今日の私の記事は、ほぼ偶然（当然ではありますが）からプログラミングの道に進んだ人間が大声で考えたことです。

はい、私の経験が単なる私の経験であることは理解していますが、一般的な傾向によく当てはまっているように思えます。さらに、以下に説明する経験は科学活動の分野に関連していますが、冗談ではなく、外でも役立つ可能性があります。

一般的に、元学生からすべての現役学生に捧げます。

期待

2014 年に情報通信技術と通信システムの学士号を取得したとき、私はプログラミングの世界についてほとんど何も知りませんでした。はい、他の多くの人と同じように、私も XNUMX 年目に「コンピューターサイエンス」科目を受講しました。しかし、主よ、それは XNUMX 年目のことでした。それは永遠でした！

基本的には学士課程と特に違うことは期待していませんでしたが、修士課程に入学したときは、「通信と信号処理」ドイツ・ロシア新技術研究所。

でも無駄に…

私たちはまだ XNUMX 番目の入学者で、最初の入学者たちはまだ遠いドイツに向けて荷物をまとめていました (インターンシップは修士課程 XNUMX 年目に XNUMX か月かかります)。つまり、ヨーロッパの教育方法にまだ真剣に接している人は周囲に誰もおらず、詳しく聞く人もいなかったのだ。

もちろん、最初の年にはさまざまな種類の実習があり、そこでは通常、スクリプト (主に MATLAB 言語で) を書くか、高度に専門化されたさまざまな GUI を使用するかの選択が民主的に与えられました (スクリプトを書かずにシミュレーションを行うという意味で)モデリング環境)。

言うまでもなく、将来の理学修士である私たちは、若い頃の愚かさから、火のようにコードを書くことを避けていました。たとえば、ここに MathWorks の Simulink があります。ここにブロック、ここに接続、ここにあらゆる種類の設定とスイッチがあります。

これまで回路設計やシステムエンジニアリングに携わった人にとっては、ネイティブで理解できるビューです。

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

それで私たちにはそう見えました...

現実

前期の実習の一つは「モデリングと最適化の手法」という科目の一環としてOFDM信号送受信機の開発でした。このアイデアは非常に成功しています。この技術は、Wi-Fi や LTE/LTE-A ネットワーク (OFDMA の形式) などで使用されているため、今でも関連性があり、非常に人気があります。これは、マスターが通信システムのモデリングのスキルを練習するのに最適な方法です。

そして今、明らかに非実用的なフレームパラメータを持つ技術仕様のいくつかのオプションが与えられ（インターネットで解決策を探さないようにするため）、私たちはすでに述べたSimulinkに飛びつきます...そして私たちはティーポットで頭を殴られました現実の:

各ブロックには未知のパラメータが多数含まれており、いきなり変更するのは恐ろしいものです。
数字を使った操作は簡単そうに見えますが、それでも大騒ぎする必要があります、ご法度です。
Cathedral マシンは、利用可能なブロックのライブラリをサーフィンしている段階でも、GUI を必死に使用すると著しく速度が低下します。
自宅で何かを仕上げるには、同じ Simulink が必要です。そして実際、代替手段はありません。

はい、最終的にはもちろんプロジェクトを完了しましたが、大きな安堵の息を吐きながら完了しました。

時が経ち、修士XNUMX年目が終わりました。 GUI を使用した宿題の量は、まだパラダイムシフトまでには至っていませんが、ドイツ語科目の割合の増加に比例して減少し始めました。私を含む私たちの多くは、蓄積のかなりの幅を乗り越えて、科学プロジェクトで (ツールボックスの形式ではあるが) 一見馴染みのある Simulink ではなく、Matlab をますます使用するようになりました。

私たちが疑問に思ったのは、XNUMX年生の一人（その時彼らはロシアに帰国したばかりだった）の次のような言葉だった。

少なくともインターンシップの間は、Similink、MathCad、その他の LabView のことは忘れてください。すべては、MatLab 自体またはその無料の「バージョン」Octave を使用して、MATLAB で書かれています。

この発言は部分的には真実であることが判明しました。イルメナウでは、ツールの選択をめぐる論争も完全には解決されていませんでした。確かに、選択のほとんどは MATLAB、Python、C の間でした。

同じ日、私は自然な興奮に駆られました。OFDM 送信機モデルの自分の部分をスクリプト化された形式に移すべきではないか? ただの楽しみのためです。

そして仕事に取り掛かりました。

少しずつ

理論的な計算の代わりに、単純にこれへのリンクを示します。素晴らしい記事 2011年から tgx そしてスライド上で LTE物理層教授ミシェル・ティラ（TUイルメナウ）。これで十分だと思います。

「それでは、繰り返しますが、何をモデルにするのでしょうか?」と私は思いました。
モデルをさせていただきます OFDMフレーム生成器 (OFDM フレームジェネレーター)。

含まれるもの:

情報記号
パイロット信号
ゼロ (DC)

(わかりやすくするために) 以下から抜粋します。

サイクリックプレフィックスのモデリングから (基本を知っていれば、追加は難しくありません)

検討中のモデルのブロック図。逆 FFT (IFFT) ブロックで停止します。絵を完成させるために、誰もが自分で残りを続けることができます - 私は学部の教師に生徒たちに何かを残すことを約束しました。

それらを自分で定義しましょう。エクササイズ：

固定数の副搬送波。
固定フレーム長。
中央に 5 つのゼロを追加し、フレームの最初と最後に XNUMX 組のゼロを追加する必要があります (合計 XNUMX 個)。
情報シンボルは M-PSK または M-QAM を使用して変調されます。ここで、M は変調次数です。

コードから始めましょう。

スクリプト全体は次からダウンロードできます。リンク.

入力パラメータを定義しましょう。

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

ここで、パイロット信号は必ずゼロの前または後になければならないという前提を受け入れて、情報シンボルのインデックスを決定します。

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

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

次に、関数を使用して位置を決定できます。リンスペース、値を最も近い整数の最小値に減らします。

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

これにゼロのインデックスを追加して並べ替えてみましょう。

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

したがって、パイロット信号インデックスはその他すべてになります。

%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);

ここでパイロット信号について理解しましょう。

テンプレート（変数）があります パイロット) そして、このテンプレートのパイロットをフレームに順番に挿入したいとします。もちろん、これはループ内で実行できます。あるいは、行列を使って少しトリッキーな操作を行うこともできます。幸いなことに、MATLAB ではこれを十分に快適に行うことができます。

まず、これらのテンプレートのうちのいくつがフレームに完全に収まるかを確認してみましょう。

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

次に、テンプレートから構成されるベクトルを形成します。

% 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

そして、テンプレートの一部 (フレームに完全には収まらない「尾部」) のみを含む小さなベクトルを定義します。

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

パイロットキャラクターを取得します。

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

情報シンボルに移りましょう。つまり、メッセージを形成し、それを変調します。

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

すべて準備完了です！フレームの組み立て:

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

次のようなものが得られるはずです。

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

"至福！" — 私は満足そうに考えてラップトップを閉じました。コードを書くこと、Matlab 関数をいくつか学ぶこと、数学的トリックを考えることなど、すべてを行うのに数時間かかりました。

そこで私はどのような結論を導き出したのでしょうか？

主観的:

コードを書くのは詩に似ていて楽しいです。
スクリプトは、通信および信号処理の分野にとって最も便利な研究方法です。

目的:

大砲でスズメを撃つ必要はありません (もちろん、そのような教育目標に価値がある場合を除きます)。Simulink を使用して、洗練されたツールで単純な問題の解決に取り組みました。
GUI は優れていますが、「内部」に何が含まれているかを理解することはより良いことです。

そして今、私はまだ学生ではないので、学生友愛会に次のことを言いたいです。

元気でいます！

最初は下手でもコードを書いてみてください。他のアクティビティと同様、プログラミングでも最初が最も難しい部分です。そして、早めに始める方が良いでしょう。あなたが科学者であっても、単なる技術者であっても、遅かれ早かれこのスキルが必要になるでしょう。

要求！

教師や監督者に進歩的なアプローチとツールを要求します。それが可能であれば、もちろん...

作成する！

教育プログラムの枠内ではないにしても、初心者の痛みをすべて克服するのに最適な場所は他にあるでしょうか? スキルを創造して磨きましょう。繰り返しますが、始めるのは早ければ早いほど良いです。

あらゆる国の意欲的なプログラマよ、団結せよ!

PS

学生たちとの直接の関係を記録するために、ピーター・シャーフ氏（右）とアルバート・ハリソヴィチ・ギルムトディノフ氏（左）という二人の学長との2017年の思い出に残る写真を添付します。

この衣装だけでもプログラムを終えた甲斐がありました！（冗談）

出所： habr.com

「関連する専門分野からプログラマを始める宣言」または私がどのようにしてこの人生に到達したか

期待

現実

少しずつ

そこで私はどのような結論を導き出したのでしょうか？

PS

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