正交频分复用(OFDM)等多载波数字调制技术采用多路并行的正交子载波来发送/接收高速数据信号。该技术具有高频谱效率、优良的抗频率选择性衰落能力、能根据信道条件灵活地决定子载波调制方式与信号功率、具有天然的与多输入多输出(MIMO)系统相结合的能力,因而在无线通信领域引起了广泛关注。目前,OFDM通信技术的研究主要集中在高信噪比、高速传输速率的应用,而基于OFDM的拓展距离UWB通信、军事自适应速率隐蔽通信以及移动通信系统的小区边缘数据传输则更关注OFDM技术在低信噪比下的通信能力。本文开展了针对低信噪比下OFDM相关关键通信技术的研究,主要的研究内容和创新点如下:1.提出了一种具有良好自相关性能的OFDM前导码的设计方法。该前导码的主要特征是,频域序列具有相等的幅度,时域序列具有良好的相关性能且表现为类似高斯白噪声的统计特性,本文中称该种前导码为“频域恒包络前导码”。频域恒包络前导码产生方法简单,且当频域前导码为实序列时,由其生成的前导训练序列具有中心共轭对称性,这种性质可用于OFDM的自相关同步方法中。2.提出了两种级联方式的OFDM符号定时与载波频偏联合同步方法:差分互相关联合同步方法与自相关联合同步方法。两种联合同步方法的载波频率同步原理相同,主要区别在符号定时同步上。差分互相关定时同步是在互相关同步的基础上引入差分运算,用以消除大的载波频偏对前导码相关性能的影响;自相关联合同步方法充分利用实频域恒包络前导训练序列的中心共轭对称性质,来设计具有尖锐相关特性的自相关定时度量判决函数以实现高精度定时同步。仿真结果表明两种联合同步方法的都具有良好的抗噪声和抗频偏性能,优于当前几种经典联合同步方法。3.提出了基于频域恒包络前导码的OFDM时频二维符号定时与整数倍载波频偏联合同步方法,并且给出了两种实现方法。OFDM时频二维联合同步方法具有定时同步精度高、整数倍载波频偏估计范围大、抗噪声性能好、收敛速度快等优点。如果采用直接实现的方式需要耗费很大的硬件资源,在深入研究OFDM时频二维联合同步方法的基础上,本文提出了两种高效的实现算法:基于并行FFT的时频二维联合同步算法和基于并行Chirp-Z的时频二维联合同步算法。两种并行算法在保证OFDM时频二维联合同步算法优良性能的基础上,大大降低了资源消耗,具有很强的实际应用价值。4.基于频域恒包络前导码的循环相关性,结合频域恒包络前导码的同步阶段获得的多径时延分布信息,提出了基于多径时延信息的OFDM时域信道估计方法。该方法具有以下优点:首先,信道估计所用导频信号与同步阶段所用导频同为一个频域恒包络前导码,因此系统较小;其次,与现有的几种经典OFDM信道估计方法相比,该信道估计方法在低信噪比条件下具有良好的性能;然后,该信道估计方法计算复杂度低,意味着硬件资源的节省和处理时间的缩短。理论分析与仿真结果均表明该基于多径时延信息的OFDM时域信道估计方法是一种低复杂度、高性能的OFDM信道估计方法,适用于很多OFDM系统。