为了创造和实现空天地海一体化的宽带移动通信未来网络愿景,第五代移动通信系统（5G,5th Generation）突破地面网络限制首次将卫星通信技术纳入5G标准框架。在低轨卫星移动通信信道链路中,卫星和地面终端之间的高速相对运动会引起动态大多普勒频移和动态时延等问题,给地面终端的统一空口信号处理带来了挑战。本文围绕5G融合宽带低轨卫星移动通信系统的下行时频同步及实验验证问题开展研究,设计了与5G融合的宽带低轨卫星移动通信地面实验系统,对该系统中多波束低轨卫星信道模拟器进行了设计与实现,并完成了5G卫星终端模拟器的下行时频同步算法设计、硬件实现与验证。首先,从应用场景、网络架构以及物理层协议架构的角度对与5G融合的低轨卫星移动通信系统进行研究,研究了5G新空口（NR,New Radio）下行同步信号生成方式和用户小区接入的基本步骤。回顾了5G融合卫星移动通信系统的应用场景、网络架构以及需要解决的难点问题。从物理层协议架构方面对与5G融合的低轨卫星移动通信系统进行介绍,并给出小区接入的基本步骤。从无线帧结构、时频资源入手,详细介绍5G NR的下行同步信号生成方式,并讨论同步广播块和同步广播块集合的作用以及5G NR的用户小区搜索流程。其次,针对低轨卫星在轨实验成本和复杂度高的问题,提出了一种5G融合宽带低轨卫星移动通信地面实验系统设计方案。从地面实验系统的需求入手,结合设计指标分析系统各个组成部分负责的功能。在子系统功能和技术指标的基础上,提出地面实验系统的整体架构设计方案,包括波束域5G卫星基站模拟器、多波束低轨卫星信道模拟器和5G卫星终端模拟器三个部分。根据该整体架构设计方案进行数字信号处理平台方案分析对比,并完成子系统设备、芯片以及通信接口选型。再次,对地面实验系统中的多波束低轨卫星信道模拟器进行硬件设计与实现。从信道衰落、动态长时延以及大多普勒频偏等低轨卫星信道特性分析入手,建立宽带多波束低轨卫星天线域、波束域和动态长时延信号传输模型,并利用该模型对低轨卫星信道性能进行仿真。基于该信号传输模型,设计多波束低轨卫星信道模拟器整体架构并定义各子模块的功能,将整个系统分为软件平台和硬件平台两个部分进行实现。在给出系统整体架构后,对各子模块进行详细的逻辑设计,包括子模块内部架构设计、输入输出接口信号设计、内部数据流设计以及低复杂度电路设计,同时对子模块资源消耗情况进行相应评估。最后,完成地面实验系统中5G卫星终端模拟器的下行时频同步算法设计、硬件实现与验证,能够支持5G NR的400MHz带宽传输模式。首先建立5G融合低轨卫星移动通信系统同步信号传输模型,并以5G融合低轨卫星移动通信系统时频同步算法为基础,设计下行时频同步的算法实现流程。根据该设计流程,提出下行时频同步的具体硬件实现架构,同时设计各子模块的功能和子模块间的数据流关系。然后对涉及信号数据计算的子模块进行数据定标设计、电路逻辑设计、接口信号设计以及信号时序设计。最后在现场可编程门阵列（FPGA,Field Programmable Gate Array）硬件平台完成Verilog代码编写、时序仿真和系统验证,并给出下行时频同步的硬件资源消耗情况。