手機(jī)前置攝像頭對(duì)射頻電路的干擾以及解決方案

富瑜豪

（南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇南京， 210023）

0 引言

手機(jī)作為一個(gè)高度集成的終端設(shè)備，除了服務(wù)于移動(dòng)通信的器件之外還集成了攝像頭，閃光燈，震動(dòng)馬達(dá)等非常規(guī)通信設(shè)備會(huì)擁有的功能設(shè)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(xiàn)在仍然會(huì)對(duì)射頻電路的接收功能產(chǎn)生干擾，降低接收靈敏度從而影響使用，因此在手機(jī)的射頻研發(fā)過程當(dāng)中需要對(duì)非射頻器件產(chǎn)生的干擾進(jìn)行分析與消除。本論文主要闡述在手機(jī)開發(fā)過程當(dāng)中解決攝像頭對(duì)射頻系統(tǒng)干擾的分析與解決方法。

1 移動(dòng)通信通信工作頻段

當(dāng)前的3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)更新至R15版本，不包括毫米波情況下，移動(dòng)通信的工作頻率范圍已經(jīng)擴(kuò)展至從0.6GHz至5.6GHz。得益于射頻元器件集成度的進(jìn)步，目前智能手機(jī)能夠支持2G至5G所有制式信號(hào)的多個(gè)不同頻段，當(dāng)前各制式信號(hào)全球各大運(yùn)營商主流頻段如表1所示。

手機(jī)研發(fā)當(dāng)中，主要通過衡量各設(shè)備開啟前后接收靈敏度之差的大小來判斷設(shè)備對(duì)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(hào)的最小功率，該指標(biāo)數(shù)字越小，表示手機(jī)能夠在離基站更遠(yuǎn)的距離或是更加惡劣的環(huán)境下正常通訊。而設(shè)備開啟前后接收靈敏度之差越小，則證明了該設(shè)備對(duì)射頻電路接收性能的干擾越小。一般各大手機(jī)廠商的干擾指標(biāo)要求在3dB以下。

2 攝像頭干擾來源

由于手機(jī)PCB電路板需要在極小的面積上布置多種不同功能的設(shè)備，因此無法在PCB設(shè)計(jì)階段保證各個(gè)設(shè)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(hào)會(huì)泄露進(jìn)射頻電路的接收通路當(dāng)中，經(jīng)過接收機(jī)的處理產(chǎn)生頻率為原信號(hào)多倍數(shù)的高次諧波噪聲，影響射頻電路接收機(jī)的性能。

以上因素使得攝像頭在工作時(shí)，輸入與輸出的基帶信號(hào)的頻率即使遠(yuǎn)低于射頻信號(hào)，也會(huì)造成接收機(jī)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(shí)際的聯(lián)發(fā)科平臺(tái)的手機(jī)項(xiàng)目當(dāng)中，根據(jù)測試人員檢測，發(fā)現(xiàn)在如下頻段攝像頭干擾較大，超出了客戶規(guī)定的指標(biāo)，具體如表2所示。

表2 前攝干擾接收靈敏度問題頻段

根據(jù)表2，并在詳細(xì)測量之后，可以發(fā)現(xiàn)在GSM900頻段內(nèi)，信道為5，下行工作頻率為936MHz時(shí)，前攝像頭干擾最大；在DCS1800頻段內(nèi)，信道為727，工作頻率為1848MHz時(shí)，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(nèi)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)工作頻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前受到攝像頭干擾最大的信號(hào)基本都是在24MHz的倍頻處，同時(shí)該頻率也是系統(tǒng)向攝像頭輸送時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所在頻率，因此可以確定為攝像頭來自于系統(tǒng)的輸入信號(hào)干擾了射頻電路的接收性能。

如圖1所示，根據(jù)頻譜儀的顯示，可以明顯的看到系統(tǒng)向攝像頭輸出的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)在936MHz處產(chǎn)生了功率為–47.2dBm的干擾信號(hào)，在1848MHz處產(chǎn)生了功率為–46.1dBm的干擾信號(hào)。

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(hào)的強(qiáng)度。根據(jù)以上思路可以推導(dǎo)出幾種解決干擾問題的實(shí)際方法：

(1)更改干擾源信號(hào)所在的頻率。

(2)降低干擾源信號(hào)的強(qiáng)度。

(3)在硬件上消除或者削弱干擾信號(hào)。

■3.2 解決干擾問題

3.2.1 更改干擾源信號(hào)所在

手機(jī)電路當(dāng)中，攝像頭的輸入時(shí)鐘信號(hào)通過MIPI（mobile industry processor interface）[2]接口傳輸至攝像頭內(nèi)部。MIPI聯(lián)盟是在2003年，由ARM，諾基亞等公司成立的一個(gè)聯(lián)盟，目的是把手機(jī)內(nèi)部的接口如攝像頭、顯示屏接口、射頻/基帶接口等標(biāo)準(zhǔn)化，從而減少手機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和增加設(shè)計(jì)靈活性。MIPI聯(lián)盟下面有不同的工作組，分別定義了一系列的手機(jī)內(nèi)部接口標(biāo)準(zhǔn)，比如攝像頭接口CSI、顯示接口DSI、射頻接口DigRF、麥克風(fēng)/喇叭接口SLIMbus等。MIPI聯(lián)盟統(tǒng)一了手機(jī)電路的接口，方便了開發(fā)人員，使得手機(jī)廠商可以根據(jù)需要可以從市面上靈活選擇不同的芯片和模組，更改設(shè)計(jì)和調(diào)整功能時(shí)更加快捷方便。

根據(jù)MIPI接口協(xié)議與攝像頭供應(yīng)商規(guī)格書，我們能夠?qū)r(shí)鐘信號(hào)的工作頻率作出一定范圍的調(diào)整。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，隨著時(shí)鐘信號(hào)頻率的改變，受到諧波倍頻干擾最強(qiáng)的點(diǎn)也隨之變動(dòng)。該方法能夠解決某一信道的干擾問題，但是由于只能將時(shí)鐘信號(hào)的頻率更改為原頻率的倍頻，同時(shí)手機(jī)工作的射頻信號(hào)頻率為0.6GHz至5.5GHz，頻率范圍較寬。因此更改干擾信號(hào)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(jī)項(xiàng)目當(dāng)中。

3.2.2 降低干擾源信號(hào)強(qiáng)度

降低攝像頭輸入時(shí)鐘信號(hào)的強(qiáng)度可以削弱該信號(hào)產(chǎn)生的諧波干擾信號(hào)的強(qiáng)度，從而改善攝像頭的干擾問題。在手機(jī)電路當(dāng)中，可以通過降低CPU對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力來削弱干擾源信號(hào)的強(qiáng)度。查詢?cè)J(rèn)設(shè)置，原CPU驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的電流為6mA，通過軟件降低系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，可以明顯的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的干擾在減少。當(dāng)CPU的驅(qū)動(dòng)能力降低至2mA時(shí)，各頻段來自攝像頭的干擾降低至3dB以下，滿足客戶要求標(biāo)準(zhǔn)。但是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)太弱會(huì)影響攝像頭的正常工作，根據(jù)攝像頭供應(yīng)商提供的建議，CPU對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)的電流下限為4mA，在更改為4mA之后，攝像頭對(duì)接收靈敏度的干擾在GSM900與DCS1800頻段內(nèi)最大的信道處降低至4dB，仍然不滿足客戶的指標(biāo)要求。

如圖2所示，根據(jù)頻譜儀的顯示，在936MHz的干擾信號(hào)功率降低至–51.05dBm，在1848處的干擾信號(hào)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(wǎng)關(guān)架構(gòu)

圖2

3.2.3 在硬件上消除或者削弱干擾信號(hào)

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(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)碾娐飞戏胖脼V波元器件來削弱或者減少干擾信號(hào)，也可以通過改善攝像頭相關(guān)電路與射頻電路的隔離度來實(shí)現(xiàn)。

干擾信號(hào)在信號(hào)源處的高倍頻處，因此在時(shí)鐘信號(hào)的MIPI電路上應(yīng)當(dāng)放置能夠抑制與吸收高頻噪聲的濾波元器件。在手機(jī)電路的串聯(lián)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(lián)在一起，在低頻時(shí)磁珠阻抗低，不影響工作信號(hào)的傳輸，噪聲信號(hào)均處于高頻，超過了磁芯的截止頻率，此時(shí)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(jī)電路當(dāng)中。如圖3所示，在電路串聯(lián)的R6117位號(hào)位置放置鐵氧體磁珠，在電路并聯(lián)的C6117位置放置數(shù)值為27pF的電容，共同組成了一個(gè)LC低通濾波電路。

圖3

在調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的電路之后，如圖4所示，根據(jù)頻譜儀的顯示，可以明顯的看到時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的干擾信號(hào)功率明顯下降，在936MHz處的干擾信號(hào)功率下降至–62.63dBm，在1848MHz處的干擾信號(hào)功率下降至–64.57dBm。經(jīng)過后續(xù)測試，攝像頭對(duì)所有頻段的干擾均降低至3dB以下，滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)。

圖4

4 結(jié)束語

攝像頭對(duì)于手機(jī)射頻電路的干擾自從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入第四代，用戶之間的通訊進(jìn)入了視頻時(shí)代之后，該項(xiàng)指標(biāo)變得尤為重要。雖然4GLTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前新一代的5G NR移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用的更加先進(jìn)的編碼與調(diào)制方式，增強(qiáng)了抗干擾能力，同時(shí)本論文僅例舉了對(duì)2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)干擾的分析與解決方法，但該問題仍然會(huì)在新一代的設(shè)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中發(fā)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(hào)當(dāng)中造成的干擾問題，具體總結(jié)為：消除干擾需要首先找到干擾源，之后同時(shí)從軟件與硬件相結(jié)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(hào)強(qiáng)度，或者是切斷干擾的傳輸路徑，在設(shè)計(jì)時(shí)需要為硬件消除干擾的預(yù)留相關(guān)的濾波器件位置。