作为一种频谱效率高、均衡简单、抗多径能力强、设计灵活、兼容性好的多载波调制技术，OFDM广泛应用于宽带无线传输各领域。作为4G的核心技术之一，OFDM并已被多个国际标准化组织所采纳，例如WLAN、WiMAX、LTE-A等。然而，自OFDM被提出至今，其固有的峰均比高和易受频偏影响的问题目前仍未得到完美的解决，因此，在很大程度上限制了其在某些特定场景下（如高速运动和功率受限）的应用。针对以上两类问题，本文分别从峰均比抑制、时频同步、信道估计三方面对OFDM技术开展研究，具体的研究工作和创新性成果如下：1.针对OFDM系统所固有的高峰均比问题，提出了两类基于频谱成形的峰均比抑制算法：基于无带宽扩展频谱成形峰均比抑制算法；基于频谱成形+时域定位脉冲峰值对消的峰均比抑制算法。这两类算法均结合了矩阵预编码和频谱成形原理，无需多次FFT/IFFT变换，也无需传输边带信息，具有复杂度低的优点，同时也避免了由于边带信息传输错误导致的误比特率性能恶化；此外，在这两类算法中所需的频谱成形函数无需根据OFDM原始数据信号进行分别设计，因此可以避免在选择函数时由于搜索最优函数所带来的复杂度的增加。两类算法的区别在于，后者需要额外预留子载波，并利用预留子载波信号的IFFT变换所产生的时域定位脉冲对消信号对频谱成形后的时域峰值信号进行迭代峰值对消，进一步降低峰均比。理论分析和仿真结果验证了所提算法的有效性。2.针对高速运动环境下由于信道参数估计精度低导致OFDM系统性能下降的问题，提出了一系列基于互模糊函数的信道参数估计算法。i)在整数倍频偏估计方面，提出了一种基于互模糊函数能量检测的度量函数，通过设计一种能够逼近理想自模糊函数的训练序列，实现了对多径信道具有鲁棒性的全范围、高精度、低复杂的整数倍频偏估计；ii)在存在残余时偏情况下的整数倍频偏估计方面，通过构造基于互模糊函数的时延-频偏二维度量函数，提出了一种基于二维搜索的整数倍频偏和残余时偏联合估计算法，该算法不仅可以进行有效的整数倍频偏估计，同时也可实现对残余时偏的有效估计；iii)在整数倍频偏与信道联合估计方面，提出了一种基于Chu序列的整数倍频偏与信道联合估计算法，该算法采用了低峰均比的Chu训练序列，有效克服了由于高峰均比所导致的信道参数估计性能下降的问题；此外，该算法合理利用了Chu序列互模糊函数Doppler切片的特殊性质，可以在牺牲一定整数倍频偏估计范围的情况下，仅使用零切片即可实现高精度的整数倍频偏与信道联合估计，计算复杂度极低。3.针对MIMO-OFDM系统中信道估计对低峰均比和高精度的需求，提出了基于循环正交Chu序列的时域MIMO-OFDM信道估计算法。i)针对频率选择性MIMO信道，通过对Chu序列的理想周期自相关特性的研究，提出了基于时域循环正交序列的信道估计算法，通过对各信道中的多径进行有效分离，实现频率选择性MIMO信道估计；ii)通过对循环正交算法进行改进，提出了基于连续重复循环正交短训练序列的信道估计算法，该算法不仅可获得与长序列相同的估计性能，而且能有效减少算法复杂度；iii)在以上工作的基础上，进一步提出了适用于稀疏多径信道的信道估计算法，该算法利用广义Akaike信息准则（GAIC准则）确定信道模型的阶次及各径的时延，通过保留有效子径来降低噪声对信道估计的影响，有效提高了稀疏多径信道中的估计精度。