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极化码编译码算法研究及译码器设计的开题报告
一、选题背景和意义
随着通信技术的快速发展，数据传输的可靠性成为各种通信系统设计的重点之一。基于二进制位（0和1）的数字通信系统中，数据传输中存在多种干扰源（如信道噪声、多径衰落等），会导致有效数据的传输出现误码，进而影响系统通信质量。在此背景下，纠错编码技术受到了广泛关注，极化编码作为一种较新的纠错编码方式，被认为是未来通信系统的重要发展方向，其纠错性能已经超越了传统的纠错编码技术。
极化码是由土耳其学者Arikan于2008年提出的一种新型码，他证明了在适当的条件下，任何一个二元码都可以通过逐步极化来实现最大化的差错保护。极化码不仅可以适用于诸如高速移动通信、卫星通信、5G通信、数据中心等计算机通信、图像压缩传输和云存储等各个领域，而且也具有较低的译码延迟、简单的电路设计以及可实现的加密性能。
极化码的编码和解码算法相对于普通汉明码有更高的技术难度。因此，在学术界中为了优化极化码的编译码算法和实现其译码器的设计，都进行了广泛的研究。本课题旨在研究极化码编码和解码算法，探究不同的算法优化方法，设计并实现高效的译码器，为提高通信系统的数据传输效率和可靠性做出贡献。
二、研究内容和技术路线
本课题的研究内容主要包括：
1.极化码和极化码编码算法的理论基础研究，包括极化过程的实现原理和极化矩阵的构造方法，以及它们与常用的纠错编码技术的比较。
2.极化码的译码器的设计研究，包括从不同角度优化实现算法以降低译码器的硬件资源与功耗，提高译码速度、降低复杂度等方面探索方法。
3.极化码的实现与性能评价的研究，包括多个参数的选取与符合实际使用的测试范围，针对实测性能数据进行分析，从掩盖误码率(CharacteristicErrorRate)、译码门级延迟(GateDelay)、式子复杂度(EquationComplexity)等多维度指标进行评价。
该研究计划的技术路线如下：
1.研究极化码发展历程及相关理论，初步掌握极化码的各种性质，建立数学模型，通过仿真工具验证相关理论。
2.设计基于VHDL/Verilog语言的极化码译码器，将极化码理论与硬件实现结合，整合错误检测、纠错与流水线等功能模块，完成仿真验证。
3.分析和优化极化码译码器的性能，提出不同算法优化方案，探索设计高性能的译码器的方法。
4.实现极化码的编码译码，并使用性能评测系统对性能进行测试和评估，最终得出研究成果。
三、研究目标和预期结果
1.掌握极化码的基本理论与算法，构建极化码的编码和解码流程；
2.设计高效的极化码译码器，使其在保证误码率下限的同时使得其时延尽可能的小；
3.研究极化码系统的硬件实现与性能评测，并评价不同算法方案的优缺点；
4.实现极化码硬件编解码器原型，达到性能优秀、读写速度加快、误码率降低和减少传输时延等目标。
本课题的预期结果包括：
1.了解极化码的编译码算法，探索基于极化码的信道编码对多维度性能指标的影响；
2.探索高效译码器的设计方法，寻求译码器的计算复杂度和硬件延迟间的平衡；
3.设计并实现高性能的极化码译码器，通过性能测试对优化算法进行评价，以验证理论分析的正确性。
四、研究方案和进度计划
该研究将分为以下四个阶段：
阶段1（3周）：深入研究极化码的理论基础和编译码算法，掌握VHDL/Verilog语言并完成仿真设计。
阶段2（3周）：针对当下研究热点，提出不同的算法优化方案，通过仿真与实验数据对方案进行验证和评估，确定符合实际应用需要的算法方案。
阶段3（3周）：开始进行硬件全系统设计，选择最优算法方案并设计硬件流水线结构，做好芯片布局设计和性能测试工作。
阶段4（3周）：验证极化码译码器的性能，进行模拟仿真和实际测试，进行误码率的测试和数据对接，最终完成研究成果报告。
五、预期贡献
本课题希望以研究和设计的实践成果为基础，提高极化码的编码译码技术，创新通信系统的数据传输方案和实现方式，开拓极化码的应用领域和市场前景。同时，该课题将在应用层面为网络通信领域带来新的发展机遇，为信息传输精度和传输速率的提高做出贡献。在硬件资源和能源限制之下，优化极化码的译码算法和设计理论，提高译码效率，极化码在新一代通信系统中将有更为广泛的应用和市场拓展前景。iminary