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在软件无线电应用领域中,无论是频谱分析、数字信道化,还是多载波通信,大都是以快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)和快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)为核心设计实现的,但是由于FFT/IFFT第一旁瓣衰减大约为-13dB,具有较差的频率响应特性,设计者往往只能通过牺牲资源来获得更好的性能。基于FFT的蝶形结构,Lim教授提出的快速滤波器组(Fast Filter Bank, FFB)实现了低复杂度和良好频响特性二者的统一,并且该滤波器组具有多相滤波器组所不具备的相邻子通道合并特性。然而,由于缺乏FFB的统一结构方面的研究,无法给出FFB传递函数的数学表达式,阻碍了FFB理论的进一步完善和应用。基于此,本文围绕FFB传递函数统一表达式的建立、原型滤波器的设计、低复杂度的实现以及针对实际场景的应用等一系列问题开展研究工作,实现理论和应用的源头创新。本文的研究工作主要包括如下几个方面：1)利用通道的二进制编码和各级原型滤波器的脉冲响应系数统一表达了分析快速滤波器组(Analysis FFB, AFF B)中各通道组成子滤波器传递函数和通道传递函数。通过IFFT结构推导了综合快速滤波器组(Synthesis FFB, SFFB)的结构形式,给出了SFFB中各子滤波器传递函数与对应原型滤波器传递函数之间的关系、SFFB和AFFB中对应原型滤波器脉冲响应系数之间的关系以及SFFB中各通道所包含子滤波器的传递函数和通道传递函数的统一表达式。特别的,如果SFFB和AFFB中各级原型滤波器采用半带滤波器方法进行设计,且具有对称非因果特性时,可以将各传递函数表达式进行进一步简化,并证明了在AFFB和SFFB中对应原型滤波器组传递函数相同的条件下,AFFB和SFFB中各对应子滤波器和通道具有相同的传递函数表达式；2)根据AFFB和SFFB中各通道所包含子滤波器传递函数以及通道传递函数的统一表达形式,证明了AFFB和SFFB中各通道的频率响应特性与均匀滤波器组各通道的频率响应特性相同,即各通道的频率响应可以由同一低通原型滤波器频率响应通过搬移而得到,根据此性质,可以在一定允许误差范围内,对AFFB和SFFB进行多相分解,从而建立了AFFB和SFFB与多相滤波器组之间的内在联系,并得到了对应的多相滤波器组等效结构形式；3)对FFB所需乘法器总数量与对应低通原型滤波器的通带、阻带纹波峰值进行联合优化,以达到根据全局指标设计各级原型滤波器的目的,并利用迭代方法计算得到各级原型滤波器的脉冲响应系数,弥补了目前文献中无法根据全局指标设计各级原型滤波器的不足,并在此基础上,利用FFB相邻子通道合并特性,设计了可配置变带宽有限脉冲响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器,并通过修改FFB中第0级原型滤波器的结构形式,使可配置变带宽FIR滤波器具有在一定范围内中心频率连续可调和带宽连续可调的功能；4)将FFB应用于频谱分析中,由于FFB具有良好的频率选择性,频谱泄露现象不明显,因而与FFT频谱分析系统相比具有频谱分析更加准确的特点。结合数字荧光(Digital Phosphor, DPX)技术,设计实现了实时频谱分析系统,该系统以模块化仪器作为硬件平台,利用场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)设计实现了以FFB为核心的基带信号处理模块,完成了时域信号的实时频谱分析和数字荧光统计功能,并将统计数据通过高速数据传输接口上传至主控机,以彩色位图的形式对实时频谱予以显示：5)将FFB应用于数字信道化中,在硬件结构不变的条件下,通过合理设计FFB的通道数和各级原型滤波器,实现均匀和非均匀数字信道化,与其他设计方法相比较,具有更小的过渡带带宽和较低的实现复杂度,且不需要额外的资源存储滤波器组的脉冲响应系数。将FFB所设计实现的数字信道化结构形式用于信号重构中,该结构不需要对应的综合滤波器组,因而可以大大降低系统资源消耗；6)研究了FFB应用于以交错正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation, OQAM)为调制方式的多载波通信系统的可能性与可行性,本文称作FFBMC/OQAM多载波调制系统。根据系统近似重构的要求,扩展了原型滤波器所满足的互补关系,在此条件下,重新推导了AFFB和SFFB中各通道所组成子滤波器传递函数和通道传递函数的统一表达式。利用以子信道间的干扰(Interchannel Interference, ICI)和符号间干扰(Intersymbol Interference, ISI)最小化作为目标函数,阻带衰减为约束条件的优化函数,设计各级原型滤波器。在多载波调制系统应用场景下,证明了FFB仍然属于均匀滤波器组,从而在一定允许误差范围内可以得到对应的多相滤波器组等效结构形式。利用车载无线通信协议802.11p对基于FFB的多载波调制系统FFBMC/OQAM 与 OFDM系统进行了性能对比分析,仿真实验表明,在存在频偏、多普勒、多径和白噪声的通信信道中,FFBMC/OQAM系统比OFDM系统的误码率更低,具有更加优异的综合性能。