在分布式网络系统中,时间和频率是系统中各节点之间实现协同工作的关键信号,是实现精确同步的基本必要条件。实现时频同步的介质包括无线、卫星以及光纤,对于卫星介质,其时频同步约为20纳秒,但相对带来的成本较高;对于无线介质例如长、短波授时,其时频同步精度仅为1～100微秒,且在传播过程中更容易受到各种干扰;对于光纤介质,在专用光纤网络上实现的时频同步,其精度能够达到更高的量级,但是存在高昂成本以及无法普及使用等问题,在现有电信光纤网络上实现的时频同步,其精度能达到亚纳秒级别,但是也存在成本及链路通信的问题。为了在现有电信光纤网络的基础上提高时频信号的同步精度,结合某研究所科研项目研究设计了一套高精度且不影响链路通信的光纤网络时频同步系统。以目前光纤网络时频同步技术的研究现状为着入点,详细分析了目前高精度时频同步技术仍然存在的疑难点,围绕着无源光纤网络时频同步的相关技术进行了详细的研究,确定了实现的方法。如果仅用处理器来实现难以达到预期的性能指标甚至无法实现,如果仅用FPGA则设计周期过长.。因此选择以Xilinx公司的一款将FPGA芯片和双核Cortex-A9处理器集成的ZYNQ-7020系列芯片作为系统的实验平台,采用软硬件协同工作的方法,完成光纤网络高精度时频同步系统的设计。主要工作包含四个部分。第一部分,研究光纤网络高精度时频同步系统实现所涉及的相关技术,深入研究同步以太网技术的时钟数据嵌入技术和时钟数据恢复技术;深入研究精确时间协议的同步过程、同步性能及同步局限;深入研究时间间隔测量技术。对White Rabbit时频同步技术和无源光网络同步技术进行研究分析,将光纤网络高精度时频同步系统与这两种常见同步方法进行详细对比,光纤网络高精度时频同步系统相对于White Rabbit时频同步技术有如下改进:第一,节约成本、降低复杂程度、易于检修;第二,使用时间间隔测量器完成频率鉴相,降低相位误差造成的不确定度;第三,支持在主机端的触摸显示屏或者串口直接注册激活通信链路中的从机端,而无需发送广播报文。光纤网络高精度时频同步系统相对无源光网络同步技术有如下改进:第一,支持在主机端的触摸显示屏或者串口直接注册激活通信链路中的从机端,而无需发送广播报文;第二,采用密集波分环形模块在同一根光纤上传输频率信号和时间信号;第三,在实现了所有补偿的情况下,理论精度可达皮秒量级。第二部分,完成光纤网络高精度时频同步系统的设计方案,确定ZYNQ-7020系列芯片作为硬件平台的选择;设计同步帧、通信帧、调度帧作为系统同步和通信的传输数据帧;使用AXI总线完成芯片内部CPU与FPGA的数据通信;设计使用无源的光纤网络作为系统的传输链路;设计使用精确时间协议的双步延迟测量算法来完成主从设备的传输延迟计算;选择采用时钟稳定度、时钟偏差和时钟准确度衡量同步系统的性能;使用时钟数据嵌入技术和时钟数据恢复技术完成主从设备频率信号的双向传递;使用时间间隔测量器完成主从设备频率信号的相位差测量。第三部分,完成光纤网络高精度时频同步系统的FPGA硬件逻辑电路的设计。设计时间调整模块,实现时间和频率的设计功能,还承担了时钟的调节和计时工作。设计时间戳模块,实现硬件标记时间戳和清空时间戳寄存器功能。设计寄存器模块,实现FPGA硬件电路与CPU处理器的数据交互通道。设计数据帧控制模块,实现帧封装和帧解封等数据流处理功能。设计编码解码模块,实现数据流在传输过程中的自检与编码功能。设计频率补偿模块,实现频率信号的相位补偿功能和路径延迟的调控功能。第四部分,对时间调整模块的时间计数、初始值设定和时间调整功能进行仿真测试,对时间戳模块的硬件标记时间戳和清零时间戳寄存器功能进行仿真测试,对寄存器模块的读写数据功能进行仿真测试,对数据帧控制模块的数据流处理功能进行仿真测试。对搭建的一主二从的实验平台进行测试,实验结果表明,在50km的光纤网络传输链路中,同步精度能够达到20ps,时钟准确度能够达到20ps,秒稳定度为5.43E-12,10000秒稳定度为4.10E-15。