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在过去的二十年中,无线通信系统的空前增长以及对无线数据业务的不断增长的需求限制了有限且昂贵的RF频谱的可用性,这推动了对互补无线传输技术的需求。可见光通信（VLC）技术作为21世纪以来新兴的一种无线通信方案,采用可见光波段（380 nm760 nm）作为信息载体,提供了大量不受管制的电磁频谱和极大的带宽,具有低碳、接近零通信损耗、频率复用、信噪比高、无电磁干扰等优势,是未来无线通信中非常具有前景的技术方案。本论文主要以空间应用为目标,围绕密闭空间/自由空间高速可见光通信系统的相关关键技术展开深入研究。论文的主要工作和创新点如下:（1）研究了可见光通信系统的信道特性。由点对点可见光通信系统的基本构成切入,讨论了目前商用荧光粉型LED（P-LED）及多色LED（RGBA-LED）光源带宽、非线性特性对系统链路的影响,并对非线性效应进行数字预失真补偿建模。最后对可见光通信系统中单载波调制和多载波调制进行对比分析,介绍了本文搭建的基于DCO-OFDM的VLC系统平台以及OFDM实验中的关键技术。（2）针对带宽受限的问题,提出了一种π型无源均衡网络,由π型衰减电路增加LC并联谐振和串联谐振点组成,用于VLC系统的后均衡,使由普通商用荧光粉型LED和PIN光电二极管搭建的点对点VLC系统的3-dB带宽由2.4MHz扩展到82.6 MHz,采用NRZ-OOK调制实现了164 Mbps的实时数据传输。为实现Gbps级链路,需要进一步扩展系统的3-dB调制带宽,并降低设计复杂度。本文设计了基于双级晶体管的后均衡网络,并通过仿真研究了其频响特性。采用RGBA-LED时,通过优化参数,使具有后EQC的RGBA-LED-VLC系统的3-dB调制带宽得到有效拓宽,红色、绿色、蓝色和琥珀色四个通道的3-dB带宽分别扩展到226 MHz、218 MHz、220 MHz和205 MHz。搭建离线传输实验,利用前述均衡后的RGBA-LED实现了5.2 Gbps的离线数据传输。（3）针对5 m×5 m×3 m的密闭空间VLC,综合考虑了照度均匀性、功耗和链路性能,在满足国际照明标准室内照度要求下,考虑了NLOS一次反射的贡献并研究不同LED布局方案的性能。通过调整拓扑分布,提出了方阵+圆环布局模型并且通过功率分配压缩接收面上光照度和信噪比（SNR）的动态范围。针对所提出的补偿式模型存在接收面上的均匀度及波动值随着中心圆环LED数量的增加而增大的缺点,提出一种三维优化方案,在二维优化的基础上优化中心圆环LED的布局高度。仿真结果表明,相比于传统方阵布局,方阵+圆环布局在光源数减少48个的情况下,接收面的照度均匀性和信噪比均匀性得到提高的同时,误码率（BER）性能改善一倍,降低了系统功耗及码间干扰（ISI）。（4）针对自由空间应用场景,分析了长距离信道衰落、大气散射吸收、大气湍流、背景光干扰的影响,并从功率效率和带宽效率对比了几类IM/DD调制方案。修正了室外VLC链路的信道增益,提出了远距离可见光通信功率分析模型,以及不同通信指标下对发射端功率的需求,完成了白天、夜间及深空场景下的数值仿真。仿真结果表明,在相同的实验条件下,传输距离为10 km,误码率（BER）为1×10-4,夜间场景采用的LED光功率至少为238 W时数据速率为75kbps,而深空场景采用的LED光功率至少为1.02 W时数据速率为112.5 Mbps。（5）研究了VLC空间应用的可行性与系统设计。研究了多卫星网络中采用VLC的中短距离星间通信的可行性,基于STK平台设计了具有双向VLC功能的双星伴飞构型,仿真给出了在轨运行一年情况下双星太阳角的变化,当可见光通信模块接收视场角为5°时,在该轨道伴飞卫星的VLC链路均可正常使用。为了提高链路容量和可靠性,进一步构建基于星间链路的SIMO-VLC系统,并通过数值仿真评估了不同分集合并算法对于链路性能的影响。仿真结果表明相比SISO系统,采用基于SIMO的分集检测方案可以获得更好的性能。针对当前惯用技术中导电滑环寿命短、无线电存在电磁干扰的现状,采用可见光通信实现离心机中定子与转子的双向通信功能,设计了系统整体方案及软硬件研制,包括数据传输协议、FPGA主控板、发射机与接收机布局、离心机信道建模、收发模块电路设计等,目前电性件中系统工作稳定。