Matlab語言特點與應用分析

張鳳莉，張培訓

(商丘職業技術學院 機電系，河南 商丘 476000)

Matlab語言特點與應用分析

張鳳莉，張培訓

(商丘職業技術學院 機電系，河南 商丘 476000)

對Matlab語言的特點進行了簡要的介紹和分析,對其應用從線性代數、數字信號處理、通信系統仿真、圖像處理等方面給予舉例分析，Matlab已被廣泛地用于研究和解決各種具體的工程問題，可以預見，Matlab將在我國科學研究和工程應用中發揮越來越大的作用.

Matlab語言；特點；應用

1 Matlab語言的特點

1.1 Matlab語言的數據處理能力強

Matlab包含大量的計算算法，研究發現，Matlab中，有600多個數學運算函數，且這些數學運算函數都是工程中用到的，它可以實現用戶需要的不同計算功能[1]9-10.此外，在具有相同計算要求的前提下，利用Matlab進行編程，能夠大大減少工作量.Matlab中的函數集，不僅包括一系列最基本、最簡單的數學運算函數，也包括非常多的復雜數學運算函數，例如快速傅立葉變換、特征向量、矩陣等等[2]155，233.

1.2 Matlab的圖形處理功能非常強

Matlab圖形化顯示數組或者矩陣的能力非常強.此外，Matlab也可以給數組或矩陣的圖形增加注釋，還可以標注和打印數組或矩陣的圖形.其圖形技術主要包括以下幾個方面：二維、三維可視化技術，圖像處理技術，高層次專業圖形技術.如動畫等高級繪圖函數，包括對圖形的四維數據表現、色度處理、光照處理等.Matlab還具有低級繪圖命令，主要用于讓用戶控制圖形特點，通過利用句柄圖形技術，Matlab可以建立圖形用戶界面，讓用戶靈活、自由地控制圖形特點[3]2267-2269.

1.3 Matlab的可擴充性強 應用程序接口便利

Matlab的庫函數非常豐富.因此，在開展復雜數學運算時，可以直接調用庫函數中的數學運算函數.與此同時，用戶還可以按照實際需要，對函數庫進行編寫和擴充.通過編程可達到用戶之間的資源共享.

2 Matlab語言的應用

2.1 Matlab的應用范圍

Matlab有著非常廣泛的應用范圍，可以在眾多領域中得到良好的應用.附加的工具箱使得Matlab環境得到了有效的擴展，從而使這些領域中的特定類型問題也得到了有效解決.因此在現階段，Matlab能夠用于下述工作中：數值分析，數值與符號計算，數字圖像處理，數字信號處理，財務工程與金融工程，控制系統、通訊系統的設計,仿真及工程科學繪圖等.

2.2 Matlab語言在數值分析中的應用

對于Matlab而言，其程序書寫形式相對比較自由，原因主要在于其函數名稱、函數表達式與現階段計算公式書寫的表達方式十分接近，在對Matlab的程序進行編寫時，就如同在草稿上進行數學計算公式的排列、求解一樣簡單，基于此表達方式，可以對工程技術人員所提出的算法進行快速驗證[4]7-8，從而使得編程工作在很大程度上得到了簡化，大大提高了編程的效率.當Matlab進行運行時，能夠直接將Matlab語句輸入命令行，系統會立即對Matlab語句進行處理，并逐步完成從翻譯到鏈接，再從鏈接到運行的全過程，在這個過程中，因為對庫函數進行了有效利用，從而避開了一些復雜的、煩瑣的子程序編程任務，對一些沒有必要進行的編程工作進行了有效壓縮，從而使得編程工作在很大程度上得到了簡化.

舉一個例子，應用Matlab語言對下述方程進行求解.

>> B=[1;3;2];

>> x=A/B,y=x’

為方便結果顯示，求得x的轉置y,執行結果：y=x’=[0 1 0].

2.3 Matlab語言在數字信號處理中的應用舉例

已知模擬信號x(t)=2sin(3πt)-sin(6πt)，求其幅度譜和相位譜.程序如下：

fs=100;

N=128;

n=0:N-1;

xn=2*sin(3*pi*n/fs)-sin(6*pi*n/fs);

xk=fft(xn,N);

f=(0:N-1)*fs/N;

xkam=abs(xk);

xkan=angle(xk);

subplot(2,1,1)

plot(f,xkam)

xlabel('頻率(Hz)'),ylabel('幅值')

title('幅頻響應')

axis([0 50 0 150])

subplot(2,1,2)

plot(f,xkan)

xlabel('頻率(Hz)'),ylabel('弧度')

title('相頻響應')

axis([0 50 -2 2])

執行結果如圖1所示.

圖1 幅度譜和相位譜

2.4 使用Matlab語言對通訊系統的設計

使用一個隨機生成的二元序列(假設“0、1”等概分布)，畫出2PSK信號波形和頻譜圖.

A=1;

Fc=2;

Fs=128;

Ts=1/Fs;

M=20;

Td=1;

T=M*Td;

t=0:Ts:T-Ts;

N=length(t);

d=sign(randn(1,M));

dd=sigexpand((d+1)/2,Fs);

gt=ones(1,Fs);

figure(1)

subplot(221);

t_snrz=conv(dd,gt);

delta_f=1/T;

N=length(t);

f=delta_f*[-N/2:N/2-1];

f_snrz=fft(t_snrz(1:length(t)));

f_snrz=T/N*fftshift(f_snrz);

psf=(abs(f_snrz).^2+eps)/T;

plot(t,t_snrz(1:length(t)));grid on

axis([0 5 0 1.2]);

xlabel('t');ylabel('amp');title('基帶信號');

subplot(222);

plot(f,10*log10(abs(f_snrz).^2/T+eps));grid on

plot(f,abs(f_snrz).^2/T+eps);grid on

axis([-2 2 0 10]);

xlabel('f');ylabel('psf');title('基帶信號功率譜');

ht=A*cos(2*pi*Fc*t);

t_2psk=(2*t_snrz(1:N)-1).*ht;

f_2psk=fft(t_2psk(1:N));

f_2psk=T/N*fftshift(f_2psk);

psf=(abs(f_2psk).^2+eps)/T;

subplot(223)

plot(t,t_2psk);grid on;

axis([0 5 -1.2 1.2]);

xlabel('t');ylabel('amp');title('2PSK信號');

subplot(224)

plot(f,abs(f_2psk).^2/T+eps);grid on;

axis([-Fc-4 Fc+4 0 2]);

xlabel('f');ylabel('psf');title('2PSK信號功率譜');

執行結果如圖2所示.

圖2 2PSK信號波形和頻譜圖

3 結語

綜上所述，Matlab語言是一種以矩陣或者是數組為基礎的高級語言，具有面向對象編程、數據結構、函數、程序流控制以及輸入/輸出等一系列特色.Matlab憑借著應用靈活、程序延伸性好、結構性強以及用法十分簡單等一系列優勢，已逐漸成為視圖交互系統、科技計算以及程序中語言工具的首選.Matlab在動態系統仿真、自動控制、數理統計、線性代數以及數字信號處理等方面，有著非常突出的作用，已經成為現階段科研工作人員進行科學研究、工程技術人員開展生產實踐的有效手段.

[1] 陸 強,顏加仁,林定能,等.基于ARDUINO與MATLAB的簡易示波器研制[J].科技資訊,2014(29).

[2] 閆常麗,孫志田,趙書銀.關于利用MATLAB軟件進行數值分析課程教學的探討[J].科教導刊(上旬刊),2014(11).

[3] 張 萌,王菊霞,李芳菊,等.基于JAVA和MATLAB的光學虛擬實驗室的建立[J].河南科學,2014(11).

[4] 劉 芳.基于MATLAB的“數字信號處理”課程教學改革與方法研究[J].科技展望,2014(12).

[責任編輯 冰 竹]

2016-09-27

張鳳莉(1985- )，女，河南商丘人，商丘職業技術學院講師，碩士，主要從事電子與通信工程研究； 張培訓(1971- )，男，河南商丘人，商丘職業技術學院副教授，主要從事機械及制冷與低溫技術研究。

TP391.7

A

1671-8127(2017)01-0097-03