1、MATLAB 在電子信息課程中的應(yīng)用陳藝 摘要：介紹了 MATLAB，并結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)探討了MATLAB 在電子信息 課程中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： MATLAB；工具箱；仿真實(shí)驗(yàn)；電子信息課程 引言： MATLAB 其功能強(qiáng)大，已成為數(shù)字信號(hào)處理等課程的主要工具軟件，學(xué)習(xí)和掌握好 MATLAB 有助于專業(yè)課更好的學(xué)習(xí)。1MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是由美國(guó) mathworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程

2、設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB 在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、 信號(hào)處理與通訊、信號(hào)檢測(cè)、 金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多。在新的版本 中也加入了對(duì)

3、C，F(xiàn)ORTRAN， C+ ， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB 函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用。2 MATLAB 在電子信息課程中的應(yīng)用 數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù) 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真2.1MATLAB 在信號(hào)與系統(tǒng)中的應(yīng)用信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。一方面， 該課程涉及了許多基本分析方法，而掌握這些方法就要不僅要有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)， 而且要將大量的時(shí)間和精力花費(fèi)在許多繁瑣的工程計(jì)算上；將Matlab引入該課程，一些基本的分析方法便可用軟件來實(shí)現(xiàn)。二維傅立葉變換是一個(gè)很復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如果采用 C 或

4、 Visual C語(yǔ)言編寫此變換的仿真程序，需要對(duì)傅立葉變換有一個(gè)深入的理解， 而且需要將數(shù)學(xué)公式按步驟編寫程序，11 / 6需要十幾條語(yǔ)句， 但在 MATLAB 中，就不需要把精力放在編寫程序上，只需要一條語(yǔ)句就可以實(shí)現(xiàn)傅立葉變換的仿真，語(yǔ)法格式如下：B fft2 （ I） B fft2 （ I，m， n） （ 1） （ 2）其中 B fft2 （ I）返回?cái)?shù)據(jù) I的二維 fft變換矩陣，輸入數(shù)據(jù)I 和輸出數(shù)據(jù)B 維數(shù)相同。B fft2 （ I， m， n ）通過對(duì)數(shù)據(jù)I 進(jìn)行剪切或補(bǔ)零，按用戶指定的點(diǎn)數(shù)計(jì)算fft ，返回?cái)?shù)據(jù)矩 陣 B 的大小為 mn。通過上述語(yǔ)句， 可見 MATLAB 用

5、于信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真中是很方 便的。 示例1：通過傅里葉變換找出被隨機(jī)噪聲淹沒的信號(hào)頻率。設(shè)采樣頻率 f=1000Hz，信 號(hào)頻率分布在50 100Hz， 然后疊加隨機(jī)噪聲?？删帉懭缦碌腗ATLAB 程序演示信號(hào) 疊 加 噪聲 前 后 的 幅 值 譜 分 布 ： t=0:0.001:0.6;signal=sin(2*pi*50*t)+cos(2*pi*100*t);noise=2*rand(size(t); sn=signal+noise; Ys=fft(signal,512); Yn=fft(sn,512); Ps=abs(Ys); Pn=abs(Yn);f=1000*(0:256)/51

6、2; subplot(2,2,1); plot(t,signal); xlabel(時(shí)間（秒） ); title(不含噪聲信號(hào));subplot(2,2,2);plot(t,sn);xlabel(時(shí) 間 （ 秒 ） );title(含 噪 聲 信 號(hào) );subplot(2,2,3);plot(f,Ps(1:257);xlabel(頻 率 （ Hz） );title(不 含 噪聲 信 號(hào) 的 幅 值譜 );subplot(2,2,4);plot(f,Pn(1:257); xlabel(頻率（ Hz）); title(含噪聲信號(hào)的幅值譜); 22 / 6上面的程序在 MATLAB 中執(zhí)行的結(jié)果如

7、圖1 所示，其中可以看到淹沒在時(shí)域噪聲中明顯的信號(hào)峰值，這就是頻域分析的功效。2.2 MATLAB 在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用數(shù)字圖像處理課程起點(diǎn)高，難度大，理論性很強(qiáng)。所以在數(shù)字圖像處理課程中引進(jìn)MATLAB 軟件。MATLAB 有豐富的圖像處理工具箱，提供了一個(gè)很好的編程平臺(tái)，可以更快、更好地掌握?qǐng)D像處理的基本理論和分析方法。下面以邊緣檢測(cè)為例來說明MATLAB 在數(shù)字圖像處理課程中的應(yīng)用。 在數(shù)字圖像處理中常用的邊緣檢測(cè)算子有Sobel算子、Robert算子、 Prewitt算子、 LOG 算子、 Canny 算子，在MATLAB 中只需要將語(yǔ)句 BW edge （ I， sobel）中的

8、sobel 修改為 roberts ， prewitt ， log 和 canny 算子就可以了，這樣就可以對(duì)同一幅圖像進(jìn)行不同的邊緣檢測(cè)，各個(gè)算子檢測(cè)的結(jié)果以圖形的形式顯示，程序如下：I imread（testpat1.png）；subplot（ 2，3，1），imshow（ I） title（ 原始圖像 ） BW1 edge（I， sobel）；BW2 edge（ I， roberts）；BW3 edge（ I， prewitt）；BW4 edge（ I， log）； subplot（ 2，3，2），imshow（BW1） title （ sobel算子 ） subplot（ 2，3，3）

9、，imshow（ BW2） title（roberts 算子 ） subplot（ 2，3，4），imshow（ BW3） title （ prewitt 算子 ） subplot （ 2，3，5），imshow（BW4） title （ log算子 ） subplot（ 2，3，6），imshow（ BW5） title （ canny算子 ） 程序運(yùn)行結(jié)果見圖2。 圖 2 邊緣檢測(cè)示例圖33 / 62.3 MATLAB 在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用MATLAB 語(yǔ)言開發(fā)了控制系統(tǒng)工具箱，即CONTROL工具箱，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)工具箱，即SIMULINK 工具箱，使得MATLA

10、B 語(yǔ)言成為控制系統(tǒng)仿真分析的必要工具。SIMULINK 仿真環(huán)境是 MathWorks 軟件公司專門為MATLAB 設(shè)計(jì)提 供的結(jié)構(gòu)圖編程與系統(tǒng)仿真的專用工具，基本上不用編寫任何程序，只需調(diào)用所需模塊即可，并可以修改模塊。中的參數(shù)值。該仿真環(huán)境下的用戶程序其外觀就是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，操作就是依據(jù)結(jié)構(gòu)圖作系統(tǒng)仿真。此仿真環(huán)境一方面是利用 SIMULINK 提供的輸入信號(hào)（信號(hào)源模塊）對(duì)結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵(lì)；另一方面是利用SIMULINK 提供的輸出裝置（輸出口模塊）獲得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，即數(shù)據(jù)或時(shí)間響應(yīng)曲線， 成為圖形化、 模塊化方式的控制系統(tǒng)仿真。 下面舉例說明MATLAB 在自動(dòng)控制原

11、理中的應(yīng)用 4。在 SIMULINK 仿真界面上作仿真結(jié)構(gòu)圖（見圖3），并作時(shí)域仿真，仿真參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置修改，和現(xiàn)實(shí)用仿真儀器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整是一樣的，這樣就可以得到在不同情況下的仿真曲線了。如果仿真參 數(shù)設(shè)置為：階躍時(shí)間為1 s，初始值為0，終止值為1，則仿真曲線見圖4；如果仿真參數(shù)設(shè)置為：階躍時(shí)間為2 s，初始值為0，終止值為10，則仿真曲線見圖5。 從上面例子可以看出，采用MATLAB 對(duì)自動(dòng)控制原理中的內(nèi)容進(jìn)行仿真是很方便的，不用搭建任何電子物理器件就可以進(jìn)行仿真，同時(shí)仿真結(jié)果以圖形的形式顯示。3. 在通信原理中的應(yīng)用對(duì)于通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，一般需建立一個(gè)通信實(shí)驗(yàn)室， 購(gòu)買大量的實(shí)驗(yàn)儀器，需

12、要花費(fèi)大量的人力和物力，而 MATLAB 的出現(xiàn)有效地緩解了這一局面，使得通信系統(tǒng)的仿真可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)，只需輸入不同的參數(shù)就可以得到不同情況下系統(tǒng)的性能。1 MATLAB 在通信領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用MATLAB 通信仿真工具箱可以對(duì)通信系統(tǒng)中的調(diào)制與解調(diào)，信號(hào)的頻譜分析以及FIR 濾波器的設(shè)計(jì)等進(jìn)行仿真。下面以通信原理中的雙邊帶幅度調(diào)制的Simulink 仿真為例說明MATLAB 在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用。? 44 / 6示例 2： 示例：圖 6 所示是雙邊帶頻帶幅度調(diào)制的系統(tǒng)仿真框圖。圖7 給出了雙邊帶頻帶幅度調(diào)制后信號(hào)的頻域圖，圖中可見載頻兩旁的邊帶成分。圖 8 給

13、出了示波器顯示的圖形，從 上到下是解調(diào)波形、 原始波形、調(diào)制波形。 圖 6 雙邊帶頻帶幅度調(diào)制的系統(tǒng)仿真框圖圖7 雙邊帶頻帶幅度調(diào)制后信號(hào)的頻域圖圖 8 雙邊帶頻帶幅度調(diào)制仿真系統(tǒng)中示波器的波形圖55 / 6三、結(jié)語(yǔ)目前 MATLAB 在我國(guó)大學(xué)已得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地將 MATLAB 融入到專業(yè)課程 的學(xué)習(xí)之中， 發(fā)揮 MATLAB 在專業(yè)課程教學(xué)中的作用，采用 MATLAB 編程進(jìn)行演示和仿真實(shí)驗(yàn)，借助 MATLAB 仿真幫助解釋晦澀難懂的概念以及理論知識(shí)，嘗試將仿真實(shí)驗(yàn)融于專業(yè)理論教學(xué)當(dāng)中， 理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合， 使抽象的理論知識(shí)具體化、形象化。 課后采用MATLAB 編程來完成課后習(xí)題、相應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)，圍繞相關(guān)專業(yè)課題采用MATLAB 進(jìn)行仿真研究等。對(duì)于那些由于實(shí)驗(yàn)資源限制不能開出的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以采用 MATLAB 仿真 實(shí)驗(yàn)的方法。 參考文獻(xiàn)： 【 1】徐明遠(yuǎn) ,邵玉斌 MATLAB 仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用 M. 西安 :西安電子科技 大學(xué)出版社 【 2】陳懷琛 .數(shù)字信號(hào)處理