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语音识别系统的设计、FPGA验证及其物理实现

刘胜伟  
【摘要】: 语音识别在非接触式控制系统中有着广泛应用。传统的基于PC机的语音识别系统由于其体积大,耗电性大,成本高等缺点,应用得到限制。为了弥补这些缺点,本文完成了一款特定人孤立词语音识别专用芯片的设计。主要工作包括以下几个方面: 首先,对语音识别算法进行研究,在保证识别率的基础上对语音识别算法进行优化,使得该系统更易进行硬件实现。在此基础上,对该语音识别系统进行硬件模块划分和接口定义,编写部分模块的RTL代码,并对整体代码进行系统整合和仿真调试,完成了语音识别系统的RTL设计。最终得到的语音识别系统与其软件系统仿真结果完全一致。 其次,从功耗、硬件和可实现性上对该代码进行优化。优化后的代码在面积和功耗上都有不同程度的减小。同时搭建了语音识别系统的FPGA验证平台,对所设计系统进行多人大词汇量的实际语音验证。验证结果显示:当存储5个参考语音时,本文语音识别系统的平均识别率为91%。 然后使用华虹NEC 0.35μm EEPROM工艺对该语音识别系统进行综合,通过多次迭代,找到一个时序、面积和功耗上的平衡点,将其转化成一个后端实现可接受的、与具体工艺相关的门级网表,然后对该门级网表进行布局规划、自动标准单元布局、时钟树综合、布线和可制造性优化,完成特定人孤立词语音识别专用芯片的后端设计。 最后,对得到的后端设计结果进行形式验证、寄生参数提取、静态时序分析和动态仿真,以及DRC和LVS验证,从而保证所设计的语音识别芯片没有功能、时序、DRV、以及DRC和LVS违例。 本文最终设计得到的特定人孤立词语音识别系统芯片的识别率为91%,并且通过了所有后端验证,芯片最终的单元利用率为0.63,动态功耗为20.93mW,面积为2094 x 4598平方微米,最高工作频率为9MHz,可以完成8KHz采样率原始语音输入的实时处理。


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