频谱是一种有限的自然资源，随着各种无线通信系统和通信设备的爆炸式发展，人们对无线频谱资源的需求不断增长，无线频谱资源紧缺问题日益突出。作为一个智能的无线通信系统，认知无线电技术为解决频谱紧缺问题提供了强有力的技术支持。频谱感知是认知无线电系统中物理层要实现的核心功能，需完成频谱空洞的检测和判定，以及在通信过程中对频谱占用状态进行实时监测，是认知无线电的前提和先决条件。本文研究并探讨了认知无线电系统频谱感知关键技术，对现有频谱感知技术进行了分类，跟踪了国内外相关研究进展，不仅研究了传统的窄带频谱感知技术，还分析了以宽频带作为检测目标的宽带频谱感知技术。本文的主要工作和创新如下：1、针对能量检测易受噪声不确定性影响的问题研究最优的谱估计方法。利用多窗谱估计低方差、无偏差的特点解决谱估计一直存在估计方差和估计偏差进退两难的问题，结合谱熵强抗噪能力、高分辨率的优点，提出了一种多窗谱熵的频谱感知改进算法，可实现低信噪比条件下主用户信号的有效感知，相比于周期图、多窗谱检测法具有更好的性能。2、针对循环谱特征检测需要进行定时同步、载波恢复等严格的预处理过程，提出了一种基于循环平稳性检测的信号检测分类方法，实现低信噪比条件下，包括FSK、MSK、PSK、QAM等多种信号的检测分类。该算法无需参数估计及定时同步等预处理过程；同时算法所基于的循环累积量的循环频率特征，对噪声敏感度低，在低信噪比环境下盲分类检测效果较好，满足了实际应用需求，提升了感知效率。3、针对迅速发展的无线通信业务，围绕认知无线电技术宽带频谱感知中的若干问题展开研究。在信道的位置和带宽随机分布的条件下，无法直接利用传统固定信道的感知方法检测信号。本文采用改进的小波变换和基于Hankel矩阵的奇异值分解方法，完成整个频率范围的频率点奇异性检测并获得各子频段的起止频率和带宽，在此基础上采用传统固定信道的多频段频谱感知方法判断各子频段的占用状态，有效实现宽带频谱感知。4、研究并讨论适合认知无线电网络的传输方案，在确定的传输方式下实现频谱感知。在上述分析的基础上，初步完成了频谱监测平台的构建，实现了信号频谱监测、循环平稳分析、多窗谱熵分析、奇异性检测以及电磁频谱数据库管理等功能，并对其中的循环平稳分析模块进行了实际性能测试。结果表明，文中研究的频谱感知关键技术能够良好地完成频谱监测的功能。