低轨小卫星短数据通信系统由于小型化、成本低、研制周期短在国民经济与国防建设中有着很好的发展前景。而如何提高数据传输性能将是促进小卫星进一步发展的关键。本文以中科院研制的CX-1小卫星通信系统为应用背景，对其中的关键问题——低信噪比及大多普勒频移情况下的载波同步进行了系统的分析，并提出了相应的设计方案。通过改善LEO小卫星在低信噪比以及大多普勒频移下的载波同步性能，将提高系统在较恶劣环境下的数据传输性能，从而有望拓展LEO小卫星通信系统的业务范围，增强其实用性与竞争力。 本文首先从系统设计的角度考虑了与同步问题紧密相关的系统频响优化问题。其中结合小卫星系统中较严格的功耗限制，着重分析了模拟滤波器实现带来的非理想匹配效应对系统性能的影响，并基于最小均方失真准则对之进行了优化。 本文对LEO小卫星通信系统中的低信噪比及大多普勒频移下载波同步问题进行了较系统的分析。在此基础上，通过对现有不同方案的分析与比较确定了低信噪比以及大多普勒频移下载波同步设计的思路。 结合LEO小卫星通信系统的应用特点以及链路计算，本文设计了LEO载波同步分析的一般模型，并提出了一种以误差检测函数线性化为核心的反馈同步方案。分析与仿真结果表明，该方案具有较大的信噪比动态范围以及频移捕获范围，并且由于线性化消除了传统反馈同步环路中悬挂、误捕获等一些非预期行为，提高了小卫星系统数据传输的可靠性。 低信噪比以及大多普勒频移下的载波同步不仅仅是LEO小卫星通信系统设计中的关键问题，在目前第三代移动通信系统无线接入、蓝牙技术等热门应用领域中也正备受人们关注。在低成本、低干扰同时强调灵活性的无线移动通信技术发展趋势下，作为数据接收首要条件的载波同步设计必然要向大信噪比动态范围、大频率动态范围的方向发展。本文中基于相关的理论总结与分析对此进行了有益的探讨。由于文中大部分内容基于CX-1的实际设计工作，其分析与设计结果对类似系统的设计具有一定的参考价值。