纵观移动通信系统一代代的演进过程,可以发现载波体制也在和通信系统一起演变和发展着。从早期技术成熟的单载波体制到后来逐渐兴起的多载波体制,一直没有出现一种载波体制完全取代另一种技术的情形,反而是两种载波体制越来越朝着相互协同相互融合的方向发展着。在这种背景下,一种基于加权分数傅里叶变换（Weighted Fractional Fourier Transform,WFRFT）的混合载波体制被提了出来。这种新的载波体制将WFRFT这一新的数学工具引入到了通信系统中,既实现了对传统单载波体制和多载波体制的兼容,又能提供一种介于两者之间的分数域信号。本课题以这种分数域通信系统为研究对象,具体包括以下内容:首先介绍了现有的分数域通信系统结构,分析了其在不同信道环境下的误码性能,包括多径信道和双选信道。然后分析了现有的分数域通信系统架构在具体实施部署时的不足之处,并提出了一种易于实现的分组式WFRFT-s-OFDM（WFRFT-spread-OFDM）系统结构,同时仿真分析了分组大小对系统性能的影响,给出了机理解释。然后针对分数域通信系统可以灵活适应多样的信道环境和现有同步方法在大频偏场景下失效的矛盾,设计了一种大频偏场景下的同步方法。该方法相比其他现有的大频偏场景下的同步方法,同时具有较低的频偏估计误差和较低的计算复杂度,便于在硬件平台上进行实现。最后,本课题在USRP（Universal Software Radio Peripheral）硬件平台上,设计并实现了分数域通信系统演示平台,验证了所设计的通信系统的通信功能。针对关键的WFRFT模块,给出了一种高吞吐率的硬件实现方法,使得WFRFT能够应用在更多场景中,推进了分数域通信系统在实际应用方面的进展。