MATLAB仿真技術及應用

張歆彤

摘 要：科學計算語言產生于20世紀80年代，其中MATLAB語言是當前工程界最流行的科學計算語言，MATLAB長于數值計算，能處理大量的數據，并且處理效率很高，它最主要的的用途在于數據可視化、算法開發、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言。在MATLAB中，Simulink是其工具包中重要的一員，是一種圖形化的仿真工具包，Simulink在實際操作中能夠實現動態系統建模、仿真并進行綜合分析。最重要的是在同一系統中支持不同的變化速率。

關鍵詞：MATLAB；Simulink；通信系統；神經網絡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.128

1 MATLAB的產生和發展

MATLAB產生于上世紀70年代，它的編寫者是CleveMoler博士以及他的同事。當時，CleveMoler博士和他的同事開發了用于求解線性方程的EISPACK和LINPACK的Fortran子程序庫，然而，CleveMoler發現發現學生在使用這兩個程序庫存在一定的困難，主要原因是因為接口程序不好寫。于是CleveMoler博士在業余時間自己動手編寫了EISPACK和LINPACK 的接口程序。CleveMoler博士給這個接口程序取名為MATLAB，意為矩陣（MATRIX）和實驗（LABORATORY）的組合。

在1984年，CleveMoler和他的朋友JohnLittle共同創辦了MathWorks公司，正式把MATLAB 推向市場并繼續進行更多功能的開發。在1993年，MathWorks公司向市場推出了MATLAB4.0版本；1995年，MathWorks 公司繼續推出了MATLAB4.2C版本；緊接著又推出了5.0、6.0、6.5版本；在2004年6月MATLAB最新的版本MATLAB7.0 開始發布。多年以來，MATLAB每一次新版本的發布都在功能上有不斷地完善。MathWorks公司不斷推陳出新，使MATLAB界面越來越友好，內容越來越豐富，功能越來越強大。

2 MATLAB的實際應用

2.1 MATLAB的通信系統仿真

完成消息傳遞所需要的所有設備，統稱為通信系統。隨著科技的不斷進步發展，人們越來越注重傳遞消息效率，因而通信的方式也越來越復雜。MATLAB在實現數字通信的仿真方面起到了重要的作用，同時MATLAB對于實現數字通信的仿真有許多重要的方法和技巧。

在MATLAB 的Communication Toolbox中提供了許多仿真函數和模塊，用于對通信系統進行仿真和分析。用戶如果有自己的想法，可以根據自己對系統的需求選擇合適的仿真函數或模塊構造合適的模型，通信工具箱中的所有仿真模塊可以根據實際需求進行修改，從而使設計的模型滿足相應的需求。通信工具箱的內容主要包括：MATLAB函數和Simulink仿真模塊，所以它是以MATLAB和Simulnik 為工作平臺。

通信系統的MATLAB仿真包括信源編譯碼、調制解調技術、通信仿真輸出和同步技術的仿真。

（1）編碼與譯碼。通信工具箱包含一些信源的編/譯碼的基本函數。信源編碼有時候也常叫做量化信號或格式化信號。通信工具箱提供了兩種信源編譯碼的方法：標量量化和預測量化。

（2）調制解調技術。1）模擬調制與解調。模擬調制與解調技術的應用可以合理利用頻帶資源，并且能夠提高通信的質量。通常連續波的模擬調制以正弦波為載波，調制方式分為：相位調制、頻率調制和幅度調制。2）數字調制與解調。Simulink通信工具箱模塊庫中包含一個專門的調制解調模塊子庫，同時將映射和調制功能集成在一個模塊中。同時，通信工具箱還提供了一個單獨的調制模塊庫、解調模塊庫和逆映射模塊庫，以方便用戶可以單獨調用這些模塊。

（3）通信系統仿真輸出。在通信系統仿真中的一個主要任務就是評估傳輸系統的誤碼率與誤比特率。MATLAB提供了一種有效的分析誤碼率的工具—誤碼率圖形窗，它可用來計算和比較不同調制方式、不同差錯控制編碼方式和不同信道噪聲模型條件下的通信系統的誤碼率。

（4）同步技術。在通信系統中，為了正確復制源信號，要求接收端必須調制與發送端同步。在模擬和數字載波系統中最常用的同步類型是載波同步；在數字通信中，有時也使用定時同步、時鐘同步和定時恢復。在Simulink模塊庫中提供了多個具有同步功能的模塊，如：PLL模塊、基帶PLL模塊、進料泵PLL模塊等。

2.2 MATLAB在人工神經網絡系統中的應用

神經網絡系統是當前科技潮流中一種新的系統，該系統能夠進行自適應學習、分布并行處理、魯棒容錯、非線性映射等功能，這些功能使得它能夠在圖像處理、智能信息處理、控制優化、模式識別等多方面有廣泛的應用。

在MATLAB中，包含了神經網絡工具箱，該工具箱以人工神經網絡理論為開發基礎，通過使用MATLAB程序設計出各種具有典型功能的神經網絡激活函數，比如S型激活函數、競爭層激活函數、線性激活函數等。使用者在操作過程中，不必再對所選定網絡輸出進行計算，可以調用激活函數達到目的。另外，參考各種典型的修正網絡權值規則可以使用MATLAB語言編寫出各種實際需要網絡設計和訓練的子程序。在仿真過程中，使用者可以根據自己模型的需求調用神經網絡工具箱中有關神經網絡的設計訓練程序，從而避免進行復雜的編程工作，這樣可以使設計者集中精力去進行技術上的突破。

MATLAB的神經網絡工具箱中基本包括了神經網絡的所有模型，如回歸網絡、線性網絡、自組織網絡、徑向基函數網絡、感知器等。在MATLAB中提供了大量的可以直接調用的工具箱函數與仿真GUI和Simulink仿真工具，功能強大，使用方便，是進行神經網絡系統分析與設計的極好工具。

3 結語

MATLAB是當今最優秀的科技應用軟件之一，它的優點有很多，界面簡單方便使用，能夠進行復雜的科學、具有開放式可擴展的應用環境和可視化功能。本文詳細介紹了MATLAB的產生、發展和仿真技術的特點，以通信系統仿真和人工神經網絡為例闡述了MATLAB仿真技術的實際應用，能夠使讀者對MATLAB得到初步了解，有利于后續的深入學習。