MATLAB 在电子信息课程中的应用

MATLAB在电子信息课程中的应用陈艺摘要：介绍了MATLAB，并结合实例，详细探讨了MATLAB在电子信息课程中的应用。关键词：MATLAB；工具箱；仿真实验；电子信息课程引言：MATLAB其功能强大，已成为数字信号处理等课程的主要工具软件，学习和掌握好MATLAB有助于专业课更好的学习。1．MATLAB简介MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。2．MATLAB在电子信息课程中的应用●数字信号处理技术●工程与科学绘图●控制系统的设计与仿真●通讯系统设计与仿真2.1MATLAB在信号与系统中的应用信号与系统是电子信息类专业的一门重要的专业基础课。一方面，该课程涉及了许多基本分析方法，而掌握这些方法就要不仅要有较好的数学基础，而且要将大量的时间和精力花费在许多繁琐的工程计算上；将Matlab引入该课程，一些基本的分析方法便可用软件来实现。二维傅立叶变换是一个很复杂的数学运算，如果采用C或VisualC＋＋语言编写此变换的仿真程序，需要对傅立叶变换有一个深入的理解，而且需要将数学公式按步骤编写程序，1需要十几条语句，但在MATLAB中，就不需要把精力放在编写程序上，只需要一条语句就可以实现傅立叶变换的仿真，语法格式如下：B＝fft2（I）B＝fft2（I，m，n）（1）（2）其中B＝fft2（I）返回数据I的二维fft变换矩阵，输入数据I和输出数据B维数相同。B＝fft2（I，m，n）通过对数据I进行剪切或补零，按用户指定的点数计算fft，返回数据矩阵B的大小为m×n。通过上述语句，可见MATLAB用于信号与系统的实验仿真中是很方便的。示例1：通过傅里叶变换找出被随机噪声淹没的信号频率。设采样频率f=1000Hz，信号频率分布在50～100Hz，然后叠加随机噪声。可编写如下的MATLAB程序演示信号叠加噪声前后的幅值谱分布：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('时间（秒）');title('不含噪声信号');subplot(2,2,2);plot(t,sn);xlabel('时间（秒）');title('含噪声信号');subplot(2,2,3);plot(f,Ps(1:257));xlabel('频率（Hz）');title('不含噪声信号的幅值谱');subplot(2,2,4);plot(f,Pn(1:257));xlabel('频率（Hz）');title('含噪声信号的幅值谱');2上面的程序在MATLAB中执行的结果如图1所示，其中可以看到淹没在时域噪声中明显的信号峰值，这就是频域分析的功效。2.2MATLAB在数字图像处理中的应用数字图像处理课程起点高，难度大，理论性很强。所以在数字图像处理课程中引进MATLAB软件。MATLAB有丰富的图像处理工具箱，提供了一个很好的编程平台，可以更快、更好地掌握图像处理的基本理论和分析方法。下面以边缘检测为例来说明MATLAB在数字图像处理课程中的应用。在数字图像处理中常用的边缘检测算子有Sobel算子、Robert算子、Prewitt算子、LOG算子、Canny算子，在MATLAB中只需要将语句BW＝edge（I，’sobel’）中的sobel修改为roberts，prewitt，log和canny算子就可以了，这样就可以对同一幅图像进行不同的边缘检测，各个算子检测的结果以图形的形式显示，程序如下：I＝imread（‘testpat1.png’）；subplot（2，3，1），imshow（I）title（‘原始图像’）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（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’）程序运行结果见图2。图2边缘检测示例图32.3MATLAB在自动控制原理中的应用MATLAB语言开发了控制系统工具箱，即CONTROL工具箱，并进一步设计了控制系统结构图程序设计工具箱，即SIMULINK工具箱，使得MATLAB语言成为控制系统仿真分析的必要工具。SIMULINK仿真环境是MathWorks软件公司专门为MATLAB设计提供的结构图编程与系统仿真的专用工具，基本上不用编写任何程序，只需调用所需模块即可，并可以修改模块。中的参数值。该仿真环境下的用户程序其外观就是控制系统的结构图，操作就是依据结构图作系统仿真。此仿真环境一方面是利用SIMULINK提供的输入信号（信号源模块）对结构图所描述的系统施加激励；另一方面是利用SIMULINK提供的输出装置（输出口模块）获得系统的输出响应，即数据或时间响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真。下面举例说明MATLAB在自动控制原理中的应用〔4〕。在SIMULINK仿真界面上作仿真结构图（见图3），并作时域仿真，仿真参数可以进行设置修改，和现实用仿真仪器进行参数调整是一样的，这样就可以得到在不同情况下的仿真曲线了。如果仿真参数设置为：阶跃时间为1s，初始值为0，终止值为1，则仿真曲线见图4；如果仿真参数设置为：阶跃时间为2s，初始值为0，终止值为10，则仿真曲线见图5。从上面例子可以看出，采用MATLAB对自动控制原理中的内容进行仿真是很方便的，不用搭建任何电子物理器件就可以进行仿真，同时仿真结果以图形的形式显示。3.在通信原理中的应用对于通信系统的学习，一般需建立一个通信实验室，购买大量的实验仪器，需要花费大量的人力和物力，而MATLAB的出现有效地缓解了这一局面，使得通信系统的仿真可以在个人计算机上模拟实现，只需输入不同的参数就可以得到不同情况下系统的性能。[1]MATLAB在通信领域得到越来越广泛的应用，运用MATLAB通信仿真工具箱可以对通信系统中的调制与解调，信号的频谱分析以及FIR滤波器的设计等进行仿真。下面以通信原理中的双边带幅度调制的Simulink仿真为例说明MATLAB在通信原理课程教学中的应用。?4示例2：示例：图6所示是双边带频带幅度调制的系统仿真框图。图7给出了双边带频带幅度调制后信号的频域图，图中可见载频两旁的边带成分。图8给出了示波器显示的图形，从上到下是解调波形、原始波形、调制波形。图6双边带频带幅度调制的系统仿真框图图7双边带频带幅度调制后信号的频域图图8双边带频带幅度调制仿真系统中示波器的波形图5三、结语目前MATLAB在我国大学已得到了广泛应用。为了更好地将MATLAB融入到专业课程的学习之中，发挥MATLAB在专业课程教学中的作用，采用MATLAB编程进行演示和仿真实验，借助MATLAB仿真帮助解释晦涩难懂的概念以及理论知识，尝试将仿真实验融于专业理论教学当中，理论和实验相结合，使抽象的理论知识具体化、形象化。课后采用MATLAB编程来完成课后习题、相应实验以及课程设计，围绕相关专业课题采用MATLAB进行仿真研究等。对于那些由于实验资源限制不能开出的专业实验项目，也可以采用MATLAB仿真实验的方法。参考文献：【1】徐明远,邵玉斌．MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安:西安电子科技大学出版社【2】陈怀琛.数字信号处理教程——MATLAB释义与实现[M].北京:电子工业出版社.【3】张兆礼,赵春晖,梅晓丹.现代图像处理技术及MATLAB实现[M].【4】张威.MATLAB基础与编程入门〔M〕.西安：西安电子科技大学出版社【5】鞠阳.MATLAB在电子信息课程中的应用〔J〕.微型机与应用，【6】张国琴，吴周桥.MATLAB在数字图像处理教学中的应用6MATLAB在电子信息类课程中的应用