由于超宽带(Ultra-Wideband，UWB)无线传输技术具有传输速率高、功耗低和与现有频谱兼容等优势，使其在无线电频谱资源越来越紧张的情况下，成为了未来短距离无线互联的主要手段和核心技术之一，并将成为第四代无线通信系统的重要组成部分。多频带正交频分复用(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MB-OFDM)技术凭借高速率数据传输、抗多径和灵活利用频谱资源等特点，成为UWB的主流实现方案之一。　　 MB-OFDM技术将UWB可用频带划分为14个等宽的频段，通过调制不同频率的载波，将基带信号调制到相应的频段中传输，这对硬件实现提出了很高的要求，同时降低了系统的灵活性。因此，为了满足未来灵活的超高速通信的需要，本文设计了一种全数字化系统，即双层多载波超宽带(Two-level Multi-carrier UWB，TLMC-UWB)无线通信系统。在TLMC-UWB系统中，发射信号时，仅通过调制固定频率的载波来传输信号，也就是频段的使用完全由基带数字信号处理来实现，这样极大地提高了设计与实现的灵活性，扩大了性能优化的空间。　　 针对TLMC-UWB系统，本文在深入分析和研究OFDM系统和基于指数调制滤波器组的多载波通信系统的信道均衡算法的基础上，设计了适用于该系统的信道均衡算法，其思想是利用离散傅里叶变换将信号由时域变换到频域，进行频域均衡。仿真结果表明，采用信道均衡算法后，系统的误码率(Bit Error Rate，BER)性能得到明显改善。此外，在TLMC-UWB系统中，最大混叠失真与最大幅度失真相比，更加能决定系统的BER性能。　　 针对TLMC-UWB系统，本文还在深入分析和研究OFDM系统的同步算法的基础上，设计了适用于该系统的同步算法，包括帧检测、符号定时、频偏估计和残余频偏纠正算法。帧检测通过能量检测来实现；符号定时基于两个接收序列的差值与本地序列的互相关值，并用帧检测算法中所用的测度来进行加窗，从而找到信道的第一径；频偏估计通过相同发送序列的接收序列的共轭相乘来实现。为了减小残余频偏对系统的影响，在TLMC-UWB系统存在残余频偏的情况下，对系统的第κ子带模型进行了分析，提出了适用于TLMC-UWB系统的残余频偏纠正算法，并在理论上分析了算法在加性高斯白噪声信道下的性能。仿真结果表明，系统的同步算法性能良好。