由于LTE-A(Long Term Evolution-Advanced,高级长期演进)系统信道环境的时变性和不确定性,接收端需要对接收信号进行处理,以便最大程度地恢复出发送信号。在以上过程中,为了保证用户接收数据的正确性,物理层接收机的设计就显得尤为重要。本文从国家科技重大专项“TD-LTE-Advanced系统试验设备开发”的实际项目需求出发,以项目当中使用的基带开发平台为基础,对物理层接收机进行了设计和FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)实现,其中设计出的接收机支持上行单天线接收、下行双天线接收。本文首先介绍了物理层接收机的研究背景及意义,分析了国内外研究现状,然后概述了LTE-A系统特点及其关键技术,并简要介绍了上、下行共享信道处理流程和基带开发平台。在此基础上引出了接收机总体结构设计和模块划分,紧接着对涉及算法较少的射频模块和同步EMIFA(External Memory Interface A,外部存储器接口)模块进行了设计和详细介绍。通过对基带信号生成原理进行分析,确定了解基带信号模块的方案设计,然后对作为信道估计基础的参考信号生成进行了研究。在对信道估计进行研究时,不仅分析了导频位置信道估计的LS(Least Square,最小二乘)算法和LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error,线性最小均方误差)算法,还研究了数据位置处信道估计的几种插值算法,并且使用MATLAB软件仿真对比了不同算法的性能。随后对信号检测的ZF(Zero Forcing,迫零)算法、MMSE(Minimum Mean Square Error,最小均方误差)算法、解SFBC(Space Frequency Block Code,空频块编码)算法进行了研究和仿真性能对比。针对信道估计和信号检测之间互信息利用率差的特点,本文还给出了一种联合信道估计和信号检测算法,仿真结果表明其性能优于先进行信道估计后进行信号检测的传统算法。通过综合考虑算法性能和计算复杂度,并结合项目需求,选取合适的算法对信道估计和信号检测模块进行了方案设计。根据各个模块方案设计,采用Verilog硬件描述语言对接收机进行FPGA实现,并对实现方案给出详细分析和Modelsim仿真验证,然后从资源占用和时间消耗角度出发分析接收机的性能,分析可知接收机设计满足项目需求。最后,通过与DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)进行联合调试,验证了接收机实现功能的正确性。本文的设计已经应用于项目中,并对其他通信系统接收机设计具有一定参考意义。