平成 21 年度
電子制御工学科
中間発表会
FPGA を用いた簡易音声認識に関する研究
高岡 碧
1.緒言
現在，パーソナルコンピュータや携帯電話など
の情報機器が広く一般家庭に普及している．それ
に伴い，柔軟で扱いやすいインターフェースが必
要とされており，その代表として音の利用技術の
一つである音声認識による入力インターフェース
が注目されている．
音声認識の究極の目標は，誰の声でも・どのよ
うな話し方でも・どのような言葉でも・どのよう
な状況下でも認識できるということである．この
ような目標は音声認識 LSI やパーソナルコンピュ
ータのソフトウェアでほぼ実現されているが，高
価で内部処理が不明瞭で複雑であることが挙げら
れる．
本研究では，FPGA を用いた高速で汎用性が高
く，内部処理を単純化した小型で軽量な音声認識
による入力インターフェースの開発を目的とする．
2.FPGA とは
FPGA1)(Field Programmable Gate Array)と
は現場で書き換え可能な集積回路のことで，一つ
の LSI 上に共通のゲートが並んでおり，プログラ
ムにより回路を記述することが出来る素子である．
ハードウェア記述言語といったプログラム言語を
用い，FPGA 内に回路を記述することが出来る．
回路開発を小型軽量化，大容量化，高速処理化，
低消費電力化，配線長による雑音等の除去，費用
削減，また短期間での開発のために開発され，現
在では広く普及している．
マイコンがプログラムを実行をする際，動作ク
ロック(20MHz 程度まで)に合わせて命令読み出
し→命令解析→命令実行といった流れで処理をす
るのが，FPGA の場合は設計者がプログラミング
により記述した，任意の回路を動作するので並列
処理が行われ，クロック(~数百 MＨｚ)に同期し，
高速で処理できる．
FPGA は，マイコンに比べ，条件判断を多用す
る処理は論理規模が多くなってしまい，並列処理
をするメリットがなくなってしまうため不得意で
ある．しかし，並列処理を活かした回路処理や，
演算ロジック，ディジタルフィルタ等の処理はマ
イコンに比べ得意である．最近では，CPU 自体を
FPGA 内に作ってしまっているので，不得意とさ
れる部分も高速に処理できるようになっている．
本研究では，このような FPGA の小型軽量，高
速処理化，柔軟性を活かし，音声認識による入力
インターフェースの開発を行う．
3.音声認識インターフェース
音声認識インターフェースを図 1 に示す．マイ
クより入力された音声信号を FPGA 内に取り込
み，A/D 変換を用いてディジタル値（離散信号）
に変換する．取り込まれた音声信号はフーリエ変
換を行い，時系列信号から周波数信号に変更した
飯田 賢一
後，周波数ごとの特徴抽出，各信号の比較処理を
行って制御対象への操作量を出力する．
また,音声取り込み用マイクは audio-technica
社のモノラルマイクロフォン AT9903（図 2）を
用いる．このマイクはバッテリー方式とプラグイ
ン方式の 2 種類で駆動が出来，小型で軽量な入力
インターフェースのユニット化に適している．さ
らに，使用する FPGA のボードは Xilinx 社の
SPARTAN-3E スターターキット(図 3)を用い，ハ
ードウェア言語の一つである Verilog-HDL を用
いてプログラムを記述する．Xilinx 社の FPGA は
web 上でフリーの書き込みソフトが提供されてお
り，スターターキットに搭載されている FPGA は
ポート数が多く，低コストで最も低消費電力なデ
バイスである．プログラミングに用いる
Verilog-HDL はハードウェア記述言語の中で一番
C 言語に似た文法系をしており習得がしやすく，
現在ハードウエア開発において最も使われている
言語である．
FPGA
LCD
音声入力
A/D変換
マイク
内部演算
比較
制御対象
判断
操作量
単語モデル
音声データ
図 1 インターフェース構成
図 2 マイク
図 3 スターターキット
4.現状と今後の予定
現状は SPARTAN-3E スターターキットを用い
て，結果出力のための LCD 表示や，高速フーリ
エ変換等の演算，組み合わせ論理回路のプログラ
ム記述，各母音のデータを取り込み PC 内で処理
し，特徴を比較している段階である．今後はこの
スターターキットを用いて A/D 変換回路や，音声
信号のデータを保存するためのメモリ回路，PC
やマイコンとデータがやり取りするための通信プ
ログラムの記述や，内部処理のアルゴリズム検討
を行う予定である．
また，緒言で述べたように誰の声でも認識可能
にするために多くの音声サンプルデータの取得も
行い，作成した単語モデルと入力音声信号の比較
方法も検討し，考察する必要がある．
<参考文献>
1)「手軽にはじめる FPGA」，トランジスタ技 2009
年 3 月号，CQ 出版社