近年来我国高速铁路及轨道交通取得了举世瞩目的建设成就。与此同时,列车与地面之间的无线通信数据量(包括面向用户的宽带数据业务和列车控制信息)也呈迅速上升趋势。现在普通列车和高速列车上的乘客,仅能通过无线蜂窝网络(2G和3G系统)进行通信,但这些通信体制并不支持高速移动下的宽带无线接入。本论文以时速为350km/h-500km/h高速铁路宽带无线接入为研究对象,着重研究了高速铁路宽带无线接入的系统结构设计和物理层信号处理等关键技术,主要内容包括：针对高速铁路车地间宽带无线接入的业务特点,总结归纳了现有无线通信系统的优点与不足,提出了一种新型的车地间宽带无线数据传输架构——High Speed and Mobile Cell (Himocell)架构,评估了Himocell的优点与不足。同时研究了高速铁路无线信道的特点——时间频率双选择性衰落,探讨了其信道建模方法。针对高速列车车载通信系统对通信收发信机尺寸体积不敏感的特点,研究了空间域方法对抗Doppler频偏技术。在高速列车上架设线性天线阵列,利用天线阵列对接收信号进行空间采样确定虚拟不动点,该虚拟不动点相对地面静止,没有Doppler频偏,消除了时间选择性衰落的影响。本文提出一种时变瑞利信道条件下的最优虚拟点分集接收机方案,该方案在对抗Doppler频偏的同时,接收端可以获得分集增益。针对多载波传输的特点,研究了多载波OFDM技术在时变多径信道下的信道估计技术。为了进一步提高信道估计的准确度和改善系统的误码性能,本文提出一种基于梳状导频的变换域频率分集式信道估计算法,该信道估计算法的精度随着分集导频组的增加而提高,在时变信道中性能也有明显改善。然后,研究了多载波OFDM技术在时变多径信道下的子载波间干扰消除技术。在分析经典子载波间干扰消除技术的基础上,本文提出一种联合信道估计的子载波间干扰消除方法,该方法采用“二项导频”,联合前后两个OFDM符号进行子载波间干扰消除。仿真结果表明,新型子载波干扰消除方法在性能和频谱效率上均优于经典方法。Doppler频率偏移是高速移动条件下影响宽带无线系统性能的主要原因之一。本文在总结归纳经典Doppler分集的基础上,深入研究了一种定向天线扇区接收实现Doppler分集的方法,该方法在完成Doppler频率补偿的同时,可以获取较好的Doppler分集增益。理论分析和仿真结果表明,在快速时变频率选择性衰落信道下,该方案可以有效提高宽带通信系统的传输性能。参照IEEE802.11a标准,开发了基于FPGA软件无线电平台的宽带无线系统原型机。本文优化了OFDM接收机中帧同步、符号定时、信道估计等算法,这些优化使系统运算复杂度下降、处理延迟缩短、硬件资源占用量减少,提高了系统处理效率。