模拟信号的数字化采样是现代数字通信理论的基础,由于脉冲超宽带(UWB)信号的带宽非常大(≥500MHz),对其进行数字化采样需要设计数GHz采样率的模数转换器(ADC),但局限于目前的半导体集成电路技术工艺水平,这样高采样率的ADC是无法大规模、低成本、低功耗生产的,因而探索超宽带通信中低于奈奎斯特率的采样和重建算法,以及研究超宽带数字接收机的设计方法,具有重要的实用价值。本文首先回顾和总结了超宽带无线电的研究背景,探讨了脉冲超宽带无线通信系统设计中存在的挑战,以及降低前端ADC采样率的方法,从脉冲超宽带信号的技术特性对于采样、重建和数字接收机设计方法的影响出发,指明了本文的研究动机和出发点。第二章结合现代无线通信技术向超宽带发展的趋势,针对UWB数字接收机设计中需要使用采样率达到数GHz的高速ADC这一难题,阐述了当前ADC器件的局限性,指出了现有欠采样方法的缺陷,然后具体分析了本文所采用的欠采样方法并对其进行了改进。本文第三章针对非带限冲激串信号的采样问题,使用sinc采样核函数对冲激串信号进行预滤波,然后通过理论分析得出所需要的最低采样频率为信号新息率,由此提出了一种最小二乘零化滤波重建算法;在冲激信号个数较大或者信号受到噪声影响的情况下,最小二乘零化滤波重建算法的性能恶化,因此本文进一步提出了一种奇异值分解(SVD)重建算法,以获得理想的重建性能。理论分析和仿真证明,本文算法能够以远远低于奈奎斯特率的速率进行采样和重建原始冲激串信号,并具有良好的抗噪声性能。本文第四章研究了脉冲超宽带信号的欠奈奎斯特率采样、波形重建和参数估计问题。首先,在第三章提出的非带限信号低通采样和重建算法的基础上,通过对脉冲超宽带信号的频谱进行分析,提出了一种带通欠采样方法,该方法所要求的采样率与信号带宽没有直接关系,仅与信号新息率和带通滤波器特性相关,低于奈奎斯特率1个数量级;其次,基于欠采样得到的离散时间UWB信号,提出了两种信号参数估计算法,一种是总体最小二乘(TLS)算法,另一种是旋转不变技术参数估计(ESPRIT)算法,这两种算法都可以准确地估计出脉冲信号的幅度和时移参数,比较而言,ESPRIT算法在低信噪比条件下具有更好的参数估计性能;通过将估计出的脉冲串信号与高斯单脉冲波形进行卷积,完成超宽带信号的波形重建;最后在超宽带硬件测试平台上进行了实验,验证了本文所提出的采样、波形重建和参数估计算法的有效性。论文最后提出了一种基于频域采样技术的超宽带数字接收机设计方法。首先,针对脉冲超宽带信号具有非常大的带宽这一特性,提出了一种在频域利用模拟滤波器组和多个ADC对脉冲超宽带信号并行采样的方法,从理论上推导出所需要的ADC数量,分析了频域并行采样方法的量化噪声,给出了多个ADC之间的最优化比特分配算法。然后针对并行采样得到的频域数字信号,给出了完整的频域信号接收方法,包括频域同步、频域信道估计和频域解调算法。理论分析和仿真证明,本文所提出的频域采样超宽带数字接收机,可以显著地降低系统对前端ADC采样速率的要求,并具有与传统时域高采样率超宽带接收机相近的误码率性能。