卫星移动通信系统可以为森林、沙漠、海洋等地面移动通信系统难以覆盖的区域,以及因地震、海啸、火灾等自然灾害导致的地面移动通信系统中断的区域提供高稳定性的通信服务,具有覆盖面积大、部署灵活性高等优点。随着通信技术的发展,卫星移动通信系统已成为未来全球化通信网络的重要组成部分。为了提高数据传输速率、满足用户日益增长的业务需求,在卫星移动通信系统中应用多载波传输技术已成为未来的发展趋势。多载波传输技术决定了数据的传输方法,影响着时频同步等步骤的设计方案,是通信系统中极为重要的基础技术。但是,卫星本身的非线性功放特性和星地链路中由多普勒效应及非理想晶振造成的载波频率偏移和载波相位偏移将引起信号的畸变,进而恶化系统误码率性能。因此,研究多载波波形设计技术和相应的同步技术具有重要的意义。本文针对卫星移动通信系统中的多载波传输技术进行了研究,主要的研究成果如下:(1)正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术可以提供较高的频谱利用效率,但是其较高的峰均比将导致能量利用效率的降低。恒包络正交频分复用(Constant Envelope OFDM)技术的峰均比为0dB,但其频谱利用效率仅为OFDM技术的50%,当带宽资源受限时难以保证系统容量。为了在提高多载波技术频谱利用效率的同时有效抑制基带信号峰均比,本文提出了准恒包络正交频分复用(Quasi-Constant Envelope OFDM,QCE-OFDM)多载波波形设计技术。首先,作者提出了基于移相复用的发送结构和基于泰勒级数展开的接收结构,给出了 QCE-OFDM技术的发送和接收方案;其次,提出了基于幅度-相位解调器的迭代检测增强接收结构,改善了高调制指数和高阶调制方式下的误码率性能。仿真结果表明,本文提出的QCE-OFDM技术的频谱利用效率为CE-OFDM技术的两倍,与OFDM技术相同,并且QCE-OFDM技术可以将峰均比有效的抑制在3dB以内,同时获得良好的误码率性能。(2)多普勒效应和非理想晶振将在星地链路中引入载波频率偏移和载波相位偏移,进而导致QCE-OFDM技术误码率性能的恶化。为了抑制载波频率偏移和载波相位偏移对QCE-OFDM卫星移动通信系统的不利影响,首先,本文在接收端提出了基于相位解调器的载波频率偏移和载波相位偏移联合估计方案,通过对频偏、相偏和有用信号之间线性关系的分析提出了频偏和相偏的最小方差无偏估计量和对应的克拉美罗界;其次,基于最小克拉美罗界准则提出了用于载波频率偏移和载波相位偏移联合估计的最优频域导频结构。仿真结果表明,所提联合估计方案和频域导频结构具有较高的估计精度,有效的保证了 QCE-OFDM卫星移动通信系统的误码率性能。(3)调制指数是QCE-OFDM技术的重要参数,同时影响着系统的频谱利用效率和能量利用效率。当调制指数增大时,频谱利用效率随之提高但能量利用效率降低。因此,如何选择合适的调制指数以优化QCE-OFDM卫星移动通信系统的整体性能是需要研究的问题。本文以能量利用效率和频谱利用效率作为影响系统性能的两个因素,提出了系统性能和调制指数之间的关系模型,并且通过链路级仿真方法得出了不同信噪比下的最优调制指数。