现代生活中，移动通信技术已经全方位的融入到了人们的日常生活。以LTE-A为代表的4G通信系统正不断的推动着整个无线通信领域的技术革新.随着多输入多输出（MIMO）技术、正交频分（OFDM）等一大批新兴技术的加入，4G技术规范逐渐变得成熟。本文首先简要介绍了LTE-A系统的相关技术背景和物理层的基本概念。然后针对LTE-A下行链路系统中小区搜索和MIMO检测进行了研究。LTE-A系统中，小区搜索采用二级同步的思想，通过主同步信号（PSS）和辅助同步信号（SSS）的检测来完成对小区信息的检测与获取。小区搜索过程是LTE-A系统基站与用户终端建立与保持通讯的前提，是接收端进行其他解调操作的基础，其性能的好坏直接影响到LTE-A系统的性能好坏，因此具有极其重要的研究意义。MIMO技术在不增加带宽和发射机发送功率的前提下，通过增加发射端发射天线和接收端接收天线的个数，能够成倍的提高系统信道的容量和质量，因此， MIMO检测技术也是当前的研究热点之一。针对小区搜索，本文主要完成了对小区搜索模块的matlab仿真、硬件结构设计和FPGA实现。首先，分模块搭建了小区搜索的matlab算法仿真平台，包括PSS信号的检测、SSS信号的检测、频偏估计以及CP检测等过程。本文针对CP检测模块利用滑动相关的思想改进了自相关CP检测算法，提高了CP的检测精度，同时改进了SSS序列检测的算法，减小了SSS检测的计算量。然后，根据项目要求设计并优化了小区搜索模块的硬件结构。本文使用CIC滤波器组的设计思想减少滤波器设计的资源消耗；针对PSS的结构特点，采用折叠的思想设计PSS检测器；采用滑动搜索的思想改进CP检测模块；采用多CP模式完成小数倍频偏的估计同时完成PSS精同步过程等。针对MIMO检测，本文主要完成了信道估计和信道均衡的matlab仿真，根据项目要求对设计了LS信道估计模块的ZF均衡模块的设计。最后，本文设计的所有小区搜索硬件模块和MIMO检测硬件模块都在xilinx公司K7系列芯片XC7K325T完成了硬件实现。