测试

2)芯片DAC波形测试

测量正常工作状态下，芯片DAC 输出波形正常，如图6。

图6 正常品芯片DAC 输出波形

喇叭出现“沙沙声”时，芯片DAC 输出波形已经出现异常，可以看到明显的噪音，与异常品扬声器波形输出一致，如图7。

图7 异常品芯片DAC 输出波形

3)芯片DAC集成在MCU主控中，分析语音模块扬声器播报有沙沙声失效因素与MCU主控芯片有关，如图8。

图8 语音模块架构

1.6 语音模块Logic电压测试

测试语音模块MCU主控芯片的Logic电压进行测试，发现PCBA中对应的VDD_LOG电压与正常品对比存在异常，出现沙沙声异常的普遍偏低。

图9 VDD_LOG所处电路图

测试VDD_LOG电压，售后故障件电压在0.946 V，合格电压在1.105 V，通过电压测试对比发现合格的VDD_LOG电压在1.1 V左右，故障品VDD_LOG电压都在1.0 V以下。
 
2   语音模块噪音失效模拟实验验证复现

2.1 将故障品PCBA配置Logic电压，降频试验：

1)[email protected] :Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G，有喇叭杂音；
2)[email protected] :Clk_I2S_FRAC_IN=600M，拷机24 h，正常无杂音；
3)[email protected] :Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G，拷机24 h，正常无杂音。
杂音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G时，[email protected] V用0.95 V电压不足，通过I2S降频或VDD_LOG提升电压可以解决杂音问题。
 
2.2  将芯片从PCBA拆下重新植球后在SLT&SVB测试，测试结果如表2。

表2 模拟验证结果 

1)SLT与SVB工程机默认配置未见异常，表明芯片是OK品；
2)将VDD_LOG降低到0.95 V可以复现杂音现象；
3)将由1.2 GHz降低到600 MHz后，杂音现象消失。
 
综上所述：芯片存在“正态分布”，IC 内部有“自适应”电压机制，属于AP 型主控行业内做法。对于分布在一般性能的IC，VDD_LOG 电压适配在1.05 V；对于分布在高性能（小比例）的IC，VDD_LOG 电压适配在0.95 V。VDD_LOG 在0.95 V 时也存在“正态分布”，故障样品0.95 V 的“正态分布”稍差一点。在I2S_in时钟频率1.2 GHz 状态下，电压margin 不足导致音频信号错乱而出现喇叭“沙沙声”。
 
1   语音模块音频输出可靠性提升方案

对语音模块失效因素及失效机理分析要因，主要为时钟频率过高、软件匹配性不足、Logic电压过程监控不足方面进行可靠性改善。具体可靠性提升方案如下：
 
●   当限制VDD-LOG的最低电压为1.05 V，将CLK-I2S-FRAC-IN的时钟源由1.2 GHz切换到600 MHz，关闭由VDD电压margin不足导致的喇叭沙沙声；
●   软件改善，通过软件优化增加系统对VDD-log电压匹配的冗余率；
●   增加执行VDD‐LOG“电压测试”，确认SLT 芯片端的执行情况。
 
2   整改效果评估及应用效果验证

●   将I2S‐in 音频时钟频率由1.2 GHz 降低为600 MHz 时故障现象消失，上电播音老化72 h，未见异常；
●   默认1.2 GHz 配置时，将VDD‐LOG 抬压后，VDD‐LOG电压不低于1.05 V，故障现象消失，上电播音老化72 h未见异常；
●   限制VDD-LOG的最低电压为1.05 V，同步CLK-I2S-FRAC-IN的时钟源由1.2 GHz切换到600 MHz。关闭由时钟源频率过高的情况下VDD电压margin不足导致的喇叭沙沙声，上电播音老化720 h未见异常。
●   对4.3调整验证的结果，增加执行VDD‐LOG“电压测试”，目前再未反馈VDD‐LOG电压低、使用语音模块播报出现噪音异常。
 
3   语音模块音频输出改善意义

本文结合失效现象，对语音模块音频输出噪音的失效原因及失效机理分析，分析结果表明语音模块在设计初期试验设计评估不足，在后续使用时出现运行故障，即播报出现沙沙声异常现象，经过对语音模块重新试验评估并进行调整验证，从语音模块试验设计初期进行试验评估完善，提高产品研发初期各项数据参数评估的可靠性。该整改思路通用性强，相关整改方案已经得到实际跟踪验证，可广泛运用于语音模块产品设计试验验证过程中，整改思路及可靠性提升方案行业均可借鉴。