近些年,基于反向散射理论的超高频射频识别标签（RFID）技术发展迅速,已经逐渐应用到生产生活中的各个领域。RFID技术在智能交通、智能物流、公共安全等领域的应用给物流行业、制造行业、仓储行业、服装行业、医疗行业、图书行业、农牧行业等各行各业带来了极大的便利,使人们的生产生活更加便捷。此外,RFID技术在零售业、智慧城市、国防军事等领域的应用也越来越普遍,它已成为国家未来物联网系统的重要组成部分。尽管RFID技术在不断拓展其应用领域,适用范围也越来越广泛,然而当前的超高频反向散射RFID系统仍然存在标签访问距离短,访问效率低等问题,从而制约了RFID技术的进一步发展。这其中除了系统发射功率受限,反向散射通信信道衰落大,标签激活功率阈值高的问题外,一个主要原因是当前的RFID系统都采用了单天线通道的通信系统。由于多天线MIMO系统可以通过在通信系统收发端增加多个发射或接收通道来增强通信链路的吞吐量和可靠性,因此相关领域内的研究人员近年来也开始关注多天线RFID系统的设计与性能分析。目前在5GHz频段,多天线RFID系统的研究取得了一定成果。但在超高频（800MHz～900MHz）频段,关于如何有效地将多天线技术应用到RFID系统中的问题,目前还没有太多有价值的研究成果。有鉴于此,本论文对多天线技术在超高频RFID系统中的应用进行了深入研究,提出了适应于超高频RFID系统的信号处理算法,并深入研究了这些算法的性能,实现了应用和理论的创新。本论文的研究工作主要包括以下几个方面:提出了一种适用于多天线超高频反向散射系统的高维空间标签数量估计方法。该方法适应于RFID系统只需要获知其访问范围内物品的数量而不需要访问物品详细信息的场景。与常见的多天线选择算法或是最大合并比算法不同,该方法既充分利用了多个天线接收到的不同路径信号的信息,又避免了类似最大合并比算法中所需的信道估计步骤,因而其不仅具有实现复杂性低,而且可以在很短时间内估计出当前系统访问的标签的数量。仿真和实物验证证明,在低信噪比情况下,该方法估计性能优于现有方法,在实际中具有很好的应用前景。提出了一种基于宽线性最小均方误差准则的标签“防冲突”算法。该方法利用超高频反向散射系统中标签的反射信号是非圆信号的特点,采用宽线性信号处理技术充分地挖掘了标签信号中包含的二阶非圆统计信息,提高了系统对标签“冲突”信号的检测能力,降低了标签“冲突”现象对系统吞吐量的影响。数值仿真结果和实物验证结果表明,在超高频反向散射系统中采用宽线性检测器能取得比传统线性检测器的更优越的性能,该检测器在多天线超高频反向散射系统中的应用取得了满意的效果。提出了一种基于非正交接入理论的多天线超高频反向散射系统（NOMA-RFID）,并且在理论上证明了NOMA-RFID系统的信道容量大于时分多址接入的RFID系统,并且在系统信道容量最大和标签接入公平性最大两种场景下,给出了NOMA-RFID系统的功率分配方案;考虑到前两种功率分配方案对不同场景不具有自适应性,本文进一步给出了一种基于标签数量的功率分配算法,该算法根据不同标签簇内未访问标签的数量自适应地进行功率分配,可以适应于不同的标签访问场景,在标签接入的公平性和系统总容量之间取得了很好的折中;此外,本文给出了非圆信号下NOMA-RFID系统的信道容量表达式,讨论了信号非圆特性对NOMA-RFID系统总容量的影响,在理论上证明了当NOMA-RFID系统存在误码传播时,采用非圆信号后的NOMA-RFID系统容量要大于采用圆信号的NOMA-RFID系统容量,并提出了一种基于可调非圆系数的系统容量分配方案,揭示了非圆信号在NOMA-RFID系统中的应用潜力,最后,本文分析了一种基于WLMMSE-SIC检测器的NOMA-RFID系统的性能,给出了标签信号SINR的分布函数、中断概率和误码率的闭合表达式。分析了任意天线配置下的宽线性最小均方误差（WLMMSE）检测器输出信号的信干噪比（SINR）的分布特性以及基于WLMMSE检测器的MIMO通信系统的性能。证明了包含Nt个发送天线和Nr个接收天线的WLMMSE MIMO通信系统检测器信号的SINR分布等价于Nt个具有不同参数的Gamma随机变量的和的分布,并给出了任意天线配置下检测信号的SINR分布函数的近似闭合解析表达式。该表达式简洁明了,并且该表达式给出的理论结果与仿真结果吻合的非常好。仿真结果显示该表达式不仅适用于小规模MIMO系统的性能分析,也适应于大规模MIMO系统性能的分析。此外,本文还利用WLMMSE检测器SINR的分布表达式,分析了任意天线配置下的WLMMSE MIMO系统的性能,所得到的结果不仅很好的解释了宽线性防冲突算法的仿真结果和实验现象,并且为其他基于宽线性处理技术的MIMO通信系统的性能分析提供了参考。分析了基于串行干扰消除的宽线性最小均方误差（WLMMSE-SIC）检测算法,给出了无误码传播情况下WLMMSE-SIC MIMO系统各层输出信号SINR的概率密度分布函数、中断概率、误码率和分集增益的闭合解析表达式。此外,本文还讨论了误码传播现象对WLMMSE-SIC MIMO系统性能的影响,并给出了存在误码传播时,WLMMSE-SIC MIMO系统各层信号误码率和中断概率的闭合解析表达式。考虑到最优排序算法对WLMMSE-SIC检测器的性能有较大的影响,本文进一步分析了SINR排序算法下的WLMMSE-OSIC MIMO系统各层输出信号SINR的分布函数、中断概率和误码率的表达式。