面向移动通信终端的北斗SOC芯片设计

陈冲 展讯通信（上海）有限公司ASIC部工程师

裴承军展讯通信（上海）有限公司ASIC部高级主管工程师

王鹏展讯通信（上海）有限公司战略部总监

面向移动通信终端的北斗SOC芯片设计

陈冲 展讯通信（上海）有限公司ASIC部工程师

裴承军展讯通信（上海）有限公司ASIC部高级主管工程师

王鹏展讯通信（上海）有限公司战略部总监

以大众消费电子和移动通信领域需求为导向，通过突破基带射频一体化设计、低功耗设计、深亚微米芯片设计与实现技术，展讯研制了一款基于40nm工艺的集成BeiDou/GPS/GLONASS/ Wi-Fi/Bluetooth/FM等移动通信终端功能的SOC芯片。

移动通信终端 北斗芯片 40nm低功耗技术 基带射频一体化

1 引言

全球导航卫星系统GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BeiDou/Compass（北斗）、欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。

卫星导航系统作为当今世界最具发展前景和最具广泛带动性的高科技领域之一，也是国家综合国力、核心竞争力与科技创新能力的重要标志和集中体现。卫星导航应用产业是全球性的高新技术产业，与无线通信、互联网一起成为当今世界发展速度最快的3大信息产业。

我国自主研制的北斗卫星导航系统虽然已正式运行，北斗芯片、模块、板卡及终端等产品的性能也已达到了较高水平，但仍未进入用户规模最大，对性能、功耗、集成度和成本要求最高的民用消费电子和移动通信领域。芯片技术作为卫星导航产业在消费电子领域的核心，由于设备成本以及终端尺寸等限制，消费电子行业内的导航芯片要求低能耗、低价位和小型化。

卫星定位芯片分为独立定位芯片、组合式定位芯片和嵌入式集成定位芯片3类，是移动终端卫星定位应用的核心，是卫星定位在移动通信领域应用的关键。

嵌入式集成定位芯片已成为主流的手机终端定位芯片类型。出于低成本、低功耗、易用性等众多考虑，现在的智能手机芯片集成度越来越高。以高通为代表，定位功能被广泛集成于应用处理器或基带通信芯片中。据ABI Research统计，目前50%以上在销手机中的定位芯片都为嵌入式集成定位芯片，预计到2017年，3/4的手机定位芯片都将为嵌入式集成定位芯片。

2 芯片设计与实现

芯片研发的流程按照时间顺序可分为芯片架构设计及详细设计、FPGA平台验证、前端设计、后端设计、MPW和全掩膜流片验证、量产等阶段。

在芯片架构设计及详细设计中，以消费电子领域的低功耗、低成本需求为出发点，采用40nm工艺并基于ARM处理器的特点和GNSS芯片的指标需求，进行整个芯片的架构设计。在射频前端部分，配合单通道的多模宽带接收机，设计为高速采样的中频接口，可支持单GPS模式、单BeiDou模式、BeiDou+GPS双模接收以及GPS+GLONASS双模接收4种工作模式；在SOC部分，集成了丰富的外围接口，以便满足不同应用场合的需求。

2.1 芯片架构

展讯所研制的基于40nm工艺的多模GNSS嵌入式集成定位芯片采用基带射频一体化设计方案，集成了GNSS射频电路功能与基带处理功能，可实现单系统独立定位和双系统联合定位功能。展讯GNSS芯片架构如图1所示，从功能划分看，本款导航芯片主要由如下功能模块组成：

●嵌入式处理器：负责片上操作系统运行、卫星导航系统运算、外设管理以及功耗管理。

●射频接收系统：负责在一路射频通路接收两路射频导航信号。

图1 多模导航芯片SOC架构

●双模导航基带处理系统：负责同时处理两路导航信号的基带处理。

●总线互联系统：用于片上系统互联。

●片上存储系统：用于片上操作系统运行和导航中间数据存储。

●DMA控制器：用于片上系统数据搬移，用以减轻处理器负担、提高系统运行效率。

外设系统，用于与外围设备进行交互，本系统包括的外设有：

●UART接口：用于和主机进行通讯。

●SPI接口：用于和主机进行通讯。

●闪存接口：用于系统程序扩展。

●I2C接口：用于外界传感器芯片，实现辅助定位功能。

芯片的功耗在移动设备中非常重要，展讯低功耗设计方案主要有以下几点：

●模块动态时钟控制方案：根据芯片工作场景的不同，对不同的模块根据工作次序进行时钟动态开关，以此降低工作功耗。

●动态降频方案：根据系统工作负载情况，动态变化系统工作频率，以此降低工作功耗。

●根据芯片工作场景，对不同的区域进行电源关断设计，使得芯片减少漏电流消耗。

●动态电压调整，降低芯片待机时电压，以此降低芯片待机功耗。

为满足消费电子及移动通信市场对于多功能、低成本、低功耗的需求，展讯设计了可集成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/蓝牙/FM等功能，可以通过内部开关器件共用接收天线，减少PCB面积和BOM成本，以更加适合对面积、功耗和成本要求非常高的消费电子和移动通信市场。集成GNSS/Wi-Fi/Bluetooth/FM等功能的4in1SIP嵌入式集成定位芯片架构如图2所示。

图2 4in1 SIP嵌入式集成定位芯片架构

2.2 射频技术方案

如图3所示，BeiDou/GPS芯片的射频接收部分采用可重构低中频方案，支持Bei Dou、GPS、Bei Dou/ GPS、GPS/GLONASS4种工作模式。片上低噪声放大器采用单端无电感噪声抵消型的电路结构，然后经过电流驱动的无源混频器，该结构可以有效地减小芯片面积和射频系统的噪声系数并提高系统的抗干扰能力。片内低噪声放大器根据是否有片外低噪声放大器进行增益和功耗切换。模拟基带滤波器通过两级可重构巴特沃思滤波器级联实现四阶滤波器。

展讯芯片的射频部分以消费电子领域的低功耗、低成本需求为出发点，因此主要有以下几个特点：

●单个接收机实现多模功能，降低射频功耗和芯片面积。

●片内低噪声放大器根据是否有片外低噪声放大器进行功耗切换，降低芯片功耗。

●整个GNSS只有一个PLL产生时钟信号，有效地减小功耗和芯片面积。

图3 GNSS射频接收机系统框图

●ADC的时钟根据不同定位模式进行切换，减小ADC的功耗。

●支持用TSX代替TCXO，节省片外元器件成本。

2.3 数字基带部分方案

整个数字基带的框架大致可以分为数字前端、捕获引擎、跟踪引擎、存储、RTC和PPS6部分。

数字前端部分主要负责接收并处理模拟前端ADC输出的两路数字中频信号，然后经过混频、滤波抽取后，变为接近零中频的基带信号。这两路零中频信号会直接送入到后续捕获引擎的AEFIFO和跟踪引擎的TEFIFO里面。

捕获引擎部分的功能是完成对AEFIFO里面数据的卫星捕获，完成捕获后，会将结果以链表的形式存储到Memory中并同时产生中断通知软件，然后软件就可以从这个链表里面获取捕获的结果。

接着，软件会控制跟踪引擎开始工作，并从TEFIFO里面乒乓读取Nms的数据，完成后也会把结果以链表的形式进行存储并通知软件。

Viterbi部分负责译码并得到导航信息，PPS部分主要用来对外部的逻辑进行授时，RTC部分主要用来维持本地GNSS时间并在系统掉电恢复后产生粗略的时间估计。处理器通过配置寄存器来与数字基带部分进行交互，并根据伪码和载波频率等观测量信息进行PVT的解算。

如图4所示，展讯导航芯片的数字基带部分具有如下特点：

（1）抗谐波和连续波干扰技术

利用谐波和连续波干扰消除电路，能够提高定位精度和可靠性，提高用户体验。避免了射频前端的ADC由于谐波和连续波干扰饱和，从而无法实现定位或定位结果恶化。它的基本原理是通过FFT检测谐波谱线位置，然后通过带阻滤波器将相应的干扰滤除。

（2）改进的热启动灵敏度

图4 数字基带部分芯片架构

RTC时钟本身的精度及稳定性较差，但由于工作于32K时钟频率下，因此功耗也比较低。针对这种场景，展讯采用RTC校准电路，对休眠前后的RTC进行校准，从而提高了系统启动后的伪随机码相位搜索精度，缩小了捕获和跟踪范围，加快了重捕速度。

（3）低成本的TCXO-LessSynthesis技术

在保留TCXO方案的基础上，针对业界面临的成本及技术难题，展讯创新性提出了一种采用普通DCXO晶体+算法+硬件电路补偿结合的TCXO-Less Synthesis的技术，在不损失性能的前提下，能够大幅降低卫星导航系统对时钟参考源的要求，消减了系统成本，提高了竞争力。

2.4 软件部分方案

软件部分主要由负责基带算法处理与加速器控制的Baseband部分以及负责位置速度等参数解算与卫星信息维护的Navigation部分构成。支持GPS/BeiDou/ GLONASS单模式定位以及GPS/BeiDou或GPS/ GLONASS双模联合定位；同时，为了与移动终端更好地工作，支持如AGPS等网络辅助定位方式；并且，也提供对于MEMS传感器辅助定位的支持。GNSS软件架构如图5所示。

图5 GNSS软件架构

软件部分的关键技术为：省电设计，通过与硬件的配合与代码设计，完成包括动态调频/调压，分场景加速器/时钟开关等控制操作；热启动/网络辅助定位设计，通过与AP协调处理卫星参数/接收机位置/时间信息等数据的储存与使用，在确保功能与性能的同时，完成更加节省芯片内存资源的热启动与网络辅助定位设计。

2.5 40nm工艺技术

芯片的工艺是除了芯片性能之外影响设计的主要因素。半导体芯片的制造技术直接决定了芯片的运行速度、功耗、漏电、成本和技术风险等指标。

如图6所示，制造技术越先进，越容易设计出高主频、低功耗的芯片，大规模量产成本有所下降，但技术风险则有所提高。目前，半导体业界主流的数字逻辑制造技术包括150、90、65/55、40和28nm6种。其中，40和28nm在国内还没有应用到北斗嵌入式集成定位芯片上，展讯则是国内首次采用40nm工艺来设计北斗SOC芯片的。

3 终端应用及未来展望

据美国市场研究公司IDC的数据，2013年全球智能手机出货量超过10亿部，占全球手机总出货量的55%。由于卫星导航定位已成为智能手机的基本和标准配置，因此具备卫星导航定位功能的手机的渗透率也在迅猛增长。根据GSA预测，2010—2020年间，以智能手机、平板等移动终端为载体的位置服务（LBS）市场的卫星导航定位设备累积出货量将占到全球卫星导航定位设备累积出货量的87.11%（见图7）。

随着对LBS的使用越来越频繁，人们对手机终端卫星定位功能、性能的要求也越来越高。目前，基于单一GPS的手机已经逐渐不能满足人们对于提高定位精度、速度，适应城市、峡谷、密林等各种场景的需求。多系统联合定位GPS+Bei Dou+GLONASS模式是未来卫星导航定位终端的发展趋势，利用多系统间的互操作性和相互辅助定位的实现，不同GNSS的联合定位在定位精度、有效性和可靠性（完好性）等方面具有如下优势：

●改善卫星的空间几何分布，提升定位结果的精度，具体如图8所示。

图6 不同工艺下的芯片性能与Leakage功耗对比

图7 2010—2020年全球各类卫星导航设备累计出货量占比预估

●增加可见卫星数目，提升自主完好性检测（RAIM），提高定位结果的可靠性。

●根据实际的外场测试表明，具有北斗功能的接收机相比没有北斗参与定位的接收机，具有更好的首次定位时间（TTFF）和定位精度。

●手机终端北斗定位的推广应用将架起北斗产业与亿万消费者LBS业务需求的桥梁，释放广阔的市场空间和创新空间。还将带动一系列消费电子类产品中北斗定位功能的普及，包括数码产品、可穿戴设备等，进而全面提升我国北斗产业的科技创新力、市场竞争力。

综合以上分析，根据当前及未来几年的产业现状来看，要实现2016年北斗应用终端数量千万量级的规划，推动智能手机全面支持北斗功能，将北斗定位作为国内市场手机终端产品入网的必选或者推荐配置成为主要的突破口。

北斗的高精度应用主要是基于北斗地基增强系统，此系统通过统筹整合区域北斗CORS（连续运行参考站系统）网，形成覆盖全国的北斗CORS网。播发的北斗增强定位信息，提供优于m级，甚至达到cm级的导航定位服务，还将为重点区域和特定场所实现室内外无缝定位服务覆盖提供基础支撑，并且解决北斗到用户最后1km的问题，从而为用户提供不同于GPS的差异化服务，这对于我国北斗导航与位置服务产业的发展具有重要意义。

图8 有无北斗功能的可见卫星数目和PDOP的对比

4 结束语

本文对全球卫星导航定位市场的规模和现状进行了阐述，简述了展讯基于40nm工艺的GNSS芯片设计流程、SOC架构、射频、数字基带和软件部分、低功耗方案。最后，对北斗在移动终端应用的现状和必要性进行了分析，并对北斗高精度定位的前景进行了分析和展望。

1 刘思扬,杜滢.移动通信产业助推北斗产业化.中国信息产业网.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）