何 冰

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

Matlab軟件在電氣信息類課程中的應(yīng)用

何 冰

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

文章以電氣信息類專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字信號處理”三門課程為例，說明了MatlabR2009工程軟件在我校電子信息科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動化兩個本科專業(yè)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程中的作用，給出了教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)例程序，并對Matlab所起到的積極作用進(jìn)一步做了探討和說明.

Matlab軟件;信號與系統(tǒng);程序

《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字圖像處理》《數(shù)字信號處理》［1－3］是電氣信息類重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和方向課程，其中《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》課程理論性較強(qiáng)、數(shù)學(xué)概念突出、信號(函數(shù))繁雜多變、公式推導(dǎo)復(fù)雜、筆算計(jì)算量大，信號與系統(tǒng)分析時其時域圖和頻域圖，特別是復(fù)頻域圖難以用手工描繪.《數(shù)字圖像處理》課程涉及處理的對象為圖像，若該課程采用傳統(tǒng)的黑板單一教學(xué)方式會使任課教師難以準(zhǔn)確清晰描述處理的過程，同時枯燥的數(shù)學(xué)描述會使課堂氣氛沉悶，學(xué)生難以理解，體會不到數(shù)字圖像處理的實(shí)用價值.綜上所述，若電氣信息類專業(yè)課程僅依靠黑板講授和學(xué)生通過大量的課后習(xí)題來鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容是不夠的;這樣會使學(xué)生缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的思想，課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱.針對電氣信息類這三門課程各自特點(diǎn)，利用Matlab信號處理工具箱［4－5］和圖形處理函數(shù)及數(shù)據(jù)可視化，將結(jié)論直接用圖形來演示，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識抽象概念、定理、結(jié)論以及具體的應(yīng)用價值，會使他們對這三門課程有更深入的理解和體會.

1 Matlab軟件簡介

20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了科學(xué)計(jì)算語言，也稱數(shù)學(xué)軟件.國內(nèi)外主流的三大數(shù)學(xué)軟件是:Matlab、Mathematica和Maple.因?yàn)樗鼈兌季哂泄δ軓?qiáng)、效率高、簡單易學(xué)等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.目前影響最大、流行最廣的當(dāng)屬 Matlab語言.Matlab是英文 Matrix Laboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫.它是一個交互式系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)元素是無須定義的數(shù)組，與BASIC、C和FORTRAN語言編寫程序相比，可以花費(fèi)較少時間來解決眾多的數(shù)值問題，大大提高了編程效率，往往可以達(dá)到事半功倍的效果.Matlab特別適用于研究、解決工程和數(shù)學(xué)問題，典型應(yīng)用包括一般的數(shù)值計(jì)算、算法原型以及通過矩陣公式解決一些特殊問題，極大地促進(jìn)了自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號處理等學(xué)科的發(fā)展.MATLAB的啟動界面如圖1所示.

2 Matlab應(yīng)用實(shí)例

2.1 在《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》課程中的應(yīng)用

在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理課程的教學(xué)中，信號的一般表示方法是最基本的一項(xiàng)要求.由于信號涉及的種類繁多，有些信號容易理解，有些對學(xué)生來說則比較抽象.授課教師在講解這些信號時，若采用傳統(tǒng)的黑板教學(xué)模式，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且很難將其本質(zhì)通過口頭敘述清楚.Matlab軟件在圖形繪制方面所表現(xiàn)出來的強(qiáng)大功能可以使授課教師達(dá)到事半功倍的效果，學(xué)生也能夠清晰、簡潔明了的理解所介紹信號的本質(zhì).

2.1.1 Matlab在信號時域分析中的應(yīng)用

下面給出Matlab分別在信號描述和系統(tǒng)描述時通過圖形顯示的實(shí)例:

(1)典型連續(xù)信號的表示和波形圖

其中 A:振幅，ω0:角頻率，φ:初始相位

以上四個典型的連續(xù)信號，從形式上來看正弦信號、實(shí)指數(shù)信號并不復(fù)雜，手工繪制波形圖較容易;復(fù)指數(shù)信號和抽樣信號數(shù)學(xué)表達(dá)式稍加復(fù)雜，波形圖若采用手工繪制較為費(fèi)事.下面給出這四個連續(xù)信號對應(yīng)的Matlab程序:

(2)典型離散信號(序列)的表示和波形圖

Matlab程序如下:

由圖2和圖3繪制的波形可以看出，該連續(xù)信號和離散信號的波形表示完全與實(shí)際理論數(shù)學(xué)表達(dá)式分析結(jié)果一致.

2.1.2 Matlab在信號頻域分析中的應(yīng)用

利用Matlab軟件既可以在時域中分析信號，同時也可以在頻域中分析信號.但對于感染噪聲的信號，我們一般通過時域分析是看不出信號具體特征的，這時需要將信號變換到頻域，則可以清楚的看到信號的特點(diǎn).下面以一個實(shí)例進(jìn)行說明:

從圖4可以看出，受感染噪聲后的信號的時域波形雜亂無章，沒有任何規(guī)律，但通過Matlab頻譜分析后(即將時域信號變換到頻域)，這時可以很清楚地看出，信號包含50Hz，100Hz，150Hz的頻率成分.

2.1.3 Matlab在線性時不變系統(tǒng)(LTI)中的應(yīng)用

連續(xù)LTI系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分別是通過常系數(shù)微分方程和差分方程描述的，在已知系統(tǒng)的輸入信號或序列及初始狀態(tài)下，我們可以采用經(jīng)典法求解系統(tǒng)的響應(yīng)，但對于高階系統(tǒng)(高階微分方程或差分方程)，由于要求其對應(yīng)的齊次解與特解，由邊界條件求待定系數(shù)，較為麻煩.因而筆算變得非常復(fù)雜.若采用Matlab提供的庫函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，則可使過程得到簡化.以下分別給出連續(xù)LTI系統(tǒng)響應(yīng)的求解和離散系統(tǒng)響應(yīng)求解的實(shí)例:

(1)已知描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程為:y"(t)+2y'(t)+100y(t)=10x(t)，試求該系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)和單位階躍響應(yīng).

Matlab程序如下:

(2)設(shè)因果系統(tǒng)用差分方程y(n)=ay(n－1)+x(n)描述，輸入序列x(n)=δ(n)，求輸出序列y(n)

Matlab程序如下:

2.2 Matlab在《數(shù)字圖像處理》課程中的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過視覺獲取的信息占人們獲取信息的75% 左右.因此圖像是人類從事一切活動的重要信息來源，然而對于圖像的表述采用純數(shù)學(xué)的描述和板書教學(xué)模式很難描述圖像的本質(zhì).若采用Matlab軟件的強(qiáng)大的繪圖函數(shù)可以使這門課程變得清晰、直觀、簡單.

下面給出圖像及直方圖的顯示;彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像、二值圖像;圖像邊緣檢測的程序?qū)嵗?

(1)圖像及直方圖的顯示

(2)彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像、二值圖像

(3)圖像邊緣檢測

3 結(jié)論

本文將科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB軟件應(yīng)用到三門電氣信息類課程的教學(xué)中，經(jīng)過實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐(07級、08級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及08級電氣工程及其自動化專業(yè)共246名學(xué)生為教學(xué)參考對象)在一定程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)這三門課程的興趣，加深了學(xué)生對抽象信號以及系統(tǒng)難點(diǎn)的理解，提高了學(xué)生的動手操作能力.該教學(xué)方法已經(jīng)在我校07級、08級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)中獲得了較好的效果.同時我們也積極探討MATLAB軟件在我校十二五規(guī)劃中對電氣信息類課程的教育教學(xué)方法的改進(jìn)工作，這樣可以提高學(xué)生的實(shí)踐技能，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)的競爭力，對我校應(yīng)用工科型本科人才的培養(yǎng)是至關(guān)重要的.隨著Matlab軟件不斷升級和工具箱庫函數(shù)的擴(kuò)充，相信在這三門課程的教學(xué)中會取得更大的收獲.

［1］鄭君里.信號與系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］吳大正.信號與線性系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］張兆禮，趙春暉，梅曉丹.現(xiàn)代圖像處理技術(shù)及MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2001.

［4］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 6.5輔助圖像處理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［5］劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2003.

Application of Matlab Software in Electronic Information Curriculums

HE Bing
(School of Physics and Electronic Engineering，Wei nan Teachers University，Weinan 714000，China)

The important teaching and experimental effect of Matlab software in two majors，namely，Electronic Information Science and Technology，and Electronic Engineering and Automatization in Weinan Teachers University，is introduced，taking three courses，signal and system，digital image processing and digital signal processing.Meanwhile，the example programs of teaching and experiments are shown and the active effect of Matlab software is explained furthermore.

Matlab software;signal and system;program

TP311

A

1009—5128(2011)06—0045—07

2011—04—18

渭南師范學(xué)院研究生專項(xiàng)基金項(xiàng)目(10YKZ069);渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目(11YKS015)

何冰(1982—)，男，陜西合陽人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教師，工學(xué)碩士.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】