O meu artigo de hoxe son pensamentos en voz alta dunha persoa que tomou o camiño da programación case por accidente (aínda que sexa natural).

Si, entendo que a miña experiencia é só a miña experiencia, pero paréceme que encaixa ben na tendencia xeral. Ademais, a experiencia que se describe a continuación refírese máis ao campo da actividade científica, pero o que diaños non é broma: pode ser útil fóra.

Fonte: https://xkcd.com/664/

En xeral, dedicado a todos os estudantes actuais dun antigo alumno!

Expectativas

Cando rematei o meu bacharelato en Tecnoloxías da Infocomunicación e Sistemas de Comunicación en 2014, non sabía case nada do mundo da programación. Si, como moitos outros, cursei a materia de "Informática" no meu primeiro ano, pero, Señor, estaba no meu primeiro ano! Foi unha eternidade!

En xeral, non esperaba nada especialmente diferente dun título de licenciatura, e cando entrei no programa de máster "Comunicación e procesamento do sinal" Instituto Alemán-Ruso de Novas Tecnoloxías.

Pero en balde...

Só eramos a segunda incorporación, e os mozos da primeira aínda estaban facendo as maletas para a afastada Alemaña (as prácticas duran seis meses no segundo ano de máster). Noutras palabras, ninguén do círculo inmediato atopara aínda seriamente os métodos da educación europea, e non había quen preguntar polos detalles.

No noso primeiro ano, por suposto, tivemos varios tipos de prácticas, nas que normalmente se nos ofrecía democráticamente a posibilidade de escoller entre escribir guións (principalmente en linguaxe MATLAB) e usar varias GUI altamente especializadas (no sentido de que sen escribir guións - simulación). entornos de modelado).

Nin que dicir ten que nós, os futuros Mestres en Ciencias, pola nosa estupidez xuvenil, evitamos escribir código como o lume. Aquí, por exemplo, está Simulink de MathWorks: aquí están os bloques, aquí están as conexións, aquí hai todo tipo de configuracións e interruptores.

Unha visión que é nativa e comprensible para unha persoa que traballou anteriormente en deseño de circuítos e enxeñería de sistemas.

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

Así nos pareceu...

Realidade

Un dos traballos prácticos do primeiro cuadrimestre foi o desenvolvemento dun transceptor de sinal OFDM como parte da materia “Métodos de Modelado e Optimización”. A idea ten moito éxito: a tecnoloxía segue sendo relevante e bastante popular polo seu uso, por exemplo, en redes Wi-Fi e LTE/LTE-A (en forma de OFDMA). Isto é o mellor para que os mestres practiquen as súas habilidades no modelado de sistemas de telecomunicacións.

E agora dannos varias opcións de especificacións técnicas con parámetros de cadros obviamente pouco prácticos (para non buscar unha solución en Internet), e abalanzamos sobre o xa mencionado Simulink... E dámonos na cabeza cunha tetera. da realidade:

• Cada bloque está cheo de moitos parámetros descoñecidos, que asustan cambiar a simple vista.
• As manipulacións cos números hai que facer, ao parecer, sinxelas, pero aínda hai que rebuscar, Deus o libre.
• As máquinas da catedral ralentízanse notablemente debido ao uso frenético da GUI, incluso na fase de navegar polas bibliotecas de bloques dispoñibles.
• Para rematar algo na casa, necesitas ter o mesmo Simulink. E, de feito, non hai alternativas.

Si, ao final, por suposto, rematamos o proxecto, pero rematamos cun forte suspiro de alivio.

Pasou un tempo, e chegamos ao remate do primeiro curso do mestrado. A cantidade de deberes utilizando GUI comezou a diminuír proporcionalmente co aumento da proporción de suxeitos alemáns, aínda que aínda non chegara ao punto dun cambio de paradigma. Moitos de nós, incluído eu, superando a nosa considerable amplitude para construír, usamos cada vez máis Matlab nos nosos proxectos científicos (aínda que en forma de caixas de ferramentas), e non o aparentemente familiar Simulink.

O punto das nosas dúbidas era a frase dun dos alumnos de segundo curso (que daquela acababan de regresar a Rusia):

• Esquece, polo menos durante o período de prácticas, Similink, MathCad e outros LabView: todo está escrito en MATLAB, usando o propio MatLab ou a súa "versión" gratuíta Octave.

A afirmación resultou ser en parte certa: en Ilmenau tampouco se resolveu completamente a disputa sobre a elección das ferramentas. É certo, a elección foi principalmente entre MATLAB, Python e C.

O mesmo día, sentín unha emoción natural: non debería transferir a miña parte do modelo de transmisor OFDM a unha forma de guión? Só por diversión.

E púxenme a traballar.

Paso a paso

En lugar de cálculos teóricos, simplemente darei unha ligazón a isto excelente artigo 2011 dende tgx e nas diapositivas Capa física LTE profesores Michel-Tila (TU Ilmenau). Creo que isto será suficiente.

"Entón", pensei, "repetimos, que imos modelar?"
Modelaremos Xerador de cadros OFDM (Xerador de cadros OFDM).

Que incluirá:

• símbolos de información
• sinais piloto
• ceros (DC)

De que (por simplicidade) abstramos:

• de modelar un prefixo cíclico (se coñeces o básico, engadilo non será difícil)

Diagrama de bloques do modelo en consideración. Deterémonos no bloque FFT inverso (IFFT). Para completar o cadro, cada un pode continuar o resto por si mesmo -prometínlles aos profesores do departamento deixar algo para os alumnos.

Imos definir aqueles por nós mesmos. exercicio:

• número fixo de subtransportadores;
• lonxitude do cadro fixo;
• debemos engadir un cero no medio e un par de ceros ao principio e ao final do cadro (total, 5 pezas);
• os símbolos de información son modulados mediante M-PSK ou M-QAM, onde M é a orde de modulación.

Imos comezar co código.

Pódese descargar o script completo desde Ligazón.

Definamos os parámetros de entrada:

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

Agora determinamos os índices dos símbolos de información, aceptando a premisa de que os sinais piloto deben ir necesariamente antes e/ou despois de ceros:

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

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

Entón as posicións pódense determinar usando a función linspace, reducindo os valores ao menor dos enteiros máis próximos:

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

Imos engadir índices de ceros a isto e ordenar:

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

En consecuencia, os índices de sinal piloto son todo o demais:

%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); 

Agora imos entender os sinais piloto.

Temos un modelo (variable pilotos), e digamos que queremos que os pilotos deste modelo se insiran no noso cadro secuencialmente. Por suposto, isto pódese facer nun bucle. Ou podes xogar un pouco complicado coas matrices; afortunadamente, MATLAB permíteche facelo con suficiente comodidade.

En primeiro lugar, imos determinar cantos destes modelos encaixan completamente no marco:

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

A continuación, formamos un vector que consta dos nosos modelos:

% 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

E definimos un pequeno vector que contén só un anaco do modelo: a "cola", que non encaixa completamente no marco:

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

Temos personaxes piloto:

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

Pasemos aos símbolos informativos, é dicir, formaremos unha mensaxe e a modularemos:

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 

Todo listo! Montaxe do cadro:

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

Deberías conseguir algo así:

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

"Ledicia!" —Pensei satisfeito e pechei o portátil. Tardei un par de horas en facer todo: incluíndo escribir código, aprender algunhas funcións de Matlab e pensar en trucos matemáticos.

Que conclusións tirei entón?

Subxectivo:

• Escribir código é agradable e semellante á poesía!
• O scripting é o método de investigación máis conveniente para o campo da comunicación e do procesamento de sinal.

Obxectivo:

• Non hai necesidade de disparar gorrións desde un canón (a non ser que un obxectivo tan educativo, por suposto, pague a pena): usando Simulink, asumimos resolver un problema sinxelo cunha ferramenta sofisticada.
• A GUI é boa, pero é mellor comprender o que está "baixo o capó".

E agora, lonxe de ser estudante, quero dicirlle á confraría estudiantil o seguinte:

• Vaia!

Tenta escribir código, aínda que ao principio sexa malo. Coa programación, como con calquera outra actividade, o máis difícil é o comezo. E é mellor comezar antes: se es un científico ou só un técnico, tarde ou cedo necesitarás esta habilidade.

• Demanda!

Esixir enfoques e ferramentas progresivas de profesores e supervisores. Se isto é posible, claro...

• Crear!

Onde máis é mellor superar todas as llagas dun principiante, se non no marco dun programa educativo? Crea e perfecciona as túas habilidades; de novo, canto antes comeces, mellor.

Aspirantes a programadores de todos os países, únense!

PS

Para deixar constancia da miña relación directa cos estudantes, adxunto unha foto memorable de 2017 con dous reitores: Peter Scharff (á dereita) e Albert Kharisovich Gilmutdinov (á esquerda).

Pagaba a pena rematar o programa polo menos por estes disfraces! (broma)

Fonte: www.habr.com