超宽带无线电(UWB-R)技术,由于其独特的频域特性和时域特性,在雷达和通信领域具有非常大的应用潜力,近些年来已经受到众多研究人员和业界的广泛关注和重视。UWB-R具有抗多径和窄带干扰能力强、高距离分辨力、低截获概率、穿透能力强、传输速率高、系统复杂度低等一系列优点,可以提高目标探测能力和有效利用频谱资源。然而作为一个新兴技术,UWB-R从波形设计、信道建模和估计、接收机设计到空时处理与传统窄带系统有着许多不同的地方。本文针对UWB-R的特点,分析了UWB-R在系统应用中的各种问题,并对若干关键问题进行了重点研究。本文工作具体概括如下：1.针对UWB系统的抗干扰和与其它系统共存的需要,研究了符合FCC频谱规范的UWB波形设计问题。利用样条函数逼近的原理,提出一种新的UWB发射脉冲构造方法。分析了一个使用B样条的通信系统,给出了B样条的实际电路产生方法。采用B-样条作为基函数去逼近具有特定频率特性的理想脉冲波形,从而将待求解的问题转化为一个有约束的优化问题,采用遗传算法求解,最终得到了一组近似正交的满足要求的UWB脉冲波形。2.介绍和分析了UWB信号传播的大尺度和小尺度模型,对UWB信道进行了仿真,给出了一种实际离散信道的产生方法。分析了自由空间和非自由空间的路径损耗模型,讨论了UWB衰落信道的统计特性,其中重点介绍了改进的Saleh-Valenzuela模型。对UWB系统进行了链路预算分析,研究了其不同于传统信道的特点。最后实验分析了基于S-V模型的IEEE 802.15.3a信道,对其实际应用给出了基于插值的简便易行的离散信道产生方法。3.研究了I-UWB接收机的设计和实现问题,提出了一种新的UWB RAKE/MUD混合自适应接收机。首先从最优接收机和次最优接收机出发,介绍和分析了I-UWB接收机的设计方法和一般问题。介绍了UWB相干RAKE接收机和部分相干RAKE接收机的结构,重点分析了RAKE接收机在可分辨和不可分辨多径条件下的性能,并研究了TH-UWB和DS-UWB RAKE接收机的结构和具体实现方案。为了提高抗窄带干扰和多址干扰能力,将MMSE自适应合并和多用户检测器结合起来,得到了一种新的UWB RAKE/MUD混合自适应接收机,推导了其自适应更新的公式。最后建立了Simulink仿真模型,并实验验证了不同调制和合并方式以及干扰存在下的I-UWB接收机的性能。4.提出UWB定位系统中的一种基于解析小波变换的UWB信号检测和TOA估计方法。首先讨论了UWB多径信道的最大似然估计法和基于广义最大似然法来估计直接路径TOA的迭代搜索算法。然后作为对比,提出一种新的使用发射脉冲作为基小波,来对UWB接收信号进行解析小波变换的分析方法。通过使用累计量进行阈值处理,去噪重构后可以有效地获得UWB脉冲的强度和延时信息。作为一种非参数化方法,无需UWB接收信号的结构信息和脉冲波形的先验知识,克服了匹配滤波接收的缺点。即使存在波形失真的情况下,也能具有较好的多径分辨能力和TOA估计结果。5.研究了UWB脉冲信号接收阵列的空时处理原理,针对高精度的可变时延电路实现问题,提出了将数字延迟线和分数阶的采样延时补偿滤波器(FDCF)相结合的时域数字波束形成实现方法。数字延时线可以实现整数倍采样间隔的时延补偿,然后FDCF来补偿分散的分数倍时延。考察和比较了现有的多种分数时延滤波器设计方法,确定了Lagrange插值多项式系数法和Farrow结构设计法为适合UWB空时处理需要的两种固定和连续可调时延VDC实现方法。其中对于Farrow结构的设计,采取了一种基于泰勒级数展开的简明推导方法,给出了由一阶微分算子组成的FDCF结构流图。仿真结果证实了本文设计方案确实有效地提高了波束形成器的性能,尤其在低采样速率下具有更为明显的优势。6.提出一种适合UWB脉冲信号的基于多速率滤波器组的波束形成方法。该方法避开了时域处理中延迟控制的问题,同时实现了大带宽范围内的均匀一致的频率不变阵列响应。具体分析了实现多速率滤波的几种结构方式,其优点是滤波器设计简单,运算量跟子带数目无关,同时UWB脉冲信号处理的不连续性使得其可以采用比较简单的时域插值算法。7.提出一种使用径向基神经网络实现UWB脉冲阵列的空时处理的方法。借助神经网络的非线性处理能力,径向基神经网络可以实现UWB脉冲空时处理中的多通道延迟映射,从而获得较好的波束控制,特别是在UWB脉冲阵列近场波束形成中具有明显的优点。它不需要对每个通道进行单独处理,因此具有方向图性能好和对噪声鲁棒性较强的优点。