相位可调分频器实现精准时钟同步

`default_nettype none
module clkdiv_phaseVariable #(
    parameter integer DIV_N = 16  // 分频系数 (例如 4MHz -> 250kHz)
)(
    input  wire        clk,       // 原始高频驱动时钟 (如 4MHz)
    input  wire        s_start,   // PPS 同步触发信号 (秒起始，异步清零)
    output reg         clk_out    // 相位确定的单周期采样使能脉冲
);

    reg [31:0] cnt = 32'd0;

    // 分频计数逻辑：利用 s_start 强行进行相位对齐
    always @(posedge clk or negedge s_start) begin
        if (~s_start) begin
            cnt <= 32'd0;         // 秒脉冲到来时，计数器立即归零，锁定相位起始点
        end
        else begin
            if (cnt >= (DIV_N - 1)) begin
                cnt <= 32'd0;
            end
            else begin
                cnt <= cnt + 1'b1;
            end
        end
    end

    // 输出逻辑：产生 1 个 clk 宽度的使能脉冲
    always @(posedge clk) begin
        // 仅在同步信号有效且计数器归零时刻产生输出
        clk_out <= s_start & (cnt == 32'd0);
    end

endmodule

该模块将高频的采样脉冲（4MHz）通过分频产生低频的采样使能信号（250kHz），并确保分频后的信号在时间轴上与整秒（PPS/UTC时间）精确对齐，确保了每一秒钟的第一个采样脉冲，永远紧跟在 PPS 信号后的第一个时钟上升沿。

2.功能详解

2.1. 确定性的下采样

该模块通过计数器逻辑实现分频。参数 N定义了分频比，例如当原始频率为 4 MHz，目标频率为 250kHz 时，N = 16。

它每接收到 N 个输入脉冲（adc_data_available），才产生一个输出脉冲（samp_clk）。
这是后续所有下采样数据处理（如 STFT）的基础步进信号。

2.2. 相位对齐与时间同步（Phase Alignment）

这是该模块被称为"相位可调（Phase Variable）"的关键原因。

复位机制 ：在 clkdiv_phaseVariable 模块中，s_start 信号作为异步复位端（negedge en）。一旦 s_start 拉低，内部计数器 cnt 立即清零。
与整秒对齐 ：在顶层代码中，s_start 信号受 second_start_d0 控制。每当 GPS/北斗的秒脉冲（PPS）到来时，en 会产生一个低电平复位。
意义：这保证了每一秒钟的第一个 250kHz采样点，永远出现在秒起始后的固定位置,因为s_start复位了cnt的计数，然后在每秒的上升沿重新数4Mhz采样的数据。如果没有这个相位调整，分频器可能会随机地从 4MHz 序列中的任意一个点开始，导致数据帧在不同秒之间存在相位漂移，无法满足星载系统对高精度时间戳的需求。或者说，如果不考虑 s_start，系统一上电就会开始处理 ADC 数据，这会导致 STFT 的输出在时间轴上无法与绝对实时时间（Real Time）精准对齐。

2.3. 输出单位时钟宽度的脉冲

clk_out 的生成逻辑如下：

复制代码

always @(posedge clk) begin
	clk_out <= s_start & (cnt == 32'd0);
end

它产生的不是 50%占空比的时钟，而是一个单周期脉冲。
这种"脉冲形式"的使能信号非常适合在 100 MHz 的主时钟域（clk_100M）中使用。通过 samp_clk_pe（边沿检测），可以直接驱动后续 STFT 模块的 data_in_vaild，而无需担心跨时钟域导致的采样重叠或漏采。

2.4. 逻辑流转总结

输入：4MHz} 脉冲（adc_data_available）作为驱动。

触发：秒起始信号（second_start）强行将分频相位清零。

输出：产生相位确定的 250kHz 脉冲（samp_clk）。

应用：该脉冲被送往 format_data_stream_STFT 模块，作为数据切片的基准。

3.思考

思考一：那有可能造成数据点丢失，为什么不能是只在第一秒复位呢？

这是一个非常深入的工程思考。在数字采集系统中，"数据连续性"和 "时间确定性"往往是一对需要权衡的矛盾。之所以不能只在第一秒复位，最核心的原因在于本地晶振（Crystal Oscillator）是不完美的。

为什么"只复位一次"行不通？

1. 晶振的频率漂移（Clock Drift）

虽然你的 FPGA 晶振标称是 100 MHz 或 4 MHz，但它实际上会受环境温度、电压波动和元器件老化影响。

ppm（百万分之一）误差 ：一般的温补晶振（TCXO）误差在 10 ppm 左右。

误差累积 ：假设误差是 10 ppm ，即每一秒会偏差 10 μs 。如果你只在第一秒复位，运行一小时（3600 秒）后，你的本地时间就会比标准 PPS 时间偏移 36 ms。

后果：对于需要高精度时间戳的系统（如星载探测），36 ms 的偏移意味着成千上万个采样点的相位完全错位。

**2026-01-27-lhw:**这个有点道理，但是数字采集系统里面是做了时钟校准的。

关于"丢失数据点"的忧虑

你提到的"数据点丢失"确实存在，但在工程实现中，这种"丢失"实际上是一种强制校准：

采样点"丢"在哪里了？

如果本地时钟偏快 ：PPS 信号到来时，计数器可能已经数到了 15（假设 N=16）。复位信号强制它归零，这一秒你可能采了 250,001 个点。

如果本地时钟偏慢 ：PPS 信号到来时，计数器才数到 14。复位信号强行归零，这一秒你只采了 249,999 个点。

两害相权取其轻

方案 A（只复位一次） ：采样点永远不丢失，但时间戳随着运行时间增加而变得毫无意义。（**2026-01-27-lhw:**因为时间和数据对应不上,但是原始数据的时间戳也有这个问题呀，这就是涉及思考二了，）

方案 B（每秒复位） ：在秒交界处可能会产生一个极小的相位跳变 （通常在纳秒级别），但保证了长期的零漂移。

结论：在星载或高精度测量系统中，绝对时间的准确性 通常高于单次采样的连续性。我们需要确保每一秒的数据"档案"都是从零开始的，而不是背负着上一秒累积的误差

思考二：但是4Mhz用的是采样的有效脉冲，然后所用的时间戳是绝对时间，我觉得不会出现零漂的问题？

你的这个观点在逻辑闭环 的情况下是成立的：如果 4MHz 的采样有效脉冲（adc_data_available）是由一个与 GPS 信号完全同步的时钟源（例如 GPSDO/恒温晶振锁相回路）产生的，那么采样率和绝对时间之间确实没有"相对漂移"。

然而，在实际的星载数字系统工程中，之所以坚持每秒复位，主要是为了解决以下三个"现实骨感"的问题：

1. 物理时钟与逻辑使能的"非相干性"

即便你使用的是绝对时间，你的 4MHz脉冲和 PPS 信号通常来自两个不同的物理路径：

4 MHz：往往源自 ADC 的数据准备就绪信号（Data Ready），其频率受 ADC 晶振控制。

PPS：源自 GPS/北斗接收机。

漂移真相 ：如果 ADC 晶振是 10 ppm 精度，那么一秒钟内它可能产生 4,000,040 个脉冲，也可能只有 3,999,960 个脉冲。如果你不每秒归零计数器，分频产生的 250 kHz 脉冲在时间轴上的相位就会相对于秒起始点越拉越远。

**2026-01-27-lhw:**所以时钟校准很重要，确保时间戳是有效的。

2. "丢失点"其实是"对齐点"

你担心的"数据丢失"其实是一种自动补偿机制：

如果晶振跑快了：这一秒可能有 16 个 4MHz脉冲多出来，计数器强行复位，实际上是把这一秒末尾多余的一点点时间"掐掉"，让下一秒准时开始。

不复位的后果：误差会累积。运行 1 小时后，你处理的第一帧数据可能已经比绝对时间的整秒点滞后了几个毫秒，这对需要多星联合观测的"波动探测"任务来说是致命的。

3. 应对单次脉冲丢失（健壮性）

在复杂的航天电磁环境下，adc_data_available 脉冲可能会因为电磁干扰发生漏计或多计：

如果只在第一秒复位，一旦中间漏掉一个 4MHz 脉冲，之后所有的分频相位都会永久性地错位一个周期。

每秒复位 （PPS Sync）提供了一个自动纠错门限：无论中间发生了什么干扰，每一秒的开始都是绝对对齐的。

**2026-01-27-lhw:**在星载上这个的确是有必要的，时间同步很重要。

结论：为什么要这么做？

在你的系统中，时间戳是绝对的 没错，但 STFT 处理的起始点（分帧界限） 是由分频后的 250kHz}脉冲决定的。

如果不复位：你的 STFT 窗口会随着时间推移缓慢地在时频轴上"滑动"，导致同一频点的相位谱出现线性漂移。

如果复位 ：即使在秒交界处可能会因为晶振误差产生极微小的相位突变，但这保证了每一秒的数据包在处理逻辑上是自包含且确定的。

思考三：如果我的本地始终有用pps秒脉冲校准呢？是不是没有这个问题？

这是一个非常深入且具有工程前瞻性的问题。你的直觉很敏锐：如果本地时钟已经通过 PPS（秒脉冲）进行了频率校准（频率锁相/训练），那么"长期累积漂移"的问题确实在物理层面被解决了。

但在高可靠性的星载数字采集系统中，即便有时钟校准，每秒一次的计数器归零（相位复位）依然是不可或缺的。

**2026-01-27-lhw:**这里我感觉在没有单粒子反转的情况下是可以的，输出的脉冲是标准的。

1. "校准频率"与"对齐相位"的区别

在工程上，这是两个不同的概念：

频率校准（Frequency Calibration / Disciplining）： 确保你的 1 秒钟在物理时长上精确等于 UTC 的 1 秒。这意味着在一秒内，你的 4MHz时钟确实产生了刚好 4,000,000 个脉冲。

相位对齐（Phase Alignment / Reset）： 确保分频器计数的"第一个点"正好落在秒边界上。

2. 应对"单粒子翻转"与瞬态干扰

如果是星载波动探测项目 ，必须考虑空间环境下的单粒子翻转（SEU）：

突发干扰： 在宇宙射线环境下，FPGA 内部的计数器寄存器可能发生翻转，或者采样脉冲线受到电磁干扰多计/漏计了一个脉冲。

故障隔离： 如果你只在第一秒复位，一旦中间发生一次翻转，分频相位就会永久错位，直到下次重启。

每秒复位： 这提供了一个自愈（Self-healing）机制。即使这一秒发生了干扰导致相位偏移，下一秒 PPS 到来时，系统会自动强行将相位拉回正确位置。这符合高可靠性航空航天电子设计原则。

总结

如果你的本地时钟已经校准，你确实解决了"跑得快慢"的问题；但 clkdiv_phaseVariable 模块的复位逻辑是为了解决 "从哪开始"以及"跑错了能回来"的问题。

结论： 校准解决了频率精度（Frequency Accuracy），而每秒复位保障了逻辑确定性（Logical Determinism）和鲁棒性（Robustness）。

4.总结

（1）在本地晶振的驱动下，AD每秒采集的点数可能不是采样率的点数，会有偏差，因此时钟校准是有必要的，确保采集的数据能与绝对时间对上。

（2）每秒复位可以确保"第一个点"正好落在秒边界上，但实际上只是缩小偏差：

你的观察非常细锐，这触及了数字信号处理中**"逻辑对齐"与 "物理对齐"**之间的本质区别。你是对的：由于 s_start（秒脉冲）是一个异步信号，它可能在 4 MHz 采样时钟周期的任何时刻 到达。仅仅让 cnt 归零，确实无法消除那不到 1个 4MHz 周期（约 250 ns）的物理误差。

但在数字采集系统的工程实践中，这样做依然具有决定性的意义，原因如下：

1. 将误差从"多个周期"缩小到"一个周期"

在分频比 N=16 的情况下（4MHz 250kHz）：

如果不归零 cnt ：秒脉冲到来时，计数器可能在 0 ~ 15之间的任何位置。这意味着你的分频脉冲相对于秒边界的误差可能高达 (4us)。

如果归零 cnt ：你强制第一个采样点出现在秒脉冲之后的第一个 4 MHz上升沿。此时，不确定性被压缩到了 0~250ns 之间。

结论：归零操作虽然没能实现的绝对物理对齐，但它将系统的随机相位不确定性降低了一个数量级（从 4us降至 250 ns）。

2. "逻辑零点"的确定性

在 FPGA 内部，我们追求的是逻辑上的确定性。

数据索引：通过归零，我们可以定义：从 PPS 到来后的第一个采样脉冲开始，这就是本秒的"第 0 个样本"。

地面处理：只要每一秒的逻辑起始点都是确定的（即 PPS 后的第一个 4MHz 沿），地面的科学家在处理数据时，其算法模型中的时频网格就是稳定的。这种"恒定的微小滞后"比"随上电随机变化的巨大滞后"要好处理得多。

3..进阶探讨：如果你真的需要绝对对齐

如果在你们的星载波动探测任务中，这 250 ns 的误差依然不可接受，工程上通常采用"时间测量（TDC）"方案：

在 $100 MHz 时钟域下捕捉 PPS 信号。

测量 PPS 到达时刻与下一个 4MHz 沿之间的计数值（以 10ns为分辨率）。

将这个"残余时间偏差"作为遥测参数随数据包下传。

地面处理时，通过在频域补偿一个线性相位因子来修正这 250 ns的时延。

以上就是本次笔记。