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“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的

我今天的文章是一个几乎偶然（尽管很自然）走上编程道路的人大声说出的想法。

是的，我明白我的经历只是我的经历，但在我看来，它很符合大势。 此外，下面描述的经验更多地与科学活动领域相关，但这不是开玩笑——它在外面也可能有用。

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的
来源： https://xkcd.com/664/

总的来说，献给所有现在的学生和以前的学生！

预期

2014 年，当我完成信息通信技术和通信系统学士学位时，我对编程世界几乎一无所知。 是的，像许多其他人一样，我在第一年就选修了“计算机科学”科目 - 但是，主啊，那是在我的第一年！ 已经是永恒了！

总的来说，我并没有期望与学士学位有什么特别不同，当我进入硕士课程时 《通信与信号处理》 德俄新技术研究所。

但徒劳无功...

我们只是第二批招收的学生，第一批的同学们还在收拾行李前往遥远的德国（硕士学位第二年的实习时间为六个月）。 也就是说，身边的人还没有认真接触过欧洲的教育方法，也没有人去询问细节。

当然，在我们的第一年，我们有各种各样的实践，其中我们通常会民主地在编写脚本（主要是 MATLAB 语言）和使用各种高度专业化的 GUI（在不编写脚本的情况下进行模拟的意义上）之间进行选择。建模环境）。

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的

不用说，我们，未来的科学硕士，出于我们年轻时的愚蠢，避免像火一样编写代码。 例如，这里是 MathWorks 的 Simulink：这里是块，这里是连接，这里是各种设置和开关。

对于以前从事过电路设计和系统工程工作的人来说，这是一种原生且易于理解的观点！

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的
来源： https://ch.mathworks.com/help/comm/examples/parallel-concatenated-convolutional-coding-turbo-codes.html

所以在我们看来...

现实

第一个学期的实践工作之一是 OFDM 信号收发器的开发，作为“建模和优化方法”主题的一部分。 这个想法非常成功：由于其在 Wi-Fi 和 LTE/LTE-A 网络（以 OFDMA 的形式）等领域的使用，该技术仍然具有相关性并且相当受欢迎。 这是大师们练习电信系统建模技能的最好的事情。

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的

现在我们得到了几个技术规范的选项，这些选项显然不切实际的框架参数（以免在互联网上寻找解决方案），我们扑向已经提到的Simulink......我们被茶壶击中头部现实的：

  • 每个块都充满了许多未知参数，这些参数很容易突然改变。
  • 对数字的操作看起来很简单，但你仍然需要大惊小怪，上帝保佑。
  • 大教堂机器由于 GUI 的疯狂使用而明显减慢速度，即使是在浏览可用块库的阶段也是如此。
  • 要在家完成某件事，您需要拥有相同的 Simulink。 事实上，没有其他选择。

是的，最终我们当然完成了这个项目，但我们是长长地松了一口气。

一段时间过去了，我们已经到了硕士第一年的结束。 随着德国科目比例的增加，使用 GUI 的作业量开始成比例下降，尽管尚未达到范式转变的程度。 我们中的许多人，包括我在内，克服了相当大的开发难度，越来越多地在我们的科学项目中使用 Matlab（尽管以工具箱的形式），而不是看似熟悉的 Simulink。

我们疑惑的地方是一位二年级学生的一句话（当时他们刚回到俄罗斯）：

  • 至少在实习期间，忘记 Similink、MathCad 和其他 LabView——一切都是用 MATLAB 编写的，使用 MatLab 本身或其免费“版本”Octave。

事实证明，这种说法部分属实：在伊尔梅瑙，关于工具选择的争议也没有完全解决。 确实，选择主要是在 MATLAB、Python 和 C 之间。

同一天，我自然而然地兴奋起来：难道我不应该将我的 OFDM 发射机模型部分转换为脚本形式吗？ 只是为了好玩。

我开始工作了。

一步一个脚印

我将简单地给出一个链接，而不是理论计算 优秀的文章 2011年起 g 以及幻灯片上 LTE物理层 教授 米歇尔-蒂拉 （伊尔梅瑙工业大学）。 我想这就足够了。

“那么，”我想，“让我们再说一遍，我们要建模什么？”
我们将建模 正交频分复用帧生成器 （OFDM 帧生成器）。

它将包括什么：

  • 信息符号
  • 导频信号
  • 零点（直流）

（为了简单起见）我们从以下内容中抽象出来：

  • 来自建模循环前缀（如果您了解基础知识，添加它并不困难）

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的

所考虑模型的框图。 我们将停在逆 FFT (IFFT) 块。 完成这幅图，剩下的大家可以自己继续——我答应系里的老师给学生们留下一些东西。

让我们自己定义它们。 锻炼：

  • 固定数量的子载波；
  • 固定帧长度；
  • 我们必须在帧的中间添加一个零，并在帧的开头和结尾添加一对零（总共 5 个）；
  • 信息符号使用M-PSK或M-QAM进行调制，其中M是调制阶数。

让我们从代码开始。

整个脚本可以从以下位置下载 链接.

让我们定义输入参数：

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

现在我们确定信息符号的索引，接受导频信号必须在零之前和/或之后的前提：

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

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

然后可以使用函数确定位置 林空间，将值减少到最接近的整数中的最小值：

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

让我们添加零索引并排序：

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

因此，导频信号索引就是其他一切：

%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);

现在让我们了解导频信号。

我们有一个模板（变量 飞行员），假设我们希望此模板中的导频按顺序插入到我们的帧中。 当然，这可以循环完成。 或者您可以使用矩阵来玩点小技巧 - 幸运的是 MATLAB 允许您轻松地完成此操作。

首先，让我们确定有多少模板完全适合框架：

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

接下来，我们形成一个由模板组成的向量：

% 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

我们定义一个小向量，其中仅包含模板的一部分 - “尾巴”，它不完全适合框架：

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

我们得到飞行员角色：

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

让我们继续讨论信息符号，即我们将形成一条消息并对其进行调制：

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

一切准备就绪！ 组装框架：

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

你应该得到这样的东西：

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

“极乐！” ——我心满意足地想着，合上了笔记本电脑。 我花了几个小时才完成所有事情：包括编写代码、学习一些 Matlab 函数以及思考数学技巧。

我当时得出什么结论呢？

主观:

  • 写代码是令人愉快的，就像诗歌一样！
  • 脚本编写是通信和信号处理领域最方便的研究方法。

目的:

  • 没有必要用大炮射麻雀（当然，除非这样的教育目标是值得的）：使用 Simulink，我们用复杂的工具解决了一个简单的问题。
  • GUI 很好，但了解“幕后”包含的内容会更好。

现在，我已经不再是一名学生了，我想对学生们说以下的话：

  • 去了！

尝试编写代码，即使一开始很糟糕。 对于编程，与任何其他活动一样，最困难的部分是开始。 最好尽早开始：如果您是一名科学家，甚至只是一名技术人员，迟早您会需要这项技能。

  • 要求！

要求教师和主管采用先进的方法和工具。 如果这可能的话，当然……

  • 要有创意！

如果不在教育计划的框架内，还有什么地方可以更好地克服初学者的所有痛苦呢？ 创造并磨练你的技能——同样，越早开始越好。

各国有抱负的程序员，联合起来！

PS

为了记录我与学生的直接关系，我附上一张 2017 年与两位校长的难忘照片：Peter Scharff（右）和 Albert Kharisovich Gilmutdinov（左）。

“相关专业新手程序员宣言”或者我是如何走到这一步的

至少为了这些服装完成这个节目是值得的！ （开玩笑）

来源： habr.com

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