地面数字电视广播系统是广播电视体系中的重要组成部分，它具有简单接收和移动接收能力，能够满足现代信息化社会“信息到人”的需求。随着地面数字电视广播在世界范围内全面展开，新业务尤其是交互业务的需求日益明显。如何利用电视广播信道组建双向系统从而开展交互业务成为目前研究中的热点。作为宽带无线通信系统，双向地面数字电视广播在设计时存在如何选择调制方式及参数，以及如何进行信道估计和均衡等问题。 本文研究并改进了现有的双向地面数字电视广播系统相关设计。论文首先讨论了无线信道的通信特征，接着研究了无线通信中广泛应用的OFDM调制解调技术，同时也系统地分析了单载波频域均衡调制解调技术，特别针对这两种调制解调技术对抗信道多径效应的估计与均衡算法进行了深入的研究。在这一基础上，分析了现有的双向广播标准的物理层调制解调相关性能，提出了改进方案，并进行了计算机仿真。 本文的主要创新工作如下：1，在OFDM调制解调系统的信道估计中，本文提出了一种新的组合插值算法代替传统的线性插值算法来进行导频辅助信道估计的插值。该算法可以减小加性高斯白噪声对信道估计的影响，获得更为准确的估计结果，以使接收端更好地恢复出发送信号，降低了系统误码率。 2，本文提出了应用于单载波频域均衡系统的一种新的基于过采样的均衡算法，利用不同采样时间的接收信号组之间的相关性增加了系统均衡的精度，仿真结果表明，采用新的均衡算法的接收机性能有所提高，同样信噪比条件下的误码率有所降低。 3，本文基于现有的DVB-T/DVB-RCT双向地面广播标准框架，提出一个新系统构架方案，该方案将双重模式结构应用于系统中，即下行信道仍然采用OFDM调制，上行信道改为单载波频域均衡调制方式。理论和计算机仿真结果表明，采用单载波频域均衡调制的回传方式和OFDM调制的回传方式传输性能基本一致，但是可以克服OFDM调制解调特性造成的峰均比大等问题，从而减少回传发射设备的器件成本，同时降低其发射功率和系统复杂度。