MATLAB 在電子信息課程中的應(yīng)用

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)。1.MATLAB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、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多

2、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(lái)解算問(wèn)題要比用C,FORTRAN 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)C,FORTRAN,C+ ,JAVA 的支持?？梢?/p>

3、直接調(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2.1 MATLAB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(lái)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

4、解,而且需要將數(shù)學(xué)公式按步驟編寫程序, 1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(IB=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(guò)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m×n。通過(guò)上述語(yǔ)句,可見MATLAB用于信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真中是很方便的。示例1:通過(guò)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 10

5、0Hz,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*(0:256/512; subplot(2,2,1; plot(t,signal; xlabel(' 時(shí)間(秒' title(' 不含噪聲信號(hào)' subplot(2,2,2;

6、 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' 2上面的程序在MATLAB中執(zhí)行的結(jié)果如圖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

7、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(lái)說(shuō)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

8、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(Ititle(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,imshow(BW2title(roberts算子subplot(2, 3,4,imshow(BW3title(prewitt算子subplot(2,3,5,imshow(BW4title (log

9、算子subplot(2,3,6,imshow(BW5title(canny 算子程序運(yùn)行結(jié)果見圖2。圖2 邊緣檢測(cè)示例圖 32.3 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MATLAB 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

10、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(shuō)明MATLAB在自動(dòng)控制原理中的應(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

11、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。1MATLAB 在通信領(lǐng)域得到越來(lái)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

12、。下面以通信原理中的雙邊帶幅度調(diào)制的Simulink 仿真為例說(shuō)明MATLAB在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用。? 4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5三、 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(lái)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)處理教