手机前置摄像头对射频电路的干扰以及解决方案

富瑜豪

（南京邮电大学电子与光学工程学院，江苏南京， 210023）

0 引言

手机作为一个高度集成的终端设备，除了服务于移动通信的器件之外还集成了摄像头，闪光灯，震动马达等非常规通信设备会拥有的功能设备。虽然以上器件工作频率大多低于射频电路工作频率，但是倍频现在仍然会对射频电路的接收功能产生干扰，降低接收灵敏度从而影响使用，因此在手机的射频研发过程当中需要对非射频器件产生的干扰进行分析与消除。本论文主要阐述在手机开发过程当中解决摄像头对射频系统干扰的分析与解决方法。

1 移动通信通信工作频段

当前的3GPP标准已经更新至R15版本，不包括毫米波情况下，移动通信的工作频率范围已经扩展至从0.6GHz至5.6GHz。得益于射频元器件集成度的进步，目前智能手机能够支持2G至5G所有制式信号的多个不同频段，当前各制式信号全球各大运营商主流频段如表1所示。

手机研发当中，主要通过衡量各设备开启前后接收灵敏度之差的大小来判断设备对射频电路接收性能的影响。接收灵敏度[1]的定义是在射频电路吞吐正常情况下所能接收到的信号的最小功率，该指标数字越小，表示手机能够在离基站更远的距离或是更加恶劣的环境下正常通讯。而设备开启前后接收灵敏度之差越小，则证明了该设备对射频电路接收性能的干扰越小。一般各大手机厂商的干扰指标要求在3dB以下。

2 摄像头干扰来源

由于手机PCB电路板需要在极小的面积上布置多种不同功能的设备，因此无法在PCB设计阶段保证各个设备之间有足够的隔离度。这使得摄像头输入与输出的基带信号会泄露进射频电路的接收通路当中，经过接收机的处理产生频率为原信号多倍数的高次谐波噪声，影响射频电路接收机的性能。

以上因素使得摄像头在工作时，输入与输出的基带信号的频率即使远低于射频信号，也会造成接收机接收灵敏度的下降。

3 具体案例的分析与解决

■3.1 案例分析

在某一实际的联发科平台的手机项目当中，根据测试人员检测，发现在如下频段摄像头干扰较大，超出了客户规定的指标，具体如表2所示。

表2 前摄干扰接收灵敏度问题频段

根据表2，并在详细测量之后，可以发现在GSM900频段内，信道为5，下行工作频率为936MHz时，前摄像头干扰最大；在DCS1800频段内，信道为727，工作频率为1848MHz时，前摄像头干扰最大。

解决干扰问题的第一步工作是找到干扰源，通过排查基带各电路内传输的基带信号工作频率，发现当前受到摄像头干扰最大的信号基本都是在24MHz的倍频处，同时该频率也是系统向摄像头输送时钟驱动信号的所在频率，因此可以确定为摄像头来自于系统的输入信号干扰了射频电路的接收性能。

如图1所示，根据频谱仪的显示，可以明显的看到系统向摄像头输出的时钟驱动信号在936MHz处产生了功率为–47.2dBm的干扰信号，在1848MHz处产生了功率为–46.1dBm的干扰信号。

图1

在找到干扰源之后，接下来需要确定解决干扰问题的思路，主要有两种思路：第一，排除干扰源；第二，降低干扰源干扰信号的强度。根据以上思路可以推导出几种解决干扰问题的实际方法：

(1)更改干扰源信号所在的频率。

(2)降低干扰源信号的强度。

(3)在硬件上消除或者削弱干扰信号。

■3.2 解决干扰问题

3.2.1 更改干扰源信号所在

手机电路当中，摄像头的输入时钟信号通过MIPI（mobile industry processor interface）[2]接口传输至摄像头内部。MIPI联盟是在2003年，由ARM，诺基亚等公司成立的一个联盟，目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI联盟下面有不同的工作组，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。MIPI联盟统一了手机电路的接口，方便了开发人员，使得手机厂商可以根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和调整功能时更加快捷方便。

根据MIPI接口协议与摄像头供应商规格书，我们能够对时钟信号的工作频率作出一定范围的调整。根据实际试验，随着时钟信号频率的改变，受到谐波倍频干扰最强的点也随之变动。该方法能够解决某一信道的干扰问题，但是由于只能将时钟信号的频率更改为原频率的倍频，同时手机工作的射频信号频率为0.6GHz至5.5GHz，频率范围较宽。因此更改干扰信号的工作频率难以解决摄像头干扰问题，该方法适用于射频电路支持频段较少，频率范围较窄的手机项目当中。

3.2.2 降低干扰源信号强度

降低摄像头输入时钟信号的强度可以削弱该信号产生的谐波干扰信号的强度，从而改善摄像头的干扰问题。在手机电路当中，可以通过降低CPU对时钟信号的驱动能力来削弱干扰源信号的强度。查询原默认设置，原CPU驱动时钟信号的电流为6mA，通过软件降低系统对时钟信号的驱动能力，可以明显的发现产生的干扰在减少。当CPU的驱动能力降低至2mA时，各频段来自摄像头的干扰降低至3dB以下，满足客户要求标准。但是时钟驱动信号太弱会影响摄像头的正常工作，根据摄像头供应商提供的建议，CPU对时钟信号的驱动的电流下限为4mA，在更改为4mA之后，摄像头对接收灵敏度的干扰在GSM900与DCS1800频段内最大的信道处降低至4dB，仍然不满足客户的指标要求。

如图2所示，根据频谱仪的显示，在936MHz的干扰信号功率降低至–51.05dBm，在1848处的干扰信号功率仍然有–45.50dBm，摄像头干扰并没有完全解决。

图2 基于树莓派的智能家居网关架构

图2

3.2.3 在硬件上消除或者削弱干扰信号

在硬件方面，解决摄像头干扰主要有两大方向，我们可以在时钟信号传输的电路上放置滤波元器件来削弱或者减少干扰信号，也可以通过改善摄像头相关电路与射频电路的隔离度来实现。

干扰信号在信号源处的高倍频处，因此在时钟信号的MIPI电路上应当放置能够抑制与吸收高频噪声的滤波元器件。在手机电路的串联位置，常见的高频噪声滤波元器件有铁氧体磁珠[3]与共模噪声滤波器。铁氧体磁珠等效于电阻与电感串联在一起，在低频时磁珠阻抗低，不影响工作信号的传输，噪声信号均处于高频，超过了磁芯的截止频率，此时磁芯损耗增大，高频的噪声以热能形式被吸收和消耗。磁珠相较于共模噪声滤波器，使用便捷，成本低廉并且体积更小，更加适用于空间紧张的手机电路当中。如图3所示，在电路串联的R6117位号位置放置铁氧体磁珠，在电路并联的C6117位置放置数值为27pF的电容，共同组成了一个LC低通滤波电路。

图3

在调整时钟信号的电路之后，如图4所示，根据频谱仪的显示，可以明显的看到时钟驱动信号产生的干扰信号功率明显下降，在936MHz处的干扰信号功率下降至–62.63dBm，在1848MHz处的干扰信号功率下降至–64.57dBm。经过后续测试，摄像头对所有频段的干扰均降低至3dB以下，满足客户标准。

图4

4 结束语

摄像头对于手机射频电路的干扰自从移动通信网络进入第四代，用户之间的通讯进入了视频时代之后，该项指标变得尤为重要。虽然4GLTE移动通信网络与当前新一代的5G NR移动通信网络采用的更加先进的编码与调制方式，增强了抗干扰能力，同时本论文仅例举了对2G移动通信网络干扰的分析与解决方法，但该问题仍然会在新一代的设动通信网络当中发生。本论文给出的解决干扰问题的思路也适用于解决在其他制式信号当中造成的干扰问题，具体总结为：消除干扰需要首先找到干扰源，之后同时从软件与硬件相结合去解决问题，解决干扰问题的思路为排除干扰源，降低干扰信号强度，或者是切断干扰的传输路径，在设计时需要为硬件消除干扰的预留相关的滤波器件位置。