数据采集系统作为将模拟信号转变为数字信号的核心单元,在通信、核物理、深空探测、测量仪器等领域都有着广泛的应用。随着科技的进步,这些领域中的信号正变得越来越复杂,其带宽更宽,瞬态特性更加显著,对测试的数据采集系统提出了更高的性能要求。然而,受到现有集成电路工艺的限制,单片模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）芯片难以达到数据采集系统的指标,尤其是采样率指标的要求。因此,时间交替（Time-Interleaved,TI）采样架构被提出以实现数倍于单片ADC采样率的性能指标。TI采样架构属于并行采集架构的一种。在实际采集系统中,由于不同采样路径前端模拟电路的物理参数无法保证完全相同,TI架构不可避免会产生采样非一致性误差。虽然已有大量研究该误差的文献,但这些文献的研究对象多为窄带采集系统或TIADC。在宽带采集系统中,采样非一致性误差与输入信号频率相关的特性以及每个采集通道频响的任意性大大增加了误差的估计和校正难度。此外,宽带采集系统中幅频响应的不平坦以及相位响应的非线性导致的频响非理想性误差进一步增加了宽带信号采样结果的失真度。这两种误差的存在使得采样结果无法准确还原出原始输入信号。为了减小采样结果与输入信号的差异,必须要对这两种误差进行校正,使校正后的信号是对原始输入的精确重构。本文致力于解决宽带时间交替采集系统中的信号精确重构问题,主要研究内容如下:（1）基于一般化表示的通道频响函数分析了TI采样模型,讨论了基于线性混合滤波器组、基于周期时变滤波器以及基于固定失配误差三种采样模型之间的联系与区别,为后续误差估计和校正研究提供可靠的理论支撑。此外,根据误差的产生原因,将系统误差分解为采样非一致性误差和频响非理想性误差,并分析了它们对系统性能的影响,为后续校正效果的评估提供了依据。（2）研究了误差校正中两种频响参数的估计方法。对于采样非一致性误差的校正需求,根据线性混合滤波器组采样模型与固定失配误差采样模型间的关系,改进了基于频谱分析的误差估计方法。该改进解决了原有估计方法在信号周期小于采样间隔时估计错误的问题,最终利用一组频率覆盖整个带宽的正弦信号估计出所有通道的相对频响。对于频响非理想性误差的校正,则需要对系统频响与理想频响的差异进行估计,即获得差异频响。差异频响的幅频响应估计采用频率抽样法;而相频响应估计则通过比较采集快沿信号与参考快沿信号的频谱获得。在相频响应估计过程中,为了解决由于噪声造成的高频分量相位估计不精确问题,设计了频域的对齐以及平均方法。通过使用粗细两步定位方法简化对齐过程中的非线性优化问题,并结合一维搜索方法,实现整个带宽内频谱的最优对齐。该对齐方法不需要采集系统的精密触发,从而降低了误差估计对系统硬件的需求。（3）对任意频响条件下的采样非一致性误差校正理论进行了研究。本文对采样非一致性误差的校正基于先重构误差再从采样数据中消除的思想。然而,通过对周期时变滤波器性质的研究,本文提出的校正结构简化了误差重构与误差消除的步骤,直接从采样数据中求得校正结果。由于在误差重构理论推导中采用了近似条件,计算出的校正结果中仍有少量误差残留。因此,本文进一步研究了校正结构的级联形式以减小残留误差。通过对周期时变滤波器级联形式的推导,得到了多个周期时变滤波器的级联可以等效为单个周期时变滤波器的结论,并获得了级联滤波器参数与等效滤波器参数间的数值关系。该结论的重要意义在于可以通过替换单级校正结构中周期时变滤波器参数的方式,实现单级校正结构与级联校正结构的等效,从而在不消耗额外滤波器实现资源的情况下进一步减小残留误差,获得更精确的信号重构结果以及更高的有效位数、无杂散动态范围等系统指标。（4）分别从时域和频域角度研究了任意频响滤波器的设计与实现方式。在时域中实现任意频响滤波器时,该滤波器被分解为逼近幅频响应的线性相位FIR滤波器和逼近群延时响应的全通滤波器。同时,为了在采样非一致性误差校正中对齐各通道滤波后的数据,还引入了一级分数延时滤波器。而对于在频域中实现任意频响滤波器的研究,则分析了频谱泄漏以及数据长度对滤波效果的影响,并提出了基于重叠帧的频域滤波方法以缓解频谱泄漏带来的滤波效果恶化问题。最后,基于时间交替采集架构研制了20 GSPS采样率,8 GHz带宽的宽带数字示波器,并在此系统中验证本文所提出误差估计与校正方法的有效性。为了减少误差估计流程中的人工操作次数,设计了频响半自动估计与校正参数自动生成软件。同时,为了加快信号处理的速度,在硬件中实现了本文所提出的误差校正结构。对该系统在校正前后的性能分析表明,校正后系统带宽内的有效位数平均提升2.56bits,SFDR平均提升23.44 d B,幅频响应波动范围从7.59 d B减小至0.94 d B,上升时间由52.03 ps提升至45.62 ps。经过校正后,系统的性能得到了较大的提升。校正后的信号相较于校正前是对原始输入更精确的重构结果,由此证明了本文所提出信号精确重构技术在实际宽带时间交替采集系统中的有效性。