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正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)以其高频谱效率和抵抗频率选择性衰落的能力,成为第三代陆地蜂窝移动通信系统增强型长期演进技术(3GPP LTE-Advanced)、新一代无线局域网标准(IEEE 802.11n)、及无线城域网标准(IEEE 802.16e/m)的核心无线传输技术。但OFDM存在的高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)与子载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)仍是限制OFDM系统传输性能与容量提升的两个因素。针对上述问题,本文研究了OFDM系统的PAPR抑制技术和复杂信道环境下具有鲁棒性的正交频分复用系统,即基于交错正交调制的正交频分复用系统(OFDM/offset QAM, OFDM/OQAM)。首先,传统预留子载波的PAPR抑制方法主要根据凸极优化理论进行峰值抵消,但是额外的子载波开销降低了频谱利用率,且复杂度较高。本文通过分析WiMAX系统发送信号结构特点,研究了预留空子载波PAPR抑制方法。为了降低预留空子载波方法的复杂度,通过分析发送信号峰值联合概率密度函数,提出了一种具有低复杂度的预留空子载波PAPR抑制方法。此外,从高功率放大器的非线性抑制角度出发,传统预失真和PAPR抑制方法并没有联合进行优化设计。在WiMAX系统结构的框架下,本文研究了结合预失真和预留空子载波的非线性联合抑制方法。其次,本文概述了广义频分复用系统的正交条件、时频聚焦特性和格密度,重点分析了基于各向同性正交变换函数的OFDM/OQAM系统。通过分析多径干扰信道对OFDM/OQAM实数域正交条件影响,指出了传统添加循环前缀的正交频分复用系统的信道估计方法不能直接用于OFDM/OQAM系统。本文通过分析OFMM/OQAM系统导频信道干扰来源,提出了基于ICI抑制的低复杂度信道估计方法和联合迭代信道估计和信号检测算法用于消除导频参考信号中的残余干扰。最后,通过观察扩展高斯函数(Extended Gaussian Function, EGF)的时频聚焦特性,发现调节EGF函数的扩展因子能够改变基于EGF函数的OFDM/OQAM系统的时频聚焦特性。因此,本文讨论了基于EGF函数的自适应OFDM/OQAM系统,当无线信道具有较强的多径干扰,系统减小EGF函数的扩展因子,提高OFDM/OQAM系统的时域聚焦特性;当无线信道具有较强的子载波间干扰,系统增大EGF函数的扩展因子,提高OFDM/OQAM系统的频率聚焦特性。以上研究成果提供了一种满足新一代移动通信系统物理层技术需求的正交频分复用系统,实现了复杂信道环境下稳定的高频谱效率传输目的,可作为IMT-Adavancd、IEEE 802.11、IEEE 802.16等无线通信标准的演进候选方案。