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《電子技術應用》
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核心IP的技術進步加速衛星導航芯片融合創新

2022-10-20
來源:FPGA之家

  0 引言

  衛星導航系統利用衛星信號向用戶提供高精度,高效、安全可靠的定位、導航和授時服務,具有統一、精確、易用、廣泛的獨特優勢。幾十年來,隨著空間技術、無線通訊技術以及大規模集成技術的快速發展,衛星導航系統的發展已經到達了一個新的高度。作為信息化社會基礎的時間空間基準服務,衛星導航系統已深度融入到社會的各行各業中。在社會經濟運行中扮演著越來越重要的角色,產生了十分可觀的經濟效益。

  衛星導航系統由三部分組成:空間星座、地面控制和用戶終端。

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  ·空間星座即衛星持續發射載有導航電文的無線電波,之后由接收機完成信息接收工作。衛星即混合導航星座,包含靜止軌道衛星、地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星。

  ·地面控制包含若干地面站和相關運行管理設施,其主要功能是追蹤衛星的運轉,同時實現對衛星導航系統的控制,地面控制的主要功能是實現對系統狀態的監視,同時開展相關調度工作。

  ·用戶終端包含基礎產品、應用系統和終端設備等內容。其中,基礎產品包含可以兼容其他系統的芯片等。用戶終端的主要功能是以迫蹤坐標、運行速度等方式實現對導航衛星的迫蹤和管理。

  我國具有自主知識產權的GNSS系統-北斗系統,在功能融合、特色服務方面,進行了一系列開創性探索,拓寬了衛星導航領域道路。2000年,北斗一號建成,采用雙星有源無線電測定業務(Radio-Determination Satellite Service,RDSS)體制,創新性地實現定位服務和通信系統融合,其最大特點在于實現定位授時服務的同時,兼具位置報告及短報文通信,投資少、效果明顯。北斗二號、北斗三號先后繼承了這一體制和特色服務,并不斷升級,大幅提高系統容量、降低用戶功耗、提升用戶體驗。2020年,北斗三號衛星導航系統全面完成組網建設部署并正式開通全球服務,在導航與通信融合方面進一步拓展與升級,并依托星間鏈路組成的空間網絡發展多種特色功能。

  我國衛星導航與位置服務產業發展規模

  近年來,北斗衛星導航能力高度聚合,服務能力逐步升級,北斗衛星導航系統的相關產品已經廣泛應用在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信系統、電力調度、救災減災、公共安全、互聯網位置服務等領域,產生了顯著的經濟效益和社會效益?!笆奈濉睍r期,將圍繞我國經濟轉型和社會發展重大需求,以推動北斗規模應用市場化、產業化、國際化為目標。提高北斗產業鏈、供應鏈現代化水平,優化完善產業生態,推動北斗應用深度融入國民經濟發展全局。

  國家發改委4月7日對外公布,經過27年的建設,目前,中國北斗衛星導航產業體系已基本形成。根據中國衛星導航定位協會發布的《2022中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示,2021年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達到4690億元人民幣,較2020年增長16.29%。

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  2006年~2021年我國衛星導航與位置服務產業總體產值(圖片來源于網絡)

  其中,包括與衛星導航技術研發和應用直接相關的芯片、器件、算法、軟件、導航數據、終端設備、基礎設施等在內的產業核心產值同比增長約12.28%,達到1454億元人民幣,在總體產值中占比為31%,增速高于去年。由衛星導航應用和服務所衍生帶動形成的關聯產值同比增長約18.20%,達到3236億元人民幣,在總體產值中占比達到69%。

  我國衛星導航與位置服務產業正全面邁向綜合時空體系建設的新階段。在產品制造方面,國產北斗芯片、模塊等關鍵技術取得突破,支持北斗三號新信號的SoC芯片,在物聯網和消費電子領域得到了廣泛應用;支持雙頻雙模的北斗導航定位芯片完成了各項關鍵性能的驗證,已經進入量產階段,性能再上新臺階。受市場前景吸引,國內北斗衛星導航芯片企業產能不斷釋放。截至2021年底,國產北斗兼容型芯片及模塊銷量已超過2億片,具有北斗定位功能的終端產品社會總保有量超過10億臺/套。

  由于北斗衛星導航芯片下游應用領域不斷拓展,通信、測繪、交通運輸和公共安全等代表性領域發展態勢良好,終端產品的重量、體積等性能要求提升,對上游器件的設計和制造提出更高的要求,促使著朝更?。w積、功耗、成本)、更快(多系統、多頻點)、更準(組合導航)的方向發展。

  合適的工藝、IP可高效提升GNSS芯片的性價比

  GNSS最核心元器件是芯片,包含射頻芯片、基帶芯片及微處理器的芯片組。相關設備通過芯片,可接受由衛星發射的信號,從而完成定位導航的功能,芯片和算法決定了導航產品的定位精度等技術性能指標。

  射頻芯片就是通過固定頻率(即頻點)接收或發射信號,目前有單頻點、雙頻點、多頻點以及多系統多頻點等多種類型,是芯片中成本最大的部分。

  基帶芯片是用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。

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  圖片來源于網絡

  ——工藝

  隨著芯片小型化、低功耗、低成本、射頻基帶一體化等技術的發展,導航芯片組的主流設計工藝已從傳統的 GaAs、BiCMOS 工藝技術轉向CMOS技術。CMOS 工藝具有成本低廉、易于與基帶集成的優點。芯片制造工藝優良與否,決定了芯片體積和功耗的大小。芯片體積越小,意味著集成電路越精細,功耗也越低,當工藝越小,芯片的生產難度也會成倍增長,晶圓(wafer)的價格也更高。

  芯片類型不同,工藝優勢影響也是不同。目前市場上最新的芯片工藝已經下探到7nm和5nm,采用這些工藝都是為了復雜的芯片設計,涉及很大的計算量。雖然導航芯片也在性能、功耗上不斷優化,但導航芯片這類市場單價相對較低的芯片則無需使用高成本的最新工藝。從芯片類型與工藝及成本的匹配考慮,22nm COMS工藝或許是目前更為合適的選擇,該工藝可高效提升芯片的性價比。

  ——IP

  日趨旺盛的市場需求,以及衛星導航IP核與移動通信等領域的廣泛集成,為IC企業帶來了更多的挑戰,同時迎來技術和產業發展的新機遇。為了搶占市場,企業必須按時交付市場需求,縮小設計能力與設計生產力之間的差距,技術團隊需要以更快的速度進行創新迭代。

  集成電路產業的最上游是設計IP,IP本身的產值雖然不是最高,但是其具有極大的附加值和特有的產業生態支柱作用。屬于技術密集型產業,對技術研發實力要求極高,具有技術門檻高、產品附加值高、細分門類眾多等特點。一款成熟的IP可以幫助降低芯片的開發難度、縮短芯片的開發周期并提升芯片的產品性能。IP設計及其復用已成為IC設計不可或缺的關鍵支撐。它決定著最終芯片產品的性價比(面積、功耗、功能...)、市場競爭力、以及其系統創新能力等。根據 WSTS 的數據,設計 IP 銷售額在 2021 年達到 54.5億美元,在 2020 年 16% 之后同比增長 19.4%,這與 2021 年半導體增長 26.2% 同步。預測到 2026 年,整個IP市場將增長到為 110億美元,未來的復合年增長率(2021 年至 2026 年)也將高達 15%。

  高線性、低功耗、多模兼容、完全自主知識產權

  隨著北斗衛星導航行業的發展,北斗衛星導航芯片需求量有望保持快速增長趨勢。國內本土衛星導航芯片企業也將把握市場機遇,在政策扶持下,研發多模多頻、多技術體制、小型化、高集成的高性能北斗衛星導航芯片,并積極擴充產能,加速對進口芯片的替代。

  旋極星源作為中國全球定位系統應用協會常務理事單位、四川省北斗產業聯盟理事單位,自創建以來,始終把創新作為推動企業高質量發展為核心動力。一直秉承著以市場需求為導向,不斷的加大產品研發投入,提高核心技術水平,研發符合市場需求和發展趨勢的新技術、新產品。

  縱深發展衛星導航領域多年,旋極星源推出了一系列基于RDSS和GNSS兩大技術的RF IP產品以及IC產品,工藝節點涵蓋了從180nm到22nm COMS,支持全球四大導航體系,提供高精度、多模多頻段、多通道的射頻收發芯片設計。公司的產品在低功耗物聯網、智能家居家電、衛星導航定位、測量測繪等方面得到了廣泛的應用。

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  ——RDSS

  衛星無線電測定業務是指用戶至衛星的距離測量和位置計算無法由用戶自身獨立完成,必須由外部系統通過用戶的應答來完成。其特點是通過用戶應答,在完成定位的同時,完成了向外部系統的用戶位置報告,還可實現定位與通信的集成,實現在同一系統中的NAVCOMM集成。

  短報文功能是北斗衛星導航系統所具備的獨特優勢,可以實現雙向報文通信,具有更高的傳輸效率。在用戶授權并完成配置工作之后可以開展終端和指揮機之間的信息傳輸,實現點對點的精準通信,打破了時間和距離對通信的限制。北斗短報文通信服務,在交通運輸、農林漁業、氣象預報、水文監測、測繪地理信息、減災救災等各領域均發揮了巨大作用。

  旋極星源推出的北斗RDSS射頻收發芯片,內部完整集成了接收、發射通道和頻率綜合器等模塊,僅需極少的片外元件即可完成北斗信號的收發工作,是目前行業內面積最小、功耗最低、產品性能最優。

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  ——GNSS

  GNSS技術是指通過觀測GNSS衛星獲得坐標系內絕對定位坐標的測量技術。GNSS對于技術和應用多元化的快速發展起了很大作用,這反過來又產生了大量的應用實例。由于性能不斷提高,用戶意識及其潛能不斷增長,GNSS 已成為當代重大跨領域技術發展的基本要素。GNSS接收機從傳統的單一頻率單一模式向多通道多模兼容、聯合定位、低功耗、高線性度方向發展,以滿足室內、林蔭小道、惡劣天氣等復雜自然環境下更穩定、更可靠、更安全的高精度定位和實時導航定位的要求。

  針對GNSS接收機的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化,旋極星源基于業界成熟工藝制程,不斷進行產品升級以及技術突破:

  -成功研發的國內首款高精度導航的GNSS三通道寬帶射頻芯片,已廣泛應用于精細農業、駕照考試、位移監控等。

  -推出了采用130nm COMS工藝的高集成度、多模多頻段、單通道、三通道寬帶GNSS射頻接收機。

  -自主研發了國內唯一的高集成度、多模多頻段五通道、22nm工藝節點的 GNSS Receiver RF IP產品。GNSS接收機可配置為高線性模式和低功耗模式,以滿足多種應用需求。

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  多元化已成為發展趨勢

  全球四大導航系統(GPS、格洛納斯、北斗系統、伽利略系統)和兩大區域系統(QZSS、NAVIC),以及若干星基增強系統(SBAS),已形成多星座、多頻率共存共榮的局面。通過時空基準、信號體制的創新設計,實現了不同系統的兼容互操作和融合處理,共同為人類提供更加優質的PNT服務。

  當前我國衛星導航與位置服務產業正以技術體系創新和應用模式創新為主線,積極推動“北斗+”融合創新和“+北斗”時空應用發展。在推進傳統基礎設施和新型基礎設施建設,打造系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系,打造智能交通、智慧能源、智慧農業及水利、智能制造、智慧教育等數字化應用場景等方面,衛星導航與位置服務產業已發揮出重要的時空賦能作用,加快推動了產業數字化,為我國數字經濟的發展賦予強大的生命力。

  同時,國家綜合定位導航授時(PNT)體系建設工作正在推動實施。按計劃,我國將于2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系,構建覆蓋天地海、基準統一、高精度、高安全、高智能、高彈性、高效益的時空信息服務基礎設施。

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