当今水下通信用户和传递信息量大为增加,这对高速无线水声通信提出了新的挑战。本文以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术为基础,对差分OFDM水声通信、循环后缀技术及矢量信号处理等技术开展研究,进一步提高有效数据传输速率并保证通信质量。同时针对OFDM的高峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)问题,提出将单载波频分多址接入(Single Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)技术应用在水声通信中,降低水声网络通信终端的发射功率和功放成本问题。首先,提出了在OFDM水声通信系统中应用差分调制解调技术,包括低阶调制时的时域差分相移键控调制技术、高阶调制时的差分幅度相移键控调制技术和移动通信下的时频差分调制技术。三种差分调制方式均可有效抑制水声信道多途扩展对系统的影响,避免相干解调时的相位模糊问题,同时无需插入导频序列进行信道估计,降低了系统复杂度且提高了系统带宽利用率和有效传输速率,实现了无线自组织网络发展中的高速率追求。其中,时频差分调制技术还可以实现对移动OFDM水声通信的窄带多普勒补偿。将矢量水听器应用在差分OFDM系统中,利用声压与振速信号的线性组合获得空间增益,进一步提高系统性能,实现无线自组织网络发展中下行通信的稳定可靠数据传输追求。结合混合激励线性预测(Mixed Excitation Linear Prediction,MELP)语音压缩编码技术,实现基于差分OFDM的高速水下语音通信。其次,研究了循环后缀技术在冰下水声通信、时反信道均衡和单矢量声屏蔽技术中的应用。冰下水声信道结构相对稳定,但受声速梯度分布等因素影响,冰下水声信道存在最先达到接收端的声线并非能量最强途径的情况,此情况下若只添加循环前缀作OFDM的保护间隔,在以接收功率最强信号作定时同步时基时,当前符号内容信息将会受到下一符号信息的污染,引入了符号间干扰、破坏了子载波间的正交性,严重影响系统性能。提出辅助添加循环后缀技术,保证FFT操作的数据为当前符号信息从而避免使用复杂定时同步算法和均衡器可克服ISI,确保了冰下水声通信的性能。时反信道均衡技术和单矢量声屏蔽技术应用在OFDM通信系统中,所经过的有效“信道”为实际信道与估计信道的时反作卷积结果,主峰前端的旁瓣等价于一系列小幅度多途信号,使用循环后缀技术可以有效抑制其带来的多途干扰,进而提高了时反均衡技术和单矢量声屏蔽技术应用在OFDM系统中的聚焦效果。再次,研究单载波频分多址接入(SC-FDMA)技术在水声通信中的应用。SC-FDMA技术与OFDMA技术相似,均在频域上利用反傅里叶变换(IFFT)和串并转换技术将传输带宽划分为多个并行传输的子载波进行传输,两者具有相近的系统复杂度,同样具有较高的数据传输速率。但SC-FDMA技术通过添加DFT变换模块使得信号最终以单载波的形式发出,因而具有比OFDMA输出信号更低的峰值平均功率比(PAPR),降低对发射功率和功放的要求,节约系统能源开销。提出将SC-FDMA技术应用在水声通信中,结合最小均方误差(Least Mean Square,LMS)、匹配追踪(Matching Pursuit,MP)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)和正则化正交匹配追踪(Regularized Orthogonal Matching Pursuit,ROMP)等信道估计算法,给出了基于时反均衡技术的SC-FDMA水声通信方案。最后,对差分OFDM水声通信关键技术及通信方案进行了包括湖试、海试及冰下等多水域的水声通信试验研究,发送图像信息和基于混合激励线性预测(MELP)压缩编码的语音信息,验证了所提技术和方案的有效性和鲁棒性。