脉冲超宽带无线电（IR-UWB）是未来无线个域网络（WPAN）短距离高速率通信和无线传感器网络（WSN）长距离低速率通信的重要技术解决方案。尽管具有低成本电路、许可执照频谱的复用、精确定位能力等潜力，IR-UWB技术还存在诸多的研究挑战。论文主要目的是找出并解决目前存在的挑战问题，为实际IR-UWB系统提供框架设计。本论文着重给出了目前不同调制选取的IR-UWB系统的比特误码率性能（BER）、功率谱特征、系统复杂度和传输数据率等研究结果。现存IR-UWB系统主要采用伪随机噪声（PN）跳时（TH）码结合脉冲位置调制（PPM）方式的多址接入方式。近来提出一种采用非周期性混沌编码的方法可以移除发射信号的离散功率谱值，能够提高IR-UWB系统的扩频频谱特征而与其他设备如全球定位系统（GPS）间具有很低的干扰性，即伪混沌跳时（PCTH）调制方案，借助符号动力学概念产生输入数据依赖性的非周期扩频序列。由混沌序列马尔科夫链特征可知，经伪混沌卷积编码器（PCCE）运算编码后的输入数据实质上具有卷积码（CC）表现。编码器输出后产生的跳时序列使得脉冲间隔呈现随机分布特征，因此具有类噪声的功率谱特征。明显的扩频特征需要发射机大量级数处理，而接收机的卷积编码器也需要处理大量状态值。而PCTH信号仅需复杂度较低的维特比（Viterbi）解码器处理少量状态值，而CC编码并不具有这种可扩展性，为接收机提供一种灵活性设计。而PCTH调制方案扩展版的多址接入（MA）方式是为每用户提供唯一签名的脉冲链而替代单用户系统的单脉冲形式。本文着重讨论这类新颖具有伪混沌卷积驱动（PCC）类跳时（TH）码结合不同调制方式的IR-UWB系统通信、组网和定位应用，同时依据PCC TH码的最优卷积特征给出类似的CC TH码设计方法。首先，本文给出IR-UWB信号频谱特征的数学随机尖峰原理，数学分析表明尖峰域的主要成因（例如，滤波、抖动、时延、细化、簇、采样和调制等）可描述为一系列模块化的数学运算。确切地说，IR-UWB信号功率谱可由基本模型添加特定特征而进行模块化计算。这种模块化方法可简化IR-UWB系统复杂模型或多径模型的功率谱计算。接下来，给出不同调制方式功率谱计算的基本模型，经过研究分析为TH-UWB系统提出一种新颖的脉冲幅度调制（PAM）和脉冲位置调制（PPM）的联合调制方式（PAM/PPM）。本文结果表明PAM/PPM TH-UWB系统可作为替代PPM TH-UWB系统的合适选择。从功率谱角度来说，PPM TH-UWB发射信号功率谱（PSD）具有一些尖峰值，已有分析结果表明这些尖峰严重影响系统BER性能，需要合理处理，而本文提出的PAM/PPM方式可以移除这些尖峰值并且能够提高系统整体性能。具有高容量、高数据率、简单、有效功率控制、低成本和小巧等特点的IR-UWB接收机设计也是一项高挑战性的任务。全相关接收机，例如采用典型的Rake接收技术最优匹配滤波器的性能最优，而缺点是具有极高的复杂度和硬件实现难度。通常，相关接收机需要已知接收信号、信道和干扰因素的参数信息。值得注意的是，由于多径信道的多径分量巨大，而从接收多径分量中估计信道时延和相关系数是一项巨大耗时的工作。因此，接收机最好能够忽略这些计算。近期对于这种不需要上述参数信息的非相关接收机设计成为主要研究热点。非相关接收机设计主要包括三类：发射参考（TR）UWB接收机、能量检测器（ED）和差分检测器。这些方法的共同点在于不需要信道估计和接收脉冲估计。本论文着重研究以下几种IR-UWB系统接收机设计和性能分析。给出前述提出的发射机性能、容量、计算复杂性等实际设计需求权衡，进一步讨论上述系统接收机设计的信道因素、自干扰或互干扰、调制方式等。具体包括：第一，给出不同调制方式和PCC跳时信道编码结合系统的Rake接收机的最优匹配滤波实现以及三种抽头选取下Rake接收机的性能分析。第二，考虑非相关接收的TR-UWB接收机，本文研究了TR-UWB与时间反转（TR）方法相结合的新颖定位系统，命名为(TR)2-UWB定位系统，通过研究结果表明，接收端的时空能量聚焦特性带来接收机性能的提升。第三，参考简单低成本的非相关接收机形式即ED接收机，主要利用接收信号的接收能量作为比特判决的设计方法，本文首次提出在能量检测器前加入基于高阶统计量（HOS）的盲检测机制来提高直接混沌通信（DCC）UWB系统性能的新颖方法。IR-UWB系统的多址信道接入主要依据PN码码分多址（CDMA）方式来减小多址干扰（MAI）。因此，合理的TH码设计不仅能够抑制多径干扰（MPI）和MAI干扰，还能够带来良好的功率谱形状。早期的直接扩频（DS）和跳频（FH）多址接入序列设计可修正并延伸到TH-IR组网应用，例如，线性同余码（LCCs）,双曲同余码（HCCs），置换序列等。基于PCC码设计原理，本文着重研究可适用于IR-UWB系统的卷积类CC码设计方法，研究结果表明这种具有最大自由距离设计的卷积类（CC）TH码可减小由MPI和MAI引起的脉冲碰撞。本文研究了一种利用PCC跳时信道编码和联合调制方式结合的改进多址接入方案受加性高斯白噪声（AWGN）、多径干扰（MPI）、窄带干扰（NBI）和多址干扰（MAI）影响的性能分析，进一步给出传统PPM TH-UWB系统和改进多址系统的闭式表达以及性能对比结果。由于IR-UWB技术的低功耗和低数据率（LDR）特性适用于短距传输组网应用，如IEEE802.15.4a任务小组标准。根据802.15.4a标准的需求，媒体接入控制（MAC）层设计需要考虑这种具有新特点的物理层（PHY）设计。根据特定情况的LDR UWB组网需求，现有基于ALOHA协议的(UWB)2MAC协议能够保证抗MAI鲁棒性的理想多址接入方式。(UWB)2MAC协议主要依赖TH码作为公用信道和数据信道码分配方式，而系统的抗MAI鲁棒性取决于TH码的互相关性，采用合理的码设计将减小脉冲间碰撞，因此，TH码码分方案将影响到相同区域的分布式组网性能。因此，本文接着给出一种基于分组碰撞多址模型的TH-UWB系统物理层设计方法，提出利用PCC TH码和联合调制结合的改进系统来减小脉冲碰撞以及提高组网性能的新方法。IR-UWB系统定位应用需要高精度检测接收信号的路径边缘，而目前的基于到达角度（DOA）的空间谱估计定位方法并不是最优的。最近，将物理声学的时间反转技术应用于无线通信领域定位应用已经成为热点问题，由于时间反转技术具有时间和空间聚焦特性，因此将时间反转方法与IR-UWB系统相结合不仅能够提高系统的性能还可以在空间聚焦定位成像，并且时间反转技术与DOA空间谱估计相结合能够在恶劣环境下提高对主动或者被动（电磁）EM目标的定位精度，最后，本文给出这种新颖的(TR)2-UWB系统的定位成像性能分析，仿真结果表明利用IR-UWB宽带信号源与TR技术相结合进一步提高了TR算法的定位成像性能。