IIR滤波器的FPGA实现中出现直流分量（波形不停下移）问题的原因和解决方法

本文主要是介绍IIR滤波器的FPGA实现中出现直流分量（波形不停下移）问题的原因和解决方法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

最近用FPGA实现一个带通IIR滤波器，采用matlab的fdatool设计得到滤波器的系数，然后根据杜勇的《数字滤波器的matlab与FPGA实现》中介绍的方法进行零点和极点系数量化，采用的结构是直接I型IIR滤波器。刚开始用modelsim进行的功能仿真得到的结果是这样的。

刚开始看起来效果还可以，因为我只让它对2000个点滤波，这些点输入完后滤波就仿真就结束了。

后来，放了一段时间后，对更多的点滤波，突然发现出问题了，如下图所示。

滤波器还是原来的滤波器，系数也没变，滤的波也没变，只是长度加长了，但是可以看到滤波后的波形不停下移，像是滤波结果减了一个具体的数值一样。刚开始以为是对原始数据加长时用的粘贴复制，导致每段数据的开头的数据都是0，导致了这个问题，但是后来完美镶嵌后还是这样。

后面把滤完波的数据送到matlab中

蓝色虚线是原始混合信号，橙黄色实线是滤波后信号。

20Hz的200Hz的混合信号，带通滤完波后，200Hz的信号得到抑制，但是在0Hz附近出现了信号，也就是说带通滤波后出现了直流，也就导致了在modelsim中出现波形下移的情况。

那么问题找了，如何解决呢？

https://blog.csdn.net/hunterlew/article/details/50710129

在这篇博客中，我发现了博主提到的一个问题和我的情况很相似

我们最后的除法是用移位处理代替的，这样就存在一个问题，移位运算相当于MATLAB中的floor，也就是向下取整，此时就存在比较大的误差，于是我赶紧去测了下最开始两个相邻波形的峰值差，与极点系数非常接近，于是赶紧用四舍五入的方法试了下，FPGA的四舍五入方法见这里：http://bbs.21ic.com/icview-2626038-1-1.html

为了防止原网页丢失，这里给复制出来了，

floor, round和saturation是进行bit位削减时常用的方法，floor 和round用于削减低位，saturation用于削减高位。floor和round的区别在于，floor是将低位直接丢掉，而round则是在丢掉低位前先进行四舍五入。round和saturation的使用范例如下：

假设有一个32bit有符号数a[31:0], 其低10bit为小数部分，高22bit为整数部分。如果现在我们需要用一个16bit的整数来尽可能精确地表示a[31:0]。则需要截去全部的小数部分和高6位的整数部分，具体步骤如下:

step1. 用round去掉小数部分并进行四舍五入。

assign add_bit = a[31] ? (a[9] & (|a[8:0]) ) : a[9];
assign temp[22:0] = {a[31],a[31:10]} + add_bit;

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分析：第一句判断是否需要进位。设要舍弃部分的值为d, (-1.0<d<1.0)。当a为正，即a[31] = 0时，若a[9]=1, 则说明d>0.5，故可以产生进位。当a为负，即a[31] = 1时，由于负数用补码表示，若直接舍弃d则意味着round up, 即向高位进位。然而，当0>d>-0.5时，不需要进位，而对于补码表示的负数而言，add_bit=1即表示不产生进行。另外，0>d>-0.5即a[9] & (|a[8:0])，因为 - 0.5的补码是10_0000_0000, d>-0.5即a[8:0]不全为0。考虑到四舍五入时可能产生进位，故需要扩展1bit的符号位。

step2. 用saturation去掉temp[22:0]的高7位从而得到16bit的最终结果。

assign res[15:0] = (&temp[22:15]) | !(|temp[22:15]) ? temp[15:0] : {temp[22], {15 { !temp[22] } } }

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分析：首先判断temp[22:15]是否为全0或全1，若是，则说明其全部为符号位，我们只需要保留temp[15]作为符号位，其余高位bit可以直接丢掉。若temp[22:15]既不是全0又不是全1，则说明temp[22:15]包含数据位，即此时temp[22:0]的值已经超出了16bit有符号数所能表示的最大，此时必然会引入精度丢失问题，为了尽可能提高精度，只能将res[15:0]设置为其所能表示的最大值0x7FFF（temp[22] = 0）或0x8000（temp[22] = 1）。

于是我根据自己的需要，对数据进行了四舍五入处理：