北斗系统芯片，见“芯”知著，浅析北斗芯片关键技术

很多朋友对北斗系统芯片，见“芯”知著，浅析北斗芯片关键技术不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

芯片作为高端制造业的“皇冠上的明珠”，是衡量一个国家综合实力的重要标志之一，是信息产业的核心和基石。核心芯片不仅为国家信息产业和经济发展带来高额利润，而且通过产业带动效应，通过产值上百倍的放大，有力推动整个产业的快速发展。

中国信息产业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，才能在全球占据产业链制高点，进一步支撑中国信息产业发展的国家战略。北斗芯片在保障我国时空信息安全方面也发挥着重要作用，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上摆脱国外厂商长期的技术壁垒和垄断，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。

物联网、车联网、智能驾驶、自行车共享、智能交通、智能基础设施、智能物流等一系列新兴智能产业。北斗芯片提供的北斗高精度定位授时服务，就是建设这些应用大厦的“沙子和水泥”，是不可或缺的基础。只有建立在自主可控的时空信息基础上，各种新兴智能产业的应用和发展才能稳定安全。

北斗芯片主要包括GNSS射频接收机、GNSS基带信号处理器、微处理器、电源管理、存储与控制单元、存储器、外围接口电路等。由于芯片设计的复杂性，特别是集成射频和基带的SoC芯片的设计复杂度更高。设计能力的差异直接影响芯片性能、灵敏度、功耗、尺寸、成本等各个方面，进而极大影响导航定位终端产品的核心竞争力。

从华大北斗近期发布的第四代北斗芯片结构图(见下图)中，我们可以清晰地看到，芯片的高集成度、性能增强、多维度功耗控制等设计已经成为北斗芯片技术研发的重点。

关键技术之一：SoC的高集成度设计

SoC(System on Chip)芯片全称为system on a chip，又称片上系统，包含了芯片完整的硬件系统和嵌入式软件系统的所有内容，是目前主流芯片企业的主要研究方向。SoC也是一个设计概念，将所有可以集成的模块集成到一个芯片上，包括射频、基带、电源管理、嵌入式存储、接口等多项技术。

与以往的系统级封装(system-in-a-package)封装相比，SoC芯片将多个功能芯片集成在一个封装中，从而实现了基本完整的功能。).由于SIP芯片的所有功能都在一个芯片上实现，SoC芯片在尺寸、功耗、成本上比SIP芯片有很大的优势。

从上图我们可以清楚的看到，华大北斗最新发布的第四代北斗芯片，和其之前的系列芯片一样，继续采用SoC芯片架构。将两个微处理器、射频单元、数字基带单元、存储器、电源管理单元和外设接口集成在一个芯片上，具有集成度高、功能强、功耗低、体积小的优点，进一步提高了产品的竞争力。

设计难点在于：通过复杂的设计避免各个模块的相互影响，保证各个模块协同工作时发挥最佳性能。

随着SoC高集成度设计技术的提高，国产北斗芯片的尺寸将进一步缩小。随着芯片物理尺寸的缩小，也意味着芯片的物理成本同步降低，这对于支持国产北斗芯片参与国际竞争，支撑北斗系统的全球大规模应用将起到关键作用。关键技术之一：性能增强设计，多系统多频联合定位能力

多系统多频综合定位技术要求芯片兼容北斗(中国)、GPS(美国)、GLONASS(俄罗斯)、伽利略(欧洲)、QZSS(日本)、NavIC(印度)，同时需要能够实现L1、L2、L: 从而最大限度地利用卫星信号资源，提高定位性能。单北斗定位和北斗优先定位能力

芯片应支持北斗三号新一代B1I、B1C、B2I、B3I、B2a、B2b信号，更好地支持单颗北斗的定位时间和定位精度要求。在算法设计方面，需要先捕获北斗卫星进行定位，选择北斗卫星系统作为主系统，其他卫星系统作为从系统。从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加强对单颗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在工作中会遇到各种干扰信号，这就要求芯片实时检测干扰信号的频率，自动滤除干扰信号，从而避免干扰信号影响芯片的导航定位功能。嵌入式高精度定位算法的能力

北斗芯片嵌入式高精度定位算法的实现通常要求处理器具有较高的运算速度和较大的存储空间。但对于北斗芯片的大规模应用，功耗和成本限制了可用于实现高精度算法的计算和存储资源，实现难度很大。在芯片存储容量和处理器工作频率有限的限制下，实现芯片级嵌入式地基和星基增强型高精度定位算法对国产北斗芯片的发展更具挑战性。

华大北斗新发布的第四代北斗芯片不仅支持高精度卫星定位算法，还支持卫星和惯性导航的组合导航定位算法，使芯片的应用更加广泛，定位可靠性进一步提高。

在线星历获取和离线星历预测能力

卫星星历数据是导航定位的基础数据，但芯片在弱信号环境下获取卫星的导航电文需要较长时间。这时就需要星历存储功能，可以快速向定位芯片提供定位所需的导航卫星电文信息，使芯片在下一次冷启动时快速获取导航电文信息，从而缩短冷启动时间，实现快速定位。在线星历获取技术和离线星历预测技术是解决上述问题的关键。

这种能力一直是华大北斗芯片的特色之一。

“源级”安全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前提。如何保证信息在传输环节不被窃取和篡改，已经成为工业应用的迫切需求。在北斗芯片中设计一个硬件加密单元，实现“源级”位置信息的加密输出，将是解决这一隐患的关键，并将为基于位置信息的工业应用提供底层安全支撑。关键技术之一：多维电源控制设计

北斗芯片的功耗直接影响终端的待机和使用时间，特别是对于以电池供电为主的移动终端。为了进一步降低北斗芯片的功耗，需要在北斗芯片的设计过程中，充分评估所有影响功耗的设计点，通过多维度的优化设计，尽可能降低芯片的功耗。以华大北斗新发布的第四代北斗芯片为例。由于其多维度的功率控制设计，功耗较上一代降低了50%左右，并进行了大幅优化。

射频电路的功耗优化设计采用只需要一个低噪声放大器和一个锁相环的射频架构，实现双频信号的同时接收，可以大大降低芯片射频接收机的功耗。同时，针对不同系统、不同频段的信号，动态配置接收机的带宽和功率，以达到信号接收质量和功耗的最佳平衡。通过结构和电路的精细优化设计，使接收机的整体功耗最小化。极低待机功耗的设计

采用泄漏功耗极低的厚栅氧化层晶体管设计待机唤醒电路，还设计了功耗极低的晶振电路，保证芯片在待机状态下能以极低的功耗定时唤醒。待机状态下，芯片整体待机功耗小于2uA，可以达到业界主流低功耗MCU芯片的待机功耗性能。动态频率调节技术

根据处理器的工作负载动态调整处理器的工作频率和电压，可以线性降低处理器的动态功耗。当需要高性能时，可以提高数字时钟频率，以充分发挥处理器的能力。此时动态压频调整电路会自动提高数字逻辑和存储器的工作电压，保证数字逻辑电路有足够的工作速度。

当没有高性能要求时，可以降低数字时钟以节省功率。此时，动态压频调整电路会自动降低数字逻辑和存储器的工作电压，从而进一步节省数字电路的功耗。

优化电源管理策略为了达到降低系统功耗的目的，芯片可以设计成多个电源域。在不同的要求下，芯片可以切换不同电源域的电源，进入不同的电源模式，达到降低功耗的目的。按照功耗递减的顺序，芯片的功耗模式可以分为：系统运行模式、睡眠模式、深度睡眠模式和待机模式。DC-DC供电一体化设计

在北斗芯片的设计中集成了高效率的DC-DC(开关电源)模块，以满足轻、大负载电流下的高效率功率转换。内置的DC-DC转换器不仅节省了芯片外围元器件的成本，也使得芯片更容易根据自身需要控制开关电源，从而达到降低功耗的目的。

北斗芯片是北斗产业的关键一环，上述关键核心技术只是惊鸿一瞥。还有更多关键技术需要国产北斗芯片厂商突破和升级，才能在全球市场竞争。这些技术的创新设计方法将对提高芯片的功能和性能、降低成本起到重要作用。以华大北斗为代表的国内北斗GNSS卫星导航定位芯片企业，一直把北斗芯片的核心技术研发作为重中之重，作为发展的基石。

面对国际技术垄断和“瓶颈”的威胁，只有通过自主创新才能有所突破，才能让中国北斗“芯”在激烈的全球市场中占有一席之地。看到核心，我们知道“十四五”已经进入下半场，北斗的大规模应用也进入了市场化、产业化、国际化的关键阶段。我们潜心科技创新，打造中国北斗“芯”。审核编辑黄宇

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