正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)具有高数据传输率、抗多径衰落、高频谱效率、频谱资源分配灵活、与多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术结合简单等优势。因此,OFDM已被应用于4G移动通信中,并将成为未来5G移动通信中物理层的核心技术之一。但是,OFDM信号具有幅值波动剧烈、频谱泄漏严重等缺陷,这会降低通信系统的能量效率和频谱效率。为了提升OFDM通信系统的能量效率以及频谱效率,需要设计具有低幅值波动、低频谱泄漏的OFDM信号。本论文主要研究能谱高效的OFDM信号设计,实现高能量效率、高频谱效率的通信,具体内容如下:首先,本论文提出了辅助符号(Signal Cancellation,SC)方法,实现了OFDM通信系统能量效率与频谱效率的同步提升。辅助符号方法在各个子载波上添加适当的辅助符号,并利用这些辅助符号生成抵消信号,用来降低OFDM信号的幅值波动和频谱泄漏,从而能够提升系统的能量效率和频谱效率。辅助符号方法将降低OFDM信号的幅值波动和频谱泄漏的过程建立成凸优化问题,并使用内点法求解该优化问题,获得具有低幅值波动和低频谱泄漏的OFDM信号。由于辅助符号方法的计算复杂度较高,本论文还提出了低复杂度辅助符号(Low-Complexity Signal Cancellation,SC-LC)方法。该方法将添加在子载波上的辅助符号分为两类,一类只负责降低OFDM信号的幅值波动,另一类只负责降低OFDM信号的频谱泄漏,并通过循环迭代实现幅值波动和频谱泄漏的降低。仿真结果验证了提出的辅助符号方法和低复杂度辅助符号方法的有效性。其次,本论文提出了星座修正(Active Constellation Modification,ACM)方法,将OFDM通信系统的幅值波动和频谱泄漏控制在较低值。星座修正方法的核心思想是:对OFDM符号的星座点进行修正,使得新生成的OFDM信号的幅值波动和频谱泄漏满足系统要求,从而能够提升系统的能量效率和频谱效率。星座修正方法改变了OFDM符号的星座点,因此会引入一定的信号失真。为了保证通信质量,星座修正方法还必须将信号失真控制在一定范围内。因此,星座修正方法以最小化信号失真为目标函数、以OFDM信号的幅值波动和频谱泄漏为限制条件建立了数学优化模型。然后,星座修正方法使用凹凸过程算法求解提出的优化模型,并得到了具有低幅值波动和低频谱泄漏的OFDM信号。仿真结果显示,星座修正方法能够实现高能量效率、高频谱效率的通信。最后,针对多天线通信场景,研究了能谱高效的OFDM信号设计。众所周知,MIMO能够提升通信系统的频谱效率,因此MIMO-OFDM通信系统具有较高的频谱效率。但是,MIMO-OFDM信号仍然具有较高的幅值波动,会降低系统的能量效率。部分传输序列(Partial Transmit Sequence,PTS)方法能够降低MIMO-OFDM通信系统的幅值波动,进而提升系统的能量效率。但是,PTS方法需要占用额外的频谱来发送边带信息,这会降低MIMO-OFDM通信系统的频谱效率。为了在提升MIMO-OFDM通信系统能量效率的同时维持系统的高频谱效率,本论文提出了相位偏移(Phase Off-Set,POS)方法。相位偏移方法将边带信息包含在相位偏移信息中,避免了发送边带信息,从而能够保证MIMO-OFDM通信系统的高频谱效率。相位偏移方法在接收端采用最大似然检测方法对相位偏移进行盲估计,即可正确获得边带信息。此外,为了降低相位偏移方法接收端的计算复杂度,本论文还提出了两种低复杂度的最大似然检测方法。仿真结果显示,相位偏移方法不仅能够实现高能量效率和高频谱效率,还能在不发送边带信息的条件下获得良好的误比特率性能。