时间是信息描述不可或缺的基本要素,随着移动通信技术的发展和工业生产需求的提高,对网络和控制系统的时序要求也变得越来越具有挑战性,研究时钟同步技术具有重要的意义。对于分布式网络而言,时钟同步作为支撑技术,在系统调度、事件排序、数据融合等方面发挥着重要作用,由于网络环境的复杂性、传输延迟的不确定性和节点时钟频率的非理想性,时钟同步的精度通常受到限制。本文主要针对时钟同步技术展开研究工作,时钟同步包括频率同步和相位同步,分布式系统对于时钟同步的精度有一定要求。TPSN算法是无线传感器网络中的代表性同步算法之一,通过建立分层的网络结构,父子节点之间进行双向信息交互,将子节点的时间同步到父节点,可以达到微秒级的同步精度。在此基础上,本文基于硬件频率补偿改进TPSN算法,将同步细分为粗同步和细同步两个状态,分别对频率偏差、频率漂移和时间偏差进行估计和硬件层面的补偿。针对晶振频率的非理想性,引入时间平均频率-直接周期合成技术,调节物理时钟,对节点频率偏差和漂移进行补偿,提高频率稳定性;针对传输延迟的不确定性,通过获取底层时间戳来缩短关键路径,减小波动。为了验证所提出的时钟同步算法的实际性能,选取无线传感器网络作为测试场景,选择合适的硬件模块搭建同步节点系统,并完成软件功能的设计和实现。选择点对点、两跳和多跳网络三种拓扑结构,设置不同的同步参数,分别研究节点时钟频率稳定性和时间偏差在同步期间随时间的变化情况。在两跳网络中,还测试了IEEE1588精确时钟同步协议用于对比试验。试验结果表明,通过设置合适的同步参数,基于硬件频率补偿的TPSN改进算法的最大同步时间偏差为1.35μs,平均同步时间偏差为0.42μs,在网络跳数增加时仍能保持微秒级的同步精度,节点时钟频率稳定性也从10-7提高到10-8,在相同条件下同步结果优于IEEE1588精确时钟同步协议。