基于神经网络ZISC的模式识别系统

用高低电平来表示不同状态的数字电路是信息工业中最常用的技术。数字神经芯片有非常成熟的生产工艺，它的权值一般存储在RAM或EPROM等数字存储器中，由乘法器和加法器实现神经元并行计算。对设计者来说，数字神经芯片可以以很高的计算精度（达到32位或者更高）实现神经元核函数。另外，用数字技术实现神经网络时，通常可以采用标准单元库或可编程门阵列直接进行电路设计，这样可以大大减少设计时间[5],[6]。

数字神经芯片不仅具有容错性好、易于硬件实现及高精度、高速度的优点。更重要的是有很多数字电路CAD的软件可以作为设计工具使用。但要实现乘/加运算，需要大量的运算单元和存储单元。因而对芯睡面积和功耗要求很高。为了适应大面积的数字电路的要求，现在很多数字神经芯片都采用了硅片集成技术(Wafer-Scale Integration)。

（3）用数模混合技术实现硬件神经网络

出于上述种种考虑，许多研究人员提出并采用了各种数模混合神经芯片，具有数字及模拟工艺各息的优点而避免各自的缺点，运算速率高，芯片面积小，抗噪声能力强且易于设计。典型的数模混合信号处理部分则全是模拟的。这种结构很容易与其它的数字系统接口以完成模块化设计。近年来在各种数模混合神经芯片设计中，利用脉冲技术的数模混合神经芯片和利用光互连技术的光电混合神经网络芯片得到了广泛的关系，它们代表神经网络未来发展的方向。

尽管数模混合神经芯片有种种优点，但它也存在着一些不足。比如，对于大多数数模混合神经芯片来说，训练学习算法的实现往往需要一个附加的协处理器，这无疑会增加整个神经网络系统的成本和复杂性[5],[6]。

2 RBF网络原理和它的硬件实现

RBF网络是一种有导师的三层前馈网络。它最重要的特点是中间隐层神经元的基函数只对输入剩激起局部反应，即只有当输入落在输入空间的 一个局部区域时，基函数才产生一个重要的非零响应；而在其它情况下基函数输出很小（可近似为零）。网络结构如图1所示。
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    图1(a)描述了隐层神经元的作用，其中X=(x1,x2,…，Xn)是输入层的输入矢量；C=(w1,w2,…，Wn)是该隐层神经元的中心矢量（每个隐层神经元的中心徉量存储在其与输入各种神经元之间的连接权中），σ代表宽度（半径）；而|| ||表示n维空间中矢量之间的距离（这里的距离不一定是数学意义上的欧几里得距离，在不同的情况下可以有种种含义）；f是隐层神经元的基函数，目前用得比较多的是高斯分布函数。

RBF网络每个输出层结点的输出为其与各隐层神经元输出y的加权求和。按高斯分布函数的定义，隐层神经元的输出y与输入矢量x的函数关系应服从正态分布，即当X与中心矢量C的距离很矢时，y接近最大值；反之y值减小。如X与C的距离超过宽度σ(即远离中心）时，输出y可近似为零，相当于对输出层没有贡献。这就实现了局部感知。

不难看出，RBF网络用作矢量分类器时，输入层神经元个数由矢量空间的维数决定，隐层神经元个数由模拟类别数决定，每个隐层神经元的中心矢量（与输入层各神经元之间的连接权）都代表一种模式类别。输入矢量与哪个隐层神经元的中心矢量距离近，哪个隐层神经元的基函数输出就大，相应的模式类别对输出层的贡献就大；与哪个隐层神经元的中心矢量距离远，哪个隐层神经元的基函数输出就小，甚至不激活，输出0，相应的模式类别当然就不会影响RBF网络的输出，矢量和模式类别的分类由此完成。

相对于网络结构的简单，RBF网络权值的训练方法要复杂一些。通常分为下面的两个步骤。

①隐层和输入层之间的权值采用无教师聚类方法训练，最常用的是KNN法（K-Nearest-Neighbor）。它的基本思想是先设定训练样本的一个子集；再用模式分类算法LBG由这个子集形成N种类的模式，即把子集中的样本归类；然后，按顺序处理子集外的训练样本：对任一样本X，找出K个与X距离最近的矢量（随便找，只要近就行），计算这K个矢量分别属于N个模式种类的数目，哪个模式种类包含的最近矢量最多，X就属于哪个模式种类。

将输入的训练样本聚类后，每个模式种类中所有样本矢量的平均值就代表该隐层神经元和输入层之间的权值（中心矢量）；而所有样本矢量与中心矢量的平方差的平均值就代表宽度σ。这样就做出了各个隐层神经元的全部参数。因为这种方法只要求输入训练样本就可以进行分类，无须知道训练样本的理想输出，因此被称为无教师方法。

②输出层和隐层之间的权值采用有教师聚类方法训练。简便实用的一种

《基于神经网络ZISC的模式识别系统(第2页)》