无线通信系统中的噪声与多用户干扰是载波同步技术面临的两个重要影响因素。一方面锁相环及数据辅助的载波同步装置在低信噪比通信系统中面临着估计精度差、收敛速度慢的问题。另一方面在协作MIMO通信系统中则需要解决低信干噪比(SINR)条件下的多频偏与信道联合估计问题。因此针对低信噪比与多用户通信系统研究低复杂度、高精度的载波同步算法成为一个重要的难题。本文主要的研究内容及创新成果如下：为了设计可适应于低信噪比与大频偏卫星通信系统中的锁频锁相器,本文分析了窗口类型对系统捕获与抗噪声性能的影响原理。证明了大窗口具有更大的同步范围，但是捕获速度较慢。推导出的稳态噪声功率谱密度表达式证明了大窗口具有更低的解调门限和稳态相噪抖动。最后通过对鉴相器输出信号取极性操作的方式提出了一种改进型锁频锁相器。这种改进型锁频锁相器在提升了鉴相增益和捕获速度的同时，还可保证不增加稳态相噪功率。深空通信系统中编码辅助载波同步算法采用最优搜索的方式得到频偏的最大似然解，计算复杂度高。本文首先通过对译码器输出软信息状态进行简化和改变频偏补偿方式的方法来降低EM算法的复杂度。分析表明这种方法可将乘法和加法次数降低到原算法的1/4。利用码率为1/6的Turbo码验证了新算法在信噪比大于-7.9dB时能达到理想同步，最大性能损失仅为0.05dB。接着提出了第二种简化方法，首先对似然函数关于同步参数的导数进行等效变换，然后利用泰勒级数展开直接求解出频偏估计量的闭合表达式，避免了最优搜索。分析与仿真结果表明第二种算法的简化程度与计算窗口大小成正比，与EM算法相比没有性能损失。为了克服单纯辅助载波同步算法在范围与精度之间所存在的矛盾，本文提出了一种基于编码与导频联合辅助载波同步算法的优化设计方法。首先针对最佳导频结构设计了一种基于相关函数求和方法的粗同步算法，该算法最大程度地利用了相关信息且运算简单，估计性能可接近CRB界。然后将此算法在等间距离散导频结构上进行了推广，推导出估计方差的统一表达式。细同步EM算法则同时使用了导频与编码符号以提升估计精度。最后提出了一种通过调整离散导频的分段数目与长度来实现范围与精度互相平衡的方法。仿真结果表明采用联合辅助算法有效地避免了单纯辅助算法的缺点。协作MIMO系统存在的多频偏不仅会造成系统性能损失，同时还给接收机中的频偏与信道估计提出了新的难题。本文首先分析了多频偏对协作多点传输系统SINR及容量损失这两个指标的影响机理，推导出SINR的理论表达式，证明了当累加相位的绝对值超过π时系统的SINR及容量损失达到最大。接着推导出协作多点传输系统中多频偏估计CRB界的闭合表达式。最后提出了一种新型的多频偏及信道联合估计算法。该算法利用子空间投影相关的方式得到频偏初估计，细估计采用基于多用户干扰消除的梯度算法。仿真结果表明该算法的同步范围可达到[0.50.5]，估计精度比多用户相关算法有1.5dB的改进。且细同步算法具有较低的复杂度与收敛次数，估计精度可逼近CRB界。