见“芯”知著，浅析北斗芯片关键技术

作为高端制造业的“皇冠明珠”,芯片是衡量一个国家综合实力的重要标志之一,是信息产业的核心与基石。核心芯片不仅为国家信息产业和经济发展带来高额的利润,同时也通过产业带动效应成百上千倍的产值放大作用,强力推动整个产业的高速发展。只有掌握芯片的核心关键技术,特别是高端产品的领先技术,才能使我国的信息产业占据全世界范围内的产业链制高点,更进一步支撑我国信息产业发展的国家战略。北斗芯片对于保障我国时空信息安全也起着举足轻重的作用,同时也是国家科技创新战略的重要支柱。只有依托自主可控的、先进北斗芯片,才能从北斗产业链源头摆脱国外厂商长期技术壁垒、垄断,受制于人的局面,才能彻底解决我国北斗应用和时空信息安全面临的挑战。对于物联网、车联网、智能驾驶、共享单车、智慧交通、智慧基建、智慧物流等等一系列新兴智能产业来讲,北斗芯片提供的北斗高精度定位和授时服务就是构建这些应用大厦的“沙子和水泥”,是不可或缺的基础,只有构建在自主可控的时空信息地基之上,各类新兴智能产业应用和发展才可能稳固、安全。

北斗芯片在结构上主要包括GNSS射频接收机、GNSS基带信号处理器、微处理器、电源管理、内存和控制单元、存储器、外围接口电路等部分。由于芯片设计复杂,特别是射频和基带一体化SoC芯片的设计复杂度更加高。设计能力的差异,直接影响芯片性能、灵敏度、功耗、尺寸、成本等多个方面,进而也极大地影响着导航定位终端产品的核心竞争力。从目前华大北斗最新发布的第四代北斗芯片结构图上(见下图),我们可以较清晰的看到,芯片高集成度设计、性能强化设计、多维度功耗控制设计等已成为北斗芯片技术研发的重点。

关键技术之:SoC高集成度设计

SoC(System on Chip)芯片称为系统级芯片,也称片上系统,包含了芯片完整硬件系统和嵌入式软件系统的全部内容,是当下主流芯片企业的主研方向。SoC也是一种设计理念,就是将各个可以集成在一起的模块集成到一个芯片上,包含了射频、基带、电源管理、嵌入式存储、接口等多项技术。SoC芯片的提出,是相对于过去SIP芯片(System In a Package系统级封装,将多种功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。)而言的。由于通过一颗芯片实现SIP多颗芯片的所有功能,因此SoC芯片在尺寸、功耗、成本等方面较SIP芯片具有较大优势。

从上图我们也可以清晰的看到华大北斗最新发布的第四代北斗芯片与其以往系列芯片一样,继续采用了SoC芯片架构。在单一芯片上集成了两个微处理器、射频单元、数字基带单元、存储器、电源管理单元、外围接口等,具备集成度高、功能强、功耗低、尺寸小等优点,进一步提高了产品的竞争力。其设计难点在于:要通过复杂的设计,来避免各个模块互相影响,保证各个模块配合工作时可以发挥出最佳性能。

随着SoC高集成度设计技术的提升,国产北斗芯片尺寸将进一步缩小。随着芯片物理尺寸的缩小,也意味着芯片的物理成本同步下降,这将为国产北斗芯片参与国际竞争,支持北斗系统全球规模化应用起到关键的基础支撑作用。

关键技术之:性能强化设计

多系统多频组合定位能力

多系统多频组合定位技术需要芯片在兼容北斗(中国)、GPS(美国)、GLONASS(俄罗斯)、GALILEO(欧洲)、QZSS(日本)、NavIC(印度)多个导航卫星系统的同时,还需要能够实现L1、L2、L5、L6多个频点卫星信号的接收和组合定位。从而最大限度地利用卫星信号资源,提升定位性能。

单北斗定位和北斗优先定位能力

芯片要支持北斗三号新一代的B1I, B1C, B2I, B3I, B2a以及B2b信号,更好地支持单北斗定位时间及定位精度要求。在算法设计方面,还需要优先捕获北斗卫星进行定位,并且选用北斗卫星系统作为主系统,其他卫星系统作为从系统。进而真正实现北斗独立工作或优先工作的可靠性和安全性。华大北斗最新发布的第四代北斗芯片也继续强化了对单北斗定位和北斗优先定位能力的支持。

抗干扰能力

北斗芯片工作中会遇到各种干扰信号,这就需要芯片可以实时地检测干扰信号频率,并自动滤除干扰信号,从而避免干扰信号对芯片导航定位功能产生影响。

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实现通常需要处理器具有很高的运算速度和很大的存储空间。而对于规模化应用的北斗芯片,功耗和成本限制了实现高精度算法能够使用的计算和存储资源,实现起来非常困难。在有限的芯片内存容量及处理器工作频率限制下,实现芯片级嵌入式地基增强和星基增强高精度定位算法,对国产北斗芯片的研发提出了更具挑战性的要求。华大北斗最新发布的第四代北斗芯片在支持高精度卫星定位算法的同时,还支持卫星与惯性导航组合导航定位算法,这就使芯片的适用场景更广泛,定位可靠性得到进一步提升。

在线星历采集和离线星历预估能力

卫星的星历数据是导航定位的基础数据,但在弱信号环境下芯片从卫星获取导航电文的时间变长,这时就需要星历存储功能,该功能将定位所需的导航卫星电文信息快速的提供给定位芯片,使芯片下次冷启动时能快速获取到导航电文信息,从而缩短冷启动时间,做到快速定位。在线星历采集技术和离线星历预估技术是解决上述问题的关键。这项能力一直以来也都是华大北斗芯片的特色之一。

“信源级”安全北斗能力

北斗导航定位信息是行业应用信息融合的关键之一,其真实性和保密性是行业应用安全可靠的先决条件,如何确保信息在传输链路中不被窃取和篡改成为行业应用的刚需。在北斗芯片内部设计硬件加密单元,实现“信源级”位置信息加密输出将是解决这一隐患的关键,并将为基于位置信息的行业应用提供底层安全支撑。

关键技术之:多维度功耗控制设计

北斗芯片功耗直接影响终端的待机和使用时间,特别对主要以电池供电的移动终端更是如此。为了进一步减低北斗芯片功耗,北斗芯片在设计过程中需要充分评估所有影响功耗的设计点,通过多维度的优化设计,将芯片功耗尽量降低。依然以华大北斗最新发布的第四代北斗芯片为例,由于其采用了多维度功耗控制设计,功耗较上一代产品下降了50%左右,得到了极大的优化。

射频电路的功耗优化设计

采用只需一个低噪声放大器和一个锁相环即可实现双频段信号同时接收的射频架构,可以大幅降低芯片射频接收机的功耗。同时针对不同系统不同频带信号对接收机的带宽和功率动态配置,实现信号接收质量和功耗的最佳均衡。通过结构和电路的精细优化设计,使接收机总体功耗降到最低。

极低待机功耗设计

采用具有极低漏电功耗的厚栅氧晶体管设计待机唤醒电路,同时设计具有极低功耗的晶体震荡器电路,保证在极低功耗待机状态下也可定时唤醒芯片。在待机状态下,芯片的整体待机功耗小于2uA,可达到业界主流低功耗MCU芯片的待机功耗性能。

动态频率调整技术

按照处理器的工作负荷来动态调整处理器工作频率和电压可以线性减少处理器部分的动态功耗。有高性能需求时,可提高数字时钟频率以充分发挥处理器能力,此时动态电压频率调整电路会自动将数字逻辑和存储器的工作电压提高,保证数字逻辑电路有足够的工作速度。无高性能需求时,可降低数字时钟以节省功耗,此时动态电压频率调整电路又会自动将数字逻辑和存储器的工作电压降低,这样就进一步节省了数字电路的功耗。

优化电源管理策略

为了达到系统更低功耗的目标,芯片可采用多电源域设计。在不同需求下,芯片可以通过开关不同电源域的电源,进入到不同的电源模式,实现降低功耗的目的。按照功耗依次降低的顺序,芯片的电源模式可以分为:正常工作模式(System Run Mode),睡眠模式(Sleep Mode),深度睡眠模式(Deep Sleep Mode),待机模式(Standby Mode)。

DC-DC电源集成设计

在北斗芯片设计中集成高效率的DC-DC(开关电源)模块,满足在轻、重负载电流情况下的高效电源转换。内置的DC-DC转换器,不仅节约了芯片外围元器件的成本,同时芯片可以更方便的根据自身的需要对开关电源进行控制,进而实现降低功耗的目的。

北斗芯片作为北斗产业的基础关键一环,上述诸多关键核心技术仅是略见一斑。还有更多关键技术需要国产北斗芯片厂商突破和提升,以争取全球市场竞争力。这些技术的创新设计方法对于芯片功能和性能的提升、成本的降低都将发挥重要作用。以华大北斗为代表的国内北斗GNSS卫星导航定位芯片企业,一直将北斗芯片核心技术研发作为重中之重和发展的基石。面对国际技术垄断和“卡脖子”的威胁,也只有通过自主创新才能有所突破,才有可能在竞争激烈的全球市场上让中国北斗“芯”拥有一席之地。见“芯”知著,“十四五”已进入下半场,北斗规模应用也已进入市场化、产业化、国际化发展的关键阶段。我们凝科技创新之力,为中国北斗造“芯”。

http://science.china.com.cn/2023-06/09/content_42403076.htm