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(jí)主管工程師

王鵬展訊通信（上海）有限公司戰(zhàn)略部總監(jiān)

面向移動(dòng)通信終端的北斗SOC芯片設(shè)計(jì)

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(jí)主管工程師

王鵬展訊通信（上海）有限公司戰(zhàn)略部總監(jiān)

以大眾消費(fèi)電子和移動(dòng)通信領(lǐng)域需求為導(dǎo)向，通過(guò)突破基帶射頻一體化設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、深亞微米芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，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(dòng)通信終端功能的SOC芯片。

移動(dòng)通信終端 北斗芯片 40nm低功耗技術(shù) 基帶射頻一體化

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫。目前，GNSS包含了美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的BeiDou/Compass（北斗）、歐盟的Galileo系統(tǒng)，可用的衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到100顆以上。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為當(dāng)今世界最具發(fā)展前景和最具廣泛帶動(dòng)性的高科技領(lǐng)域之一，也是國(guó)家綜合國(guó)力、核心競(jìng)爭(zhēng)力與科技創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志和集中體現(xiàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)是全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，與無(wú)線通信、互聯(lián)網(wǎng)一起成為當(dāng)今世界發(fā)展速度最快的3大信息產(chǎn)業(yè)。

我國(guó)自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然已正式運(yùn)行，北斗芯片、模塊、板卡及終端等產(chǎn)品的性能也已達(dá)到了較高水平，但仍未進(jìn)入用戶規(guī)模最大，對(duì)性能、功耗、集成度和成本要求最高的民用消費(fèi)電子和移動(dòng)通信領(lǐng)域。芯片技術(shù)作為衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)在消費(fèi)電子領(lǐng)域的核心，由于設(shè)備成本以及終端尺寸等限制，消費(fèi)電子行業(yè)內(nèi)的導(dǎo)航芯片要求低能耗、低價(jià)位和小型化。

衛(wèi)星定位芯片分為獨(dú)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(dòng)終端衛(wèi)星定位應(yīng)用的核心，是衛(wèi)星定位在移動(dòng)通信領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

嵌入式集成定位芯片已成為主流的手機(jī)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(xiàn)在的智能手機(jī)芯片集成度越來(lái)越高。以高通為代表，定位功能被廣泛集成于應(yīng)用處理器或基帶通信芯片中。據(jù)ABI Research統(tǒng)計(jì)，目前50%以上在銷手機(jī)中的定位芯片都為嵌入式集成定位芯片，預(yù)計(jì)到2017年，3/4的手機(jī)定位芯片都將為嵌入式集成定位芯片。

2 芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

芯片研發(fā)的流程按照時(shí)間順序可分為芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)、FPGA平臺(tái)驗(yàn)證、前端設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)、MPW和全掩膜流片驗(yàn)證、量產(chǎn)等階段。

在芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)中，以消費(fèi)電子領(lǐng)域的低功耗、低成本需求為出發(fā)點(diǎn)，采用40nm工藝并基于ARM處理器的特點(diǎn)和GNSS芯片的指標(biāo)需求，進(jìn)行整個(gè)芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在射頻前端部分，配合單通道的多模寬帶接收機(jī)，設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)合的需求。

2.1 芯片架構(gòu)

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(shè)計(jì)方案，集成了GNSS射頻電路功能與基帶處理功能，可實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)獨(dú)立定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位功能。展訊GNSS芯片架構(gòu)如圖1所示，從功能劃分看，本款導(dǎo)航芯片主要由如下功能模塊組成：

●嵌入式處理器：負(fù)責(zé)片上操作系統(tǒng)運(yùn)行、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)算、外設(shè)管理以及功耗管理。

●射頻接收系統(tǒng)：負(fù)責(zé)在一路射頻通路接收兩路射頻導(dǎo)航信號(hào)。

圖1 多模導(dǎo)航芯片SOC架構(gòu)

●雙模導(dǎo)航基帶處理系統(tǒng)：負(fù)責(zé)同時(shí)處理兩路導(dǎo)航信號(hào)的基帶處理。

●總線互聯(lián)系統(tǒng)：用于片上系統(tǒng)互聯(lián)。

●片上存儲(chǔ)系統(tǒng)：用于片上操作系統(tǒng)運(yùn)行和導(dǎo)航中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

●DMA控制器：用于片上系統(tǒng)數(shù)據(jù)搬移，用以減輕處理器負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

外設(shè)系統(tǒng)，用于與外圍設(shè)備進(jìn)行交互，本系統(tǒng)包括的外設(shè)有：

●UART接口：用于和主機(jī)進(jìn)行通訊。

●SPI接口：用于和主機(jī)進(jìn)行通訊。

●閃存接口：用于系統(tǒng)程序擴(kuò)展。

●I2C接口：用于外界傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)輔助定位功能。

芯片的功耗在移動(dòng)設(shè)備中非常重要，展訊低功耗設(shè)計(jì)方案主要有以下幾點(diǎn)：

●模塊動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制方案：根據(jù)芯片工作場(chǎng)景的不同，對(duì)不同的模塊根據(jù)工作次序進(jìn)行時(shí)鐘動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，以此降低工作功耗。

●動(dòng)態(tài)降頻方案：根據(jù)系統(tǒng)工作負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)工作頻率，以此降低工作功耗。

●根據(jù)芯片工作場(chǎng)景，對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行電源關(guān)斷設(shè)計(jì)，使得芯片減少漏電流消耗。

●動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整，降低芯片待機(jī)時(shí)電壓，以此降低芯片待機(jī)功耗。

為滿足消費(fèi)電子及移動(dòng)通信市場(chǎng)對(duì)于多功能、低成本、低功耗的需求，展訊設(shè)計(jì)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(lán)牙/FM等功能，可以通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件共用接收天線，減少PCB面積和BOM成本，以更加適合對(duì)面積、功耗和成本要求非常高的消費(fèi)電子和移動(dòng)通信市場(chǎng)。集成GNSS/Wi-Fi/Bluetooth/FM等功能的4in1SIP嵌入式集成定位芯片架構(gòu)如圖2所示。

圖2 4in1 SIP嵌入式集成定位芯片架構(gòu)

2.2 射頻技術(shù)方案

如圖3所示，BeiDou/GPS芯片的射頻接收部分采用可重構(gòu)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(wú)電感噪聲抵消型的電路結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過(guò)電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)源混頻器，該結(jié)構(gòu)可以有效地減小芯片面積和射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)并提高系統(tǒng)的抗干擾能力。片內(nèi)低噪聲放大器根據(jù)是否有片外低噪聲放大器進(jìn)行增益和功耗切換。模擬基帶濾波器通過(guò)兩級(jí)可重構(gòu)巴特沃思濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階濾波器。

展訊芯片的射頻部分以消費(fèi)電子領(lǐng)域的低功耗、低成本需求為出發(fā)點(diǎn)，因此主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

●單個(gè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多模功能，降低射頻功耗和芯片面積。

●片內(nèi)低噪聲放大器根據(jù)是否有片外低噪聲放大器進(jìn)行功耗切換，降低芯片功耗。

●整個(gè)GNSS只有一個(gè)PLL產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，有效地減小功耗和芯片面積。

圖3 GNSS射頻接收機(jī)系統(tǒng)框圖

●ADC的時(shí)鐘根據(jù)不同定位模式進(jìn)行切換，減小ADC的功耗。

●支持用TSX代替TCXO，節(jié)省片外元器件成本。

2.3 數(shù)字基帶部分方案

整個(gè)數(shù)字基帶的框架大致可以分為數(shù)字前端、捕獲引擎、跟蹤引擎、存儲(chǔ)、RTC和PPS6部分。

數(shù)字前端部分主要負(fù)責(zé)接收并處理模擬前端ADC輸出的兩路數(shù)字中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)混頻、濾波抽取后，變?yōu)榻咏阒蓄l的基帶信號(hào)。這兩路零中頻信號(hào)會(huì)直接送入到后續(xù)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(duì)AEFIFO里面數(shù)據(jù)的衛(wèi)星捕獲，完成捕獲后，會(huì)將結(jié)果以鏈表的形式存儲(chǔ)到Memory中并同時(shí)產(chǎn)生中斷通知軟件，然后軟件就可以從這個(gè)鏈表里面獲取捕獲的結(jié)果。

接著，軟件會(huì)控制跟蹤引擎開(kāi)始工作，并從TEFIFO里面乒乓讀取Nms的數(shù)據(jù)，完成后也會(huì)把結(jié)果以鏈表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)并通知軟件。

Viterbi部分負(fù)責(zé)譯碼并得到導(dǎo)航信息，PPS部分主要用來(lái)對(duì)外部的邏輯進(jìn)行授時(shí)，RTC部分主要用來(lái)維持本地GNSS時(shí)間并在系統(tǒng)掉電恢復(fù)后產(chǎn)生粗略的時(shí)間估計(jì)。處理器通過(guò)配置寄存器來(lái)與數(shù)字基帶部分進(jìn)行交互，并根據(jù)偽碼和載波頻率等觀測(cè)量信息進(jìn)行PVT的解算。

如圖4所示，展訊導(dǎo)航芯片的數(shù)字基帶部分具有如下特點(diǎn)：

（1）抗諧波和連續(xù)波干擾技術(shù)

利用諧波和連續(xù)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(yàn)。避免了射頻前端的ADC由于諧波和連續(xù)波干擾飽和，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位或定位結(jié)果惡化。它的基本原理是通過(guò)FFT檢測(cè)諧波譜線位置，然后通過(guò)帶阻濾波器將相應(yīng)的干擾濾除。

（2）改進(jìn)的熱啟動(dòng)靈敏度

圖4 數(shù)字基帶部分芯片架構(gòu)

RTC時(shí)鐘本身的精度及穩(wěn)定性較差，但由于工作于32K時(shí)鐘頻率下，因此功耗也比較低。針對(duì)這種場(chǎng)景，展訊采用RTC校準(zhǔn)電路，對(duì)休眠前后的RTC進(jìn)行校準(zhǔn)，從而提高了系統(tǒng)啟動(dòng)后的偽隨機(jī)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(shù)

在保留TCXO方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)業(yè)界面臨的成本及技術(shù)難題，展訊創(chuàng)新性提出了一種采用普通DCXO晶體+算法+硬件電路補(bǔ)償結(jié)合的TCXO-Less Synthesis的技術(shù)，在不損失性能的前提下，能夠大幅降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘參考源的要求，消減了系統(tǒng)成本，提高了競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4 軟件部分方案

軟件部分主要由負(fù)責(zé)基帶算法處理與加速器控制的Baseband部分以及負(fù)責(zé)位置速度等參數(shù)解算與衛(wèi)星信息維護(hù)的Navigation部分構(gòu)成。支持GPS/BeiDou/ GLONASS單模式定位以及GPS/BeiDou或GPS/ GLONASS雙模聯(lián)合定位；同時(shí)，為了與移動(dòng)終端更好地工作，支持如AGPS等網(wǎng)絡(luò)輔助定位方式；并且，也提供對(duì)于MEMS傳感器輔助定位的支持。GNSS軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 GNSS軟件架構(gòu)

軟件部分的關(guān)鍵技術(shù)為：省電設(shè)計(jì)，通過(guò)與硬件的配合與代碼設(shè)計(jì)，完成包括動(dòng)態(tài)調(diào)頻/調(diào)壓，分場(chǎng)景加速器/時(shí)鐘開(kāi)關(guān)等控制操作；熱啟動(dòng)/網(wǎng)絡(luò)輔助定位設(shè)計(jì)，通過(guò)與AP協(xié)調(diào)處理衛(wèi)星參數(shù)/接收機(jī)位置/時(shí)間信息等數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與使用，在確保功能與性能的同時(shí)，完成更加節(jié)省芯片內(nèi)存資源的熱啟動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)輔助定位設(shè)計(jì)。

2.5 40nm工藝技術(shù)

芯片的工藝是除了芯片性能之外影響設(shè)計(jì)的主要因素。半導(dǎo)體芯片的制造技術(shù)直接決定了芯片的運(yùn)行速度、功耗、漏電、成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)。

如圖6所示，制造技術(shù)越先進(jìn)，越容易設(shè)計(jì)出高主頻、低功耗的芯片，大規(guī)模量產(chǎn)成本有所下降，但技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)則有所提高。目前，半導(dǎo)體業(yè)界主流的數(shù)字邏輯制造技術(shù)包括150、90、65/55、40和28nm6種。其中，40和28nm在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用到北斗嵌入式集成定位芯片上，展訊則是國(guó)內(nèi)首次采用40nm工藝來(lái)設(shè)計(jì)北斗SOC芯片的。

3 終端應(yīng)用及未來(lái)展望

據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究公司IDC的數(shù)據(jù)，2013年全球智能手機(jī)出貨量超過(guò)10億部，占全球手機(jī)總出貨量的55%。由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位已成為智能手機(jī)的基本和標(biāo)準(zhǔn)配置，因此具備衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的手機(jī)的滲透率也在迅猛增長(zhǎng)。根據(jù)GSA預(yù)測(cè)，2010—2020年間，以智能手機(jī)、平板等移動(dòng)終端為載體的位置服務(wù)（LBS）市場(chǎng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備累積出貨量將占到全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備累積出貨量的87.11%（見(jiàn)圖7）。

隨著對(duì)LBS的使用越來(lái)越頻繁，人們對(duì)手機(jī)終端衛(wèi)星定位功能、性能的要求也越來(lái)越高。目前，基于單一GPS的手機(jī)已經(jīng)逐漸不能滿足人們對(duì)于提高定位精度、速度，適應(yīng)城市、峽谷、密林等各種場(chǎng)景的需求。多系統(tǒng)聯(lián)合定位GPS+Bei Dou+GLONASS模式是未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端的發(fā)展趨勢(shì)，利用多系統(tǒng)間的互操作性和相互輔助定位的實(shí)現(xiàn)，不同GNSS的聯(lián)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(yōu)勢(shì)：

●改善衛(wèi)星的空間幾何分布，提升定位結(jié)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(duì)比

圖7 2010—2020年全球各類衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備累計(jì)出貨量占比預(yù)估

●增加可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目，提升自主完好性檢測(cè)（RAIM），提高定位結(jié)果的可靠性。

●根據(jù)實(shí)際的外場(chǎng)測(cè)試表明，具有北斗功能的接收機(jī)相比沒(méi)有北斗參與定位的接收機(jī)，具有更好的首次定位時(shí)間（TTFF）和定位精度。

●手機(jī)終端北斗定位的推廣應(yīng)用將架起北斗產(chǎn)業(yè)與億萬(wàn)消費(fèi)者LBS業(yè)務(wù)需求的橋梁，釋放廣闊的市場(chǎng)空間和創(chuàng)新空間。還將帶動(dòng)一系列消費(fèi)電子類產(chǎn)品中北斗定位功能的普及，包括數(shù)碼產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備等，進(jìn)而全面提升我國(guó)北斗產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新力、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

綜合以上分析，根據(jù)當(dāng)前及未來(lái)幾年的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)2016年北斗應(yīng)用終端數(shù)量千萬(wàn)量級(jí)的規(guī)劃，推動(dòng)智能手機(jī)全面支持北斗功能，將北斗定位作為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)手機(jī)終端產(chǎn)品入網(wǎng)的必選或者推薦配置成為主要的突破口。

北斗的高精度應(yīng)用主要是基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)籌整合區(qū)域北斗CORS（連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)）網(wǎng)，形成覆蓋全國(guó)的北斗CORS網(wǎng)。播發(fā)的北斗增強(qiáng)定位信息，提供優(yōu)于m級(jí)，甚至達(dá)到cm級(jí)的導(dǎo)航定位服務(wù)，還將為重點(diǎn)區(qū)域和特定場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位服務(wù)覆蓋提供基礎(chǔ)支撐，并且解決北斗到用戶最后1km的問(wèn)題，從而為用戶提供不同于GPS的差異化服務(wù)，這對(duì)于我國(guó)北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

圖8 有無(wú)北斗功能的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目和PDOP的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位市場(chǎng)的規(guī)模和現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，簡(jiǎn)述了展訊基于40nm工藝的GNSS芯片設(shè)計(jì)流程、SOC架構(gòu)、射頻、數(shù)字基帶和軟件部分、低功耗方案。最后，對(duì)北斗在移動(dòng)終端應(yīng)用的現(xiàn)狀和必要性進(jìn)行了分析，并對(duì)北斗高精度定位的前景進(jìn)行了分析和展望。

1 劉思揚(yáng),杜瀅.移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)助推北斗產(chǎn)業(yè)化.中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng).2014,2

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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）