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核心IP的技术进步加速卫星导航芯片融合创新

2022-10-20
来源:FPGA之家

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  卫星导航系统利用卫星信号向用户提供高精度,高效、安全可靠的定位、导航和授时服务,具有统一、精确、易用、广泛的独特优势。几十年来,随着空间技术、无线通讯技术以及大规模集成技术的快速发展,卫星导航系统的发展已经到达了一个新的高度。作为信息化社会基础的时间空间基准服务,卫星导航系统已深度融入到社会的各行各业中。在社会经济运行中扮演着越来越重要的角色,产生了十分可观的经济效益。

  卫星导航系统由三部分组成:空间星座、地面控制和用户终端。

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  ·空间星座即卫星持续发射载有导航电文的无线电波,之后由接收机完成信息接收工作。卫星即混合导航星座,包含静止轨道卫星、地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星。

  ·地面控制包含若干地面站和相关运行管理设施,其主要功能是追踪卫星的运转,同时实现对卫星导航系统的控制,地面控制的主要功能是实现对系统状态的监视,同时开展相关调度工作。

  ·用户终端包含基础产品、应用系统和终端设备等内容。其中,基础产品包含可以兼容其他系统的芯片等。用户终端的主要功能是以迫踪坐标、运行速度等方式实现对导航卫星的迫踪和管理。

  我国具有自主知识产权的GNSS系统-北斗系统,在功能融合、特色服务方面,进行了一系列开创性探索,拓宽了卫星导航领域道路。2000年,北斗一号建成,采用双星有源无线电测定业务(Radio-Determination Satellite Service,RDSS)体制,创新性地实现定位服务和通信系统融合,其最大特点在于实现定位授时服务的同时,兼具位置报告及短报文通信,投资少、效果明显。北斗二号、北斗三号先后继承了这一体制和特色服务,并不断升级,大幅提高系统容量、降低用户功耗、提升用户体验。2020年,北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设部署并正式开通全球服务,在导航与通信融合方面进一步拓展与升级,并依托星间链路组成的空间网络发展多种特色功能。

  我国卫星导航与位置服务产业发展规模

  近年来,北斗卫星导航能力高度聚合,服务能力逐步升级,北斗卫星导航系统的相关产品已经广泛应用在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信系统、电力调度、救灾减灾、公共安全、互联网位置服务等领域,产生了显著的经济效益和社会效益。“十四五”时期,将围绕我国经济转型和社会发展重大需求,以推动北斗规模应用市场化、产业化、国际化为目标。提高北斗产业链、供应链现代化水平,优化完善产业生态,推动北斗应用深度融入国民经济发展全局。

  国家发改委4月7日对外公布,经过27年的建设,目前,中国北斗卫星导航产业体系已基本形成。根据中国卫星导航定位协会发布的《2022中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,2021年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4690亿元人民币,较2020年增长16.29%。

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  2006年~2021年我国卫星导航与位置服务产业总体产值(图片来源于网络)

  其中,包括与卫星导航技术研发和应用直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等在内的产业核心产值同比增长约12.28%,达到1454亿元人民币,在总体产值中占比为31%,增速高于去年。由卫星导航应用和服务所衍生带动形成的关联产值同比增长约18.20%,达到3236亿元人民币,在总体产值中占比达到69%。

  我国卫星导航与位置服务产业正全面迈向综合时空体系建设的新阶段。在产品制造方面,国产北斗芯片、模块等关键技术取得突破,支持北斗三号新信号的SoC芯片,在物联网和消费电子领域得到了广泛应用;支持双频双模的北斗导航定位芯片完成了各项关键性能的验证,已经进入量产阶段,性能再上新台阶。受市场前景吸引,国内北斗卫星导航芯片企业产能不断释放。截至2021年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量已超过2亿片,具有北斗定位功能的终端产品社会总保有量超过10亿台/套。

  由于北斗卫星导航芯片下游应用领域不断拓展,通信、测绘、交通运输和公共安全等代表性领域发展态势良好,终端产品的重量、体积等性能要求提升,对上游器件的设计和制造提出更高的要求,促使着朝更小(体积、功耗、成本)、更快(多系统、多频点)、更准(组合导航)的方向发展。

  合适的工艺、IP可高效提升GNSS芯片的性价比

  GNSS最核心元器件是芯片,包含射频芯片、基带芯片及微处理器的芯片组。相关设备通过芯片,可接受由卫星发射的信号,从而完成定位导航的功能,芯片和算法决定了导航产品的定位精度等技术性能指标。

  射频芯片就是通过固定频率(即频点)接收或发射信号,目前有单频点、双频点、多频点以及多系统多频点等多种类型,是芯片中成本最大的部分。

  基带芯片是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。

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  图片来源于网络

  ——工艺

  随着芯片小型化、低功耗、低成本、射频基带一体化等技术的发展,导航芯片组的主流设计工艺已从传统的 GaAs、BiCMOS 工艺技术转向CMOS技术。CMOS 工艺具有成本低廉、易于与基带集成的优点。芯片制造工艺优良与否,决定了芯片体积和功耗的大小。芯片体积越小,意味着集成电路越精细,功耗也越低,当工艺越小,芯片的生产难度也会成倍增长,晶圆(wafer)的价格也更高。

  芯片类型不同,工艺优势影响也是不同。目前市场上最新的芯片工艺已经下探到7nm和5nm,采用这些工艺都是为了复杂的芯片设计,涉及很大的计算量。虽然导航芯片也在性能、功耗上不断优化,但导航芯片这类市场单价相对较低的芯片则无需使用高成本的最新工艺。从芯片类型与工艺及成本的匹配考虑,22nm COMS工艺或许是目前更为合适的选择,该工艺可高效提升芯片的性价比。

  ——IP

  日趋旺盛的市场需求,以及卫星导航IP核与移动通信等领域的广泛集成,为IC企业带来了更多的挑战,同时迎来技术和产业发展的新机遇。为了抢占市场,企业必须按时交付市场需求,缩小设计能力与设计生产力之间的差距,技术团队需要以更快的速度进行创新迭代。

  集成电路产业的最上游是设计IP,IP本身的产值虽然不是最高,但是其具有极大的附加值和特有的产业生态支柱作用。属于技术密集型产业,对技术研发实力要求极高,具有技术门槛高、产品附加值高、细分门类众多等特点。一款成熟的IP可以帮助降低芯片的开发难度、缩短芯片的开发周期并提升芯片的产品性能。IP设计及其复用已成为IC设计不可或缺的关键支撑。它决定着最终芯片产品的性价比(面积、功耗、功能...)、市场竞争力、以及其系统创新能力等。根据 WSTS 的数据,设计 IP 销售额在 2021 年达到 54.5亿美元,在 2020 年 16% 之后同比增长 19.4%,这与 2021 年半导体增长 26.2% 同步。预测到 2026 年,整个IP市场将增长到为 110亿美元,未来的复合年增长率(2021 年至 2026 年)也将高达 15%。

  高线性、低功耗、多模兼容、完全自主知识产权

  随着北斗卫星导航行业的发展,北斗卫星导航芯片需求量有望保持快速增长趋势。国内本土卫星导航芯片企业也将把握市场机遇,在政策扶持下,研发多模多频、多技术体制、小型化、高集成的高性能北斗卫星导航芯片,并积极扩充产能,加速对进口芯片的替代。

  旋极星源作为中国全球定位系统应用协会常务理事单位、四川省北斗产业联盟理事单位,自创建以来,始终把创新作为推动企业高质量发展为核心动力。一直秉承着以市场需求为导向,不断的加大产品研发投入,提高核心技术水平,研发符合市场需求和发展趋势的新技术、新产品。

  纵深发展卫星导航领域多年,旋极星源推出了一系列基于RDSS和GNSS两大技术的RF IP产品以及IC产品,工艺节点涵盖了从180nm到22nm COMS,支持全球四大导航体系,提供高精度、多模多频段、多通道的射频收发芯片设计。公司的产品在低功耗物联网、智能家居家电、卫星导航定位、测量测绘等方面得到了广泛的应用。

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  ——RDSS

  卫星无线电测定业务是指用户至卫星的距离测量和位置计算无法由用户自身独立完成,必须由外部系统通过用户的应答来完成。其特点是通过用户应答,在完成定位的同时,完成了向外部系统的用户位置报告,还可实现定位与通信的集成,实现在同一系统中的NAVCOMM集成。

  短报文功能是北斗卫星导航系统所具备的独特优势,可以实现双向报文通信,具有更高的传输效率。在用户授权并完成配置工作之后可以开展终端和指挥机之间的信息传输,实现点对点的精准通信,打破了时间和距离对通信的限制。北斗短报文通信服务,在交通运输、农林渔业、气象预报、水文监测、测绘地理信息、减灾救灾等各领域均发挥了巨大作用。

  旋极星源推出的北斗RDSS射频收发芯片,内部完整集成了接收、发射通道和频率综合器等模块,仅需极少的片外元件即可完成北斗信号的收发工作,是目前行业内面积最小、功耗最低、产品性能最优。

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  ——GNSS

  GNSS技术是指通过观测GNSS卫星获得坐标系内绝对定位坐标的测量技术。GNSS对于技术和应用多元化的快速发展起了很大作用,这反过来又产生了大量的应用实例。由于性能不断提高,用户意识及其潜能不断增长,GNSS 已成为当代重大跨领域技术发展的基本要素。GNSS接收机从传统的单一频率单一模式向多通道多模兼容、联合定位、低功耗、高线性度方向发展,以满足室内、林荫小道、恶劣天气等复杂自然环境下更稳定、更可靠、更安全的高精度定位和实时导航定位的要求。

  针对GNSS接收机的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化,旋极星源基于业界成熟工艺制程,不断进行产品升级以及技术突破:

  -成功研发的国内首款高精度导航的GNSS三通道宽带射频芯片,已广泛应用于精细农业、驾照考试、位移监控等。

  -推出了采用130nm COMS工艺的高集成度、多模多频段、单通道、三通道宽带GNSS射频接收机。

  -自主研发了国内唯一的高集成度、多模多频段五通道、22nm工艺节点的 GNSS Receiver RF IP产品。GNSS接收机可配置为高线性模式和低功耗模式,以满足多种应用需求。

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  多元化已成为发展趋势

  全球四大导航系统(GPS、格洛纳斯、北斗系统、伽利略系统)和两大区域系统(QZSS、NAVIC),以及若干星基增强系统(SBAS),已形成多星座、多频率共存共荣的局面。通过时空基准、信号体制的创新设计,实现了不同系统的兼容互操作和融合处理,共同为人类提供更加优质的PNT服务。

  当前我国卫星导航与位置服务产业正以技术体系创新和应用模式创新为主线,积极推动“北斗+”融合创新和“+北斗”时空应用发展。在推进传统基础设施和新型基础设施建设,打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系,打造智能交通、智慧能源、智慧农业及水利、智能制造、智慧教育等数字化应用场景等方面,卫星导航与位置服务产业已发挥出重要的时空赋能作用,加快推动了产业数字化,为我国数字经济的发展赋予强大的生命力。

  同时,国家综合定位导航授时(PNT)体系建设工作正在推动实施。按计划,我国将于2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系,构建覆盖天地海、基准统一、高精度、高安全、高智能、高弹性、高效益的时空信息服务基础设施。

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