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超声透金属通信是一种以超声波作为载波实现无钻孔地穿透金属进行数据传输的通信方式。由于金属的趋肤效应所产生的电磁屏蔽,电磁波无法有效地穿透金属,而在金属上钻孔则破坏了金属结构的完整性,带来了潜在的风险。由于超声波可以有效地穿透金属材料传输,且无需对金属材料进行钻孔,因此,许多研究采用超声波实现无钻孔地穿透金属通信。由压电换能器产生的超声波进入金属板内部后,会在金属板内来回反射,导致接收端收到多个回波信号,这种类似于多径效应的回波现象使得超声透金属通信具有了一定的特殊性。虽然正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术可有效对抗超声透金属通信的多径衰落,但是也带来了新的问题,比如,如何估计OFDM系统中具有严重频率选择性衰落的超声透金属信道状态信息,如何提高基于OFDM的超声透金属通信系统编码传输的可靠性等。本论文以基于OFDM的超声透金属通信系统作为研究对象,主要围绕超声透金属信道模型、超声透金属信道估计算法、动态子载波分配技术、编码传输的比特交织器和数字上下变频中级联积分梳状（Cascaded Integrator Comb,CIC）滤波器的补偿这五个关键问题展开了深入研究。本论文的主要工作和创新点如下:（1）超声透金属信道具有多层结构,信道所涉及的材料参数较多,耦合关系较为复杂,为此,提出一种超声透金属信道的简化频域模型,降低了超声透金属信道建模的复杂度。首先将超声在金属中传输时的回波等时间间隔特性和回波指数衰减特性与抽头延迟线模型相结合,推导了超声在金属中传播的频率响应,再将其和压电换能器的近似幅频响应相乘,就得到了超声透金属信道的简化频域模型。仿真结果表明,所提模型在保有超声透金属信道特点的同时,有效实现了对超声透金属信道频率响应的近似。（2）由于超声透金属信道具有严重的频率选择性衰落,基于OFDM的超声透金属通信系统难以在频域估计各个子载波所处的信道状态,为此,利用了超声在金属中传播的回波等时间间隔特性和回波指数衰减特性,提出了一种基于变换域技术的分段次优阈值筛选算法。所提算法首先将信道估计值和真实值的均方误差（Mean Square Error,MSE）进行分段,使得每段仅包含单个回波信号,并利用所推导的分段次优阈值筛选出有效的时域冲激响应信号,然后以第一段的筛选结果为准,对后续分段中可能包含的噪声样本进一步筛选并剔除,最后再将筛选的冲激响应信号转换为超声透金属信道的频域响应。仿真结果表明,与已有的基于变换域技术的信道估计算法相比,采用所提算法得到的信道估计值具有更低的MSE,并且所提算法具有较强的鲁棒性,不依赖于初始声速的设定,可适用于不同厚度的金属,且在低信噪比时几乎不受估计回波个数的影响。（3）动态子载波分配技术能提高超声透金属通信的OFDM系统比特吞吐量。在功率受限的条件下,基于贪婪策略的比特加载算法虽然能实现最优的比特分配,但是需要先计算子载波分配额外比特前后的两种误比特率（Bit Error Rate,BER）,算法计算量较大,因此,提出一种超声透金属通信的子载波快速筛选贪婪比特加载算法。所提算法利用BER近似公式,推导了子载波加载额外比特的BER增量近似表达式,同时考虑到了不同比特增量对平均BER的影响,对BER增量近似表达式做进一步修正,随后对修正的BER增量进行泰勒展开,截取其前几项作为依据去筛选子载波。仿真结果表明,所提算法能达到与贪婪比特加载算法相近的系统比特吞吐量,同时省去了约3/4子载波BER的计算,降低了贪婪比特加载算法的计算量。（4）超声透金属信道的频率响应具有一定的振荡周期,导致在每个周期内的OFDM子载波都可能经历深衰落,进而产生多段的连续错误比特。针对基于OFDM的超声透金属通信中存在的多段连续错误比特这一问题,提出一种超声透金属通信的多输入比特交织器。所提交织器利用超声透金属信道的频率响应周期性,对编码比特进行分组交织,然后对每组比特进行移位操作和矩形交织,最大化了每组比特的最小跨度,不仅降低了高阶调制中不等差错保护对BER的影响,也使得频率响应中同一周期的相邻比特被分散到不同周期的不同位置。最后分析了所提交织器和随机交织器的近似BER性能,并通过仿真进行了验证,结果表明,所提交织器可实现比随机交织器更低的系统BER,有效提高了超声透金属通信系统的可靠性。（5）在基于OFDM的超声透金属通信系统开发过程中,数字上下变频是基带信号与带通信号之间转换的关键,而采样率变换又是数字上下变频中关键的一环。虽然多级CIC滤波器可以实现低复杂度的采样率变换,但是存在较为严重的通带衰减问题。针对超声透金属通信系统开发过程中多级CIC滤波器的通带衰减问题,提出了一种补偿滤波器设计的整数规划,将优化变量为补偿滤波器小数系数的优化模型转变为整数规划,并利用滤波器系数之间的关系减少了整数规划中优化变量的数目,随后采用粒子群优化算法提高了所提整数规划的求解效率。仿真结果表明,当补偿滤波器的系数个数为7时,通带偏差仅小于0.03d B,大大降低了多级CIC滤波器的通带衰减。