自2002年联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)允许超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术和产品参与商业化运作以来,对UWB通信技术的研究兴趣和应用需求一直在急剧增加。同时,UWB技术在实际应用中也面临着诸如UWB脉冲产生、小型化天线设计、同步捕获、信道估计等许多关键技术问题。本文以贴近工程实践为目标,对脉冲方式超宽带(Impulse Radio UWB,IR-UWB)无线通信系统中的这些技术难题进行了深入研究。1、针对传统UWB同步捕获方法所需的电路复杂问题,提出了一种基于二次包络的超宽带同步算法,该算法由粗同步和细同步两阶段组成。粗同步阶段采用对相关器输出做二次平滑包络的方法来确立细同步区间,从而使粗同步阶段可以用较大的滑动步长来做相关,从而降低了硬件复杂度;在细同步区间上做相关并取峰值来确立时延完成同步。仿真结果表明,该算法能够显著减少接收机积分器的支路数兼顾同步性能,且有效降低成本和功耗,具有很强的实用性,并已被应用于实际的脉冲超宽带精准定位系统中。2、针对超宽带信道压缩感知重构问题,提出一种基于最小化光滑近似零范数估计的压缩感知(Compressive Sensing,CS)重构算法:SALZ(Smooth Approximate0l norm)算法。该算法属于凸优化算法的一种,比Mangasarian函数,pl-范数逼近,Log-Det函数等方法能够更好的逼近0l-范数。采用的近似函数在最优点附近具有非常陡的下降速率,在理想情况下一旦进入最优点附近收敛速度非常的快。在两三步内就可以以很高精度逼近最优解。最后通过仿真将SALZ算法与LASSO算法比较,复杂度低且性能更优。并且在高稀疏度和低稀疏度信道下均适合。3、针对压缩感知UWB信道估计问题,基于超宽带信道因子图模型,利用广义消息传递(GAMP)和平均场(MF)理论,提出一种新超宽带压缩感知信道估计GAMP-MF算法。由于对于传统贝叶斯方法,做压缩感知涉及到矩阵求逆,而GAMP不需要,极大减少了消息计算量。该算法不仅利用GAMP算法仅涉及标量运算的特点降低了信道估计的整体计算复杂度,而且通过MF算法分布估计为求解混合线性稀疏信号模型的GAMP算法提供先验,从而改善了信道估计精度。最后通过仿真验证了该算法可以远低于OMP算法和LASSO算法的计算复杂度,并达到更好的UWB信道估计性能。4、针对低成本,高幅值,极窄脉冲成形,提出一种新型基于串并联SRD结构的亚纳秒级二阶微分高斯超宽带脉冲发生器设计。采用两个SRD组件,一个SRD用于加速脉冲前沿,另一个用于脉冲整形;前者截止,后者反向偏置,在负载上形成负的窄脉冲。该结构克服了单独串联或者并联的单管SRD脉冲发生器的幅度不足的缺点。并且设计了RC电路网络为二极管提供偏压,速度更快,不需要额外的偏压电路。测试证明,该脉冲发生器结构紧凑、体积小、功耗低、成本低廉、稳定性高,并且非常易于实现,可有效应用在超宽带无线通信和定位系统中,具有很高的实用价值。5、针对小型化陷波天线问题,提出一种SIR互补缝隙设计小型化的陷波结构,使天线实际测量陷波带宽达到800MHz(5.05GHz-5.85GHz),对WLAN系统具有良好的陷波性能,而且有助于小型化设计;采用一个二级阶梯渐变设计,用来扩大天线阻抗带宽,其不仅可以展宽天线带宽,还可以有效减小天线尺寸;提出一种使用部分接地面边缘缝隙来改善高频端E面最大辐射方向偏转的优化方法,采用了两个L形槽。实测结果表明天线的增益大于2d Bi,具有良好的全向辐射特性。该天线尺寸较小,适合作为小型超宽带系统的收发天线,且成本低廉,具有实用价值。6、设计实现了一套脉冲超宽带收发机验证系统。通过对发送和接收所设计的二阶导数高斯脉冲测试分析,初步验证了该系统的有效性,并验证了发射机关键模块设计。