人们大多数活动都发生在室内,对于室内精确定位的需求与日俱增。然而室内环境中存在的复杂障碍物、密集多径、大路径损耗,定位系统的低成本低功耗要求等诸多不利条件对定位技术提出了很高的要求。而脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra-wideband, IR-UWB)技术在穿透能力、精细分辨、抗多径和抗干扰等方面具有独特的优势,在到达时间(Time-of-Arrival, TOA)估计测距和定位的实现上具有低复杂度、低功耗和低成本的巨大潜力,使得其成为室内定位的首选技术。但是,IR-UWB技术优势的发挥面临着瓶颈：超宽带信号的接收非常困难,需要极高速率和量化分辨率的数模转换器(Analog-to-digital Converter, ADC)。目前这个瓶颈尚未得到较好的解决,IR-UWB技术的低复杂度实现仅仅停留在潜力上。而本文提出了高速取样低位宽量化的接收方式,在保证时间分辨率这一关键指标的基础上,对幅度信息进行折中。本文以此为基础,研究IR-UWB TOA估计和定位方法,证实了低位宽量化方法在IR-UWB定位技术上取得了复杂度和性能的良好平衡。本文的研究内容集中在IR-UWB信号接收方法,TOA估计算法,定位方法,测距系统的实现四个方面,主要的研究成果和贡献如下：针对信号接收方法,本文在分析数字接收和模拟能量接收方法利弊的基础上,理论分析了低位宽量化对IR-UWB TOA估计性能的影响,证明其影响较小。采用的分析手段为费舍尔信息矩阵,相应的性能衡量标准为克拉美劳界。首先,引入量化系数定量分析量化如何影响TOA估计性能,证明2比特量化的效率可以达到全精度量化的88%；其次,定义多径重叠系数,刻画首达径和后续多径间的重叠对TOA估计性能的影响,证明多径重叠只和多径到达率及脉冲宽度有关,与多径增益无关；最后,当信道参数的先验知识已知时,本文证明该先验知识能够增加TOA估计的准确度。特别地,本文根据理论分析给出了实际系统的设计指南：一是利用低位宽量化的高速率优势,采用更窄的脉冲,从而增大有效带宽降低多径重叠影响,提高TOA估计性能；二是采用方便实现的次优量化方式,利用多个脉冲估计,减少系统性能损失的同时进一步降低复杂度；三是10皮秒左右的采样时钟抖动对系统影响不大。针对TOA估计算法,本文以保证良好的TOA估计性能为目标,设计低复杂度的信号处理算法。首先将TOA估计问题建模成一个二元似然比假设检验,通过判断信号有无来分辨信号区和噪声区,从而找到首达径。为减少算法复杂度,提出局部最优检测的概念,关注对性能影响最大的低信噪比区域。在分析似然比假设检验统计量统计特性的基础上,利用广义纽曼皮尔逊(Ney man-Pearson, NP)准则,门限设定简单。进一步,为了利用估计出的信号幅度信息,提高假设检验的准确度,本文将TOA估计问题建模成一个广义似然比假设检验。先使用局部最优量化来估计信号,再使用信号先验知识更新量化器参数并再次接收信号,最后生成判决门限。最后利用失真度的概念,分析检验统计量的检测性能并计算量化参数。针对定位方法,在定位性能界分析方面,本文推导出了低位宽量化下,基于TOA、到达时间差(Time difference of arrival, TDOA)、到达角度(Angle of arrival, AOA)方法的IR-UWB定位性能界；在定位算法方面,本文将位置估计和真实的低位宽量化后信号联系起来,将定位问题建模成一个最小二乘问题,再利用泰勒展开算法求解。在非视距误差控制方面,因为非视距误差总是正的,本文利用基站间的几何关系,抵消一部分非视距误差。针对低位宽量化下的IR-UWB测距系统的实现,本文给出了单比特量化下测距系统的实现方案。该方案的基础是局部最优检测的TOA估计算法。方案实现上利用高速比较器进行单比特取样,在数字处理部分并行化处理,采用双程测距协议弱化了对于系统时钟同步的要求。最终较为简单的实现了一个时分双工的测距与通信系统,支持15.625Mbps的低速通信,达到了15厘米的测距精度。本文在实验室室内环境、走廊和穿墙环境中测试了该系统。实测结果表明,本文的系统具备良好的测距精度,尤其是在复杂多径、非视距等不利条件下仍然保证了鲁棒性,达到了本文的设计要求,有力的证明了低位宽量化在IR-UWB测距与定位系统中的可行性和独特优势。