手機前置攝像頭對射頻電路的干擾以及解決方案

富瑜豪

（南京郵電大學電子與光學工程學院，江蘇南京， 210023）

0 引言

手機作為一個高度集成的終端設備，除了服務于移動通信的器件之外還集成了攝像頭，閃光燈，震動馬達等非常規通信設備會擁有的功能設備。雖然以上器件工作頻率大多低于射頻電路工作頻率，但是倍頻現在仍然會對射頻電路的接收功能產生干擾，降低接收靈敏度從而影響使用，因此在手機的射頻研發過程當中需要對非射頻器件產生的干擾進行分析與消除。本論文主要闡述在手機開發過程當中解決攝像頭對射頻系統干擾的分析與解決方法。

1 移動通信通信工作頻段

當前的3GPP標準已經更新至R15版本，不包括毫米波情況下，移動通信的工作頻率范圍已經擴展至從0.6GHz至5.6GHz。得益于射頻元器件集成度的進步，目前智能手機能夠支持2G至5G所有制式信號的多個不同頻段，當前各制式信號全球各大運營商主流頻段如表1所示。

手機研發當中，主要通過衡量各設備開啟前后接收靈敏度之差的大小來判斷設備對射頻電路接收性能的影響。接收靈敏度[1]的定義是在射頻電路吞吐正常情況下所能接收到的信號的最小功率，該指標數字越小，表示手機能夠在離基站更遠的距離或是更加惡劣的環境下正常通訊。而設備開啟前后接收靈敏度之差越小，則證明了該設備對射頻電路接收性能的干擾越小。一般各大手機廠商的干擾指標要求在3dB以下。

2 攝像頭干擾來源

由于手機PCB電路板需要在極小的面積上布置多種不同功能的設備，因此無法在PCB設計階段保證各個設備之間有足夠的隔離度。這使得攝像頭輸入與輸出的基帶信號會泄露進射頻電路的接收通路當中，經過接收機的處理產生頻率為原信號多倍數的高次諧波噪聲，影響射頻電路接收機的性能。

以上因素使得攝像頭在工作時，輸入與輸出的基帶信號的頻率即使遠低于射頻信號，也會造成接收機接收靈敏度的下降。

3 具體案例的分析與解決

■3.1 案例分析

在某一實際的聯發科平臺的手機項目當中，根據測試人員檢測，發現在如下頻段攝像頭干擾較大，超出了客戶規定的指標，具體如表2所示。

表2 前攝干擾接收靈敏度問題頻段

根據表2，并在詳細測量之后，可以發現在GSM900頻段內，信道為5，下行工作頻率為936MHz時，前攝像頭干擾最大；在DCS1800頻段內，信道為727，工作頻率為1848MHz時，前攝像頭干擾最大。

解決干擾問題的第一步工作是找到干擾源，通過排查基帶各電路內傳輸的基帶信號工作頻率，發現當前受到攝像頭干擾最大的信號基本都是在24MHz的倍頻處，同時該頻率也是系統向攝像頭輸送時鐘驅動信號的所在頻率，因此可以確定為攝像頭來自于系統的輸入信號干擾了射頻電路的接收性能。

如圖1所示，根據頻譜儀的顯示，可以明顯的看到系統向攝像頭輸出的時鐘驅動信號在936MHz處產生了功率為–47.2dBm的干擾信號，在1848MHz處產生了功率為–46.1dBm的干擾信號。

圖1

在找到干擾源之后，接下來需要確定解決干擾問題的思路，主要有兩種思路：第一，排除干擾源；第二，降低干擾源干擾信號的強度。根據以上思路可以推導出幾種解決干擾問題的實際方法：

(1)更改干擾源信號所在的頻率。

(2)降低干擾源信號的強度。

(3)在硬件上消除或者削弱干擾信號。

■3.2 解決干擾問題

3.2.1 更改干擾源信號所在

手機電路當中，攝像頭的輸入時鐘信號通過MIPI（mobile industry processor interface）[2]接口傳輸至攝像頭內部。MIPI聯盟是在2003年，由ARM，諾基亞等公司成立的一個聯盟，目的是把手機內部的接口如攝像頭、顯示屏接口、射頻/基帶接口等標準化，從而減少手機設計的復雜程度和增加設計靈活性。MIPI聯盟下面有不同的工作組，分別定義了一系列的手機內部接口標準，比如攝像頭接口CSI、顯示接口DSI、射頻接口DigRF、麥克風/喇叭接口SLIMbus等。MIPI聯盟統一了手機電路的接口，方便了開發人員，使得手機廠商可以根據需要可以從市面上靈活選擇不同的芯片和模組，更改設計和調整功能時更加快捷方便。

根據MIPI接口協議與攝像頭供應商規格書，我們能夠對時鐘信號的工作頻率作出一定范圍的調整。根據實際試驗，隨著時鐘信號頻率的改變，受到諧波倍頻干擾最強的點也隨之變動。該方法能夠解決某一信道的干擾問題，但是由于只能將時鐘信號的頻率更改為原頻率的倍頻，同時手機工作的射頻信號頻率為0.6GHz至5.5GHz，頻率范圍較寬。因此更改干擾信號的工作頻率難以解決攝像頭干擾問題，該方法適用于射頻電路支持頻段較少，頻率范圍較窄的手機項目當中。

3.2.2 降低干擾源信號強度

降低攝像頭輸入時鐘信號的強度可以削弱該信號產生的諧波干擾信號的強度，從而改善攝像頭的干擾問題。在手機電路當中，可以通過降低CPU對時鐘信號的驅動能力來削弱干擾源信號的強度。查詢原默認設置，原CPU驅動時鐘信號的電流為6mA，通過軟件降低系統對時鐘信號的驅動能力，可以明顯的發現產生的干擾在減少。當CPU的驅動能力降低至2mA時，各頻段來自攝像頭的干擾降低至3dB以下，滿足客戶要求標準。但是時鐘驅動信號太弱會影響攝像頭的正常工作，根據攝像頭供應商提供的建議，CPU對時鐘信號的驅動的電流下限為4mA，在更改為4mA之后，攝像頭對接收靈敏度的干擾在GSM900與DCS1800頻段內最大的信道處降低至4dB，仍然不滿足客戶的指標要求。

如圖2所示，根據頻譜儀的顯示，在936MHz的干擾信號功率降低至–51.05dBm，在1848處的干擾信號功率仍然有–45.50dBm，攝像頭干擾并沒有完全解決。

圖2 基于樹莓派的智能家居網關架構

圖2

3.2.3 在硬件上消除或者削弱干擾信號

在硬件方面，解決攝像頭干擾主要有兩大方向，我們可以在時鐘信號傳輸的電路上放置濾波元器件來削弱或者減少干擾信號，也可以通過改善攝像頭相關電路與射頻電路的隔離度來實現。

干擾信號在信號源處的高倍頻處，因此在時鐘信號的MIPI電路上應當放置能夠抑制與吸收高頻噪聲的濾波元器件。在手機電路的串聯位置，常見的高頻噪聲濾波元器件有鐵氧體磁珠[3]與共模噪聲濾波器。鐵氧體磁珠等效于電阻與電感串聯在一起，在低頻時磁珠阻抗低，不影響工作信號的傳輸，噪聲信號均處于高頻，超過了磁芯的截止頻率，此時磁芯損耗增大，高頻的噪聲以熱能形式被吸收和消耗。磁珠相較于共模噪聲濾波器，使用便捷，成本低廉并且體積更小，更加適用于空間緊張的手機電路當中。如圖3所示，在電路串聯的R6117位號位置放置鐵氧體磁珠，在電路并聯的C6117位置放置數值為27pF的電容，共同組成了一個LC低通濾波電路。

圖3

在調整時鐘信號的電路之后，如圖4所示，根據頻譜儀的顯示，可以明顯的看到時鐘驅動信號產生的干擾信號功率明顯下降，在936MHz處的干擾信號功率下降至–62.63dBm，在1848MHz處的干擾信號功率下降至–64.57dBm。經過后續測試，攝像頭對所有頻段的干擾均降低至3dB以下，滿足客戶標準。

圖4

4 結束語

攝像頭對于手機射頻電路的干擾自從移動通信網絡進入第四代，用戶之間的通訊進入了視頻時代之后，該項指標變得尤為重要。雖然4GLTE移動通信網絡與當前新一代的5G NR移動通信網絡采用的更加先進的編碼與調制方式，增強了抗干擾能力，同時本論文僅例舉了對2G移動通信網絡干擾的分析與解決方法，但該問題仍然會在新一代的設動通信網絡當中發生。本論文給出的解決干擾問題的思路也適用于解決在其他制式信號當中造成的干擾問題，具體總結為：消除干擾需要首先找到干擾源，之后同時從軟件與硬件相結合去解決問題，解決干擾問題的思路為排除干擾源，降低干擾信號強度，或者是切斷干擾的傳輸路徑，在設計時需要為硬件消除干擾的預留相關的濾波器件位置。