高精度的时间频率同步技术广泛应用于通信、雷达、导航系统、天文观测和基础科学研究等领域,随着科学技术的发展,特别是5G时代的到来,对时间频率同步精度的要求也越来越高。时间频率传递方法有光纤传输、卫星传输和自由空间激光传输。本文介绍了上述三种方法的发展现状,进而设计了基于激光的自由空间时间传递同步,它不像光纤传输需要专门的光纤信道,只需要在可视范围内即可。由于基于卫星的时间频率传输的微波频率信道越来越紧张,频率干扰问题经常出现,基于激光的时间频率传输速度快,抗干扰能力强,不存在频率之间的干扰。因此,基于激光的自由空间时间同步研究具有重要意义。本文设计了基于小型连续激光器往返时间传递同步方案,完成对激光传输的信号进行时间间隔测量和相位补偿,最后搭建光学实验平台。论文采用了粗细时间测量相结合的方法对时间间隔进行测量,结合FPGA的内部资源,采用抽头延迟法进行“细”时间测量,采用直接计数法进行“粗”时间测量,这样既保证了精度又能扩大测量范围。本文使用kintex-7内部资源CARRY4进位链级联来构建延迟线。由于超前进位产生“冒泡”现象以及需要对级联的进位链锁存的温度计码转换成二进制数,本设计采用二分求和法来进行译码。为了提高测量的精度,减少进位单元以及通道之间的布线延迟,设计采用了器件位置约束的方法是进位单元之间有序排列以及通道之间并行排列,之后通过板级测试进行验证,验证结果表明测量的时间间隔误差在±190ps之内。经过自由空间传输后的信号存在相位差,需要对信号进行相位补偿。结合FPGA内部的SelectIO资源,采用“粗”延迟和“精”延迟相结合的方法对信号相位进行补偿。采用高速IO对信号进行采样,并且使用解串器和串行器对信号进行转换,转换中间采用移位寄存编码模块对信号进行粗延迟,之后进行板级测试,测试结果显示延迟波动为625ps,精延迟为78ps。最后基于上面的时间间隔测量和相位补偿方法,搭建光学实验平台。本文设计了基于激光传输为40m的自由空间时间传递链路进行实验,测试结果显示所设计的同步系统在相位补偿后的时延波动标准差为440ps。整个测量结果表明时间稳定度优于200ps,在时间大于500s时,时间稳定度处于100ps左右。实验结果表明激光的自由空间时间稳定度优于卫星的时间稳定度。