自然界中的一些生物,小至细胞大到高等动植物,会利用特定种类的分子作为载体实现信息交互。这类以分子（也可以是离子,如钙离子）的特性,如浓度、种类、释放时间等进行信息承载并实现通信方式称作分子通信（Molecular Communication,MC）技术。相对于传统的通信技术,分子通信的研究历史较为短暂,并具备较大的研究潜力。分子通信在不同尺度中的场景均得到应用,并可归结为微观尺度和宏观尺度两类。在微观尺度中,纳米级设备,如纳米机器人可以借助分子通信在生物体内进行连接与组网,实现靶向给药等智能医疗服务,其主要研究问题在于如何克服符号间干扰（Inter-symbol Interference,ISI）和非平稳特性噪声的影响,并在顾及计算复杂度的情况下设计适当的发射及接收算法。在宏观尺度中,分子通信可以用于污染检测,或在传统通信技术受限的场景中作为替代的通信手段,其主要研究问题则在于原型机实现及相应的信道建模。本文的主要工作可概括如下:1)对微观尺度中的分子通信信道的特性进行了深入分析。除了传统的时域分析,首次探究微观尺度中的分子通信系统的频域特性,并定义信道的带宽大小,以应用采样定理获得合适的采样频率。此外,受到宏观尺度中的分子通信原型机发射机制的启发,初步提出了一种微观尺度中基于三阶段的分子通信信道模型。2)探讨如何在单输入单输出的分子通信（Single-Input Single-Output based MC,SISO-MC）系统中实现信息的高速传输。根据该场景中信道抽头数较多且具备计数噪声的特点,提出了利用频域均衡技术来实现信号检测,相比时域均衡和最大似然序列检测,其不但具有更低的计算复杂度,并且能得到合理的检测性能。3)实现高速传输的另一种方法采用多输入多输出的分子通信（Multiple-Input Multiple-Output based MC,MIMO-MC）系统框架,其进一步引入了链路间干扰（Interlink Interference,ILI）。据此,提出利用空间调制（Spatial Modulation,SM）技术来消除ILI的影响并实现了低复杂度的信号检测算法,并分析其相应的检测性能。4)讨论了当前分子通信原型机中的信号检测及系统设计问题。根据空气信道原型机中的信号特征,提出了基于上升沿强度的检测算法。此外,展示了基于水下信道的SISO-MC及MIMO-MC原型机系统及相应的信息传输性能。