本文研究适用于透地无线通信系(Through-the-earth Wireless Communication,TWC)的同步和信道估计关键技术。针对现有的透地无线通信系统设计面临的关键难点问题与挑战,重点研究其涉及的两项关键技术:透地无线通信系统接收机时频同步与信道估计方法。首先,论文介绍了透地无线通信的研究背景与意义,总结了现有的透地无线通信系统的优缺点及重点研究方向;着重分析了透地无线信道建模问题,包括透地通信无线信道的电磁参数和电磁波衰减特性;通过计算电磁波在分界面的反射和透射系数,确定了拟采用的透地通信系统信道模型:基于多径的五层介质模型;进一步,分析评价了现有的几种现有的透地系统解决方案,对其技术优缺点进行了分析评价。以此为基础,本文针对传统的基于伪随机序列(Pseudo Noise,PN)同步算法在低信噪比条件下的性能较差问题,提出了一种透地OFDM系统相关同步算法,通过设计特殊的训练序列并且将经过小数倍频偏校正后的接收数据与本地训练序列作相关得到细定时同步和多径时延信息。给出了该方法详尽的信号处理流程,并通过Matlab仿真验证了该算法可以提升低信噪比条件下的定时均方误差性能(MSE),并且能获得较高的同步捕获概率;进一步,针对相关同步算法在大载波频偏条件性能差的缺陷,提出了一种OFDM系统差分相关同步算法,通过引入差分运算来对抗大载波频偏,给出了该方法的算法步骤。理论分析和仿真结果表明,在低信噪比、大载波频偏条件下,透地OFDM系统差分相关同步算法也能获得较好的均方误差性能。最后,针对传统的频域信道估计算法高计算复杂度及其在低信噪比条件下估计性能差等问题,提出了一种透地OFDM系统时域信道估计方法。该方法重复利用同步阶段所使用的训练序列完成时域信道估计,减小了系统开销;进一步,通过利用同步阶段获得的多径时延信息,提出了一种透地OFDM系统级联同步信道估计方法。理论分析和仿真结果表明,与传统的信道估计方法相比,所提方法能够同时有效的降低计算复杂度和提升透地OFDM系统信道估计算法在低信噪比时的估计性能。