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音導致。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。

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，人們的需求在不斷的增加，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音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 電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，可以看到明顯的噪音，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。

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現合格的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@0.95V:Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G，有喇叭雜音；

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

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

雜音原因分析：Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G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”。

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CLK-I2S-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。

2   整改效果評估及應用效果驗證

●   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；

●   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；

●   限制VDD-LOG的最低電壓為1.05 V，同步CLK-I2S-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。

●   對4.3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音異常。

4   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音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。

參考文獻：

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[3] 程風,翟超,呂志,等.基于語音識別技術的智能家居主控設計[J].工業控制計算機,2018 (05):29-31.

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年2月期）