Matlab在電子信息類課程教學(xué)與實(shí)踐中的應(yīng)用

【摘 要】電子信息類課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、直觀性差。本文結(jié)合示例給出Matlab在數(shù)字信號(hào)處理與通信原理教學(xué)與實(shí)踐中的應(yīng)用。通過(guò)Matlab仿真，大大提高了教學(xué)效果，同時(shí)提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】Matlab 電子信息類課程 數(shù)字信號(hào)處理 通信原理 仿真

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2013）13-0003-02

數(shù)字信號(hào)處理、通信原理以及信號(hào)與系統(tǒng)等都是電子信息類課程中的主干課程，該類課程涉及數(shù)學(xué)、電路等多門先修課程，其主要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、直觀性差、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。長(zhǎng)期以來(lái)，電子信息類課程的教學(xué)一直采用黑板教學(xué)的單一模式，缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，這就嚴(yán)重影響和制約了課程的教學(xué)效果。即使在多媒體教學(xué)大量普及以后，教師通常只是把課本內(nèi)容搬到了屏幕上，沒(méi)有從根本上解決理論性強(qiáng)、直觀性差的問(wèn)題，學(xué)生普遍反映課堂教學(xué)難于理解和掌握，教學(xué)效果不理想。為了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)好這些專業(yè)課程，進(jìn)而將所學(xué)理論靈活地應(yīng)用于實(shí)踐，引入計(jì)算機(jī)仿真是一個(gè)行之有效的方法，Matlab正是眾多仿真軟件中的佼佼者。

一 Matlab簡(jiǎn)介

Matlab是MathWorks公司開發(fā)的適用于矩陣數(shù)值計(jì)算和系統(tǒng)仿真的科學(xué)計(jì)算軟件。Matlab將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成一體，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。

Matlab除了在科研單位備受青睞，在高校也被廣泛使用。它編程簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，在電子、通信與信號(hào)處理仿真方面表現(xiàn)不俗。Matlab具有可視化的圖形用戶界面，可用來(lái)開發(fā)相應(yīng)的輔助教學(xué)軟件，設(shè)計(jì)用于教學(xué)的交互式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)，有助于教師的授課和學(xué)生的理解，從而可以獲得較好的教學(xué)效果。Matlab不僅可以作為理論教學(xué)的示范性工具，還可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要工具。利用Matlab仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，能夠有效地彌補(bǔ)某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的不便和不足，同時(shí)由于其不受場(chǎng)地環(huán)境和設(shè)備的限制，平時(shí)有些不容易實(shí)現(xiàn)的綜合性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都可以利用Matlab仿真的方法輕而易舉地實(shí)現(xiàn)。

二 Matlab在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理這門課程理論性較強(qiáng)、概念抽象，涉及大量的計(jì)算，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生普遍反映對(duì)于基本的分析方法和基本理論不能很好地理解與掌握，利用Matlab提供的函數(shù)進(jìn)行仿真，可演示信號(hào)處理的過(guò)程，并且將分析結(jié)果直觀地體現(xiàn)出來(lái)，加深對(duì)相關(guān)理論的理解。

示例1：通過(guò)FFT變換分析疊加了噪聲的信號(hào)，并且通過(guò)濾波器濾除噪聲。設(shè)采樣頻率Fs=1000Hz，信號(hào)頻率為100Hz，疊加噪聲的頻率為300Hz。可編寫如下的Matlab程序演示信號(hào)疊加噪聲后的時(shí)域、頻域分布圖以及經(jīng)過(guò)濾波器處理后的時(shí)域、頻域分布圖，仿真結(jié)果見(jiàn)圖1。

三 Matlab在通信原理中的應(yīng)用

通信原理這一課程理論性很強(qiáng)，主要采用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，為了跟上通信技術(shù)快速發(fā)展的腳步，滿足理論聯(lián)系實(shí)際的需要，實(shí)驗(yàn)室需購(gòu)置大量的實(shí)驗(yàn)儀器，花費(fèi)大量的人力和物力，Matlab的出現(xiàn)有效地緩解了這一局面。采用Matlab對(duì)通信原理的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行軟件編程，使通信原理實(shí)驗(yàn)可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，進(jìn)而可以觀察波形、分析頻譜等性能。

Matlab的動(dòng)態(tài)仿真軟件提供了可視化的系統(tǒng)仿真環(huán)境和多個(gè)模型庫(kù)，在模型庫(kù)中提供了豐富的功能模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)，如Sources（輸入源模塊）、Sinks（接收器模塊）和Continuous（連續(xù)模塊）等，可以方便、靈活地建立通用性較強(qiáng)的通信仿真模型。下面以2ASK為例，介紹Matlab在通信原理課程中的應(yīng)用。

示例2：帶有高斯白噪聲的2ASK系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)。首先用正弦波發(fā)生器Sine Wave產(chǎn)生載波，由伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）產(chǎn)生二進(jìn)制基帶脈沖序列，將其作為信號(hào)加載到載波上，調(diào)制后的信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中遇到的高斯白噪聲由高斯噪聲發(fā)生器（Gaussian Noise Generator）加入，為了觀察波形的變化，將這幾組信號(hào)都加載到示波器上。解調(diào)后的信號(hào)與原始信號(hào)的對(duì)比通過(guò)另外一個(gè)示波器來(lái)完成。圖2是帶有高斯白噪聲的2ASK系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)仿真框圖，圖3是示波器觀察到的仿真波形。

圖3中，（a）為原信號(hào)、載波、調(diào)制后的信號(hào)、加入了高斯白噪聲的信號(hào)以及解調(diào)后的輸出信號(hào)；（b）為原信號(hào)與解調(diào)后信號(hào)的對(duì)比。

四 結(jié)論

通過(guò)上述例子的演示可以看出，Matlab不僅可以應(yīng)用于理論教學(xué)，還可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于Matlab包含了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法提供的大量的模塊庫(kù)，提高了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的靈活性。針對(duì)那些對(duì)本課程有濃厚興趣的學(xué)生，教師可以結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容，提出一些項(xiàng)目的設(shè)想，讓學(xué)生可以根據(jù)自身的情況，選擇合適的機(jī)會(huì)來(lái)參與教師的科研活動(dòng)，提高學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，體現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重素質(zhì)”的教育思想和新世紀(jì)培養(yǎng)人才的要求。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕