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水下可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是一种在水下自由空间中利用光载波传输信号的无线通信手段,与水下射频通信和水声通信相比,水下VLC系统具有更宽的频谱资源和更高的传输速率,是实现水下高速数据业务传输的理想技术手段。然而由于吸收、散射、湍流等作用的影响,光信号在水下环境中受到很大的传输损耗,因而导致该系统目前只能进行近距离的数据传输,难以在未来水下无线通信网络发挥应有作用。提升系统通信距离的一种有效途径是采用灵敏度更高的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)代替传统光敏二极管(Photondiode,PD)作为信号检测器件。与常见含有高斯噪声的PD VLC系统不同,由于SPAD引入了散粒噪声,SPAD VLC系统的输出信号服从泊松分布,因此需要针对泊松信道特点,研究相适应的高效传输理论。本文面向水下远距离可见光通信的需求,围绕泊松信道接收机设计、能量高效星座设计和信号快速检测算法展开研究,主要研究内容和成果如下:1.针对泊松信道下最大似然(Maximum Likelihood,ML)接收机性能难以分析的问题和尚未建立有效星座设计准则的现状,提出基于Anscombe root(AR)变换的AR接收机模型,借鉴高斯信道成熟理论,实现信号解调并构造星座设计准则。利用AR变换处理接收信号,使得服从泊松分布的接收信号转换为服从高斯分布的变量,变换域中能够采用比较欧式距离的方法估计发射信号。分析AR接收机性能,提出基于Hellinger距离的星座设计准则。通过数值仿真分析AR接收机性能及其影响因素,结果说明AR接收机与ML接收机性能相近,同时AR接收机的性能与系统符号速率成反比。2.面向SPAD VLC系统信号能量高效传输的需求,基于提出的Hellinger距离星座设计准则,设计理想泊松信道下能量高效一维星座。在给定星座最小Hellinger距离的约束下,使得平均光功率最小得到能量高效的最优星座,得到的平方脉冲调制(Square Pulse Amplitude Modulation,SPAM)星座,该星座是非极性脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)星座在数值上的平方。通过仿真验证得到这种星座方案在泊松信道下比现有一维星座(PAM)具有更高的能量效率,是目前已知能量效率最高的一维星座结构。3.针对SPAD水下多输入多输出(Multi-input Multi-output,MIMO)VLC系统,设计对数正态衰落—泊松信道下能量高效空间编码结构。依据Hellinger距离准则建立空间星座优化问题。在给定平均光功率的约束下,使信道条件“最差”时的星座最小Hellinger距离最大,得到Hellinger空间编码(Hellinger Space Code,HSC),该编码由空间上重复传输的SPAM信号构成。通过仿真对比HSC和重复编码(Repetition Code,RC)性能,仿真结果说明HSC是目前已知能量效率最高的空间编码结构。4.面向多维空间对理想泊松信道中来自每一维的信号进行联合优化设计,依据海林格距离准则提出能量高效多维星座优化问题:在正整数域内找一个解使得,对于给定的星座最小海林格距离平均光功率最小。通过证明指出该问题的一个最优解由多元二次丢番图问题的解按照平均功率由高到低一次排布组成。仿真验证多维HDO星座性能,结果说明通过多维联合优化设计该星座获得了比SPAM星座以及PAM星座更好的性能。5.面向泊松信道最大似然接收机结构复杂的问题,结合低复杂度信号检测算法的结构特征,通过将原有AR接收机的判决门限近似为等间隔分布,以牺牲一定误码率性能为代价降低信号判决算法的复杂度。通过仿真比较AR接收机与低复杂度接收机性能,分析低复杂度接收机造成的性能损失,结果说明在高平均功率条件下低复杂度接收机造成的性能损失控制在0.25dB范围内。