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語音模塊音頻輸出噪音不良原因及失效機(jī)理分析

電子設(shè)計(jì) ? 來源:與非網(wǎng) ? 作者:與非網(wǎng) ? 2021-03-04 15:01 ? 次閱讀

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(duì)語音模塊電路分析音頻輸出信號(hào)出現(xiàn)噪音導(dǎo)致。經(jīng)過對(duì)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(hào)錯(cuò)亂而出現(xiàn)喇叭“沙沙聲”。通過對(duì)語音模塊軟件設(shè)計(jì)降低時(shí)鐘頻率及檢測(cè)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(tái)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(shí)別人的語言實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)各項(xiàng)功能的操作,并對(duì)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(hào)的正常反饋,將影響用戶對(duì)空調(diào)的使用體驗(yàn),因此語音交互平臺(tái)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(cè)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(hào)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(hào)有沙沙聲。

1.1 語音模塊外觀、焊接檢查

對(duì)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(cè)試電性能參數(shù)

對(duì)失效語音模塊上電測(cè)試,語音交互測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試

1.3 關(guān)鍵端口參數(shù)測(cè)試

測(cè)試故障品揚(yáng)聲器、通訊、麥克風(fēng)端口的PN值與正常品對(duì)比,測(cè)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(cè)試PN值

1.4 抗干擾試驗(yàn)

針對(duì)外部電磁信號(hào)干擾試驗(yàn)驗(yàn)證,通過不加磁環(huán)及在強(qiáng)電場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)試

1)揚(yáng)聲器波形測(cè)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(cè)試

2)芯片DAC波形測(cè)試

測(cè)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(cè)試

測(cè)試語音模塊MCU主控芯片的Logic電壓進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)PCBA中對(duì)應(yīng)的VDD_LOG電壓與正常品對(duì)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(cè)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(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)合格的VDD_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)[email protected] :Clk_I2S_FRAC_IN=1.2G,有喇叭雜音;

2)[email protected] :Clk_I2S_FRAC_IN=600M,拷機(jī)24 h,正常無雜音;

3)[email protected] :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),[email protected] 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(cè)試,測(cè)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(duì)于分布在一般性能的IC,VDD_LOG 電壓適配在1.05 V;對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)VDD-log電壓匹配的冗余率;

● 增加執(zhí)行VDD‐LOG“電壓測(cè)試”,確認(rèn)SLT 芯片端的執(zhí)行情況。

2 整改效果評(píng)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(duì)4.3調(diào)整驗(yàn)證的結(jié)果,增加執(zhí)行VDD‐LOG“電壓測(cè)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。

3 語音模塊音頻輸出改善意義

本文結(jié)合失效現(xiàn)象,對(duì)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(píng)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(duì)語音模塊重新試驗(yàn)評(píng)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(píng)估完善,提高產(chǎn)品研發(fā)初期各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)評(píng)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。
編輯:hfy

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