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随着无线通信技术的发展和广泛应用，软件定义无线电SDR(Software Defined Radio，SDR)的概念应运而生，从而对接收机的射频前端提出了宽频带、低噪声和高线性度等要求。同时，随着CMOS工艺技术的发展，MOS管的特征频率已经超过100GHz，并且在价格、功耗和集成度方面具有明显的优势。因此，CMOS工艺逐渐成为实现射频前端电路的首选工艺。以CMOS工艺为基础，实现全集成、多波段、多模式、灵巧服务以及与传统模式的互操作单片射频接收机系统已经成为可能。
另一方面，诞生于20世纪20年代的广播一直以来都是人们生活不可或缺的部分。但是，两种传统的广播调制方式：模拟调幅(Amplitude Modulation，AM)和调频(Frequency Modulation，FM)，由于固有的缺点，如AM广播存在着传输质量差、业务单一和易被干扰等固有缺陷，FM广播存在占用频谱宽、电台服务半径有限等缺点，面临着越来越严峻的挑战。为此，从20世纪90年代初期开始，人们就致力于研究用数字广播代替模拟广播这一重大课题。现在已经明确，数字广播是未来发展的必然趋势。因而，对兼容数字和模拟广播接收和发射系统的研究成为一个热点。同时最有发展潜力的两种数字广播标准一—全球数字广播(Digital Radio Mondiale，DRM)和数字音频广播（Digital Audio Broadcasting, DAB）得到了人们的普遍关注。
射频前端作为接收机的关键部分，是实现数字广播接收机的技术瓶颈。其中的频率综合器作为射频接收机的“心脏”，是射频接收机中的关键部件，决定着射频接收机的整体性能。本文对应用于兼容数字广播标准(DRM和DAB)和模拟广播标准(AM和FM)的射频前端芯片中的频率综合器进行了研究。根据DRM/DAB接收机射频前端系统规划和DRM和DAB标准，推导出DRM/DAB频率综合器的系统指标和各个子模块的技术指标，然后根据对应指标设计实现了各个子模块和系统。
本文首先基于DRM/DAB接收机射频前端系统规划和DRM和DAB标准，根据频率范围要求、频率间隔、本振信号的正交性、灵敏度和邻近信道抑制的要求，推导出DRM/DAB频率综合器的系统指标以及子模块压控振荡器(voltage-controlled oscillator, VCO)、吞吐脉冲分频器和多模分频器的的技术指标。
为了满足DRM/DAB频率综合器提出的性能要求，对DRM/DAB频率综合器中的宽带VCO展开研究和设计。从相位噪声性能出发，首先确定了该宽带VCO的基本结构为带有无尾电源的差分负阻结构的LC-VCO，并采用在电源与PMOS交叉耦合对，地端与NMOS交叉耦合对之间分别插入一个LC滤波网络来改善相位噪声。为了扩展调谐范围，采用4位控制字的开关调谐电容阵列结构(SCA)。并对此宽带VCO的频率调谐范围和压控增益进行了理论推导，给出了电路设计过程中具体元器件的选择过程。该宽带VCO采用SMIC0.18μmRFCMOS工艺进行了流片，测试结果表明其频率调谐范围和相位噪声性能完全满足系统要求，并具有低功耗的特征。
根据DRM/DAB频率综合器系统要求，为了获得宽带、速度、功耗和相位噪声等方面的高性能，首先吞吐脉冲分频器的关键模块32/33双模分频器进行了研究设计。为了在保证带宽的同时获得好的相位噪声性能和低功耗，该32/33双模分频器中的同步4/5分频器采用集成“或”逻辑的SCL触发器结构，异步8分频器采用了TSPC和静态CMOS两种DFF结构，并给出了此双模分频器的带宽的理论分析。为了降低设计难度，根据此吞吐脉冲分频器的工作频率范围特点，异步连接方式的吞吐脉冲计数器和可编程分频器的基本单元采用无静态功耗的、噪声性能良好的可置位和复位CMOS静态触发器。在选定各个部分基本单元结构的基础上，给出了电路设计的具体过程。该吞吐脉冲分频器同样采用SMIC0.18μmRFCMOS工艺进行了流片。测试结果表明：此吞吐脉冲分频器的具有宽带、高速、低相位噪声和低功耗的性能，完全满足DRM/DAB频率综合器的要求。
基于DRM/DAB频率综合器系统要求的技术指标和吞吐脉冲分频器的结构特征，推导出了应用于DRM/DAB频率综合器的PFD的技术指标。并根据此技术指标和已有的成熟的技术设计了此PFD和电荷泵CP。其中PFD的采用边沿触发结构，通过对延迟单元的优化，克服UP和DW支路的复位延时不相同的问题，同时通过对CP中的运放的优化来降低充、放电电流的不匹配度。PFD和CP均采用SMIC0.18μmRFCMOS工艺进行流片。测试结果表明：PFD和CP基本满足系统要求。
在保证DRM/DAB频率综合器稳定性的前提下，对应用于DRM/DAB频率综合器中的片外环路滤波器进行了研究和设计。根据DRM/DAB频率综合器的结构特征和根据测试VCO、吞吐脉冲分频器、PFD和CP的测试结果，应用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)优化设计了应用于各个频段的环路滤波器，得到了各个波段环路滤波器的元件的具体参数，并设计了相应的PCB。
根据DRM/DAB频率综合器系统结构特征和要求，首先确定了多模分频器的模块结构。为了使本振信号具有良好的相位噪声性能，首先提出了一种一种新型的SCL锁存器结构，并对此结构的的工作频率性能和相位噪声特性进行了理论分析。通过理论分析，发现这种电路结构的SCL锁存器的电路结构与Behzad Razavi结构相比，其采样速度是相同的，保持时间更长，即以此结构为基本单元的分频器有更大的带宽。与传统带尾电源管的SCL结构相比，具有更好的相位噪声性能。基于如上优点，此结构的SCL锁存器作为基本单元，设计了多模分频器中的高速同步分频器阵列。同时，根据DRM/DAB频率综合器系统对此多模分频器的模式要求，设计了对应的模式转换电路来满足系统的要求，并根据第二级分频器阵列的输入信号的频率特性选择了其基本单元的结构为静态CMOS触发器。此外，还根据系统对本振信号正交性的要求，首先从理论上比较了二分频器和四分频器作为正交信号产生模块的特征，并选择了输出信号正交性能不受输入信号占空比影响的同步四分频器作为正交信号产生电路。该多模分频器采用SMIC0.18μmRFCMOS工艺进行流片，测试结果表明：此多模分频器具有低相位噪声的特征，其输出的四路正交信号的正交性完全满足系统要求。
最后，根据以上模块的分析和设计，将以上各个模块进行集成，采用SMIC0.18μmRFCMOS工艺进行流片，进行了测试，测试结果表明，该频率综合器系统基本满足DRM/DAB接收机指标要求。在测试结果的基础上，通过对DRM/DAB频率综合器整体展开了进一步研究和分析，给出了DAM/DAB射频接收机的频率综合器系统新的系统方案。
本文的工作一方面通过对DRM/DAB频率综合器的各个模块和整体进行研究和设计，验证了对DRM/DAB频率综合器的第一次的规划。并在在具体电路实现过程中，检验出规划中不合理的部分，积累了实践经验。另一方面，在实践经验的基础上，进一步改进完善了DRM/DAB频率综合器的系统规划，为DRM/DAB射频接收机专用芯片的研制奠定了理论基础，积累了设计经验。