正交频分复用技术和多输入多输出技术都是新一代移动通信系统中的关键技术。二者相结合可以得到MIMO-OFDM系统，它能提供更好的传输质量、更高的数据速率，具有更为广阔的应用前景。但是，OFDM系统对载波频偏很敏感，很小的载波频偏都将导致OFDM接收机性能的显著下降。因此，准确的载波频偏估计是OFDM系统正常工作的前提。论文对OFDM系统中的载波频偏估计及相应的训练序列设计技术做了深入的研究。 首先，从单天线OFDM系统中的训练序列设计与频偏估计问题入手，提出通过具有良好性质的Chu序列来生成频偏估计训练序列，并构造了一种全新的频域训练序列结构，进而从理论上详细分析了该种新结构；将峰均功率比问题引入频偏估计训练序列设计领域，并研究出一种低计算复杂度且能显著降低训练序列峰均功率比的新方法。从最大似然估计理论出发，充分利用训练序列中高能量导频不等间距的结构特点，设计了针对该结构特点的频偏估计查找表，显著降低了整数频偏估计的复杂度；利用训练序列中由Chu序列生成的等间距导频，实现高精度小数频偏估计，理论上分析出采用Chu序列在对抗无线信道多径效应方面的显著优势。通过广泛全面的计算机仿真，验证了所提出训练序列、序列结构及频偏估计算法的有效性、可靠性。 随后，将单天线OFDM系统中的训练序列设计与频偏估计问题扩展到更具挑战性的MIMO-OFDM系统中，对频率选择性衰落信道中适于MIMO-OFDM频偏估计的训练序列做了深入的探讨，研究出基于Chu序列来设计MIMO-OFDM频域训练序列的新方法，利用序列结构信息、循环矩阵的分解、变量乘积的分解、矩阵秩的性质，首次从理论上系统全面地分析出MIMO-OFDM系统基于训练序列的频偏估计一致性问题。与该种序列及结构相适应，提出首先估计整数频偏然后估计小数频偏，并从理论上分析出将频偏分为整数频偏与小数频偏分别进行估计的可靠性，从而为该种低复杂度频偏估计实现方案找到了理论依据，进而得到了两个训练序列设计准则：利用训练序列的结构特点，将小数频偏估计与ULA中的DOA估计联系起来，进一步利用所设计的几何映射及相应矩阵的列共轭对称属性，将相应的复系数多项式转换为实系数多项式，进而分析出小数频偏可通过相应实系数多项式方程的根而估计出来：推导山频偏估计的CRB，进而得到频偏估计的EMCB界，从而评估了相应频偏估计算法的性能。 最后，根据上述MIMO-OFDM频域训练序列，深入地分析了MIMO-OFDM系统中基于多项式建模的频偏估计问题，进而研究出两种简化的MIMO-OFDM频偏估计算法。设计训练序列使其结构满足适当的条件，根据相应矩陴的Hermitian属性和实对称属性，分析出代价函数多项式方程根的成对性，进而分析出整数频偏与小数频偏可同时通过直接多项式求根方法估计出来：通过对导数多项式求根方法与直接多项式求根方法的深入分析，揭示出二者在估计上的等效性以及后者在实现上的优越性，从而突破了新近文献中的常规看法。从多元统计分析理论出发，利用训练序列的良好相关属性，对代价函数多项式的阶导数进行因子分解，进一步利用Vandermonde矩阵秩的性质，从理论上分析出通过多项式因子可实现低复杂度频偏估计；通过必要的假设和近似，推导出该简化算法关于频偏估计的均方差，进而得到了对该算法的参数进行优化的方法，从而实现高精度频偏估计。