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广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing,GFDM)技术是一种基于数据块调制的非正交多载波技术,相比正交频分复用(OrthogonalFrequency-Division-Multiplexing,OFDM)技术具有带外辐射低、频谱利用率高、多业务兼容性好等优点。GFDM能够灵活兼容地面5G移动通信系统上下行波形以及其它新型多载波波形。将GFDM技术应用于卫星移动通信系统,可以提高频谱效率,增加系统容量,促进卫星通信系统与地面蜂窝移动通信系统融合,实现通信网络的天地一体化。虽然GFDM具有诸多优点,但其固有的自干扰、高峰均比、定时同步敏感等问题影响了卫星通信传输与接收性能,需要提出针对性解决方案。针对GFDM自干扰影响接收性能问题,本文深入研究了卫星GFDM系统自干扰模型,提出了三种GFDM自干扰性能优化算法,分别是基于数据辅助的接收端频域单边干扰消除算法、基于优化匹配滤波器的接收端双边干扰消除算法和基于主动干扰对消的发射端并行干扰消除算法。仿真分析表明三种算法自干扰抑制效果明显,有效提升了GFDM波形在卫星信道下的接收误符号率(Symbol error ratio,SER)性能。针对GFDM和GFDM多址接入(Generalized Frequency Division Multiplexing Access,GFDMA)波形峰均功率比过高影响卫星链路传输性能的问题,本文推导了GFDM/GFDMA统一架构峰均功率比的互补累积分布函数理论表达式,然后在理论推导基础上,结合星地链路低信噪比特性,提出两种全新的GFDM低峰均比波形,分别是基于恒模零自相关序列扩展的GFDM-CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)波形以及基于子符号扩展和优化预编码的GFDMA波形。仿真分析表明两种新波形相比原有GFDM/GFDMA波形峰均比性能提升10dB左右,同时波形抗噪性能得到增强。针对传统GFDM定时同步算法在卫星通信高动态、大频偏信道下无法使用的问题,本文首先分析了时偏和频偏对GFDM系统的影响,推导了接收信号信干噪比随时偏和频偏变化的闭合表达式,阐明了GFDM对定时偏差的敏感性。然后,提出了一种基于差分互相关的抗频偏GFDM定时同步算法,仿真实验结果证实了该算法定时性能基本不受频偏影响。针对GFDM-CDMA低峰均比波形抗频偏性能弱的问题,本文提出了一种基于伪随机噪声(Pseudo-Noise,PN)码加权ZadoffChu(ZC)序列的抗频偏GFDM-CDMA波形。综合仿真实验和复杂度分析结果表明,在保持原有波形低峰均比优点的同时,新波形优化了原波形在大频偏环境下的同步接收性能,由于不需要频偏估计和补偿,接收复杂度相比于传统GFDM接收机大幅降低,能够满足卫星通信系统对复杂度以及频偏鲁棒性的需求。