2018年通信集成电路系列前沿报告.pdf

通信集 成电路 系列 前沿报 告 （2018年） 中国通信学会 2018 年12 月 版权声明 本 前沿报告版权 属于中国通信学 会 ， 并受法律保 护 。 转 载、 摘编或利用 其它方式使用 本报告文字或者观 点的， 应 注 明“ 来源：中国通信学会” 。违反上述声明者，本学会将追 究其相关法律责 任。 专家组和撰写组 名单 专家组 ： 组长： 刘迪军 大唐电 信 科技产业 集团首 席 科学家 集成电路 专委会 主 任委员 副组长 ： 邓中亮 北京邮电 大学 处长/ 教授 集成电路 专委会 副 主任委员 成员( 以姓氏 笔 划为序) ： 姓名 单位 职务 高 洵 武汉大学 电子信 息 学院 网络通 信与 SoC 实验室 主任/ 副教授 任俊彦 复旦大学 专用集 成 电路与系 统国家 重点实验 室 教授 赵淑清 大唐微电 子技术 有 限公司 主管/ 高工 周 军 电子科技 大学通 信 与信息工 程学院 教授 撰写组( 按单 位排名) 姓名 单位 职务 邓中亮 北京邮电 大学 处长/ 教授 符 竞 武汉大学 电子信 息 学院网络 通信与 SoC 研究室 研究助理 高 洵 武汉大学 电子信 息 学院 网络通 信与 SoC 实验室 主任/ 副教授 韩 可 北京邮电 大学 讲师 任俊彦 复旦大学 专用集 成 电路与系 统国家 重点实验 室 教授 叶 凡 复旦大学 副研究员 张 博 武汉大学 电子信 息 学院 网络通 信与 SoC 实验室 研究助理 周 军 电子科技 大学通 信 与信息工 程学院 教授 前 言 随着智慧 社会的 快 速发展， 科学技 术从 微观到宏 观各个 尺 度向纵 深演进， 学科多 点 突破、 交 叉融合 趋 势日益明 显。 各 重 大科学问 题的 原创性突 破正在 开 辟新前沿 与新方 向， 智慧化成 为了新经济 、 新 产 业、 新 业态、 新模式 的最 重要动 能。芯 片是 智慧化 的“皇 冠上 的明珠 ” ， 将是物理 时空、 信 息时空与 智慧时 空 有机统一 的重要 手 段。 新型的 智 慧芯片将 不再简 单 依赖于既 设指令 和 预先训练 数据， 而是 具备了类 人 的推理和 演绎能 力 。 围绕芯片 这一核 心大脑， 通 过智能 的传感器 完成 物理时空 感知， 通 过广域的 通信网 络 实现信息 的互联 互 通， 从而无 限 延伸人类 的视觉 、 听觉、触 觉和感 觉 。 5G 移 动通信 、北 斗导 航、 电动汽 车、人 工智 能分别 对应时 空 感 知、 通信 网络、 物 质位移以 及运算 核 心。 其融 合交错 式 发展离不 开相 关领域芯 片的关 键 突破， 并将 对人类 生产方式、 生活方 式乃至思 维方 式将产生 前所未 有 的深刻影 响。 因此， 我们需要 顺应智慧化 的 发 展趋 势， 着力培 育建立 应 用牵引、 开 放兼容 的 芯片核心 技术自 主 生态体系 ， 全面梳理 和加快 推 动芯片技 术关键 领 域新技术 研发与 产 业化， 推 动芯 片产业升 级取得 突 破性进展 。 目 录 一、5G 基站 毫米 波前端 芯片 关键技 术发 展 . 1 (一) 研究概述 . 1 (二) 全球发展态势 . 2 (三) 我国发展现状 . 4 (四) 技术预见 . 5 (五) 工程难题 . 6 (六) 政策建议 . 8 二 、北 斗导航 芯片 关键技 术发 展 . 10 (一) 研究概述 . 10 (二) 全球发展态势 . 12 (三) 我国发展现状 . 18 (四) 技术预见 . 27 (五) 工程难题 . 42 (六) 政策建议 . 46 三 、电 动汽车 智能 充电网 络关 键技术 发展 . 52 (一) 研究概述 . 52 (二) 全球发展态势 . 53 (三) 我国发展现状 . 55 (四) 技术预见 . 56 (五) 工程难题 . 59 (六) 政策建议 . 61 四 、人 工智能 芯片 关键技 术发 展 . 63 (一) 研究概述 . 63 (二) 全球发展态势 . 65 (三) 我国发展现状 . 69 (四) 技术预见 . 70 (五) 工程难题 . 71 (六) 政策建议 . 73 1 一 、5G 基站毫米波前端芯片关键 技术发展 ( 一) 研究概述 5G 是面向2020 年之 后产业发 展的新 一 代移动通 信系统 。 5G 移动 通信系统 将具有 超 高的频谱 利用率 和 超低的功 耗， 传 输速 率和资源 利 用率等 较 4G 移动通 信提高一 个量级 ， 其无线覆 盖性能 和 用户体验 将 得 到显著 提升 。5G 技 术与其 他通 信技术 相结合 ，构 成的新 一代移 动 信息网络， 将满足 未来10 年移动互联 网流量增加1000 倍的需求。 随 着 5G 移动通信 系统 应用领域 的拓展 ， 将提升海 量传感 设 备及机器 与 机 器通信 、高 可靠低 时延行 业应 用的支 撑能力 ，5G 将构成 系统设 计 不可缺少 的指标 。 未来 5G 系统具 有网 络自感知 智能化 能 力，实现 网 络自我调 整，灵 活 应对未来 信息社 会 的快速变 化。按 照 业界的共 识， 移动互联 网和物 联 网是未来5G 主要应 用领域。5G 典型场 景涉及未 来 人们生活 和工作 等 各种区域 ， 特别 是 密集住宅 区、 办 公 室、 露天 集会 及交通等 场景。 这些 应用场景 具有超 高 流量和连 接数密 度 以及超高 移 动性等特 征，对 未 来5G 能力构 成了挑 战。 相比4G ， 5G 将在理 论上带给 手机空 口 速率10 倍以上的提 升以支 持更大带 宽的通 信; 同时 5G 要求空 口时 延从 10ms 下降至 1ms 量级， 以支持车 联网、 工 业互联网 等场景 。 根 据通 信原理 ，无线 通信 的最大 信号带 宽大 约是载 波频率 的 5% 左右， 因 此载波 频 率越高， 可实现 的 信号带宽 也越大 。 在毫米波 频段 中， 28GHz、 39GHz 和60GHz 频段是最 有希 望使用 在5G 的频 段。 28/39GHz 频段的可 用频谱 带 宽可达 1GHz，而 60GHz 频段每 个信道 的可用信 号 带宽则到了 2GHz（整个 9GHz 的可用 频谱分成 了四个 信 道） 。 相比而 2 言，4G-LTE 频段最 高频率的 载波在2GHz 上下， 而可用 频谱 带宽只有 100MHz。 因此 ， 如 果使用毫 米波频 段 ， 频谱 带宽轻 轻松 松就翻了10 倍， 传输 速率 也可 得到 巨大 提升 。未 来的 Beyond 5G 技术可 能采 用 140GHz 的 载波 频段， 实现 吉赫兹 的连续 通信 带宽， 从而实 现更 宽带 更高速的无 线 互联。 毫米波相 比于传 统 6GHz 以下频段 的一 个特点就 是天线 的 物理尺 寸可以比 较小。 这 是因为天 线的物 理 尺寸正比 于波段 的 波长， 而毫 米 波波段的 波长远 小 于传统6GHz 以下频 段， 相应 的天线 尺寸 也比较小 。 因此可以 方便地 在 移动设备 上配备 毫 米波的天 线阵列 ， 从 而实现各 种 MIMO （Multiple-Input Multiple-Output， 指在发射 端和接 收端分别 使用多个 发射天 线 和接收天 线， 使 信号 通过发射 端与接 收 端的多个 天 线传送和 接收， 从 而改善通 信质量 ） 技术，包 括波束 成 型。 毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射 能力较 弱。 毫米 波在空 气中 衰减非常 大这一 特 点也注定 了毫米 波 技术不太 适 合使用在 室外手 机 终端和基 站距离 很 远的场合 。 各大厂 商对5G 频段 使用的规 划是在 户 外开阔地 带使用 较 传统的 6GHz 以下频 段以保证 信 号覆盖率 ， 而在 室内 则使用微 型基站 加 上毫米波 技术实 现 超高速数 据 传输。 因此， 毫 米波 通信技术 必须满 足 微型基站 的小型 化 和高能效 需 求。 ( 二) 全球发展 态 势 在世界范 围内很 多 国家的运 营商都 在 进行毫米 波频段 的 5G 系统 研究以及 验证工 作 。在北美 ，美国 AT&T 和 Verizon 等运 营商都积 极 投身于发 展高频5G 技术， 其中AT&T 则通过收购Fiber Tower 获得了 3 39GHz 附近的频 段资 源； 而Verizon 在美国国家 仪器 （NI） 公司 的支 持下，于2017 年 3 月展示了 全球首 款 实时 28GHz Verizon 5G 无线原 型系统， 其峰值 数 据传输速 率可达 5Gbit/s，扩展 为 8 组 MIMO 后可 超过20Gbit/s， 并有计划在2018 年下半年开展 试商用。2018 年 1 月 美国T-Mobile、Nokia 和Intel 也在华 盛顿测试28GHz 高 频系统。 美 国运营商 主要将 高 频通信用 于向用 户 提供固定 无线宽 带 接入业务 。 在 2018 年 2 月加拿大 Telus 和华为 在温 哥华测试 28GHz 系 统同样是 提 供固定无 线宽带 接 入业务。 在亚洲， 日本运 营 商 NTT docomo 在 2017 年第三 届东京 湾全球 5G 峰会期 间联合 华 为首次完 成基于 3GPP 5G 新空口 的 39GHz 高频技 术测试， 实 现了三 方 实时4K 高清视频会 议。 韩国电 信 （KT）已 于 2018 年 2 月在平 昌东奥 会上实现 28GHz 的 5G 网络应用 ，采用 是北美运 营 商的V5G 系统。 在欧盟， 欧 盟委员 会在2016 年9 月份公布5G 行动计划， 建议以 24GHz 以上频段 作为 欧洲5G 潜在频段， 24.2527.5GHz 频段作为欧洲 5G 先行频段 ，并建 议欧盟各 成员国 保 证 24.2527.5GHz 频段的 一部 分在 2020 年前可 用于满 足 5G 市场 需求。2017 年 7 月英国运 营商 Arqiva 和三星测试 了28GHz 系 统 性能。 随着 5G 研究的 不断 推进，国 际上已 积 极开展了 高频段 通 信用芯 片研究及 系统验 证 ， 频段主要 集中在28GHz、V 波段(60GHz)及 E 波段 (70GHz)频段。 美国 SiBEAM 公司采 用 CMOS 工 艺 实现了 60GHz 16 路单片 集成相 控阵系统 ，其通 信 速率可达 4Gbit/s ；比利时 鲁汶 IMEC 微电子中心 于2012 年发布60GHz 全集成收发系 统， 该系统采用 40nm CMOS 工艺， 4 其通信速 率可达7Gbit/s；美国博通 公 司（Broadcom Corporation） 采用 16 路相控 阵实 现了 60GHz 收发系 统，该系 统采用 16QAM 调制， 其通 信速 率为 3.6Gbit/s 。 除 此之 外，国 际商 业机 器公 司（IBM ）与 爱立信（Ericsson）于 2017 年 2 月发布了工作在 28GHz 的相控阵 列 天线模块 ；英特 尔 （Intel）于 2017 年 11 月发布了 XMM 8060 5G 多 模基带芯 片，该 芯 片同时支 持 6GHz 以 下频段和 28GHz 毫米波频段 ； 诺基亚与日本 NTT docomo 采用商用 E 波 段射频收发机芯片，在 73.5GHz 开展了 毫米 波高频段 通信系 统 验证，其 可支持 带 宽为1GHz。 对比看来 ， 我国 在 高性能高 频器件 （ 包括设计 、 封装 及 测试等方 面） 、 原型系统 验证等 方 面还存在 较大差 距， 需要进一 步开展 创 新性研究 与 开发工作 。 ( 三) 我国发展 现 状 在过去 3 个五 年计 划中，我 国在 863、973 等科研 计划 中部署了 移动通信 重大项 目， 推动了“ 新一代 宽 带无线移 动通信 网”重大专 项 的组织实 施， 由此 极大地提 高了我 国 移动通信 技术研发水 平 ， 促 进了 我国移动 通信产 业 的跨越发 展。 “ 新一 代宽带无 线移动 通 信网”重大 专项开展了5G 总体 框架与无 线新技 术 的研究， 为我国5G 关键技术 的 研究进行 了布局 。 2016 年开始，“新 一代宽带 无线移 动 通信网”5G 研 发项 目聚焦 在 5G 重点场景 、支 持重点关 键技术 方 案、关键 器件研 发 ，为国际 标 准化推动 做好准 备 。主要包 括：5G 总 体及关键 器件、5G 无线技术 、 5G 网络与 应用三 个 部分。 研究内 容包括 针对3GPP 国际标准 研究推进 、 高性能AD/DA、 基站 功率放大 器等关 键 器件， 重 点开展 了 高频段关 键 5 技术方案的研究。工业和信息化部已于 2017 年 7 月批复 24.75-27.5GHz 和37-42.5GHz 用于5G 技术研发 测试。 2018 年 2 月，华为 与德国电 信联合 宣 布，双方 成功完 成 全球首 次 5G 高阶毫米 波 多小区网 络验证 。 本次验证 中，德 国 电信 5G haus 和华为一 起使用73GHz （E-band） 频段 ， 在德 国电信 波恩 园区构造 了 多 种实 际场 景， 验证 了毫 米波 在室 外和 室内 部署 中的 性能 及传 播特 征。 国内学术机构在毫米波集成电路领域取得了一批良好的研究成 果。东南 大学采 用混 合多波 束结构 ， 在 28GHz 基于 64 通道的多波 束 阵， 已 经能够 支持50Gbps 的传输速 率， 频谱利用 率超过了100%。中 国电科 14 所成功研 制 5G 毫米波大 规 模 MIMO 天线， 采用 先进的多 波 束相控阵 天线技 术 ， 解决了大 规模天 线架构设 计和集 成 、 智能化波 束 赋形控制 等多项 关 键技术， 可 实现动 态多波束 精确扫 描 覆盖。 复旦 大 学实现了 76-102GHz 的超宽带毫 米波 振荡器和 131GHz 超 可再生接 收 机，提出 了毫米 波 频段的采 样前端 电 路设计方 法，实 现 32GS/s 的毫 米波采样 电路和 正 交相位可 调采样 时 钟电路。 中科院 微 电子所采用4 路交织技 术和分 段式 电流舵 架构， 成 功研发出 超高采 样 率、 宽频带 的 30Gsps 6bit 超高速 模拟数字 转换器 （ADC ） 和数字 模拟 转换器 （DAC）。 清华大学、 天津大 学、 电子科 大等高 校也在毫 米波通 信 系统与集 成电 路领域开 展了诸 多 卓有成效 的工作 。 ( 四) 技术预见 总体来说， 毫米波 频段通信 面临的挑战 主 要受 限于高 频 器件， 相 关的高频 核心器 件 主要包括 ： 功率 放 大器、 低 噪声放 大 器、 锁相 环电 6 路、滤波 器、高 速 高精度数 模及模 数 转换器、 阵列天 线 等。 1 、 为满 足更高 阶调制 方式 及多用 户通信 等需 求，高 频功率 放大 器、 低噪 声放大 器 需要进一 步提升 输 出功率、 功率效 率、及 线性 度等 性能； 2 、锁相环系 统需要 进一步改 善其相 位 噪声及调 谐范围 等 性能； 3 、滤波器需 要提升 其带宽、 插入损 耗 等性能； 4 、 数模及模 数转换 器件要求 满足至少1GHz 的信道带宽 的采 样需 求，提高 精度并 降 低功耗； 5 、 新型 的高频 阵列天 线需 要满足 高增益 波束 和大范 围空间 扫描 等方面需 求。 6 、 作为5G 高频段 通信系统 走向实 用 化的关键 步骤， 低 成本、 高 可靠性的 封装及 测 试等技术 也至关 重 要。 ( 五) 工程难题 毫米波通 信芯片 技 术的关键 工程难 题 包括： 1 、适合大规 模阵列 天线的AiP 技术 所谓 AiP （Antenna in Package） ， 就 是片上天 线， 和传 统的微 带天线相 比， 主 要 区别是把 介质基 板 换成了芯 片上面 的 封装。AiP 最 近两年其 实发展 比 较快， 这和 毫米波 的发展是 离不开 的 。 毫米波段 波 长在 1-10mm 这个量 级。片上 天线的 尺 寸可以小 于一般 的 芯片封装 。 这就为AiP 的实用 带来了新 的机遇 。以 60GHz 为例， 片 上天线单 元仅 为 1-2mm （ 考虑 到封 装具 有一定 的介电 常数 ） ，因此 芯片封 装不 但可 以放得下 一个单 元 ，而是可 以放得 下 小型的收 发阵列 。 频段越高 频、 天线越小 ， 5G 时代 天线将以AiP 技术 与其他零 件共同 整 合到单一 封 7 装内。 2 、模拟波束 合成的 技术。 波束合成是 目前 5G 的毫米波 技术主 流 ，天线模 组不再 使 用全向 发射， 而 是选择 定 向发射。 把能量 聚 集在一个 波束， 从 而使得能 量能 够传输得 更远， 以 提高覆盖 。 利用 多 个天线形 成相控 天 线阵列， 天线 之间的信 号经过 互 相干涉影 响， 能 把信 号能量集 中在一 个 方向发射 出 去。 其主 要包括 三 个部分， 第一部 分 为毫米波 天线， 通 常每根天线 会 耦合一个 收发机。 毫米波收 发机主 要 包括功率 分配， 毫 米波功率 放大 器， 低噪声 放大器 ， 开关， 移 相器等， 这些模块 是实现 模 拟波束合 成 的核心部 件。 变频 器部分相 对简单， 主要是毫 米波的 上 变频和下 变频 模块。 为 了实现 低 功耗， 小 型号， 这 就要求采 用适合 波 束成形的 相控 阵毫 米波 SoC 芯 片。 如果 能单芯 片上集 成多 通道发 射机、 接收 机、 相位控制 、 增益 控 制和混频 器等功 能 ， 与多天 线系统 相 配合， 将 大大 优化基站 的体积 、 成本和可 靠性。 3 、高效率超 宽带毫 米波功率 放大器PA（Power Amplifier）。 根 据 阵列系统和工作频段的范围以及可实现的工艺器件技术基 础，研制 Si RF CMOS、GeSi BiCMOS、GaAs PHEMT 和 GaN HEMT、InP DHBT 等工艺的 毫米 波 PA，实现多 频段 多功率等 级的覆 盖 。在毫米 波 通信基站 、点传 通 信等设备 中，GaN 和 GaAs 是最佳 的 选择；在 终端 设备中，GaAs 和GeSi 是比较优 的选择 。 目前国 内在毫 米 波功率放 大 器芯片研 究方面 处 于较弱势 的地位 ， 民 用毫米波 器件基 本 上尚处于 初 步阶段， 特别是 在 可工程应 用的大 功 率 PA 方面，民 用产 业需求全 靠 进口，价 格高昂 且 进口受到 多重管 控 ，在毫米 波设备 大 规模部署 前， 这个领域 急需突 破 。 功放的设 计关键 技术包括 输出匹 配 拓扑电路、 级 8 间匹配、 天线的 负 载牵引效 应和小 型 化等。 4 、高能效数 据转换 技术 在毫米波 通信系 统 中，使用 约 1-2GHz 的带宽来 实现高 速 的传输 速率。 然 而， 在 如 此频段上 进行高 速 传输， 技 术上的 挑 战之一是 需要 设计 高速 率， 高精度 的模数 转换 器（ADC ） 和数 模转 换器（DAC）。 毫 米 波通信 中的模 数/ 数 模转换 器的信 号带 宽要求 在吉赫 兹以 上，目 前 国内的研 究成果 尚 不能满足20GHz-45GHz 频率下的 毫米波 通信应用 。 在实现高 速的同 时 ， 为提高能 效， 高性 能模数转 换器的 设 计技术需要 结合多通 道时间 交 织的高速 架构和 逐 次逼近型 的高能 效 通道， 采 用免 静态功耗 的放大 器 结构如开 环动态 放 大器、 过零 比较放 大器、 振铃 式 运算放大 器等， 并通 过辅助的 数字校 准 电路提高 这些新 型 放大器的 线 性度。 ( 六) 政策建议 5G 移动通信 技术研 究开发已 进入关 键 时期。尽管 ITU 已经明确 了 5G 的关键技 术指 标，并给 出了 5G 的商用化进 程时间 表 ，但 5G 发 展 仍然面 临较 大的不 确定性 。5G 未来发 展将沿 着几 种完全 不同的 技 术路线发 展演进 ， 其中高频 段发展 路 线尚不清 晰。为 增 强我国 5G 毫 米波技术 能力， 建 议政策关 注如下 几 点: 1 、 强化 毫米波 及太赫 兹等 新型频 谱资源 开发 利用、 基础技 术及 关键器件 的研发。 我国在这 一领域 的 研发基础 相对薄 弱 ， 尚未系统 地 掌握这一 领域的 关 键技术与 关键器 件 ，势必影 响到我 国 5G 移动通信 产业的长 远发展 。 目 前我国已 初步掌 握 了单通道 毫米波 与 太赫兹系 统 与器件技 术， 未 来应 重点攻克 天线及 射 频通道数 达到数 百 至数千时的 9 系统与终 端设计 技 术、 一体化 天线、 混 合构架波 束成形 集 成电路设 计 技术、 数模 混合集 成电路与 射频封 装 技术、 设计 与加工 工艺等关 键技 术， 并针对 毫米波 与太赫兹 频段的 有 效利用， 开 展基础 理论和方 法研 究。 2 、 加强5G 跨界融 合。 鼓励和 协调国 内外产业 界以及 更 多垂直行 业 尽早 参与研 发规划 ，使 5G 的 研发能与“ 互联网+”、“ 中国 制造 2025”有机衔接。 强化无线 通信技 术 与IoT、 安检安 放、 高速光通 信、 先进计算 和大数 据 技术的深 度交叉 融 合研究。 无线通 信技 术发展已 逐 步趋于性 能极限 ， 未 来发展趋势 体 现出 大规模射 频天线 技 术与高 速光 互联、 云 计算、大 数据、 新 型微电 子 与光电子 器件密 切 结合与相 互融 合的特征 ， 从而 应对 互联网络 业务爆 炸 式增长与 多样性 发 展的应用 需 求。 应破 除传统 学 科条块分 割的限 制 ， 以系统 应用为 牵 引， 强化 学科 交叉融合 研究。 10 二、北斗导航芯 片关键技术发展 ( 一) 研究概述 作为国家 重大空 间 信息基础 设施，我 国北 斗卫星 导航系 统 自2012 年底正式 提供服 务 以来连续 稳定运 行， 目前北斗 系统进 入 全球组网 新 时代，应 用产业 呈 现快速发 展，成 为 国家名片 。 2018 年 底 将建 成北斗 三号 基本 系统 ，为“一带 一路” 沿 线国家 提供服务 ；2020 年 ， 建成 世界一 流的 北斗三号 系统 ， 提 供全球服 务； 2035 年 ， 建成以 北斗 为核 心的综 合定位 导航 授时体 系。北 斗将 以崭 新姿态、 更强能 力 、更好服 务，造 福 人类，服 务全球 。 图2-1 BDS 发展进程 2017 年 11 月 5 日，北斗 三号第 一 、二颗组 网卫星 发 射成功， 开启北斗 卫星导 航 系统全球 组网新 时 代。 此后， 中国 先 后于 2018 年 1 月 12 日、2 月 12 日和 3 月 30 日 ，各以“一箭 双星”方式 成 功发射北 斗三号 第 三、 四、 五、 六、 七、 八颗组网 卫星 ， 中国北斗卫 11 星 导航 系统进 入全球 组网 的密集 发射阶 段。2018 年北 斗三 号计 划实 施 10 次发射任 务 ， 共发射 18 颗卫星， 目标年 底为“ 一带一路”沿 线国家和 地区提 供 基本服务， 并为 2020 年完成 35 颗卫星组网、 实 现 全球 服务打 下关键 基础 。2018 北斗 正 式进 入全球 组网阶 段， 服务 区域实现 从中国 及 亚太地区 向全球 覆 盖的跨越 。 随着我国 北斗卫 星 导航系统 的不断 发 展和完善 ， 北斗卫 星导 航系 统 覆盖 区域逐 渐扩大 ，2020 年 将实 现全 球覆 盖，国 家“一带 一路” 战略中明 确指出 我 国要大力 推动卫 星 相关产品 和元器 件 的出口。 这必 将促进 GNSS 产品市 场对高性 能北斗 导 航芯片需 求的快 速 增长。自 北 斗 重大 专项 实施 以来 ，北 斗基 础产 品中 的芯 片研 发也 有了 长足 的进 步， 初步形 成了以 自主芯片 为基础 的 芯片、 模块 、 天线 、 板卡、 终 端 以及应用 解决方 案 的北斗产 业链。 图2-2 第三代北斗芯片发布 据介绍， 北 斗芯片 目前累计 销量已 突 破5000 万片。 最关 键的是 ， 国产北斗 芯片实 现 规模化应 用还在 继 续增加， 工艺 由 0.35 微米提升 到 28 纳米，最低 单 片价格仅 6 元 人民 币，总体 性能达 到 甚至优于 国 际同类产 品。 此外， 目前北斗 芯片的 高 精度OEM 板和接 收 机天线已 分 12 别占国内 市场份 额 的 30%和 90%。除苹 果外，大 部分主 流 手机芯片 均 已支持北 斗导航 定 位。 然而， 作为 卫星导 航芯片研 发的后 起 力量， 国产 北斗导 航芯片依 然处于初 始阶段 ， 研发基础 薄弱、 经 验积累不 足， 与 国 际一流水 平仍 有不小的 差距。 因 此， 我国北 斗导航 芯片产业 依然面 临 着严峻的 竞争 形势， 需要 加快高 性能芯片 的的研 发 进程， 抢占 高性能 北斗导航 芯片 研发领域 的制高 点 。 ( 二) 全球发展 态 势 全球卫星 导航系 统 （GNSS） 是所有 卫 星导航定 位系统 的 总称， 又 称 天基 PNT 系 统，是 整个卫 星导 航产业 链中最 基础 和必不 可少的 部 分。 图2-3 Trimble RTX 覆盖区卫星播发精度地图 2020 年 前 ，全 世界将 有四 大全 球导 航卫 星系 统： 现有 的美 国的 GPS 和俄罗 斯的 GLONASS，欧 盟建 成的 Galileo 和我 国正 在建设 的 DBS ，此 外， 多种星基 增强 系统（SBAS ） 正在 被建设 和完善 ，例 如， 美国联邦 航空局 （FAA） 、 欧洲 和日本 分别 提出了 WAAS、 EGNOS 和 MSAS 13 系统来增 强现有 的 GPS 和 GLONASS 系统的导航 性能， 多卫 星导航及 其增强系统 共存 的 局面已经 形成。 芯片是卫 星导航 应 用产业的 核心部 件， 芯片的关 键技术 主 要包括 接 收信 号的射 频（RF ） 及处 理信 号的基带 （Baseband ，BB ） 。由 于卫 星导航信 号来自 于 距离地面 20000 km 以上的高 空， 信 号 非常微弱 且 不稳定， 因 此当天 线接收信 号后经 过 放大、 过滤 噪声、 降频、 取样 等 一连串过 程， 再 经 过射频检 测处理 后 ， 信号进 入基带 处 理部分， 将前 段取样的数字信号经过运算、输出以便于用户接口使用，其中基 带 DSP 芯片就是核心组件，负责地址信号 的 处理 。信 号处理 过 程如 图 2-4 所示。 图2-4 导航信号处理过程 据麦姆斯 咨询报 道 ，到 2022 年，全球 导航卫星 系统（GNSS）芯 片市场规 模预计 将 达到 52.2 亿美元 ，2016-2022 年期 间的复合 年增 长 率（ CAGR） 将达到7.90%。 GNSS 芯片市 场增长的 主要驱 动 因素包括 ： 电子设备、 可穿戴 设备和连 接设备 的 高度渗透； 对精确 和实时数 据的 14 需 求日 益增长 ；对高 速互 联网和 如 4G/5G 等 网络 覆盖 需求 的持 续上 升； 以及 物联 网（IoT ） 的日 益普 及。报 告基于 设备 、垂直 行业、 应 用和地区对GNSS 芯片市场进 行细分 卫星导航 产业是 一 个完整的 全球性 产 业， 主要 产品结 构 如图2-5 所示。 图2-5 卫星导航产业主要产品结构 导航芯片 是包 含 RF 射频芯片 、基带 芯 片及微处 理器的 芯 片组， 相关设备 通过导 航 芯片， 可以 接受由 卫星发射 的信号， 从而完成 定位 导 航的功 能。RF 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 。 基带算法 是影响 定位精度 的核 心因素之 一， 然 而目 前拥有相 关算法 专 利的公司 大多被 博 通等大企业 收购， 从 事卫星 导 航芯片的 企业 （ 包 括国内北 斗芯片 厂 家） 很难绕 过 这一专利 壁垒。目 前常用的 基带芯 片 大多采用 基于 ARM7TDMI 内核的 微处理器 ，基带 芯 片及微处 理器一 般 是信息处 理的部 分 。 15 卫星导航 接收机 的 硬件系统 主要由 天 线单元、 射 频单元、 基带处 理单元、 微 处理器 和电源等 模块组 成 。 随着超大 规模集 成电路和 数字 信号处理技 术的 发 展， 原来的 分立元 件的接收 机设计 成 芯片， 使得 体 积、 功耗、 重量、 成本进一 步降低， 性能进一 步提高。 卫星导航 接收 机 专用芯 片组的 核心 部件包 括射频 信号 处理芯 片（射 频芯 片 ） 、基 带 信号处理 芯片 ( 基带芯片 ) 和微处理 器芯片。 将 射频芯 片、 基带芯 片和微处 理器合 而 为一的单 芯片可 以 提高产品 的性能和 可靠性、 降低 体积、功 耗和成 本 ，是卫星 导航产 品 发展的趋 势。 北斗、Galileo、QZSS 、GPS 和GLONASS 的发展， 以及对 用 户在 城市峡谷 和室内 环 境中的定 位需求 ， 共 同推动了 GNSS 大 众市场接 收 设 备的 发展。GNSS 接收 机 在大众 市场中 最主 要的用 途是基 于位 置的 服务，其 次是物 联 网和便携 式导航 设 备。 国际上知 名芯片 开 发企业有 博通、 英 特尔、 联发 科、 高 通、 展讯 通讯、 意法半 导体 、 德州仪 器 和 U-blox 等， 国内导 航 芯片企业 有 北斗星通 、东方 联 星、国腾 电子、 泰 斗微电子 、华力创通 等 。 图2-6 高通公司MSM8974 芯片 在导航芯 片研发 领 域，国际 知名公 司 拥有绝对 的实力 。 16 表2-1 GPS 导航模块产家 PND 大厂 芯片解决 方案产 商 代工产商 TomTom SiRF, Global Locate 英华达， 广达 Garmin SiRF Garmin Mio SiRF 神达 Magellan SiRF 金宝，泰 金宝 Navman SiRF 神达，伟 创力 美国早在1994 年就完成24 颗 GPS 卫星的布设， 并于当 年开 始提 供全球民 用化服 务 ， 创造并垄 断了市 值巨大的 卫星导 航 芯片产业。 尽 管北斗终 端销量 不 断提升， 但目前 我国 绝大部分 的导航 终 端仍采用 美 国GPS 芯片， 其 占 有率高达95%。表 2.2 给出了一 些典型 的导航芯 片 性能参数 比较。 市场上各 式导航 芯 片解决方 案的整 合， 使得芯片 市场正 面 临极大 的 变量。 首先是 小 型化 ， 回顾导 航芯 片近年 来的发 展历 史，随 着 导航芯片 与其它 产 品相继结 合，且 强 调终端产 品体积 讲 求轻薄短 小， 导航芯片 走向系 统 单芯片化 已是必 然 趋势。 目 前厂商针对 GPS 单芯片 化的作法 ， 可分 射 频或基频 单一芯 片 ， 并整合 了更多 功 能性。 在 射频 芯片部分， 已有多 家厂商将 放大器、 滤波器、 降 频器、 频率合成 器及 振荡器等 整合在 一 块芯片上； 在基 频部 分 ， 则 是整 合了CPU、存 储 器 （DRAM、SRAM、Flash）、 Power Manager 及 Clock 等。 随着制造 工艺的 提 高， 芯片 的体积 更 小、 集成 度更高 。 芯片制造 工艺在 1995 年以 后， 从 0.5m 、 0.35m 、 0.25m 、 0.18m 、 0.15 17 m 、0.13m 、0.11m 、90nm、80nm、65nm、55nm、40nm、28nm 一 直 发 展 到 20nm 制 程。 芯片行 业的 40nm 、28nm 工 艺都已 经很 成 熟。 表2-2 典型导航芯片性能对比 芯片型 号 UBLOX7020 UBLOX8030 SIRF4 9333 MT3332/MT3336 BCM4751/BCM4752