水声通信是一项以海水作为传输媒介利用声波进行信息传递的水下通信技术,也几乎是现阶段唯一可以在水下实现的可靠的无线通信方式。它的发展对人们探索海洋世界和开发海洋资源有着重要的意义。但水声信道存在着严重的多径效应、多普勒效应、时变效应、信号衰减大、环境噪声强等问题,使得其成为实现高质量、高效率的水下通信不可避免的难题。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)作为一种特殊的多载波调制技术,不但有着多载波高频带利用率的优点,并且通过引入循环前缀等技术使得其对多径效应也有着很强的抵抗力。此外,针对基于OFDM的水声信道估计,传统的方法并没有考虑水声信道的稀疏性。而本文将压缩感知技术应用于水声稀疏信道的估计中,并从理论仿真和实验验证两方面展开研究。本文设计了OFDM水声通信系统的部分收发模块。在导频模块和峰均比抑制模块设计中,考虑了多种方法,并通过仿真比较,分别选择了可以提高系统频带利用率的正交相移键控调制和无失真的选择映射序列峰均比抑制方法。设计的基于希尔伯特变换的变频模块,使系统摆脱了对硬件变频器的依赖,减少了频率偏移带来的系统性能损失。设计的空间分集模块通过采用最大比例合并算法极大程度地降低了系统的误码率。并通过仿真和实验数据验证了本文设计的数据收发结构在抗多径干扰、频谱利用率、抗噪声等方面都有很好的表现,且易于实现。在此基础上,本文重点研究了基于压缩感知的水声稀疏信道估计。建立了基于压缩感知的稀疏多径水声信道模型,给出了当前模型下的信号稀疏表示、字典矩阵的构造和重构算法的实现,并分析了压缩感知中两种重构算法正交匹配追踪、基追踪算法在导频数、时延过采样因子等参数下的性能表现。基于导频的压缩感知信道估计方法可以充分利用水声信道的稀疏性,只需插入少量导频,就可以实现对信号的精确重构,不但减少了系统频带开销,还大大提高了系统的性能。本文在浙江千岛湖进行了一次信号发射和数据采集水下通信实验,并进一步将基于压缩感知的信道估计算法用于实际数据处理中。通过实验结果分析,不同参数下正交匹配追踪、基追踪算法均要好于传统的信道估计算法。但由于实验平台中水声换能器发射功率较低,且吊置时摆动较严重等问题,在远距离通信中,整个系统的性能还不是十分理想,有待于进一步研究。