Matlab软件在电气信息类课程中的应用

何 冰

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

Matlab软件在电气信息类课程中的应用

何 冰

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

文章以电气信息类专业的“信号与系统”“数字图像处理”“数字信号处理”三门课程为例，说明了MatlabR2009工程软件在我校电子信息科学与技术、电气工程及其自动化两个本科专业教学和实验课程中的作用，给出了教学和实验过程中的实例程序，并对Matlab所起到的积极作用进一步做了探讨和说明.

Matlab软件;信号与系统;程序

《信号与系统》《数字图像处理》《数字信号处理》［1－3］是电气信息类重要的专业基础课和方向课程，其中《信号与系统》《数字信号处理》课程理论性较强、数学概念突出、信号(函数)繁杂多变、公式推导复杂、笔算计算量大，信号与系统分析时其时域图和频域图，特别是复频域图难以用手工描绘.《数字图像处理》课程涉及处理的对象为图像，若该课程采用传统的黑板单一教学方式会使任课教师难以准确清晰描述处理的过程，同时枯燥的数学描述会使课堂气氛沉闷，学生难以理解，体会不到数字图像处理的实用价值.综上所述，若电气信息类专业课程仅依靠黑板讲授和学生通过大量的课后习题来巩固和理解教学内容是不够的;这样会使学生缺乏理论联系实际的思想，课程实践教学环节薄弱.针对电气信息类这三门课程各自特点，利用Matlab信号处理工具箱［4－5］和图形处理函数及数据可视化，将结论直接用图形来演示，让学生直观地认识抽象概念、定理、结论以及具体的应用价值，会使他们对这三门课程有更深入的理解和体会.

1 Matlab软件简介

20世纪80年代以来，出现了科学计算语言，也称数学软件.国内外主流的三大数学软件是:Matlab、Mathematica和Maple.因为它们都具有功能强、效率高、简单易学等特点，在许多领域中得到了广泛的应用.目前影响最大、流行最广的当属 Matlab语言.Matlab是英文 Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写.它是一个交互式系统，其基本数据元素是无须定义的数组，与BASIC、C和FORTRAN语言编写程序相比，可以花费较少时间来解决众多的数值问题，大大提高了编程效率，往往可以达到事半功倍的效果.Matlab特别适用于研究、解决工程和数学问题，典型应用包括一般的数值计算、算法原型以及通过矩阵公式解决一些特殊问题，极大地促进了自动控制理论、数理统计、数字信号处理等学科的发展.MATLAB的启动界面如图1所示.

2 Matlab应用实例

2.1 在《信号与系统》《数字信号处理》课程中的应用

在信号与系统、数字信号处理课程的教学中，信号的一般表示方法是最基本的一项要求.由于信号涉及的种类繁多，有些信号容易理解，有些对学生来说则比较抽象.授课教师在讲解这些信号时，若采用传统的黑板教学模式，不仅费时费力，而且很难将其本质通过口头叙述清楚.Matlab软件在图形绘制方面所表现出来的强大功能可以使授课教师达到事半功倍的效果，学生也能够清晰、简洁明了的理解所介绍信号的本质.

2.1.1 Matlab在信号时域分析中的应用

下面给出Matlab分别在信号描述和系统描述时通过图形显示的实例:

(1)典型连续信号的表示和波形图

其中 A:振幅，ω0:角频率，φ:初始相位

以上四个典型的连续信号，从形式上来看正弦信号、实指数信号并不复杂，手工绘制波形图较容易;复指数信号和抽样信号数学表达式稍加复杂，波形图若采用手工绘制较为费事.下面给出这四个连续信号对应的Matlab程序:

(2)典型离散信号(序列)的表示和波形图

Matlab程序如下:

由图2和图3绘制的波形可以看出，该连续信号和离散信号的波形表示完全与实际理论数学表达式分析结果一致.

2.1.2 Matlab在信号频域分析中的应用

利用Matlab软件既可以在时域中分析信号，同时也可以在频域中分析信号.但对于感染噪声的信号，我们一般通过时域分析是看不出信号具体特征的，这时需要将信号变换到频域，则可以清楚的看到信号的特点.下面以一个实例进行说明:

从图4可以看出，受感染噪声后的信号的时域波形杂乱无章，没有任何规律，但通过Matlab频谱分析后(即将时域信号变换到频域)，这时可以很清楚地看出，信号包含50Hz，100Hz，150Hz的频率成分.

2.1.3 Matlab在线性时不变系统(LTI)中的应用

连续LTI系统和离散系统分别是通过常系数微分方程和差分方程描述的，在已知系统的输入信号或序列及初始状态下，我们可以采用经典法求解系统的响应，但对于高阶系统(高阶微分方程或差分方程)，由于要求其对应的齐次解与特解，由边界条件求待定系数，较为麻烦.因而笔算变得非常复杂.若采用Matlab提供的库函数进行系统仿真，则可使过程得到简化.以下分别给出连续LTI系统响应的求解和离散系统响应求解的实例:

(1)已知描述连续系统的微分方程为:y"(t)+2y'(t)+100y(t)=10x(t)，试求该系统的单位冲击响应和单位阶跃响应.

Matlab程序如下:

(2)设因果系统用差分方程y(n)=ay(n－1)+x(n)描述，输入序列x(n)=δ(n)，求输出序列y(n)

Matlab程序如下:

2.2 Matlab在《数字图像处理》课程中的应用

根据相关数据统计，通过视觉获取的信息占人们获取信息的75% 左右.因此图像是人类从事一切活动的重要信息来源，然而对于图像的表述采用纯数学的描述和板书教学模式很难描述图像的本质.若采用Matlab软件的强大的绘图函数可以使这门课程变得清晰、直观、简单.

下面给出图像及直方图的显示;彩色图像转换成灰度图像、二值图像;图像边缘检测的程序实例:

(1)图像及直方图的显示

(2)彩色图像转换成灰度图像、二值图像

(3)图像边缘检测

3 结论

本文将科学计算软件MATLAB软件应用到三门电气信息类课程的教学中，经过实际的教学实践(07级、08级电子信息科学与技术专业以及08级电气工程及其自动化专业共246名学生为教学参考对象)在一定程度上激发了学生学习这三门课程的兴趣，加深了学生对抽象信号以及系统难点的理解，提高了学生的动手操作能力.该教学方法已经在我校07级、08级电子信息科学与技术专业教学中获得了较好的效果.同时我们也积极探讨MATLAB软件在我校十二五规划中对电气信息类课程的教育教学方法的改进工作，这样可以提高学生的实践技能，增强学生就业的竞争力，对我校应用工科型本科人才的培养是至关重要的.随着Matlab软件不断升级和工具箱库函数的扩充，相信在这三门课程的教学中会取得更大的收获.

［1］郑君里.信号与系统［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］吴大正.信号与线性系统［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］张兆礼，赵春晖，梅晓丹.现代图像处理技术及MATLAB实现［M］.北京:人民邮电出版社，2001.

［4］飞思科技产品研发中心.MATLAB 6.5辅助图像处理［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［5］刘卫国.MATLAB程序设计［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

渭南师范学院研究生专项基金项目(10YKZ069);渭南师范学院科研计划项目(11YKS015)

何冰(1982—)，男，陕西合阳人，渭南师范学院物理与电气工程学院教师，工学硕士.

【责任编辑 牛怀岗】