毫米波频段技术已经应用于5G商用阶段,可以满足5G大规模通信系统更高速的数据传输需求,并且可以缓解日益严重的频带频谱紧张问题。在5G阶段,毫米波频段逐渐被纳入可考虑的通信频段之中,为了进一步提升通信质量,波束赋型技术也被大量地使用。通过多天线协同发射信号,可以控制信号功率在某一方向集中。通过集中朝向接收机方向的信号功率来对抗来自多径信道和毫米波在自由空间中高衰落的压力,也是在毫米波频段进行数据通信的前提。为了更好的利用波束赋型技术,5G NR规定了一种固定结构的信号,同步信号和PBCH块（简称SSB）,用来在用户初始接入阶段服务用户进行初始的波束扫描以及时频同步等操作。本文首先介绍了毫米波MIMO通信系统的背景意义以及研究现状,回顾在过去LTE时代MIMO技术在通信系统中的应用,并结合5G NR标准分析了5G时代毫米波MIMO技术与过去的不同。在此基础上,针对5G NR中广泛应用的波束扫描技术,给出了基于5G NR标准中波束扫描的初始接入方案,在方案中介绍了5G NR使用的同步信号结构以及时域发送模式,并且给出了较为广泛应用的毫米波信道模型。接下来从波束扫描可能带来的同步信号利用率低下的问题入手,引入了基于传统锁相环算法以及本文所提基于卡尔曼滤波器的时频精同步算法。通过仿真,比较了这两种算法在波束未覆盖用户带来的较低信噪比条件下的时频同步性能,验证了本文所提卡尔曼滤波时频精同步算法的优势。之后进行了时频同步系统的初步硬件实现,给出了4倍过采样条件下的时频同步电路图,搭配动态阈值模块,通过连续检测同步峰的形式锁定同步序列,并且具有一定的频偏纠正能力。最后分析了硬件电路实现时频精同步的后续改进方向。