激光体制的星间链路和星地链路,是天地一体化网络的重要组成部分,是空间通信的重要研究方向之一,在我国国防领域占据重要的战略地位。在星地上行激光链路中,激光光束穿过大气层时会受到大气衰减和大气湍流的影响,造成光束的闪烁、展宽及功率的衰减,严重影响星地链路的建立和保持。基于以上研究背景,本文首先对激光通信体制进行了研究,比较了直接探测与相干探测的抗噪声性能,从系统实现复杂度和接收灵敏度等角度对比了相干零差接收机、外差同步解调接收机和外差异步解调接收机的性能,结合星地上行激光链路的发展需求,选择了相干外差通信体制作为本文的研究体制;充分考虑到星地上行激光链路低速率和高动态的特点,将扩频技术引入星地上行激光链路,在提高星地上行激光链路灵敏度的同时,降低大频偏对星上接收机性能的影响。利用Optisystem和Matlab搭建了仿真平台,仿真结果表明:在误码率为10^-6条件下,扩频相干外差探测系统比16PPM直接探测系统的灵敏度提高了6d B;针对激光扩频体制在频偏估计算法中复杂度高的特点,利用激光通信高信噪比的特性,本文将稀疏傅里叶逆变换（ISFT）引入频偏估计算法中,在保证频偏估计性能的同时,降低频偏估计算法的运算复杂度。在搭建的扩频相干外差系统平台上验证了基于ISFT的频偏估计算法的性能,仿真结果表明:在星地上行激光链路的高信噪比环境下,用ISFT替代IFFT完成频偏估计几乎没有性能损失,基于ISFT的频偏估计算法节省的运算量与码长成正比,在扩频比为1023时,大约可以节省32%的复数乘法运算量。本文首次将扩频技术与相干外差体制结合应用于星地上行激光链路,并将稀疏傅里叶逆变换引入到频偏估计算法中,提高了星上接收机的灵敏度同时降低了星上资源的消耗。本文的研究内容对星地上行激光链路的发展具有很好的理论指导意义。