移动通信技术的发展让人们对卫星通信提出了更高的需求。构建具有广覆盖、高传输速率的星地融合网络势在必行,地面5G移动通信系统与低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星移动通信系统的融合在其中扮演着重要的角色。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术以其频谱利用率高、资源分配方式灵活、便于与其他技术融合以及与地面移动通信系统兼容等优势成为LEO卫星移动通信物理层传输体制研究的重点。但是OFDM技术要求各子载波相互正交,对载波频率偏移十分敏感。而LEO卫星运行轨道低、移动速度快,并且与地面接收端之间存在非匀速的相对运动,所以LEO卫星移动通信系统中存在大范围的多普勒频偏和多普勒频偏变化率,这对OFDM系统的解调性能会产生严重影响。为了进行快速的载波同步,本文考虑利用5G帧结构中周期发送的主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)进行多普勒频偏估计。算法将多普勒频偏分为整数倍频偏和小数倍频偏两部分,利用OFDM信号的特点以较低的运算复杂度完成多普勒频偏的估计。理论分析和仿真结果都表明该算法估计范围取决于PSS序列长度和系统采用的子载波间隔,具有很大的估计范围且易于扩展。为了应对多普勒频偏变化率所造成的影响,本文提出了一种基于两个连续PSS的多普勒频偏变化率的估计算法,通过提取两个连续PSS的累积相位差,对多普勒频偏变化率进行了估计。仿真结果表明,相对于基于循环前缀(Cycic Prefix,CP)的估计方式,该算法在牺牲了估计范围的条件下成功提高了估计精度,对LEO卫星移动通信系统具有更好的适应性。除此之外,LEO卫星与地面终端通信距离远,路径损耗严重,接收端接收到的信号信噪比很低,这对估计算法的稳定性提出了很大的挑战。本文提出了一种载波同步策略,利用卡尔曼滤波对多普勒频偏和多普勒频偏变化率估计算法进行稳定性增强,并且总结了载波同步流程。仿真结果表明,在相同的MSE性能条件下通过这种方式算法性能提升了约13dB,大大提高了在低信噪比条件下载波同步的稳定性。为了验证本文提出的载波同步策略的可行性,本文利用DSP硬件处理平台开发了基于5G传输体制基带信号处理系统,介绍了系统发送端与接收端的具体流程。在此基础上对本文提出的载波同步策略进行了半实物仿真验证,给出了实际运行的结果,验证了所开发系统的正确性。并且从函数优化和内存规划等方面分析了在硬件实现过程中的DSP处理优化及配置,提高系统的运行效率。本文开发的系统具有较强的通用性和可扩展性,为未来在实际系统中的应用奠定了基础。