自2002年美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)正式批准UWB技术可应用于民用通信,世界各地纷纷掀起了研究和应用UWB技术的热潮。脉冲超宽带又称为超宽带脉冲无线电(UWB-IR, Ultra-Wideband Impulse Radio),它是一种通过发送亚纳秒量级的窄脉冲来实现极高速率数据传输的通信技术。该技术具有如下优势：极高的数据传输速率和用户容量；设备体积小和传输功耗低；穿透障碍物能力强；定位精确高以及能与现有窄带通信系统实现频谱共享。然而,实现UWB-IR无线通信仍然面临着诸多挑战。其中,在多径信道环境下,低复杂度、高精度的同步与信道估计问题就显得尤为突出。由于UWB-IR通信系统中承载信息的是占空比极低的超短脉冲,且工作在稠密多径环境中,因此实现低复杂度、高精度的同步与信道估计是非常艰巨的任务。本论文对UWB-IR通信系统的同步和信道估计问题进行了较为深入的研究,并创新性地提出了如下所述的两种UWB-IR信道估计算法和五种UWB-IR同步算法：1、基于离散小波变换的盲信道估计算法：去噪快速傅里叶变换使用离散小波变换(DWT, Discrete Wavelet Transform)来计算离散傅里叶变换(DFT, Discrete Fourier Transform),与此同时抑制了加性噪声。因此,本算法利用去噪快速傅里叶变换(FFT, Fast Fourier Transform)对接收信号进行反卷积运算,从而估计出信道的冲击响应(CIR, Channel Impulse Response)。理论分析和计算机仿真均证明与同类算法相比,此算法提高了信道估计的精度；而与同类算法的复杂度却在同一数量级。2、基于零径检测的卡尔曼滤波信道估计算法：此算法利用一种改进的卡尔曼滤波过程对时变UWB信道的CIR进行了估计。改进的卡尔曼滤波将零径检测(ZTD, Zero-tap Detection)植入到传统卡尔曼迭代过程中,并且充分利用了UWB信道的多簇先验信息,因此缩短了滤波迭代时间。计算机仿真证明与同类算法相比,此算法降低了计算复杂度,并且提高了信道估计精度。3、两种基于正交脉冲的数据有助无需搜索的同步算法：首先提出一种利用交替的正交脉冲实现数据有助无需搜索的帧量级同步算法。此算法无需任何信道信息,无需任何线性搜索过程,因此同步估计子是以一种闭式的形式给出的。由于避免了搜索过程,因此减小了同步复杂度和同步时间。计算机仿真证明与同类数据有助同步算法相比,此算法具有更高的同步精度,并且此算法可适用于“冷启动”的应用场景。通过分析得知,此算法中交替正交脉冲的选取对同步估计的精度有很大影响。有鉴于此,我们重新设计了一种新的正交脉冲串,利用此脉冲串得到了另外一种数据有助无需搜索的同步算法。此算法不仅具有上一算法的全部优点,而且使同步估计的精度得到了进一步的提升。4、基于正交脉冲的数据无助无需搜索的同步算法：此算法利用交替的正交脉冲实现了无需搜索的帧量级盲同步算法。此算法采用平方、重叠相加等操作消除了未知信息比特的影响,得到了无需搜索盲同步估计子的闭式解。计算机仿真证明与同类盲同步算法相比,此算法具有更高的同步精度,并且此算法可适用于“冷启动”的应用场景。除了计算机仿真,我们还进行了详细的性能分析以及与同类盲同步算法的理论性能比较,从性能分析中得到的结论与计算机仿真中得到的结论是一致的。5、基于能量检测的数据有助两步走的同步算法：此同步算法由两步构成。由于UWB-IR的一个符号由多帧构成,因此此算法的第一步先通过简单的平方和重叠相加等操作找到帧头；第二步利用用户地址码的循环自相关特性找到一个符号内第一帧的位置,从而实现接收信号的同步。计算机仿真证明了此算法在性能和复杂度方面的优势。6、基于能量检测的数据无助两步走的同步算法：此算法第一步通过能量检测方法找到帧头位置；第二步利用用户地址码和信息符号的随机性找到一个符号内第一帧的位置,从而实现接收信号的同步。无论是数据有助还是数据无助的两步走算法,当进行脉冲量级同步时,与一步算法相比,同步复杂度和同步时间会大幅度降低。这是由于两步走算法的两步结构将搜索空间划分为两级搜索子空间,因此减小了搜索复杂度和搜索时间。本论文提出的两种信道估计算法与五种同步算法相比于同类算法提高了估计精度、降低了估计复杂度,因此改善了UWB-IR通信系统中同步与信道估计的可靠性与有效性。