המאמר שלי היום הוא מחשבות בקול רם של אדם שעשה את דרך התכנות כמעט במקרה (אם כי באופן טבעי).

כן, אני מבין שהניסיון שלי הוא רק החוויה שלי, אבל נראה לי שהוא משתלב היטב במגמה הכללית. יתרה מכך, הניסיון המתואר להלן מתייחס יותר לתחום הפעילות המדעית, אבל מה לעזאזל לא צוחק - זה יכול להיות שימושי בחוץ.

מקור: https://xkcd.com/664/

באופן כללי, מוקדש לכל התלמידים בהווה מתלמיד לשעבר!

ציפיות

כשסיימתי את התואר הראשון שלי בטכנולוגיות מידע ומערכות תקשורת ב-2014, לא ידעתי כמעט כלום על עולם התכנות. כן, כמו רבים אחרים, לקחתי את הנושא "מדעי המחשב" בשנה הראשונה שלי - אבל, אלוהים, זה היה בשנה הראשונה שלי! זה היה נצח!

באופן כללי, לא ציפיתי למשהו שונה במיוחד מתואר ראשון, וכשנכנסתי לתכנית לתואר שני "תקשורת ועיבוד אותות" המכון הגרמני-רוסי לטכנולוגיות חדשות.

אך לשווא...

היינו רק הקליטה השנייה, והחבר'ה מהראשון עדיין ארזו מזוודות לגרמניה הרחוקה (ההתמחות נמשכת שישה חודשים בשנה השנייה לתואר שני). במילים אחרות, איש מהמעגל הקרוב עוד לא נתקל ברצינות בשיטות החינוך האירופי, ולא היה מי לשאול על הפרטים.

בשנה הראשונה שלנו, כמובן, היו לנו סוגים שונים של פרקטיקות, שבהן בדרך כלל הציעו לנו באופן דמוקרטי בחירה בין כתיבת סקריפטים (בעיקר בשפת MATLAB) לבין שימוש בממשקי GUI שונים מאוד מיוחדים (במובן שללא כתיבת סקריפטים - סימולציה סביבות דוגמנות).

מיותר לציין שאנחנו, המאסטרים העתידיים במדעים, מתוך טיפשות הנעורים שלנו, נמנענו מלכתוב קוד כמו אש. הנה, למשל, Simulink מ- MathWorks: הנה הבלוקים, הנה החיבורים, הנה כל מיני הגדרות ומתגים.

השקפה מקורית ומובנת לאדם שעבד בעבר בתכנון מעגלים והנדסת מערכות!

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

אז זה נראה לנו...

המציאות

אחת העבודות המעשיות של הסמסטר הראשון הייתה פיתוח משדר אותות OFDM במסגרת הנושא "שיטות מידול ואופטימיזציה". הרעיון מוצלח מאוד: הטכנולוגיה עדיין רלוונטית ודי פופולרית בשל השימוש בה, למשל, ברשתות Wi-Fi ו-LTE/LTE-A (בצורת OFDMA). זה הדבר הטוב ביותר עבור מאסטרים לתרגל את כישוריהם בעיצוב מערכות טלקום.

ועכשיו ניתנות לנו כמה אפשרויות של מפרט טכני עם פרמטרי מסגרת בלתי מעשיים בעליל (כדי לא לחפש פתרון באינטרנט), ואנחנו מתנפלים על הסימולנק שכבר הוזכר... ואנחנו מקבלים מכה בראש עם קומקום תה של המציאות:

• כל בלוק רצוף בהרבה פרמטרים לא ידועים, שמפחיד לשנות אותם בכף רגל.
• המניפולציות עם המספרים צריכות להיעשות, כך נראה, פשוטות, אבל עדיין צריך להתעסק חלילה.
• מכונות קתדרלה מאטות באופן ניכר מהשימוש התזזיתי ב-GUI, אפילו בשלב הגלישה בספריות של בלוקים זמינים.
• כדי לסיים משהו בבית, אתה צריך את אותו Simulink. ולמעשה, אין חלופות.

כן, בסופו של דבר, כמובן, סיימנו את הפרויקט, אבל השלמנו אותו בנשיפה רועשת של הקלה.

עבר זמן מה, והגענו לסוף השנה הראשונה של התואר השני. כמות שיעורי הבית באמצעות GUI החלה לרדת באופן יחסי עם העלייה בשיעור המקצועות הגרמניים, למרות שעדיין לא הגיעה לנקודת שינוי פרדיגמה. רבים מאיתנו, כולל אני, שהתגברו על המשרעת הניכרת שלנו לבנות, השתמשו יותר ויותר ב-Matlab בפרויקטים המדעיים שלנו (אם כי בצורה של כלים), ולא ב-Simulink המוכר לכאורה.

הנקודה בספקות שלנו הייתה המשפט של אחד מתלמידי שנה ב' (הם בדיוק חזרו לרוסיה עד אז):

• תשכחו, לפחות למשך ההתמחות, מ-Similink, MathCad ועוד LabView - מעל הגבעה הכל כתוב ב-MATLAB, תוך שימוש ב-MatLab עצמו או ב"גרסת" ה-Octave החינמית שלו.

האמירה התבררה כנכונה בחלקה: באילמנאו גם המחלוקת על בחירת הכלים לא נפתרה לחלוטין. נכון, הבחירה הייתה בעיקר בין MATLAB, Python ו-C.

באותו יום התרגשתי מהתרגשות טבעית: האם לא כדאי לי להעביר את החלק שלי במודל משדר ה-OFDM לצורת סקריפט? סתם בשביל הכיף.

והתחלתי לעבוד.

צעד אחר צעד

במקום חישובים תיאורטיים, אני פשוט אתן קישור לזה מאמר מצוין 2011 מ tgx ועל המגלשות שכבה פיזית LTE פרופסורים מישל-טילה (TU Ilmenau). אני חושב שזה יספיק.

"אז," חשבתי, "בוא נחזור, מה אנחנו הולכים לדגמן?"
אנחנו נדגמן מחולל מסגרות OFDM (מחולל מסגרות OFDM).

מה זה יכלול:

• סמלי מידע
• אותות טייס
• אפסים (DC)

ממה (למען הפשטות) אנו מופשטים:

• ממודלים של קידומת מחזורית (אם אתה יודע את היסודות, הוספה לא תהיה קשה)

דיאגרמת בלוקים של המודל הנבדק. נעצור בבלוק FFT (IFFT) הפוך. להשלמת התמונה כל אחד יכול להמשיך את השאר בעצמו - הבטחתי למורים מהמחלקה להשאיר משהו לתלמידים.

בואו נגדיר אותם לעצמנו. תרגיל:

• מספר קבוע של ספקי משנה;
• אורך מסגרת קבוע;
• עלינו להוסיף אפס אחד באמצע וזוג אפסים בתחילת ובסוף הפריים (סה"כ, 5 חלקים);
• סמלי מידע מאופנים באמצעות M-PSK או M-QAM, כאשר M הוא סדר האפנון.

נתחיל עם הקוד.

את התסריט כולו ניתן להוריד מ קשר.

בואו נגדיר את פרמטרי הקלט:

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

כעת אנו קובעים את המדדים של סמלי מידע, ומקבלים את ההנחה שאותות טייס חייבים בהכרח ללכת לפני ו/או אחרי אפסים:

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

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

לאחר מכן ניתן לקבוע את המיקומים באמצעות הפונקציה linspace, הפחתת הערכים לקטן מבין המספרים השלמים הקרובים ביותר:

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

בואו נוסיף לזה אינדקסים של אפסים ונמיין:

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

בהתאם לכך, מדדי אותות הטייס הם כל השאר:

%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); 

עכשיו בואו נבין את אותות הטייס.

יש לנו תבנית (משתנה טייסים), ונניח שאנחנו רוצים פיילוטים מהתבנית הזו יוכנסו למסגרת שלנו ברצף. כמובן שניתן לעשות זאת בלולאה. או שאתה יכול לשחק קצת מסובך עם מטריצות - למרבה המזל MATLAB מאפשר לך לעשות זאת בנוחות מספקת.

ראשית, בואו נקבע כמה מהתבניות הללו מתאימים לחלוטין למסגרת:

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

לאחר מכן, אנו יוצרים וקטור המורכב מהתבניות שלנו:

% 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

ואנחנו מגדירים וקטור קטן שמכיל רק חלק מהתבנית - ה"זנב", שאינו מתאים לחלוטין למסגרת:

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

אנחנו מקבלים דמויות פיילוט:

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

הבה נעבור לסמלי מידע, כלומר, ניצור מסר ונשנה אותו:

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 

הכל מוכן! הרכבת המסגרת:

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

אתה אמור לקבל משהו כזה:

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

"אושר!" — חשבתי בשביעות רצון וסגרתי את המחשב הנייד. לקח לי כמה שעות לעשות הכל: כולל כתיבת קוד, לימוד כמה פונקציות של Matlab וחשיבה דרך טריקים מתמטיים.

אילו מסקנות הסקתי אז?

סובייקטיבי:

• כתיבת קוד נעימה ודומה לשירה!
• Scripting היא שיטת המחקר הנוחה ביותר לתחום התקשורת ועיבוד אותות.

מַטָרָה:

• אין צורך לירות דרורים מתותח (אלא אם כן מטרה חינוכית כזו היא, כמובן, שווה את זה): באמצעות Simulink, לקחנו על עצמנו לפתור בעיה פשוטה עם כלי מתוחכם.
• ממשק המשתמש הוא טוב, אבל טוב יותר להבין מה כלול "מתחת למכסה המנוע".

ועכשיו, בהיותי רחוק מלהיות סטודנט, אני רוצה לומר את הדברים הבאים לאחוות הסטודנטים:

• לך על זה!

נסה לכתוב קוד, גם אם הוא גרוע בהתחלה. בתכנות, כמו בכל פעילות אחרת, החלק הקשה ביותר הוא ההתחלה. ועדיף להתחיל מוקדם יותר: אם אתה מדען או אפילו רק טכנאי, במוקדם או במאוחר תצטרך את המיומנות הזו.

• דרש!

דרשו מהמורים והמפקחים גישות וכלים מתקדמים. אם זה אפשרי כמובן...

• לִיצוֹר!

איפה עוד עדיף להתגבר על כל הפצעים של מתחיל, אם לא במסגרת תכנית חינוכית? צור ושכלל את הכישורים שלך - שוב, ככל שתתחיל מוקדם יותר, כך ייטב.

מתכנתים שואפים מכל המדינות, התאחדו!

נ.ב.

על מנת לתעד את הקשר הישיר שלי עם התלמידים, אני מצרף תמונה בלתי נשכחת משנת 2017 עם שני רקטורים: פיטר שרף (מימין) ואלברט חריסוביץ' גילמודינוב (משמאל).

היה שווה לסיים את התוכנית לפחות בשביל התחפושות האלה! (צוחק)

מקור: www.habr.com