随着移动互联网的快速发展,针对无线业务流量的需求增长迅猛,因此发展第五代移动通信(5G)成为当务之急。作为5G的重要备选技术之一,大规模MIMO技术由于能够大幅提升系统频谱效率和能量效率而广受关注。为了在实际场景下对大规模MIMO的关键技术进行测试和评估,有必要预先搭建一套原型验证系统,在验证理论研究结果的同时,发掘大规模MIMO的潜力。本文从硬件实现角度对大规模MIMO技术物理层关键模块进行了研究和设计,并在NI-PXI平台上实现了 128 × 12的大规模MMO原型系统。本文的主要工作如下:首先,介绍了所设计的基于NI-PXI的大规模MIMO系统的硬件组成和数据传输流程,并对系统的硬件架构、连线以及时钟触发线路进行了详细说明。在此基础上对系统链路的数据处理流程进行了详细描述和分析。接着,研究了适用于大规模MIMO的时间同步技术和硬件实现方法。首先在改进传统单天线同步方案的基础上提出了适用于大规模多天线的上行链路时间同步方案,进而提出一种基于上行链路时间同步结果的下行链路时间同步方案,仿真结果说明了所提方案的有效性。紧接着在大规模MIMO系统硬件平台上对时间同步模块完成了硬件实现和性能测试。实测结果表明,基于所提出时间同步方案而设计的硬件模块能够完成上下行链路时间同步功能,同时支持上下行高清视频流的实时传输。然后,研究了适用于大规模MIMO上行链路载波同步的优化设计和硬件实现,分为载波频偏估计和载波频偏补偿两个部分。仿真结果表明,所提出的载波同步方案不但能够准确估计出频偏值,而且能够对受频偏影响的数据进行补偿,纠正频偏带来的星座图旋转。进而设计并在硬件上实现了上述载波同步方案,并在大规模MIMO系统硬件平台上进行性能测试。结果表明,基于所提出上行链路载波同步方案而设计的硬件模块能够完成载波频偏估计和补偿功能,系统接收到的上行星座点位置规整。最后,研究了用于搭建完整大规模MIMO物理层原型系统的重要模块,对信道编译码模块、星座映射和解映射模块以及信道互易性校准模块进行了设计和硬件实现,并完成了大规模MIMO无线传输的整体性能调试。基站支持最多128根天线,最多12个单天线用户,单用户实时传输带宽为20MHz,支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM等调制方式。系统最大吞吐量达到1.382Gb/s,频谱效率达到69.1bit/s/Hz。