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北斗打开了“芯”市场

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6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空,这意味着中国北斗卫星导航系统,在长达26年的艰辛建设后终于大功告成,完成了“三步走”战略的最后一步。北斗组网的成功,意味着北斗空间定位技术将更多地赋能各行各业,给手机、可穿戴设备、无人机等终端设备带来福音的同时,也将开创更多新的应用领域。北斗系统有如今的成就,北斗芯片作为应用技术的核心可谓是最大的“功臣”。那么在未来,北斗芯片将会有哪些新的发展?技术趋势将会是怎样?

终端产品造福千万家,北斗芯片功不可没

北斗系统全球组网的完成,意味着我国北斗全球导航定位系统将全面建成,在功能和性能等方面得到进一步的提升,从而具备面向全球的覆盖和服务能力,在天上和地下都布满“天罗地网”,造福各行各业。

随着北斗系统的建成,北斗产业链也更加完善。北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。三部分各司其职,在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位。其中,用户段市场化特征最为明显,可以细分为上中下游产业:上游为基础部件,主要由基带芯片、射频芯片、板卡、天线等构成;中游主要包括终端集成和系统集成;下游为解决方案和运维服务,为终端市场提供众多行业应用。

人们从哪里能感受到北斗导航定位系统赋能各行各业呢?答案必然是终端应用市场。小到手机、可穿戴设备,大到汽车、轮船,人们都能“看”到北斗的身影。《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,2019年北斗系统国内应用突破新高:超过650万辆营运车辆、4万辆邮政与快递车辆、36个城市约8万辆公交车安装北斗系统;3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施应用了北斗系统;国内北斗农机自动驾驶系统部署超过2万台/套,全国7万余艘渔船和执法船安装北斗终端;支持北斗定位手机达到近300款……

北斗导航定位系统能够广泛应用在各行各业,北斗芯片功不可没。作为整个产业链的核心,北斗芯片的工艺设计极其复杂,有丝毫的偏差都将极大影响终端产品的性能。“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、串口设备、外围接口电路等部分。北斗芯片设计复杂,特别是射频和基带一体化SoC芯片的设计更加复杂,因此芯片设计能力的差异,将直接影响芯片性能、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。因此,北斗芯片的技术方向很大程度上代表了北斗终端产品的发展趋势。” 深圳华大北斗科技有限公司北京分公司总经理葛晨向《中国电子报》记者说道。

北斗行业应用提速,对芯片提出新要求

随着5G和工业互联网的飞速发展,未来北斗与其他技术的融合将成为必然,越来越多的行业应用也对北斗芯片提出了更多更严峻的“芯”要求。

上海司南卫星导航技术股份有限公司高精度芯片项目经理闫建巧向记者表示,北斗完成全球组网后,在未来将会以此为基础,推进卫星导航与其他领域技术融合与产业融合,为全球用户提供更精准的定位服务,开创各行业新的融合时代。比如,通过在拖拉机和收割机等农业机械上安装北斗终端,实现对农田的精密耕作,让农业生产更高效更轻松,大幅提升生产力。

对此,中国卫星导航定位协会秘书长张全德认为,北斗“融技术、融网络、融终端、融数据”全面发展,必将形成一个个“北斗+”创新和“北斗+”应用的新生业态,成为国家综合时空体系建设发展全新布局的核心基础和动力源。因此,为了能够与其他领域更好融合,北斗芯片未来的发展趋势是在一颗芯片上实现多系统多频、高精度、抗干扰、低功耗、高集成、小型化等多项技术要求,可见难度非常之高。

“北斗芯片作为终端产品的‘大脑与心脏’,‘芯’强则终端强,‘芯’小则终端小,芯片技术更直接关系终端体积、重量、成本和性能,也会直接影响北斗下游产业发展。让终端更好地走向市场并服务民生的关键,是要做好‘北斗芯’。只有做好北斗芯,才能实现北斗芯片的规模化应用,才能在技术突破的基础上依托“一带一路”等机遇实现出货量的快速增加。”闫建巧说道。

终端市场方兴未艾,促进北斗芯片技术更加完善

那么如何才能做好“北斗芯”,使其满足方兴未艾的终端市场需求呢?尽管困难重重,北斗芯片仍需在技术融合的需求中不断创新和迭代。葛晨认为,北斗芯片技术的发展和进步也将为北斗系统全球应用提供基础支撑,为全球用户带来更精准的应用体验。

面对应用领域的“芯”要求,北斗芯片将会有哪些新的发展方向?对此,葛晨提出了三条“良策”:

第一,为芯片选择合适的工艺与SoC集成设计,从而提升芯片集成度。SoC芯片在单一芯片上集成微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器、外围接口等,具备集成度高、功能强、功耗低、尺寸小等优点,可以有效地降低电子/信息系统产品的开发成本,缩短开发周期,提高产品的竞争力。目前导航定位芯片较为成熟且性价比较好的工艺是40nm CMOS工艺,可以为导航定位芯片带来低功耗、低成本、低风险等诸多优势,未来将向22nm CMOS工艺演进和升级。

第二,采用芯片级双频联合定位,提升定位性能。双频定位在复杂城市环境中对提升定位精准度和可靠性有很大帮助。影响卫星定位精度的主要因素是电离层延时和建筑物和遮挡物反射干扰产生的多径效应。因此一般来说,频段信号的带宽越高,码率越高其受折射和反射的干扰就较少。

双频甚至多频联合定位技术在导航定位领域是已经得到验证的技术路径,可以较大幅度地提升定位精度和抵抗多径效应。但目前双频甚至多频联合定位功能的实现大多通过板卡或FPGA芯片实现,因此存在成本高、功耗高、尺寸大等诸多问题,无法满足手机、智能穿戴等应用领域低功耗、小型化的需求,使得目前北斗GNSS双频定位技术无法在广泛的大众高精度市场中大规模应用。

第三,可采用动态电压频率调整技术、极低待机功耗设计技术和嵌入式存储器技术等方法,从多个方面对芯片功耗进行控制。目前主流卫星导航芯片在待机状态下的整体待机功耗可小于2μA,已达到业界主流低功耗MCU芯片的待机功耗性能。同时,在卫星导航芯片中使用“嵌入式存储器工艺”,在芯片内部集成并行接口的存储单元,在节省封装成本的同时,也可以提升处理器对存储单元的访问效率从而降低访问存储器的功耗。

责任编辑:赵强


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