見“芯”知著，淺析北斗芯片關鍵技術

作為高端制造業的“皇冠明珠”,芯片是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一,是信息產業的核心與基石。核心芯片不僅為國家信息產業和經濟發展帶來高額的利潤,同時也通過產業帶動效應成百上千倍的產值放大作用,強力推動整個產業的高速發展。只有掌握芯片的核心關鍵技術,特別是高端產品的領先技術,才能使我國的信息產業占據全世界范圍內的產業鏈制高點,更進一步支撐我國信息產業發展的國家戰略。北斗芯片對于保障我國時空信息安全也起著舉足輕重的作用,同時也是國家科技創新戰略的重要支柱。只有依托自主可控的、先進北斗芯片,才能從北斗產業鏈源頭擺脫國外廠商長期技術壁壘、壟斷,受制于人的局面,才能徹底解決我國北斗應用和時空信息安全面臨的挑戰。對于物聯網、車聯網、智能駕駛、共享單車、智慧交通、智慧基建、智慧物流等等一系列新興智能產業來講,北斗芯片提供的北斗高精度定位和授時服務就是構建這些應用大廈的“沙子和水泥”,是不可或缺的基礎,只有構建在自主可控的時空信息地基之上,各類新興智能產業應用和發展才可能穩固、安全。

北斗芯片在結構上主要包括GNSS射頻接收機、GNSS基帶信號處理器、微處理器、電源管理、內存和控制單元、存儲器、外圍接口電路等部分。由于芯片設計復雜,特別是射頻和基帶一體化SoC芯片的設計復雜度更加高。設計能力的差異,直接影響芯片性能、靈敏度、功耗、尺寸、成本等多個方面,進而也極大地影響著導航定位終端產品的核心競爭力。從目前華大北斗最新發布的第四代北斗芯片結構圖上(見下圖),我們可以較清晰的看到,芯片高集成度設計、性能強化設計、多維度功耗控制設計等已成為北斗芯片技術研發的重點。

關鍵技術之:SoC高集成度設計

SoC(System on Chip)芯片稱為系統級芯片,也稱片上系統,包含了芯片完整硬件系統和嵌入式軟件系統的全部內容,是當下主流芯片企業的主研方向。SoC也是一種設計理念,就是將各個可以集成在一起的模塊集成到一個芯片上,包含了射頻、基帶、電源管理、嵌入式存儲、接口等多項技術。SoC芯片的提出,是相對于過去SIP芯片(System In a Package系統級封裝,將多種功能芯片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能。)而言的。由于通過一顆芯片實現SIP多顆芯片的所有功能,因此SoC芯片在尺寸、功耗、成本等方面較SIP芯片具有較大優勢。

從上圖我們也可以清晰的看到華大北斗最新發布的第四代北斗芯片與其以往系列芯片一樣,繼續采用了SoC芯片架構。在單一芯片上集成了兩個微處理器、射頻單元、數字基帶單元、存儲器、電源管理單元、外圍接口等,具備集成度高、功能強、功耗低、尺寸小等優點,進一步提高了產品的競爭力。其設計難點在于:要通過復雜的設計,來避免各個模塊互相影響,保證各個模塊配合工作時可以發揮出最佳性能。

隨著SoC高集成度設計技術的提升,國產北斗芯片尺寸將進一步縮小。隨著芯片物理尺寸的縮小,也意味著芯片的物理成本同步下降,這將為國產北斗芯片參與國際競爭,支持北斗系統全球規?；瘧闷鸬疥P鍵的基礎支撐作用。

關鍵技術之:性能強化設計

多系統多頻組合定位能力

多系統多頻組合定位技術需要芯片在兼容北斗(中國)、GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)、GALILEO(歐洲)、QZSS(日本)、NavIC(印度)多個導航衛星系統的同時,還需要能夠實現L1、L2、L5、L6多個頻點衛星信號的接收和組合定位。從而最大限度地利用衛星信號資源,提升定位性能。

單北斗定位和北斗優先定位能力

芯片要支持北斗三號新一代的B1I, B1C, B2I, B3I, B2a以及B2b信號,更好地支持單北斗定位時間及定位精度要求。在算法設計方面,還需要優先捕獲北斗衛星進行定位,并且選用北斗衛星系統作為主系統,其他衛星系統作為從系統。進而真正實現北斗獨立工作或優先工作的可靠性和安全性。華大北斗最新發布的第四代北斗芯片也繼續強化了對單北斗定位和北斗優先定位能力的支持。

抗干擾能力

北斗芯片工作中會遇到各種干擾信號,這就需要芯片可以實時地檢測干擾信號頻率,并自動濾除干擾信號,從而避免干擾信號對芯片導航定位功能產生影響。

嵌入式高精度定位算法能力

北斗芯片嵌入式高精度定位算法的實現通常需要處理器具有很高的運算速度和很大的存儲空間。而對于規?；瘧玫谋倍沸酒?功耗和成本限制了實現高精度算法能夠使用的計算和存儲資源,實現起來非常困難。在有限的芯片內存容量及處理器工作頻率限制下,實現芯片級嵌入式地基增強和星基增強高精度定位算法,對國產北斗芯片的研發提出了更具挑戰性的要求。華大北斗最新發布的第四代北斗芯片在支持高精度衛星定位算法的同時,還支持衛星與慣性導航組合導航定位算法,這就使芯片的適用場景更廣泛,定位可靠性得到進一步提升。

在線星歷采集和離線星歷預估能力

衛星的星歷數據是導航定位的基礎數據,但在弱信號環境下芯片從衛星獲取導航電文的時間變長,這時就需要星歷存儲功能,該功能將定位所需的導航衛星電文信息快速的提供給定位芯片,使芯片下次冷啟動時能快速獲取到導航電文信息,從而縮短冷啟動時間,做到快速定位。在線星歷采集技術和離線星歷預估技術是解決上述問題的關鍵。這項能力一直以來也都是華大北斗芯片的特色之一。

“信源級”安全北斗能力

北斗導航定位信息是行業應用信息融合的關鍵之一,其真實性和保密性是行業應用安全可靠的先決條件,如何確保信息在傳輸鏈路中不被竊取和篡改成為行業應用的剛需。在北斗芯片內部設計硬件加密單元,實現“信源級”位置信息加密輸出將是解決這一隱患的關鍵,并將為基于位置信息的行業應用提供底層安全支撐。

關鍵技術之:多維度功耗控制設計

北斗芯片功耗直接影響終端的待機和使用時間,特別對主要以電池供電的移動終端更是如此。為了進一步減低北斗芯片功耗,北斗芯片在設計過程中需要充分評估所有影響功耗的設計點,通過多維度的優化設計,將芯片功耗盡量降低。依然以華大北斗最新發布的第四代北斗芯片為例,由于其采用了多維度功耗控制設計,功耗較上一代產品下降了50%左右,得到了極大的優化。

射頻電路的功耗優化設計

采用只需一個低噪聲放大器和一個鎖相環即可實現雙頻段信號同時接收的射頻架構,可以大幅降低芯片射頻接收機的功耗。同時針對不同系統不同頻帶信號對接收機的帶寬和功率動態配置,實現信號接收質量和功耗的最佳均衡。通過結構和電路的精細優化設計,使接收機總體功耗降到最低。

極低待機功耗設計

采用具有極低漏電功耗的厚柵氧晶體管設計待機喚醒電路,同時設計具有極低功耗的晶體震蕩器電路,保證在極低功耗待機狀態下也可定時喚醒芯片。在待機狀態下,芯片的整體待機功耗小于2uA,可達到業界主流低功耗MCU芯片的待機功耗性能。

動態頻率調整技術

按照處理器的工作負荷來動態調整處理器工作頻率和電壓可以線性減少處理器部分的動態功耗。有高性能需求時,可提高數字時鐘頻率以充分發揮處理器能力,此時動態電壓頻率調整電路會自動將數字邏輯和存儲器的工作電壓提高,保證數字邏輯電路有足夠的工作速度。無高性能需求時,可降低數字時鐘以節省功耗,此時動態電壓頻率調整電路又會自動將數字邏輯和存儲器的工作電壓降低,這樣就進一步節省了數字電路的功耗。

優化電源管理策略

為了達到系統更低功耗的目標,芯片可采用多電源域設計。在不同需求下,芯片可以通過開關不同電源域的電源,進入到不同的電源模式,實現降低功耗的目的。按照功耗依次降低的順序,芯片的電源模式可以分為:正常工作模式(System Run Mode),睡眠模式(Sleep Mode),深度睡眠模式(Deep Sleep Mode),待機模式(Standby Mode)。

DC-DC電源集成設計

在北斗芯片設計中集成高效率的DC-DC(開關電源)模塊,滿足在輕、重負載電流情況下的高效電源轉換。內置的DC-DC轉換器,不僅節約了芯片外圍元器件的成本,同時芯片可以更方便的根據自身的需要對開關電源進行控制,進而實現降低功耗的目的。

北斗芯片作為北斗產業的基礎關鍵一環,上述諸多關鍵核心技術僅是略見一斑。還有更多關鍵技術需要國產北斗芯片廠商突破和提升,以爭取全球市場競爭力。這些技術的創新設計方法對于芯片功能和性能的提升、成本的降低都將發揮重要作用。以華大北斗為代表的國內北斗GNSS衛星導航定位芯片企業,一直將北斗芯片核心技術研發作為重中之重和發展的基石。面對國際技術壟斷和“卡脖子”的威脅,也只有通過自主創新才能有所突破,才有可能在競爭激烈的全球市場上讓中國北斗“芯”擁有一席之地。見“芯”知著,“十四五”已進入下半場,北斗規模應用也已進入市場化、產業化、國際化發展的關鍵階段。我們凝科技創新之力,為中國北斗造“芯”。