语音模块音频输出噪声失效分析与研究

摘 要：随着社会发展空调控制装置也在与时俱进，由目前的遥控器、手操器、触屏手动模式控制向声控转变，通过人声能够远距离进行声控控制，即通过将人的语言转换成计算机可读的语言进行空调各项功能执行操作，再通过DAC芯片将数字信号转换成模拟信号音频输出执行结果。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声导致。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。

0   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，人们的需求在不断地增加，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声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 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，可以看到明显的噪声，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。

测试V_{DD_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V_{DD_LOG} 电压在1.1 V 左右，故障品V_{DD_LOG} 电压都在1.0 V 以下。

2   语音模块噪声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)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G，有喇叭杂音；

2)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=600 M，拷机24 h，正常无杂音；

3)VDD_LOG@0.95 V:Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G，拷机24 h，正常无杂音。

杂音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2 G 时，VDD_LOG@0.95 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”。

图9 VDD_LOG所处电路图

3   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CLKI2S-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。

4   整改效果评估及应用效果验证

1） 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；

2）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；

3）限制VDD-LOG 的最低电压为1.05 V，同步CLKI2S-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。

4） 对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声异常。

5   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声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。

参考文献：

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[3] 程风,翟超,吕志,等.基于语音识别技术的智能家居主控设计[J].工业控制计算机,2018 (05):29-31.