面向移動通信終端的北斗SOC芯片設計

陳沖 展訊通信（上海）有限公司ASIC部工程師

裴承軍展訊通信（上海）有限公司ASIC部高級主管工程師

王鵬展訊通信（上海）有限公司戰略部總監

面向移動通信終端的北斗SOC芯片設計

陳沖 展訊通信（上海）有限公司ASIC部工程師

裴承軍展訊通信（上海）有限公司ASIC部高級主管工程師

王鵬展訊通信（上海）有限公司戰略部總監

以大眾消費電子和移動通信領域需求為導向，通過突破基帶射頻一體化設計、低功耗設計、深亞微米芯片設計與實現技術，展訊研制了一款基于40nm工藝的集成BeiDou/GPS/GLONASS/ Wi-Fi/Bluetooth/FM等移動通信終端功能的SOC芯片。

移動通信終端 北斗芯片 40nm低功耗技術 基帶射頻一體化

1 引言

全球導航衛星系統GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫。目前，GNSS包含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的BeiDou/Compass（北斗）、歐盟的Galileo系統，可用的衛星數目達到100顆以上。

衛星導航系統作為當今世界最具發展前景和最具廣泛帶動性的高科技領域之一，也是國家綜合國力、核心競爭力與科技創新能力的重要標志和集中體現。衛星導航應用產業是全球性的高新技術產業，與無線通信、互聯網一起成為當今世界發展速度最快的3大信息產業。

我國自主研制的北斗衛星導航系統雖然已正式運行，北斗芯片、模塊、板卡及終端等產品的性能也已達到了較高水平，但仍未進入用戶規模最大，對性能、功耗、集成度和成本要求最高的民用消費電子和移動通信領域。芯片技術作為衛星導航產業在消費電子領域的核心，由于設備成本以及終端尺寸等限制，消費電子行業內的導航芯片要求低能耗、低價位和小型化。

衛星定位芯片分為獨立定位芯片、組合式定位芯片和嵌入式集成定位芯片3類，是移動終端衛星定位應用的核心，是衛星定位在移動通信領域應用的關鍵。

嵌入式集成定位芯片已成為主流的手機終端定位芯片類型。出于低成本、低功耗、易用性等眾多考慮，現在的智能手機芯片集成度越來越高。以高通為代表，定位功能被廣泛集成于應用處理器或基帶通信芯片中。據ABI Research統計，目前50%以上在銷手機中的定位芯片都為嵌入式集成定位芯片，預計到2017年，3/4的手機定位芯片都將為嵌入式集成定位芯片。

2 芯片設計與實現

芯片研發的流程按照時間順序可分為芯片架構設計及詳細設計、FPGA平臺驗證、前端設計、后端設計、MPW和全掩膜流片驗證、量產等階段。

在芯片架構設計及詳細設計中，以消費電子領域的低功耗、低成本需求為出發點，采用40nm工藝并基于ARM處理器的特點和GNSS芯片的指標需求，進行整個芯片的架構設計。在射頻前端部分，配合單通道的多模寬帶接收機，設計為高速采樣的中頻接口，可支持單GPS模式、單BeiDou模式、BeiDou+GPS雙模接收以及GPS+GLONASS雙模接收4種工作模式；在SOC部分，集成了豐富的外圍接口，以便滿足不同應用場合的需求。

2.1 芯片架構

展訊所研制的基于40nm工藝的多模GNSS嵌入式集成定位芯片采用基帶射頻一體化設計方案，集成了GNSS射頻電路功能與基帶處理功能，可實現單系統獨立定位和雙系統聯合定位功能。展訊GNSS芯片架構如圖1所示，從功能劃分看，本款導航芯片主要由如下功能模塊組成：

●嵌入式處理器：負責片上操作系統運行、衛星導航系統運算、外設管理以及功耗管理。

●射頻接收系統：負責在一路射頻通路接收兩路射頻導航信號。

圖1 多模導航芯片SOC架構

●雙模導航基帶處理系統：負責同時處理兩路導航信號的基帶處理。

●總線互聯系統：用于片上系統互聯。

●片上存儲系統：用于片上操作系統運行和導航中間數據存儲。

●DMA控制器：用于片上系統數據搬移，用以減輕處理器負擔、提高系統運行效率。

外設系統，用于與外圍設備進行交互，本系統包括的外設有：

●UART接口：用于和主機進行通訊。

●SPI接口：用于和主機進行通訊。

●閃存接口：用于系統程序擴展。

●I2C接口：用于外界傳感器芯片，實現輔助定位功能。

芯片的功耗在移動設備中非常重要，展訊低功耗設計方案主要有以下幾點：

●模塊動態時鐘控制方案：根據芯片工作場景的不同，對不同的模塊根據工作次序進行時鐘動態開關，以此降低工作功耗。

●動態降頻方案：根據系統工作負載情況，動態變化系統工作頻率，以此降低工作功耗。

●根據芯片工作場景，對不同的區域進行電源關斷設計，使得芯片減少漏電流消耗。

●動態電壓調整，降低芯片待機時電壓，以此降低芯片待機功耗。

為滿足消費電子及移動通信市場對于多功能、低成本、低功耗的需求，展訊設計了可集成Wi-Fi/Bluetooth/FM等功能的SIP方案。采用SIP方式集成GNSS芯片以及Wi-Fi/藍牙/FM等功能，可以通過內部開關器件共用接收天線，減少PCB面積和BOM成本，以更加適合對面積、功耗和成本要求非常高的消費電子和移動通信市場。集成GNSS/Wi-Fi/Bluetooth/FM等功能的4in1SIP嵌入式集成定位芯片架構如圖2所示。

圖2 4in1 SIP嵌入式集成定位芯片架構

2.2 射頻技術方案

如圖3所示，BeiDou/GPS芯片的射頻接收部分采用可重構低中頻方案，支持Bei Dou、GPS、Bei Dou/ GPS、GPS/GLONASS4種工作模式。片上低噪聲放大器采用單端無電感噪聲抵消型的電路結構，然后經過電流驅動的無源混頻器，該結構可以有效地減小芯片面積和射頻系統的噪聲系數并提高系統的抗干擾能力。片內低噪聲放大器根據是否有片外低噪聲放大器進行增益和功耗切換。模擬基帶濾波器通過兩級可重構巴特沃思濾波器級聯實現四階濾波器。

展訊芯片的射頻部分以消費電子領域的低功耗、低成本需求為出發點，因此主要有以下幾個特點：

●單個接收機實現多模功能，降低射頻功耗和芯片面積。

●片內低噪聲放大器根據是否有片外低噪聲放大器進行功耗切換，降低芯片功耗。

●整個GNSS只有一個PLL產生時鐘信號，有效地減小功耗和芯片面積。

圖3 GNSS射頻接收機系統框圖

●ADC的時鐘根據不同定位模式進行切換，減小ADC的功耗。

●支持用TSX代替TCXO，節省片外元器件成本。

2.3 數字基帶部分方案

整個數字基帶的框架大致可以分為數字前端、捕獲引擎、跟蹤引擎、存儲、RTC和PPS6部分。

數字前端部分主要負責接收并處理模擬前端ADC輸出的兩路數字中頻信號，然后經過混頻、濾波抽取后，變為接近零中頻的基帶信號。這兩路零中頻信號會直接送入到后續捕獲引擎的AEFIFO和跟蹤引擎的TEFIFO里面。

捕獲引擎部分的功能是完成對AEFIFO里面數據的衛星捕獲，完成捕獲后，會將結果以鏈表的形式存儲到Memory中并同時產生中斷通知軟件，然后軟件就可以從這個鏈表里面獲取捕獲的結果。

接著，軟件會控制跟蹤引擎開始工作，并從TEFIFO里面乒乓讀取Nms的數據，完成后也會把結果以鏈表的形式進行存儲并通知軟件。

Viterbi部分負責譯碼并得到導航信息，PPS部分主要用來對外部的邏輯進行授時，RTC部分主要用來維持本地GNSS時間并在系統掉電恢復后產生粗略的時間估計。處理器通過配置寄存器來與數字基帶部分進行交互，并根據偽碼和載波頻率等觀測量信息進行PVT的解算。

如圖4所示，展訊導航芯片的數字基帶部分具有如下特點：

（1）抗諧波和連續波干擾技術

利用諧波和連續波干擾消除電路，能夠提高定位精度和可靠性，提高用戶體驗。避免了射頻前端的ADC由于諧波和連續波干擾飽和，從而無法實現定位或定位結果惡化。它的基本原理是通過FFT檢測諧波譜線位置，然后通過帶阻濾波器將相應的干擾濾除。

（2）改進的熱啟動靈敏度

圖4 數字基帶部分芯片架構

RTC時鐘本身的精度及穩定性較差，但由于工作于32K時鐘頻率下，因此功耗也比較低。針對這種場景，展訊采用RTC校準電路，對休眠前后的RTC進行校準，從而提高了系統啟動后的偽隨機碼相位搜索精度，縮小了捕獲和跟蹤范圍，加快了重捕速度。

（3）低成本的TCXO-LessSynthesis技術

在保留TCXO方案的基礎上，針對業界面臨的成本及技術難題，展訊創新性提出了一種采用普通DCXO晶體+算法+硬件電路補償結合的TCXO-Less Synthesis的技術，在不損失性能的前提下，能夠大幅降低衛星導航系統對時鐘參考源的要求，消減了系統成本，提高了競爭力。

2.4 軟件部分方案

軟件部分主要由負責基帶算法處理與加速器控制的Baseband部分以及負責位置速度等參數解算與衛星信息維護的Navigation部分構成。支持GPS/BeiDou/ GLONASS單模式定位以及GPS/BeiDou或GPS/ GLONASS雙模聯合定位；同時，為了與移動終端更好地工作，支持如AGPS等網絡輔助定位方式；并且，也提供對于MEMS傳感器輔助定位的支持。GNSS軟件架構如圖5所示。

圖5 GNSS軟件架構

軟件部分的關鍵技術為：省電設計，通過與硬件的配合與代碼設計，完成包括動態調頻/調壓，分場景加速器/時鐘開關等控制操作；熱啟動/網絡輔助定位設計，通過與AP協調處理衛星參數/接收機位置/時間信息等數據的儲存與使用，在確保功能與性能的同時，完成更加節省芯片內存資源的熱啟動與網絡輔助定位設計。

2.5 40nm工藝技術

芯片的工藝是除了芯片性能之外影響設計的主要因素。半導體芯片的制造技術直接決定了芯片的運行速度、功耗、漏電、成本和技術風險等指標。

如圖6所示，制造技術越先進，越容易設計出高主頻、低功耗的芯片，大規模量產成本有所下降，但技術風險則有所提高。目前，半導體業界主流的數字邏輯制造技術包括150、90、65/55、40和28nm6種。其中，40和28nm在國內還沒有應用到北斗嵌入式集成定位芯片上，展訊則是國內首次采用40nm工藝來設計北斗SOC芯片的。

3 終端應用及未來展望

據美國市場研究公司IDC的數據，2013年全球智能手機出貨量超過10億部，占全球手機總出貨量的55%。由于衛星導航定位已成為智能手機的基本和標準配置，因此具備衛星導航定位功能的手機的滲透率也在迅猛增長。根據GSA預測，2010—2020年間，以智能手機、平板等移動終端為載體的位置服務（LBS）市場的衛星導航定位設備累積出貨量將占到全球衛星導航定位設備累積出貨量的87.11%（見圖7）。

隨著對LBS的使用越來越頻繁，人們對手機終端衛星定位功能、性能的要求也越來越高。目前，基于單一GPS的手機已經逐漸不能滿足人們對于提高定位精度、速度，適應城市、峽谷、密林等各種場景的需求。多系統聯合定位GPS+Bei Dou+GLONASS模式是未來衛星導航定位終端的發展趨勢，利用多系統間的互操作性和相互輔助定位的實現，不同GNSS的聯合定位在定位精度、有效性和可靠性（完好性）等方面具有如下優勢：

●改善衛星的空間幾何分布，提升定位結果的精度，具體如圖8所示。

圖6 不同工藝下的芯片性能與Leakage功耗對比

圖7 2010—2020年全球各類衛星導航設備累計出貨量占比預估

●增加可見衛星數目，提升自主完好性檢測（RAIM），提高定位結果的可靠性。

●根據實際的外場測試表明，具有北斗功能的接收機相比沒有北斗參與定位的接收機，具有更好的首次定位時間（TTFF）和定位精度。

●手機終端北斗定位的推廣應用將架起北斗產業與億萬消費者LBS業務需求的橋梁，釋放廣闊的市場空間和創新空間。還將帶動一系列消費電子類產品中北斗定位功能的普及，包括數碼產品、可穿戴設備等，進而全面提升我國北斗產業的科技創新力、市場競爭力。

綜合以上分析，根據當前及未來幾年的產業現狀來看，要實現2016年北斗應用終端數量千萬量級的規劃，推動智能手機全面支持北斗功能，將北斗定位作為國內市場手機終端產品入網的必選或者推薦配置成為主要的突破口。

北斗的高精度應用主要是基于北斗地基增強系統，此系統通過統籌整合區域北斗CORS（連續運行參考站系統）網，形成覆蓋全國的北斗CORS網。播發的北斗增強定位信息，提供優于m級，甚至達到cm級的導航定位服務，還將為重點區域和特定場所實現室內外無縫定位服務覆蓋提供基礎支撐，并且解決北斗到用戶最后1km的問題，從而為用戶提供不同于GPS的差異化服務，這對于我國北斗導航與位置服務產業的發展具有重要意義。

圖8 有無北斗功能的可見衛星數目和PDOP的對比

4 結束語

本文對全球衛星導航定位市場的規模和現狀進行了闡述，簡述了展訊基于40nm工藝的GNSS芯片設計流程、SOC架構、射頻、數字基帶和軟件部分、低功耗方案。最后，對北斗在移動終端應用的現狀和必要性進行了分析，并對北斗高精度定位的前景進行了分析和展望。

1 劉思揚,杜瀅.移動通信產業助推北斗產業化.中國信息產業網.2014,2

2 Thala.http://forums.anandtech.com.12,2013

3 GSA.http://www.gsa.europa.eu/news/gsa-market-reportpromises-success-gnss.10,2013

4 Rizos C.Multi-Constellation GNSS/RNSS from the Perspective of High Accuracy Users in Australia.Journal of Spatial Science.2008

5 Walsh D,Daly P.GPS and GLONASS Carrier Phase-Ambiguity Resolution.1996

6 Min Li,Lizhong Qu.Precise Point Positioning with the Bei Dou Navigation Satellite System.Journal of Sensors.2014

SOC Design of Compass Facing in the Mobile Communication Terminal

Based on 40nm process and demand-oriented in facing the mass consumer electronics and mobile communication field,the paper research and develop a SOC chip which integrated with the mobile communication function of Compass/GPS/GLONASS/Wi-Fi/Bluetooth/FM through breaking the technologies of baseband and RF integration,low cost and sub-micron design and implement.

mobile terminal,compass chip,40nm low power technology,baseband and RF integration

2015-02-08）