【摘 要】
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生物神经系统是一个复杂的非线性系统,神经元是生物神经系统的基本单位。在生物神经系统中,神经元之间是由神经突触相互连接,构成生物神经网络,并完成信息的接收、处理和传导。众所周知,神经系统一直处于噪声干扰之中,但神经系统却能准确无误地处理各类信息,这是因为神经系统具有一定的抗扰能力,本论文利用FPGA建立小型生物神经网络,通过数值模拟与硬件实现研究生物神经网络的抗扰特性。本论文以最具生物属性的Hodg
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生物神经系统是一个复杂的非线性系统,神经元是生物神经系统的基本单位。在生物神经系统中,神经元之间是由神经突触相互连接,构成生物神经网络,并完成信息的接收、处理和传导。众所周知,神经系统一直处于噪声干扰之中,但神经系统却能准确无误地处理各类信息,这是因为神经系统具有一定的抗扰能力,本论文利用FPGA建立小型生物神经网络,通过数值模拟与硬件实现研究生物神经网络的抗扰特性。本论文以最具生物属性的Hodgkin-Huxley（HH）模型和化学突触构建生物神经网络,研究生物神经网络的抗扰特性。在Simulink环境中构建了环式拓扑结构和链式拓扑结构的生物神经网络,通过引入方波干扰信号和正弦波干扰信号,数值模拟了生物神经网络的抗扰特性。利用DSP Builder和Quartus II联合编程,硬件实现了基于FPGA的环式拓扑结构和链式拓扑结构的生物神经网络,研究了电子神经网络在方波干扰信号和正弦波干扰信号下的抗扰特性。在Simulink仿真中,生物神经网络的刺激信号频率为50 Hz、幅值为10μA/cm~2的正弦波。方波干扰信号和正弦波干扰信号的频率均为1 KHz、幅值均为10μA/cm~2,将方波干扰信号和正弦波干扰信号分别与正弦波刺激信号进行调制,将调制信号加入环式拓扑结构和链式拓扑结构的十神经元生物神经网络中,生物神经网络的耦合强度分别取值为1 m S/cm~2、3 m S/cm~2、5 m S/cm~2和7 m S/cm~2。Simulink仿真结果表明:生物神经网络中第一个神经元动作电位发生严重畸变,动作电位的“超极化”和“复极化”过程出现严重波动;第二个神经元动作电位放电异常;第三个神经元动作电位发放趋于正常;第三个神经元之后到第十个神经元,动作电位发放均正常,证明生物神经网络具有比较好的抗扰特性。随着耦合强度的增大,生物神经网络的同步性提高的同时,抗扰特性进一步加强。利用FPGA硬件实现了基于HH神经元和化学突触的生物神经元网络,在方波和正弦波干扰信号的刺激下,FPGA硬件输出结果也体现了较好的抗扰特性。Simulink仿真结果和FPGA硬件实现结果基本一致,证明了硬件实现电子神经网络抗扰特性的可靠性。本论文的研究结果在脑机接口,类脑计算等方面具有一定的参考价值。
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