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「相關專業的初級程式設計師宣言」或我是如何走到這一步的

我今天的文章是一個幾乎偶然（儘管很自然）走上程式設計道路的人大聲說出的想法。

是的，我明白我的經歷只是我的經歷，但在我看來，它很符合大勢。 此外，下面描述的經驗更多地與科學活動領域相關，但這不是開玩笑——它在外面也可能有用。

「相關專業的初級程式設計師宣言」或我是如何走到這一步的
來源： https://xkcd.com/664/

總的來說，獻給所有現在的學生和以前的學生！

預期

2014 年，當我完成資訊通信技術和通訊系統學士學位時，我對程式設計世界幾乎一無所知。 是的，像許多其他人一樣，我在第一年就選修了“計算機科學”科目 - 但是，主啊，那是在我的第一年！ 已經是永恆了！

總的來說，我並沒有期望與學士學位有什麼特別不同，當我進入碩士課程時 《通信與訊號處理》 德俄新技術研究所。

但徒勞無功...

我們只是第二批招收的學生，第一批的同學們還在收拾行李前往遙遠的德國（碩士學位第二年的實習時間為六個月）。 也就是說，身邊的人還沒有認真接觸過歐洲的教育方法，也沒有人去問細節。

當然，在我們的第一年，我們有各種各樣的實踐，其中我們通常會民主地在編寫腳本（主要是MATLAB 語言）和使用各種高度專業化的GUI（在不編寫腳本的情況下進行模擬的意義上）之間進行選擇。建模環境）。

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不用說，我們，未來的科學碩士，出於我們年輕時的愚蠢，避免像火一樣編寫程式碼。 例如，這裡是 MathWorks 的 Simulink：這裡是塊，這裡是連接，這裡是各種設定和開關。

對於以前從事過電路設計和系統工程工作的人來說，這是一種原生且易於理解的觀點！

「相關專業的初級程式設計師宣言」或我是如何走到這一步的
來源： https://ch.mathworks.com/help/comm/examples/parallel-concatenated-convolutional-coding-turbo-codes.html

所以在我們看來...

現實

第一學期的實踐工作之一是 OFDM 訊號收發器的開發，作為「建模和最佳化方法」主題的一部分。 這個想法非常成功：由於其在 Wi-Fi 和 LTE/LTE-A 網路（以 OFDMA 的形式）等領域的使用，該技術仍然具有相關性並且相當受歡迎。 這是大師們練習電信系統建模技能的最好的事情。

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現在我們得到了幾個技術規範的選項，這些選項顯然不切實際的框架參數（以免在互聯網上尋找解決方案），我們撲向已經提到的Simulink......我們被茶壺擊中頭部現實的：

  • 每個區塊都充滿了許多未知參數，這些參數很容易突然改變。
  • 對數字的操作看起來很簡單，但你仍然需要大驚小怪，上帝保佑。
  • 大教堂機器由於 GUI 的瘋狂使用而明顯減慢速度，即使在瀏覽可用區塊庫的階段也是如此。
  • 要在家完成某件事，您需要擁有相同的 Simulink。 事實上，沒有其他選擇。

是的，最終我們當然完成了這個項目，但我們長長地鬆了一口氣。

一段時間過去了，我們已經到了碩士第一年的結束。 隨著德國科目比例的增加，使用 GUI 的作業量開始成比例下降，儘管尚未達到典範轉移的程度。 我們中的許多人，包括我在內，克服了相當大的開發難度，越來越多地在我們的科學專案中使用 Matlab（儘管以工具箱的形式），而不是看似熟悉的 Simulink。

我們疑惑的地方是一位二年級學生的一句話（當時他們剛回到俄羅斯）：

  • 至少在實習期間，忘記 Similink、MathCad 和其他 LabView——一切都是用 MATLAB 編寫的，使用 MatLab 本身或其免費「版本」Octave。

事實證明，這種說法部分屬實：在伊爾梅瑙，關於工具選擇的爭議也沒有完全解決。 確實，選擇主要是在 MATLAB、Python 和 C 之間。

同一天，我自然而然地興奮起來：難道我不應該將我的 OFDM 發射機模型部分轉換為腳本形式嗎？ 只是為了好玩。

我開始工作了。

步步

我將簡單地給出一個鏈接，而不是理論計算 優秀的文章 2011年起 tgx 以及幻燈片上 LTE物理層 教授 米歇爾-蒂拉 （伊爾梅瑙工業大學）。 我想這就夠了。

“那麼，”我想，“讓我們再說一遍，我們要建模什麼？”
我們將建模 正交頻分複用幀生成器 （OFDM 幀產生器）。

它將包括什麼：

  • 訊息符號
  • 導頻訊號
  • 零點（直流）

（為了簡單起見）我們從以下內容中抽像出來：

  • 來自建模循環前綴（如果您了解基礎知識，添加它並不困難）

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所考慮模型的框圖。 我們將停在逆 FFT (IFFT) 區塊。 完成這張圖，剩下的大家可以自己繼續下去──我答應系裡的老師留給學生們一些東西。

讓我們自己定義它們。 鍛鍊：

  • 固定數量的子載波；
  • 固定幀長度；
  • 我們必須在幀的中間添加一個零，並在幀的開頭和結尾添加一對零（總共 5 個）；
  • 訊息符號使用M-PSK或M-QAM進行調製，其中M是調製階數。

讓我們從程式碼開始。

整個腳本可以從以下位置下載 鏈接.

讓我們定義輸入參數：

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

現在我們確定資訊符號的索引，接受導頻訊號必須在零之前和/或之後的前提：

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

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

然後可以使用函數確定位置 林空間，將值減少到最接近的整數中的最小值：

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

讓我們新增零索引並排序：

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

因此，導頻訊號索引就是其他一切：

%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);

現在讓我們來了解導頻訊號。

我們有一個模板（變數 飛行員），假設我們希望此模板中的導頻按順序插入我們的幀中。 當然，這可以循環完成。 或者您可以使用矩陣來玩點小技巧 - 幸運的是 MATLAB 允許您輕鬆地完成此操作。

首先，讓我們確定有多少模板完全適合框架：

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

接下來，我們形成一個由模板組成的向量：

% 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

我們定義一個小向量，其中僅包含模板的一部分 - “尾巴”，它不完全適合框架：

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

我們得到飛行員角色：

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

讓我們繼續討論訊息符號，即我們將形成一條訊息並對其進行調製：

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

一切準備就緒！ 組裝框架：

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

你應該得到這樣的東西：

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

“極樂！” ——我心滿意足地想著，合上了筆記型電腦。 我花了幾個小時才完成所有事情：包括編寫程式碼、學習一些 Matlab 函數以及思考數學技巧。

我當時會得出什麼結論呢？

主觀:

  • 寫程式是令人愉快的，就像詩一樣！
  • 腳本編寫是通訊和訊號處理領域最方便的研究方法。

客觀的:

  • 沒有必要用大砲射擊麻雀（當然，除非這樣的教育目標是值得的）：使用 Simulink，我們用複雜的工具解決了一個簡單的問題。
  • GUI 很好，但了解「幕後」包含的內容會更好。

現在，我已經不再是學生了，我想對學生說以下的話：

  • 加油！

嘗試編寫程式碼，即使一開始很糟糕。 對於編程，與任何其他活動一樣，最困難的部分是開始。 最好儘早開始：如果您是科學家，甚至只是技術人員，遲早您會需要這項技能。

  • 要求！

要求教師和主管採用先進的方法和工具。 如果這可能的話，當然…

  • 創造！

如果不在教育計畫的框架內，還有什麼地方可以更好地克服初學者的所有痛苦呢？ 創造並磨練你的技能——同樣，越早開始越好。

各國有抱負的程式設計師，聯合起來！

聚苯乙烯

為了記錄我與學生的直接關係，我附上一張 2017 年與兩位校長的難忘照片：Peter Scharff（右）和 Albert Kharisovich Gilmutdinov（左）。

「相關專業的初級程式設計師宣言」或我是如何走到這一步的

至少為了這些服裝完成這個節目是值得的！ （開玩笑）

來源： www.habr.com

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