Днешната ми статия е размисли на глас от човек, поел по пътя на програмирането почти случайно (макар и естествено).

Да, разбирам, че моят опит е просто мой опит, но ми се струва, че се вписва добре в общата тенденция. Освен това описаното по-долу преживяване се отнася повече за сферата на научната дейност, но какво, по дяволите, не се шегувам - може да бъде полезно навън.

Източник: https://xkcd.com/664/

Изобщо посвещава се на всички настоящи студенти от бивш студент!

Очаквания

Когато завърших бакалавърската си степен по Инфокомуникационни технологии и комуникационни системи през 2014 г., не знаех почти нищо за света на програмирането. Да, като много други, взех предмета „Компютърни науки“ през първата си година - но, Господи, беше през първата ми година! Мина цяла вечност!

Като цяло не очаквах нещо особено различно от бакалавърската степен и когато влязох в магистърската програма "Комуникация и обработка на сигнали" Германо-руски институт за нови технологии.

Но напразно...

Бяхме едва втори прием, а момчетата от първия още стягаха куфарите за далечна Германия (стажът отнема шест месеца през втората година на магистърската степен). С други думи, никой от най-близкото обкръжение все още не се беше сблъсквал сериозно с методите на европейското образование и нямаше кого да попита за подробностите.

През първата ни година, разбира се, имахме различни видове практики, в които обикновено демократично ни предлагаха избор между писане на скриптове (главно на езика MATLAB) и използване на различни високоспециализирани GUI (в смисъл, че без писане на скриптове - симулация среди за моделиране).

Излишно е да казвам, че ние, бъдещите магистри на науките, поради нашата младежка глупост избягвахме да пишем код като огън. Ето, например, Simulink от MathWorks: тук са блоковете, тук са връзките, тук са всички видове настройки и превключватели.

Изглед, който е роден и разбираем за човек, който преди това е работил в дизайна на схеми и системното инженерство!

Източник: https://ch.mathworks.com/help/comm/examples/parallel-concatenated-convolutional-coding-turbo-codes.html

Така ни се стори...

реалност

Една от практическите работи на първия семестър беше разработването на OFDM сигнален приемопредавател като част от предмета „Методи за моделиране и оптимизация“. Идеята е много успешна: технологията все още е актуална и доста популярна поради използването й, например, в Wi-Fi и LTE/LTE-A мрежи (под формата на OFDMA). Това е най-доброто нещо за майсторите да практикуват уменията си в моделирането на телекомуникационни системи.

И сега ни дават няколко варианта на технически спецификации с очевидно непрактични параметри на рамката (за да не търсим решение в интернет), а ние се нахвърляме върху вече споменатия Simulink... И получаваме удар по главата с чайник от реалността:

• Всеки блок е изпълнен с много неизвестни параметри, които е страшно да се променят на мига.
• Манипулациите с числа трябва да се правят, изглежда, прости, но все пак трябва да се суете, не дай си Боже.
• Cathedral машините забележимо се забавят от неистовото използване на GUI, дори на етапа на сърфиране в библиотеки с налични блокове.
• За да завършите нещо у дома, трябва да имате същия Simulink. И всъщност няма алтернативи.

Да, в крайна сметка ние, разбира се, завършихме проекта, но го завършихме със силно издишване на облекчение.

Мина известно време и стигнахме до края на първата година от магистърската степен. Количеството домашна работа, използваща GUI, започна да намалява пропорционално с увеличаването на дела на немските предмети, въпреки че все още не е достигнало точката на промяна на парадигмата. Много от нас, включително и аз, преодолявайки значителната си амплитуда за изграждане, все повече използвахме Matlab в нашите научни проекти (макар и под формата на Toolboxes), а не привидно познатия Simulink.

Точката на нашите съмнения беше фразата на един от студентите от втора година (те току-що се бяха върнали в Русия по това време):

• Забравете, поне за времето на стажа, за Similink, MathCad и други LabView - над хълма всичко е написано в MATLAB, използвайки самия MatLab или неговата безплатна „версия“ Octave.

Твърдението се оказа отчасти вярно: в Илменау спорът за избора на инструменти също не беше напълно разрешен. Вярно, изборът беше предимно между MATLAB, Python и C.

В същия ден бях обхванат от естествено вълнение: не трябва ли да прехвърля моята част от модела на OFDM предавателя в скриптова форма? Просто за забавление.

И се захванах за работа.

Стъпка по стъпка

Вместо теоретични изчисления, просто ще дам връзка към това отлична статия 2011 от tgx и на слайдовете LTE физически слой професори Мишел-Тила (ТУ Илменау). Мисля, че това ще е достатъчно.

„И така“, помислих си, „нека повторим, какво ще моделираме?“
Ще моделираме OFDM генератор на кадри (OFDM генератор на кадри).

Какво ще включва:

• информационни символи
• пилотни сигнали
• нули (DC)

От какво (за по-голяма простота) се абстрахираме:

• от моделиране на цикличен префикс (ако знаете основите, добавянето му няма да е трудно)

Блокова схема на разглеждания модел. Ще спрем на блока за обратно БПФ (IFFT). За да е пълна картината, всеки може сам да продължи останалото – обещах на преподавателите от катедрата да оставя нещо и за студентите.

Нека да ги дефинираме сами. упражнение:

• фиксиран брой подносители;
• фиксирана дължина на рамката;
• трябва да добавим една нула в средата и двойка нули в началото и края на рамката (общо 5 бр.);
• информационните символи се модулират с помощта на M-PSK или M-QAM, където M е модулационният ред.

Да започнем с кода.

Целият скрипт може да бъде изтеглен от връзка.

Нека да дефинираме входните параметри:

clear all; close all; clc

M = 4; % e.g. QPSK 
N_inf = 16; % number of subcarriers (information symbols, actually) in the frame
fr_len = 32; % the length of our OFDM frame
N_pil = fr_len - N_inf - 5; % number of pilots in the frame
pilots = [1; j; -1; -j]; % pilots (QPSK, in fact)

nulls_idx = [1, 2, fr_len/2, fr_len-1, fr_len]; % indexes of nulls

Сега определяме индексите на информационните символи, като приемаме предпоставката, че пилотните сигнали задължително трябва да са преди и/или след нули:

idx_1_start = 4;
idx_1_end = fr_len/2 - 2;

idx_2_start = fr_len/2 + 2;
idx_2_end =  fr_len - 3;

След това позициите могат да бъдат определени с помощта на функцията linspace, намалявайки стойностите до най-малкото от най-близките цели числа:

inf_idx_1 = (floor(linspace(idx_1_start, idx_1_end, N_inf/2))).'; 
inf_idx_2 = (floor(linspace(idx_2_start, idx_2_end, N_inf/2))).';

inf_ind = [inf_idx_1; inf_idx_2]; % simple concatenation

Нека добавим индекси на нули към това и сортираме:

%concatenation and ascending sorting
inf_and_nulls_idx = union(inf_ind, nulls_idx); 

Съответно индексите на пилотния сигнал са всичко останало:

%numbers in range from 1 to frame length 
% that don't overlape with inf_and_nulls_idx vector
pilot_idx = setdiff(1:fr_len, inf_and_nulls_idx); 

Сега нека разберем пилотните сигнали.

Имаме шаблон (променлива пилоти), и да кажем, че искаме пилотите от този шаблон да бъдат вмъкнати в нашия кадър последователно. Разбира се, това може да се направи в цикъл. Или можете да си поиграете малко по-сложно с матриците - за щастие MATLAB ви позволява да правите това с достатъчен комфорт.

Първо, нека определим колко от тези шаблони се вписват напълно в рамката:

pilots_len_psudo = floor(N_pil/length(pilots));

След това формираме вектор, който се състои от нашите шаблони:

% linear algebra tricks:
mat_1 = pilots*ones(1, pilots_len_psudo); % rank-one matrix
resh = reshape(mat_1, pilots_len_psudo*length(pilots),1); % vectorization

И ние дефинираме малък вектор, който съдържа само част от шаблона - „опашката“, която не се вписва напълно в рамката:

tail_len = fr_len  - N_inf - length(nulls_idx) ...
                - length(pilots)*pilots_len_psudo; 
tail = pilots(1:tail_len); % "tail" of pilots vector

Получаваме пилотни герои:

vec_pilots = [resh; tail]; % completed pilots vector that frame consists

Нека да преминем към информационни символи, а именно ще формираме съобщение и ще го модулираме:

message = randi([0 M-1], N_inf, 1); % decimal information symbols

if M >= 16
    info_symbols = qammod(message, M, pi/4);
else
    info_symbols = pskmod(message, M, pi/4);
end 

Всичко е готово! Сглобяване на рамката:

%% Frame construction
frame = zeros(fr_len,1);
frame(pilot_idx) = vec_pilots;
frame(inf_ind) = info_symbols

Трябва да получите нещо подобно:

frame =

   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 - 0.70711i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   0.00000 + 1.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
  -0.70711 + 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.00000 - 1.00000i
   0.70711 + 0.70711i
   1.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 1.00000i
   0.70711 - 0.70711i
  -0.70711 + 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   0.00000 - 1.00000i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   1.00000 + 0.00000i
   0.70711 - 0.70711i
   0.00000 + 1.00000i
   0.70711 - 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i

"Блаженство!" – помислих си доволно и затворих лаптопа. Отне ми няколко часа, за да направя всичко: включително писане на код, изучаване на някои функции на Matlab и мислене чрез математически трикове.

Какви изводи направих тогава?

Субективна:

• Писането на код е приятно и прилича на поезия!
• Скриптирането е най-удобният метод за изследване в областта на комуникацията и обработката на сигнали.

Обективен:

• Няма нужда да стреляте по врабчета от оръдие (освен ако такава образователна цел, разбира се, не си заслужава): използвайки Simulink, ние се заехме с решаването на прост проблем със сложен инструмент.
• GUI е добър, но разбирането на това, което се съдържа „под капака“, е по-добро.

И сега, тъй като далеч не съм студент, искам да кажа следното на студентското братство:

• Давайте!

Опитайте се да напишете код, дори ако в началото е лош. При програмирането, както при всяка друга дейност, най-трудното е началото. И е по-добре да започнете по-рано: ако сте учен или дори просто технолог, рано или късно ще имате нужда от това умение.

• Търсене!

Изисквайте прогресивни подходи и инструменти от учители и ръководители. Ако това е възможно, разбира се...

• Създайте!

Къде другаде е по-добре да преодолеете всички рани на начинаещ, ако не в рамките на образователна програма? Създавайте и усъвършенствайте уменията си – отново, колкото по-рано започнете, толкова по-добре.

Амбициозни програмисти от всички страни, обединявайте се!

PS

За да запечатам пряката си връзка със студентите, прилагам паметна снимка от 2017 г. с двама ректори: Питър Шарф (вдясно) и Алберт Харисович Гилмутдинов (вляво).

Заслужаваше си да довърша програмата поне за тези костюми! (шегувам се)

Източник: www.habr.com