战术数据链是现代战场上各参战单元之间实现通信和信息共享的平台，而数据链物理层波形则是信息得以传播的载体，直接决定了信息传输系统的性能。本文主要研究了战术数据链物理层高效传输波形设计与实现中所涉及到的两个关键问题，即如何在有限的频谱资源条件下，实现数据的高速、可靠传输；如何在高扩频比（极低信噪比）、突发条件下，实现精确的载波同步。本文在调研国内外相关技术发展现状的基础上，首先给出了Turbo乘积码的编译码算法的原理，对Chase II译码算法做了工程简化，分析了影响译码性能的主要因素。然后，以行列子码为（32,26）扩展汉明码的Turbo乘积码为例，在Altera的FPGA芯片上实现了编译码器，并进行了译码速率和资源占用量评估，结果表明在低端的FPGA芯片上可以实现较高速率的Turbo乘积码编译码器。其次，提出了Turbo乘积码-非递归CPM级联系统，并对级联系统的性能与影响其性能的因素做了研究，该系统在不需要内外码之间进行迭代译码的情况下，提高了Turbo乘积码-CPM串行级联系统的误比特率性能，且内码的参数能够灵活调整。最后，提出了一种联合导频辅助和解扩软输出的平均周期图-最大均方解扩软输出载波同步算法，该算法结合导频数据分插的帧结构，联合导频和解扩软输出进行载波同步，在极低信噪比和少量导频辅助的情况下，具有较高的频偏估计精度，频偏和相偏估计范围大，能达到理想同步的误比特率性能，且适用于突发直扩Turbo乘积码-非递归CPM级联系统。