基于VHDL的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)

周慶芳

摘 要：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成包含了多個簡單處理單元，通過某種方式將這些處理單元連接在一起，構(gòu)成一個有關(guān)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能動態(tài)響應(yīng)外部輸入信息，并進行信息的處理。

關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；VHDL；模擬與仿真

一、人工神經(jīng)理論基礎(chǔ)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又被稱為鏈接模型，其本身是模仿動物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)其行為特征分布式進行算法數(shù)學(xué)模型處理。在計算機上，人們可以利用并行或者串行的模式模擬仿真，實現(xiàn)人們自身的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法。在特定應(yīng)用情況下，進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的目標(biāo)則是高性能專用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件。

神經(jīng)元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，具有一定的信息處理方面的能力。對于輸入的內(nèi)容，神經(jīng)元可以簡單進行處理，能根據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)則做好加權(quán)求和，并根據(jù)權(quán)值來獲取神經(jīng)元的狀態(tài)輸出，以便對刺激進行處理。還可建立基于VHDL語言的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元件庫，它包括基本單元、控制單元兩個部分。

二、 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層組成，相鄰層之間的各個神經(jīng)元實現(xiàn)全連接，每層各個神經(jīng)元之間沒有連接。

BP算法正向傳播過程：輸入信號從輸入層輸入，經(jīng)過隱含層傳向輸出層。如果輸出層的實際輸出與期望輸出一致，那么學(xué)習(xí)算法結(jié)束。基本控制單元用于建立隱含層和輸出層的神經(jīng)元，主要解決信號運算后權(quán)值存儲問題，它主要包括加權(quán)乘法、神經(jīng)元輸入信號的累加、非線性激勵函數(shù)的實現(xiàn)、權(quán)值存儲等基本模塊。

圖1中xi代表第i個輸入，wij代表輸入i和神經(jīng)元j之間的權(quán)值（weight），yj是第j個輸出。如圖1所示可以得到：

y1=f（x1.w11+x2.w21+x3.w31 ） 2-1

y2=f（x1.w11+x2.w22+x3.w32） 2-2

y3=f（x1.w11+x2.w23+x3.w33） 2-3

其中f（ ）是激化函數(shù)（如線性閾值的sigmoid函數(shù)等）。

三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與仿真

clk產(chǎn)生脈沖信號，輸入端x1，x2，x3 分別置為011，100，101，權(quán)值初值設(shè)為0000，通過9個脈沖周期一次遞增到1000，將權(quán)值與輸入值進行運算，得出結(jié)果。在權(quán)值固定時，輸出取決于輸入，不同的輸入得到不同的輸出結(jié)果。而在權(quán)值變化時，輸出就由輸入和權(quán)值決定。

為了仿真的結(jié)果更直觀，代碼采用的每個神經(jīng)元的3個輸入信號以及權(quán)值的位寬都為4，且?guī)в蟹枴?quán)值共設(shè)了9個，采用9個時鐘周期將權(quán)值移入值。模擬與仿真的結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果分析：模擬結(jié)果與結(jié)果一致，此仿真成功。

四、結(jié)語

基于VHDL編程實現(xiàn)簡單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟件模擬與仿真，從算法的提出到模型的建立，完整地體現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可用性與優(yōu)越性。文中所提的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是對單個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬與仿真，以及基于二維數(shù)組的多個輸入輸出的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬。由于VHDL語言編程的靈活性，可以將編程下載到芯片用硬件實現(xiàn)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，以提高系統(tǒng)運算的速度和可靠性。

參考文獻：

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[2]周志華，曹存根.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.