为了提高频谱资源利用率和满足数据传输速率日益增长的需求，认知无线电（CR）系统已经得到了学术界和工业界的广泛关注。对于宽带认知无线电系统，正交频分复用（OFDM）技术在非连续频段的高传输容量特性使其成为一种非常具有潜力的物理层技术。但是，在基于非连续频谱正交频分复用（NC-OFDM）的CR系统中，认知用户之间频谱同步的建立是一个急需解决的难题，即认知用户接收方在接收数据前需要确定哪些子载波被认知用户发送方所利用。为了解决CR系统中非连续频谱的同步问题，本文提出了两种创新性的NC-OFDM符号的频谱同步和检测策略。与传统频谱同步方法利用带外频谱同步信息不同，我们提出的策略是一种带内同步方案。在实际的通信系统中，由于带外的控制信道通常不易获得，因此研究基于带内的频谱同步策略更具实际意义。我们提出的两种策略分别称为基于硬判决的频谱同步和符号检测策略和基于软判决的频谱同步和符号检测策略。硬判决策略的关键思想就是利用接收到的训练符号来得到每个子载波携带有用信息的后验概率。随后认知用户接收方会根据得到的后验概率的大小来判定子载波是否有用。基于软判决的检测策略与硬判决策略的核心思想相同。但不同的是，在软判决方法中，所有后验概率都被看作对应子载波被利用的先验概率带入到解码器的比特似然比中用于数据检测。我们在文中给出了硬判决频谱同步性能的理论分析和仿真验证，性能仿真结果说明由于干扰的影响，硬判决的性能很大程度上取决于子载波相距子带边界的距离，且在较强的干扰环境下，会因为误判的子载波引入干扰信号从而影响到频谱同步和检测性能，随后的系统仿真也验证了上述结论。但是，相比硬判决策略，我们提出的基于软判决的频谱同步和符号检测性能几乎不受干扰大小的影响，即使存在非常大的干扰，软判决策略的性能依然能够与理想频谱同步下的检测性能十分接近。在本文最后一章，我们对基于NC-OFDM的CR系统中的载波频率同步进行了研究。在实际情况中，由于多普勒平移以及振荡器的不稳定性，用于信号解调的本地振荡器频率并不能完全与接收到的载波频率相同，因此系统中就会产生载波频率偏移。因为OFDM子信道带宽较小，对载波频率偏移的敏感程度非常高，所以需要非常精确的载波频率同步。由此可见，载波频率同步对于基于NC-OFDM的CR系统也是十分重要的亟需解决的问题。文章中，我们提出了一种联合相关性和最大似然估计的频偏估计算法来实现频率同步。仿真结果表明我们提出的算法在高斯白噪声信道下可以较好地估计出频偏。