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随着无线应用需求的不断增加及各类无线协议的不断演进，基于软件无线电思想的可重构射频收发器芯片正朝着高集成度、宽频段、多制式的方向发展。本课题以可重构射频收发器芯片中频率合成器为研究对象，围绕小面积、宽频带、低噪声等设计目标，重点对相位噪声产生机理、输出频率扩展、量化噪声抑制、快速自动频率校准等内容进行深入研究，为宽带低噪声频率合成器的设计及实现提供理论支撑与设计参考。具体研究工作包括以下几个方面：
首先，深入研究无线收发器芯片系统架构，在频域分析了超外差、零中频以及低中频三种架构的频谱变换过程，详细论述了收发器射频前端增益、噪声系数以及线性度的推导过程，系统解析了频率合成器相位噪声及杂散对收发链路的影响，结合系统分析及理论推导，给出可重构无线收发器及频率合成器的设计指标。
其次，探索晶体管闪烁噪声对相位噪声的影响，研究VCO电路中闪烁噪声至相位噪声的转换机理及抑制方法。利用脉冲敏感函数(ISF)，解析了影响闪烁噪声转换过程的二个重要参数：ISF函数一阶分量的相位以及晶体管沟道电流一阶分量的相位。提出了一种在VCO负阻对源级添加阻尼电阻抑制闪烁噪声上变频的方法，并在TSMC180nmCMOS工艺下实现了二个宽带VCO，仿真及测试结果表明该方法可以改善8-10dB的1?f3相位噪声，1MHz频偏处相位噪声分别为-127.2~-132.7dBc/Hz和-124.9~-130.9dBc/Hz。
然后，针对可重构射频收发器芯片工作范围宽的特点，研究了频率合成器输出频率扩展的方法。围绕分频比扩展过程中环路不锁定的问题，分析了多级2/3分频器级联时分频器的切换过程，提出了分频器的最优切换状态，并通过仿真及测试验证。针对单边带混频器中LC负载存在带宽-选择性折中的问题，提出了被动式负阻负载结构，在增加工作范围的同时提高频率选择性。针对基于D触发器的2分频器不能处理正交信号的问题，采用了正交输入-正交输出的分频器，降低了正交信号的相位偏差。以上述电路为核心，采用正交单边带混频器结合窄带VCO的频率合成器架构，在TSMC180nmCMOS工艺下实现了一款30-3600MHz的频率合成器，测试结果表明全频段内10kHz和1MHz频偏处相位噪声分别小于-88dBc/Hz和-118dBc/Hz，1kHz至10MHz范围内积分相位噪声低于2°。
接着，研究了频率合成器芯片中自动频率校准(AFC)及抑制量化噪声的关键技术。针对传统计数型AFC校准时间长的问题，提出了一种基于TDC的快速校准电路，可在1.25μs内完成校准。针对sigma-delta调制器量化噪声恶化频率合成器相位噪声的问题，采用前向相位切换分频器，将分频步进从2降低至0.5，可抑制量化噪声12dB，改善频率合成器带内及带外相位噪声。在180nmCMOS工艺下设计并实现了一款45-2500MHz的频率合成器，采用48MHz参考频率，AFC时间1.25μs，2.4GHz输出时10kHz和1MHz频偏处相位噪声分别为-99.5和-123.5dBc/Hz，证实了所提出的AFC和相位切换技术可以减少频率合成器的校准时间，改善相位噪声性能。
最后，结合收发器中其余电路模块，基于TSMC180nm1P6M工艺实现了一款45-2500MHz的可重构射频收发器芯片，芯片面积28mm2。测试结果表明，所设计的频率合成器可以在要求的频率范围内提供满足系统要求的相位噪声性能，在45-2500MHz频段，接收机灵敏度为-60~-80dBm。基于该收发器芯片搭建通信系统，不接片外PA时可实现100m的无线视频传输，接20dBm片外PA时可实现600m的无线视频传输。
首先，深入研究无线收发器芯片系统架构，在频域分析了超外差、零中频以及低中频三种架构的频谱变换过程，详细论述了收发器射频前端增益、噪声系数以及线性度的推导过程，系统解析了频率合成器相位噪声及杂散对收发链路的影响，结合系统分析及理论推导，给出可重构无线收发器及频率合成器的设计指标。
其次，探索晶体管闪烁噪声对相位噪声的影响，研究VCO电路中闪烁噪声至相位噪声的转换机理及抑制方法。利用脉冲敏感函数(ISF)，解析了影响闪烁噪声转换过程的二个重要参数：ISF函数一阶分量的相位以及晶体管沟道电流一阶分量的相位。提出了一种在VCO负阻对源级添加阻尼电阻抑制闪烁噪声上变频的方法，并在TSMC180nmCMOS工艺下实现了二个宽带VCO，仿真及测试结果表明该方法可以改善8-10dB的1?f3相位噪声，1MHz频偏处相位噪声分别为-127.2~-132.7dBc/Hz和-124.9~-130.9dBc/Hz。
然后，针对可重构射频收发器芯片工作范围宽的特点，研究了频率合成器输出频率扩展的方法。围绕分频比扩展过程中环路不锁定的问题，分析了多级2/3分频器级联时分频器的切换过程，提出了分频器的最优切换状态，并通过仿真及测试验证。针对单边带混频器中LC负载存在带宽-选择性折中的问题，提出了被动式负阻负载结构，在增加工作范围的同时提高频率选择性。针对基于D触发器的2分频器不能处理正交信号的问题，采用了正交输入-正交输出的分频器，降低了正交信号的相位偏差。以上述电路为核心，采用正交单边带混频器结合窄带VCO的频率合成器架构，在TSMC180nmCMOS工艺下实现了一款30-3600MHz的频率合成器，测试结果表明全频段内10kHz和1MHz频偏处相位噪声分别小于-88dBc/Hz和-118dBc/Hz，1kHz至10MHz范围内积分相位噪声低于2°。
接着，研究了频率合成器芯片中自动频率校准(AFC)及抑制量化噪声的关键技术。针对传统计数型AFC校准时间长的问题，提出了一种基于TDC的快速校准电路，可在1.25μs内完成校准。针对sigma-delta调制器量化噪声恶化频率合成器相位噪声的问题，采用前向相位切换分频器，将分频步进从2降低至0.5，可抑制量化噪声12dB，改善频率合成器带内及带外相位噪声。在180nmCMOS工艺下设计并实现了一款45-2500MHz的频率合成器，采用48MHz参考频率，AFC时间1.25μs，2.4GHz输出时10kHz和1MHz频偏处相位噪声分别为-99.5和-123.5dBc/Hz，证实了所提出的AFC和相位切换技术可以减少频率合成器的校准时间，改善相位噪声性能。
最后，结合收发器中其余电路模块，基于TSMC180nm1P6M工艺实现了一款45-2500MHz的可重构射频收发器芯片，芯片面积28mm2。测试结果表明，所设计的频率合成器可以在要求的频率范围内提供满足系统要求的相位噪声性能，在45-2500MHz频段，接收机灵敏度为-60~-80dBm。基于该收发器芯片搭建通信系统，不接片外PA时可实现100m的无线视频传输，接20dBm片外PA时可实现600m的无线视频传输。