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与传统水下通信技术相比,水下无线光通信技术（Underwater wireless optical communications,UWOC）具有带宽高、抗干扰能力强、功耗低、体积小、保密性好等优势,可为实时、高速近距离水下无线通信提供强大的技术支撑。在海洋资源开发、海洋环境监测、海洋地质结构研究等领域将发挥重要作用,已成为各国竞相发展的重要通信技术之一。为提高水下无线光通信系统的数据速率、健壮性与实用性,本文对水下无线光通信系统关键技术展开研究,分析海水对光的吸收与散射作用,针对光发射器件中的激光二极管、发光二极管,与接收器件中的光敏电阻、正负本征光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管等详细分析比较,综合选定构成系统的收发电路核心元件,并在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）硬件基础上,结合通信速率较高的16进制正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）技术、设计实现了基于450nm波长蓝色激光的水下无线通信系统。本文针对16QAM调制的载波恢复算法展开研究,提出了基于改进载波恢复算法的16QAM解调技术,提高了调制系统健壮性,并从实现角度出发,基于FPGA硬件实现信号调制解调并测试整套水下无线光通信系统,提高了系统实用性。论文主要完成以下几个方面的相关工作:首先,深入研究16QAM调制解调技术原理,针对解调系统中的载波恢复技术包含的几种不同的鉴相算法优缺点分析整合,提出了改进的融合面向判决与极性判决的载波恢复算法,并通过MATLAB软件编写程序对基于改进载波恢复算法的16QAM调制解调建模仿真,并在加性高斯白噪声影响下分析不同信噪比时系统误码率情况,验证改进载波恢复算法的同步性能与系统可靠性。其次,采用FPGA作为信号调制硬件实现基础,提高水下无线光通信系统实用性,详细阐述了系统整机、全局时钟分配方案,对系统发射端数据源、串并变换、星座映射、上变频成型滤波、相干载波、乘加器等模块的FPGA实现流程进行深入分析,并进一步给出了接收端改进载波恢复锁相环、位同步锁相环、门限判决、解映射、并串变换与误码率统计等模块的参数计算方法与FPGA实现方案。最后,基于MODELSIM进行系统仿真验证结果,同时搭建了实际水下无线光通信测试平台,在3m长人工海水水箱中不同水质条件下测试系统性能。测试结果表明,系统数据速率高达50Mbit/s,误码率为7.11×10-4,在0%5%不同浓度人工海水环境下测试得到的误码率范围为7.24×10-53.42×10-3。整体低于FEC阈值(3.8×10-3),实验证明了,本文设计的系统可靠性强,可用于水下近距离点对点的高速数据传输。