近年来,随着无线通信的快速发展,人们对数据流量的需求越来越大。预计在未来20年内无线数据流量将飙升10000倍。为了应对无线数据流量的极速增长,一种方法是使用具有丰富频带资源的非传统频谱,例如毫米波(Millimeter Wave,mmWave)。足够的可用带宽以及可以在发射器和接收器上配备多达8到256个元件的天线阵列使得该频段引起了人们极大的关注。毫米波无线通信系统中存在着许多需要提高和改进的技术,本文将对其中两个关键技术——信号同步和波束赋形,展开深入研究。首先,论文从大尺度衰落和小尺度衰落两个方面详细介绍了毫米波簇延迟线(Clustered Delay Line,CDL)信道模型。大尺度信道特性由平均路径损耗和阴影衰落来描述。小尺度信道特性则表现为成簇现象和角度域扩展。接着,论文给出了OFDM系统的发射机和接收机框图,介绍了OFDM技术的基础理论,并简要叙述了毫米波无线通信系统的两种关键技术,即信号同步和波束赋形。论文主要分析OFDM系统中符号定时偏差的影响,然后讨论了信号同步技术。同时,论文还概述了波束赋形的分类和主要方法。其次,论文提出了基于Golay互补序列的同步算法,并将其与经典的同步算法进行性能对比。经典同步算法主要包括S&C算法、Minn算法和基于互相关的同步算法。论文从实现复杂度、定时精度以及适用场景等多个角度分析了算法的优劣。论文从Golay序列的非周期自相关特性和快速相关结构出发,进一步改进了Golay相关器,设计了同步训练符号,给出了定时同步算法。通过仿真,从恒虚警准则下的捕获概率、定时均方误差和信道估计性能三个方面,验证了提出的同步算法不仅能进行精确的定时同步,同时具有出色的信道估计性能。然后,论文讨论了基于Golay互补序列同步算法的FPGA实现。通过介绍数据缓存、能量计算、峰值检测等模块的功能和设计思路,论文描述了定时同步模块的整体架构和设计概要。此外,论文着重介绍了Golay相关器的设计方案,并给出了RTL原理图和时序仿真波形,通过与传统相关器性能的对比突出Golay相关器的内在优势。在这基础上,我们将理论分析和实际仿真相结合,对最终实现的定时同步模块进行了验证。最后,论文研究了毫米波波束赋形技术,提出了一种基于正交码本的贪婪混合波束赋形算法和一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方案。通过描述混合波束赋形的系统模型,论文给出了混合波束赋形中的联合优化问题,接着,介绍了三种经典的波束赋形算法——基于码本的模拟波束赋形、基于SVD分解的数字波束赋形和基于正交匹配追踪的混合波束赋形。论文通过比较各算法在不同数据流下的频谱效率,验证了我们的设计在性能上逼近最优无约束波束赋形的同时,实现复杂度低于基于正交匹配追踪的混合波束赋形。