近年来水声通信蓬勃发展,在国防军事领域具有重大战略地位,在资源探测、潜水活动等民用领域中也被广泛应用。正交频分复用(OFDM)技术的频谱利用率高,抗多途能力强,通信速率高,适合应用于高速水声通信领域。本论文对一个时分复用OFDM水声通信机的设计与实现展开论述,并对系统设计过程中的关键技术进行了研究。针对浅海的时变水声信道,提出了一种基于可变导频的信道估计方法,该技术利用轮流插入导频的信道估计策略,对不同频点的信道特征进行估计与加权处理,得到完整的信道特征并以此对接收信号进行补偿。然后提出了一种频时域联合的多普勒估计方法,首先利用每个符号中的单频信号进行初始多普勒估计,重新同步后再利用数据帧的时域长度进行残余多普勒估计与补偿。最后研究了分组交织、循环前缀与峰均比抑制等技术对系统性能的影响。仿真和江上试验结果均证明,基于可变导频的信道估计技术可以较好的适应时变信道,优化系统性能。针对目前水声通信系统的通信时延较高的问题,采用时分复用技术可以更充分地利用水声通信的信道资源。本文进行了水声时分复用通信的时隙分配研究,提出了一种低时延时分复用通信方案,通过复用同一个信道在远距目标间进行低时延数据传输,在通信速度与通信时延中取得了平衡。仿真研究证明,本文提出的交叉时隙分配法在较远距离的水声通信中具有较低的时延。本文对上述OFDM水声通信机进行了软硬件设计与算法实现。水声通信机由数字信号处理模块、AD/DA转换器、前置放大电路与功率放大电路组成,以TMS320C6748型数字信号处理芯片(DSP)为核心的数字信号处理模块具有较强的信号处理能力,前置放大电路对接收到的水声信号进行放大与滤波处理,功率放大电路对发射信号进行功率放大以驱动发射换能器。算法层面上,本文对信号编解码算法、同步算法、信道估计算法和多普勒估计与补偿算法进行了实现,对缓存与算法的优化降低了系统算法的时间复杂度与空间复杂度。