随着海洋开发和国防建设的发展，利用水声通信技术的需求大为增加。由于海水中声传播速度较电磁波慢和海洋环境边界的复杂多变，水声信道具有时-空-频三维复杂随机多变的特性，加上它的时变多径严重、环境噪声高、带宽受限、传输时延大、空间起伏大等特点，极大地制约了水声通信系统的可靠性和有效性。　　正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)通信技术以其高效的频谱利用率和优越的对抗多径干扰性能在水声通信领域占据着越来越重要的地位;而多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术通过复用分集极大地提升信道容量。综合OFDM与MIMO技术的优势，即MIMO-OFDM通信技术，将时间分集、空间分集以及频率分集有机结合，是时-空-频变的水声信道下实现高速可靠通信的重要手段之一。　　在MIMO-OFDM水声通信系统的接收机中，由于处理信号的维数增加，涉及高复杂度的多维信号检测和信道参数联合估计问题，而水声信道时-空-频三维复杂多变的特性使得这些问题的解决更具挑战。迭代信号处理技术利用局部函数之间的信息交互，将复杂度较高且难以求解的全局函数问题分解为若干个局部函数问题，以合适的复杂度达到近似最佳接收的性能。论文以水下声学环境参数-水声信道特性-水声通信信号处理为主轴，以寻求传输效率、复杂度和最佳性能三方面的折中为原则，研究MIMO-OFDM水声通信系统的迭代信号处理技术，建立迭代接收机，深入研究迭代接收机中的信道译码、信道估计以及MIMO信号检测技术。　　纠错码技术是MIMO-OFDM水声通信系统迭代接收机实现低误码率、高可靠性的核心技术之一。而以迭代思想进行译码是Turbo码和低密度校验(LowDensity Parity Check, LDPC)码等纠错码能实现接近香农限性能的主要原因。论文以迭代译码思想为理论基础，采用准循环(Quasi-Cyclic，QC) LDPC码作为MIMO-OFDM水声通信系统的纠错码方案，研究QC-LDPC码的在三种不同水声信道中的译码性能，为构建良好性能的MIMO-OFDM水声通信系统迭代接收机奠定理论依据。其次，精确的信道估计是水声通信系统实现成功解调的重要保证。传统的信道估计方法由于在快速时变水声信道中导频开销较大，造成系统频谱利用率的下降。将迭代思想扩展应用于由译码器与信道估计器两个子模块组成的接收机中，研究单输入多输出(Single-Input Multiple-Output，SIMO) OFDM的水声通信系统的迭代信道估计技术以实现估计性能和导频开销之间良好的折中。最后，MIMO通信系统传输数据经过的是矩阵信道，信道估计的未知参数急剧增加，其导频开销耗费更多，因此论文研究了MIMO-OFDM水声通信系统中的迭代信号处理技术，设计并实现基于信道译码、信道估计、MIMO信号检测三个子模块的联合迭代接收机，在这三个子模块中实现密切的信息交互，充分利用往复传递的软信息，不需占用系统额外频谱资源同时提高信道估计精度和MIMO信号检测质量，有效抵抗水声信道衰落和抑制信道间干扰，从而在复杂度和性能方面实现较好的折中。　　迭代处理系统的性能往往取决于各个子模块的迭代收敛特性，而外信息转移(Extrinsic Information Transfer，EXIT)图是分析预测迭代收敛行为的一种简单有力工具。它表示迭代处理结构中各个子模块的输入互信息与输出互信息之间的关系，通过图表深入形象地演绎各个子模块间的信息交互收敛轨迹。论文将采用EXIT图分析MIMO-OFDM水声通信系统迭代接收机的收敛行为，用以指导和预测迭代接收机设计和性能。　　论文的主要工作如下:　　(1)分析了水声信道的主要特点，并基于信道测试实验数据从时间相关性、空间相关性和频域相关性三个方面分析水声信道特性对接收机性能的影响;　　(2)采用QC-LDPC码为水声信道的纠错码方案，仿真研究了QC-LDPC码编译码参数设计、水声信道多径效应、信道估计方法等参数对译码性能的影响，海试数据分析了QC-LDPC码在实际水声信道中的译码性能，为迭代思想在MIMO-OFDM水声通信系统中的应用奠定理论基础。　　(3)设计了一种基于对数似然比(Log Likelihood Ratio，LLR)值合并的译码器和稀疏信道估计器两个子模块级联而成的迭代接收机，应用于SIMO-OFDM水声通信系统。将译码器与信道估计器之间往复传递的软信息，即对数似然比，进行重映射后的符号作为辅助导频提高信道估计精度。结合美国夏威夷Kauai岛西海岸的Kauai Acomms MURI2011(KAM11)实验数据，分析了发送换能器位置、传输数据速率、合并阵元个数、迭代次数等参数对迭代接收机性能的影响。海试实验结果表明:在发送换能器处于深度约60m处的位置，通信距离3km，编码后数据率为21 kbps，通过5次迭代处理，合并6个阵元能实现零误码率的数据传输，可获得10个合并阵元的迭代增益。　　(4)设计了一种基于译码器、信道估计器和MIMO信号检测器三个子模块的联合迭代接收机，译码器的后验LLR值进行解交织后，映射为辅助导频，反馈到信道估计子模块和MIMO信号检测器中以进一步提高信道估计质量和抵消干扰;结合KAM11实验数据，分析了发送换能器位置分布、合并阵元个数、迭代次数等参数对2IMO-OFDM和4IMO-OFDM水声通信系统联合迭代接收机性能的影响。海试实验结果表明:通信距离3 km，编码后数据率为21 kbps，数据率-距离乘积为63km·kbps时，通过5次迭代处理，4IMO-OFDM水声通信系统的迭代接收机最多可以获得7个合并阵元的迭代增益，实现了不确实信道条件下的可靠通信。　　(5)利用EXIT图仿真分析了QC-LDPC码在三种不同多径水声信道下的收敛行为，预测了不同水声信道、信道估计方法等条件下迭代译码的误码率(Bit Error Rate，BER)和译码门限;基于KAM11海试实测数据，利用EXIT图详细分析了发送数据包结构、合并阵元个数、迭代处理次数等参数对SIMO-OFDM通信系统中的迭代接收机收敛轨迹的影响;并预测了BER及收敛门限;最后利用三维(3 Dimensional，3D) EXIT图分析了发送换能器位置布局、合并阵元个数、数据流之间的干扰等参数对MIMO-OFDM水声通信系统中的联合迭代接收机收敛行为的影响，并预测了BER及检测门限。海试实验结果验证了EXIT图的分析预测结果与实际迭代处理的BER结果基本一致，可以有效地预测和指导迭代处理系统的性能与参数设计。