基于VHDL的BP神经网络的设计与实现

周庆芳

摘 要：人工神经网络的组成包含了多个简单处理单元，通过某种方式将这些处理单元连接在一起，构成一个有关人工神经网络的计算系统。这个系统能动态响应外部输入信息，并进行信息的处理。

关键词：BP神经网络；VHDL；模拟与仿真

一、人工神经理论基础

神经网络又被称为链接模型，其本身是模仿动物的神经网络，并根据其行为特征分布式进行算法数学模型处理。在计算机上，人们可以利用并行或者串行的模式模拟仿真，实现人们自身的神经网络模型算法。在特定应用情况下，进行神经网络研究的目标则是高性能专用的神经网络硬件。

神经元是人工神经网络的基本单元，具有一定的信息处理方面的能力。对于输入的内容，神经元可以简单进行处理，能根据学习规则做好加权求和，并根据权值来获取神经元的状态输出，以便对刺激进行处理。还可建立基于VHDL语言的神经网络元件库，它包括基本单元、控制单元两个部分。

二、 BP神经网络结构模型

BP神经网络由输入层、隐含层和输出层组成，相邻层之间的各个神经元实现全连接，每层各个神经元之间没有连接。

BP算法正向传播过程：输入信号从输入层输入，经过隐含层传向输出层。如果输出层的实际输出与期望输出一致，那么学习算法结束。基本控制单元用于建立隐含层和输出层的神经元，主要解决信号运算后权值存储问题，它主要包括加权乘法、神经元输入信号的累加、非线性激励函数的实现、权值存储等基本模块。

图1中xi代表第i个输入，wij代表输入i和神经元j之间的权值（weight），yj是第j个输出。如图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（ ）是激化函数（如线性阈值的sigmoid函数等）。

三、神经网络模型与仿真

clk产生脉冲信号，输入端x1，x2，x3 分别置为011，100，101，权值初值设为0000，通过9个脉冲周期一次递增到1000，将权值与输入值进行运算，得出结果。在权值固定时，输出取决于输入，不同的输入得到不同的输出结果。而在权值变化时，输出就由输入和权值决定。

为了仿真的结果更直观，代码采用的每个神经元的3个输入信号以及权值的位宽都为4，且带有符号。权值共设了9个，采用9个时钟周期将权值移入值。模拟与仿真的结果如图2所示。

结果分析：模拟结果与结果一致，此仿真成功。

四、结语

基于VHDL编程实现简单神经网络的软件模拟与仿真，从算法的提出到模型的建立，完整地体现神经网络的可用性与优越性。文中所提的神经网络模型是对单个神经网络的模拟与仿真，以及基于二维数组的多个输入输出的大规模神经网络的模拟。由于VHDL语言编程的灵活性，可以将编程下载到芯片用硬件实现对神经网络的模拟，以提高系统运算的速度和可靠性。

参考文献：

[1]张青贵.人工神经网络导论[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[2]周志华，曹存根.神经网络及其应用[M].北京：清华大学出版社，2009.