随着人们对数据高速传输和频谱高效利用需求的日益增长,宽带无线通信技术的发展不断成熟并成为了无线通信领域的研究热点。其中正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术以其强自适应性、高频带利用率以及抗衰落和多径效应能力强等特点在宽带无线通信中受到了广泛的关注与运用。而时频同步技术作为OFDM系统最为关键的技术之一,影响着整个系统数据传输的可靠性。本文针对高动态环境和复杂电磁环境分别提出了适用的时频同步方法,具体研究内容和贡献可分为以下三点:1)首先分析了三种经典的时频同步算法的性能,然后进一步研究了高动态环境下信道传输模型的时变、多径和大频偏等特征对传统时频同步算法的影响,仿真结果表明这些特征会使传统基于重复结构训练序列的时频同步方法出现延时相关峰值弥散的现象,将导致同步性能急剧下降。同时还分析了复杂电磁环境对通信设备的影响。2)接着本文针对高动态环境下传统时频同步方法失效的问题,提出了一种新的基于本地存储序列差分互相关的时频同步方法,该方法通过检测本地存储序列与对应接收信号之间的差分互相关函数峰值来实现时频同步。同时提出了针对差分相关计算的新归一化方法来克服远近效应对接收信号归一化的影响,并定义了对信道多径特性具有鲁棒性的新定时函数。最后提出了利用快速傅里叶变换来实现差分互相关函数的计算,大大降低了算法的计算复杂度。仿真结果表明,与基于延时相关峰值检测的经典算法相比,本文研究的时频同步算法具有定时准确、频偏估计精度高、频偏估计范围大等特点,对高动态环境具有良好的适应能力。3)然后,为了提高复杂电磁干扰环境下OFDM时频同步的性能,本文对传统同步方法进行改进并提出了一种基于认知无线电的非连续正交频分复用（Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,NC-OFDM）技术的频谱动态可编排时频同步方法。同时定义了新的定时度量函数,提高了NC-OFDM系统同步性能。最后,提出了复杂电磁环境下基于NC-OFDM自主选频系统的时频同步模块FPGA实现方案,实验结果验证了所提共轭对称同步算法的工程可行性,大大降低了时频同步资源的消耗。