近些年来,随着载人航天技术和深空卫星技术以及移动通信技术的不断发展,人们对于动态时变环境下的通信系统的建立的需求日益迫切。现有的数字通信技术都需要接收机中精确的同步系统。对于高动态通信条件下,由于通信双方都处在高速的移动当中,导致在接收机内部会引起极大的多普勒效应和高阶变化率甚至是突然的信道衰落,严重影响了信号的可靠接收。这需要更加强劲高效的载波同步模块,能够在复杂动态环境下稳定工作。因此研究高动态环境的载波同步技术的算法和具体实现都是具有重要意义的。传统的载波同步技术分为载波捕获技术和载波跟踪技术。载波捕获技术主要是利用伪码序列的相关性进行码相位和载波频率两个维度的搜索。本文介绍了基于时域和频域的不同搜索技术,并对其进行理论性能分析和算法复杂度分析。载波跟踪技术主要是采用锁相环技术和卡尔曼滤波技术。本文介绍了锁相环的基本构成,对其基本组成部分的基本原理和参数性能进行分析,而卡尔曼滤波器是一种可变带宽的环路滤波器可以用来代替锁相环进行载波跟踪。本文介绍了卡尔曼滤波器的基本原理和流程以及应用在载波跟踪的系统模型,最后进行仿真了不同参数下锁相环、锁频环和卡尔曼滤波器的性能。本文提出一种基于高动态条件下联合载波捕获和载波跟踪的算法。其中载波捕获算法采用的是PMF-FFT算法。PMF-FFT算法通过部分相关和FFT能够完成大频偏的载波同步和频偏估计,将频偏进行粗步补偿能够降低载波跟踪环路的收敛时间。针对信噪比的不同,在高信噪比下采用了维特比译码辅助卡尔曼的载波跟踪算法,低信噪比下采用扩频通信方案通过载波环和码环配合的方法进行载波跟踪。联合译码的载波跟踪方案使用维特比译码可以提升接收信号的信噪比,再通过卡尔曼进行载波跟踪能够大幅提升载波同步模块的鲁棒性。低信噪通信系统采用扩展卡尔曼的方法实现载波环的跟踪,采用延迟锁定环实现码环的跟踪,通过载波环和码环辅助的方式实现低信噪比下扩频载波跟踪系统。最后结合工程项目的需求,本文对所研究的载波同步方案完成了基于FPGA的硬件开发实现,完成了PMF-FFT载波捕获算法的硬件实现、维特比辅助锁相环载波跟踪的硬件实现和扩频系统载波跟踪的硬件实现,同时依托上位机进行功能的验证,确保的收发双方通信的有效性。