MATLAB语言实验指导书

MATLAB 语言实验指导书语言实验指导书 李朔李朔 辽宁科技大学 2 目 录 实验一实验一 MATLABMATLAB 环境的熟悉与基本运算环境的熟悉与基本运算 3 实验二实验二 MATLABMATLAB 语言的程序设计语言的程序设计 8 实验三实验三 MATLABMATLAB 的图形绘制的图形绘制 11 试验四试验四 MATLBAMATLBA 在电路中的应用在电路中的应用 15 实验五实验五 MATLABMATLAB 在信号系统中的应用在信号系统中的应用 19 实验六 实验六 MATLABMATLAB 工具箱的熟悉与应用工具箱的熟悉与应用 23 实验七 数字滤波器的设计实验七 数字滤波器的设计 26 实验八 通信系统调制技术的仿真实验实验八 通信系统调制技术的仿真实验 29 辽宁科技大学 3 实验一实验一 MATLABMATLAB 环境的熟悉与基本运算环境的熟悉与基本运算 一 实验目的 一 实验目的 1 熟悉 MATLAB 开发环境 2 掌握矩阵 变量 表达式的各种基本运算 二 实验基本知识二 实验基本知识 1 熟悉 MATLAB 环境 MATLAB 桌面和命令窗口 命令历史窗口 帮助信息浏览器 工作 空间浏览器 文件和搜索路径浏览器 2 掌握 MATLAB 常用命令 Clc清除命令窗口中内容 clear清除工作空间中变量 Help对所选函数的功能 调用格式及相关函数给出说明 lookfor查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称 3 MATLAB 变量与运算符 变量命名规则如下 1 变量名可以由英语字母 数字和下划线组成 2 变量名应以英文字母开头 3 长度不大于 31 个 4 区分大小写 MATLAB 中设置了一些特殊的变量与常量 列于下表 表 1 MATLAB 的特殊变量与常量 变量名功能说明变量名功能说明 ANS默认变量名 以应 答最近一次操作运 算结果 realmin最小的正实数 i 或 j虚数单位INF inf 无穷大 pi圆周率NAN nan 不定值 0 0 eps浮点数的相对误差nargin函数实际输入参数 个数 realmax最大的正实数nargout函数实际输出参数 个数 MATLAB 运算符 通过下面几个表来说明 MATLAB 的各种常用运算符 表 2 MATLAB 算术运算符 操作符功能说明操作符功能说明 加 矩阵左除 减 数组左除 辽宁科技大学 4 矩阵乘 矩阵右除 数组乘 数组右除 矩阵乘方 矩阵转置 数组乘方 数组转置 表 3 MATLAB 关系运算符 操作符功能说明 等于 不等于 大于 大于等于 a plot y 辽宁科技大学 13 2 多组变量绘图 plot x1 y1 选项1 x2 y2 选项2 上面的 plot格式中 选项是指为了区分多条画出曲线的颜色 线型及标记点而设 定的曲线的属性 MATLAB在多组变量绘图时 可将曲线以不同的颜色 不同的线型及标记点表示出来 各种颜色属性选项意 义 选项意义选项意义 r 红色 实线 m 粉红 虚线 g 绿色 点线 c 青色 点划线 b 兰色 用点号绘制各数据点 w 白色 用上三角绘制各数据 点 y 黄色 用 号绘制各数据 点 k 黑色 v 用下三角绘制各数据 点 s 或squar用正方形绘制各数 据点 用 号绘制各数据 点 p 用五角星绘制各数 据点 用右三角绘制各数据 点 d 或 diamond 用菱形绘制各数据 点 用 号绘制各数据 点 h 用六角星绘制各数 用右三角绘制各数据 点 用 号绘制各数据点 用左三角绘制各数据 点 s 或 squar 用正方形绘制各数据 点 p 用五角星绘制各数据 点 d 或 diamond用菱形绘制各数据点 h 用六角星绘制各数据 点 注意掌握各选项的作用与用法以及hold on与hold off的用法 3 对数坐标图形绘制 semilogx semilogy loglog 4 极坐标图形绘制 polar theta rho 属性选项 5 子图绘制 掌握 subplot 的用法 subplot n m k 或 subplot nmk n m 分别表示将窗口 分割的行数和列数 3 图形修饰与标注 1 坐标轴的标题 title 函数 2 坐标轴的说明 xlabel 和 ylabel 函数 3 图形说明文字 text 和 gtext 函数 4 给图形加网格 grid 函数 5 在图形中添加图例框 legend 函数 6 用鼠标点选屏幕上的点 ginput 函数 4 图形的修改 1 采用设句柄修改 set 函数 get 函数 gcf 获得当前图形窗口的句柄 gca 获得当前坐标轴对象的句柄 gco 获得当前对象的句柄 如 A 要对图形窗口的底色进行修改 可用 set gcf Color 1 1 1 将图形窗口底色设为白色 B 要把当前 X 轴的颜色改为绿色 可用 辽宁科技大学 15 set gca Xcolor 0 1 0 2 在图形窗口上直接修改 三 实验报告要求 三 实验报告要求 1 设计出上面要求的各种练习的具体例子 写出程序 2 2 通过下面习题熟悉各绘图函数应用 1 用 MATLAB 语言实现下面的分段函数 并绘出 3 6 区间上的曲 线图形 数据点个数自定 但应保证曲线平滑性 要求曲线为蓝色 线 型为实线 并且标注 X 轴 Y 轴 2 用MATLAB语言绘制 2 2 区间内sin cos 曲线 数据 点间隔0 1弧度 要求分上下两个子图分别绘制sin cos 并且sin 用红色 实线 cos 用兰色 虚线 对图形标题及横纵坐标轴进行标注 3 对上面图形进行 辽宁科技大学 16 实验四实验四 MATLABMATLAB 在电路中的应用在电路中的应用 一 一 实验目的及要求 实验目的及要求 1 熟悉 MATLAB 的基本语句的编程 2 MATLAB 在编程技巧上的训练 3 用 MATLAB 基本函数编程 二 二 实验内容 实验内容 1 电阻电路的应用 如图所示电路 戴维南定理 已知 R1 4 R2 2 R3 4 R4 8 i1 2A i2 0 5A 1 负载 RL为何值时能获得最大功率 2 研究 RL在 0 到 10 范围内变化时 其吸收功率的情况 is2 is1 R1 R2 R3 R4 RL a a o MATLAB 程序 Clear format compact R1 4 R2 2 R3 4 R4 8 is1 2 is2 0 5 设置元件参数 A11 1 R1 1 R4 A12 1 R1 A13 1 R4 A21 1 R1 A22 1 R1 1 R2 1 R3 A23 1 R3 A31 1 R4 A32 1 R3 A33 1 R3 1 R4 A A11 A12 A13 A21 A22 A23 A31 A32 A33 B 1 1 0 0 0 0 0 1 1 辽宁科技大学 17 X1 A B is1 is2 0 uoc X1 3 X2 A B 0 0 1 Req X2 3 RL Req P uoc 2 RL Req RL 2 RL 0 10 p RL uoc 2 Req RL 2 Figure 1 plot RL p grid 运行结果 uoc 5 0000 Req 5 0000 P 1 2500 RL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 p 0 0 8333 1 4286 1 8750 2 2222 2 5000 2 7273 2 9167 3 0769 3 2143 3 3333 012345678910 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 2 频率响应 频率响应函数定义为响应 输出 向量 Y 与激励 输入 向量 F 之 比 即 用 MATLAB 的 abs H 和 F Y ejwHjwH wj angle H 语句可直接计算幅频响应和相频响应 而且其图形的频率坐标 可以是线性的 用 plot 也可以是半对数的 用 semilogx 这给计算 和绘制幅 相特性带来很大的方便 辽宁科技大学 18 R Uc Us 1 jw MATLAB 程序 clear format compact ww 0 0 2 4 H 1 1 j ww figure 1 subplot 2 1 1 plot ww abs H hold on subplot 2 1 2 plot ww angle H hold on figure 2 subplot 2 1 1 semilogx ww 20 log10 abs H hold on subplot 2 1 2 semilogx ww angle H hold on figure 1 subplot 2 1 1 grid xlabel ww ylabel abs H subplot 2 1 2 grid xlabel ww ylabel angle H figure 2 subplot 2 1 1 grid xlabel ww ylabel 分贝 subplot 2 1 2 grid xlabel ww ylabel angle H 运行结果 辽宁科技大学 19 三 实验报告要求 三 实验报告要求 1 设计出上面要求的各种练习的具体例子 写出程序 2 2 通过下面习题熟悉各种函数应用 四 四 练习 练习 1 如图所示 用 MATLAB 语言求 ab 端的输入电阻 Rin 2i1 4 6 3 Rin a a o i1 辽宁科技大学 20 实验五实验五 MATLABMATLAB 在信号系统中的应用在信号系统中的应用 一 实验目的及要求 一 实验目的及要求 1 不用工具箱 用 MATLAB 函数对信号系统中的问题进行编程 2 掌握一些基本的计算方法 二 实验内容 二 实验内容 1 周期信号的滤波 如图 滤波电路 已知 L 400mH C 10uF R1 200 如激励电压 us t 为全波整流信号 Um 100V w1 100 rad s 求负载 R 两端的直 流和各次谐波的分量 建模 UR R C L Z1K Z2KZ3K U1 t MATLAB 程序 clear format compact L 0 4 C 10e 6 R 200 Um 100 w1 100 pi N input 2N n 1 N 2 w eps 2 n w1 Us 4 Um pi 0 5 1 4 n 2 1 z1 j w L z2 1 j w C z3 R z23 z2 z3 z2 z3 Ur Us z23 z1 z23 disp 谐波次数 谐波幅度 谐波相移 disp 2 0 n abs Ur angle Ur 180 pi 2N 10 Ur 63 6620 0 0000i 12 8383 27 8571i 1 3050 辽宁科技大学 21 0 6169i 0 2546 0 0726i 0 0799 0 0165i 0 0326 0 0053i 谐波次数 谐波幅度 谐波相移 0 63 6620 0 0000 2 0000 30 6731 65 2568 4 0000 1 4434 25 3014 6 0000 0 2648 15 9253 8 0000 0 0816 11 7029 10 0000 0 0330 9 2740 2 调幅信号通过带通滤波器 已知带通滤波器的系统函数为 2 2 1 2 1001 2 s s sU sU sH 激励电压 u1 t 1 cost cos 100t 求 1 带通滤波器的频率响应 2 输出的稳态响应 u2 t 并画出波形 MATLAB 程序 5 2 m clear t linspace 0 2 pi 1001 W 99 100 101 U 0 5 1 0 5 b 2 0 a 1 2 10001 u1 U cos W t angle U ones 1 1001 H polyval b j W polyval a j W H freqs b a W figure 1 subplot 2 1 1 plot W abs H grid subplot 2 1 2 plot W angle H grid u21 abs U 1 H 1 cos 99 t angle U 1 H 1 u22 abs U 2 H 2 cos 100 t angle U 2 H 2 u23 abs U 3 H 3 cos 100 t angle U 3 H 3 u2 u21 u22 u23 figure 2 subplot 2 1 1 plot t u1 subplot 2 1 2 plot t u2 运行结果为 辽宁科技大学 22 窄带滤波器在 w 100 附近的频率特性 滤波前后的波形对比 三 报告要求三 报告要求 1 实验报告要求 写出上述例子的程序 并且写出在实验中所遇到 的困难 2 练习下面的例子 卷积的计算 某 LTI 系统的冲击响应 h t e 0 1t 输入 u t 如图所示 初始条件为零 求系统的响应 y t 要求 1 写出 h t 辽宁科技大学 23 的 MATLAB 表达式 2 写出 u t 的 MATLAB 表达式 3 利用 MATLAB 的卷积语句 y conv u t 求解并画出曲线 0 0 5 1 5051015 U t 辽宁科技大学 24 实验六 实验六 MATLABMATLAB 工具箱的熟悉与应用工具箱的熟悉与应用 一 实验目的 一 实验目的 1 熟悉 SIMULINK 工作环境及特点 2 掌握线性系统仿真常用基本模块的用法 3 掌握 SIMULINK 的建模与仿真方法 二 实验内容 二 实验内容 1 了解 SIMULINK 模块库中各子模块基本功能 辽宁科技大学 25 2 SIMULINK 的建模与仿真方法 1 打开模块库 找出相应的模块 鼠标左键点击相应模块 拖拽到模 型窗口中即可 辽宁科技大学 26 2 创建子系统 当模型大而复杂时 可创建子系统 3 设置仿真控制参数 三 三 SIMULINKSIMULINK 仿真实际应用仿真实际应用 1 移位寄存器 2 超外差接收机 注意学会封装以及参数的设置 不同的参数仿真的结果不同 注意选择参 数 辽宁科技大学 27 实验七 数字滤波器的设计实验七 数字滤波器的设计 一 实验目的 一 实验目的 1 掌握模拟滤波器的频率响应函数 2 掌握数字滤波器的频率响应函数 3 理解 ButterWorth 模拟和数字滤波器设计 4 理解 Chebyshev 模拟和数字滤波器的设计 二 实验内容 二 实验内容 1 1 freqsfreqs 函数 模拟滤波器的频率响应函数 模拟滤波器的频率响应 例 系统传递函数为 H s 0 2s2 0 3s 1 s2 0 4s 1 的模拟滤波 器 在 MATLAB 中可以用以下的程序实现 a 1 0 4 1 b 0 2 0 3 1 w logspace 1 1 产生从到之间地 0 个等间距点 即 50 个频率点 freqs b a w 根据输入的参数绘制幅度谱和相位谱 2 freqz 函数 数字滤波器的频率响应 例 系统传递函数 H z 0 2 0 3z z 2 1 0 4 z 2 的模拟滤波器 在 MATLAB 中可以用以下程序来实现 a 1 0 4 1 辽宁科技大学 28 b 0 2 0 3 1 根据输入的参数绘制幅度谱和相位谱 得到 0 到 128 个 点处的频率响应 freqz b a 128 3 3 ButterWorthButterWorth 模拟和数字滤波器模拟和数字滤波器 1 butterd 函数 ButterWorth 滤波器阶数的选择 调用格式 n Wn butterd Wp Ws Rp Rs 在给定滤波器性能的情况下 通带临界频率 Wp 阻带临界频率 Ws 通带内最大衰减 Rp 和阻带内最 小衰减 Rs 计算 ButterWorth 滤波器的阶数 n 和截止频率 Wn 相同参数条件下的模拟滤波器则调用格式为 n Wn butterd Wp Ws Rp Rs s 2 butter 函数 ButterWorth 滤波器设计 调用格式 b a butter n Wn 根据阶数 n 和截止频率 Wn 计算 ButterWorth 滤波器分子分母 系数 b 为分子系数的矢量形式 a 为分母系数的矢量形式 相同参数条件下的模拟滤波器则调用格式为 b a butter n Wn s 例 采样频率为 1Hz 通带临界频率 f p 0 2Hz 通带内衰减小于 1dB 1 阻带临界频率 f s 0 3Hz 阻带内衰减大于 25dB s 25 设计一个数字滤波器满足以上 参数 n Wn buttord 0 2 0 3 1 25 b a butter n Wn freqz b a 512 1 4 4 ChebyshevChebyshev 模拟和数字滤波器模拟和数字滤波器 1 cheb1ord 函数 Chebyshev 型 滤波器阶数计算 辽宁科技大学 29 调用格式 n Wn cheb1ord Wp Ws Rp Rs 在给定滤波器性能的情况下 通带临界频率 Wp 阻带临界频率 Ws 通带内波纹 Rp 和阻带内衰减 Rs 选择 Chebyshev 型滤波器的最小阶 n 和截止频率 Wn 2 cheby1 函数 Chebyshev 型滤波器设计 调用格式 b a butter n Rp Wn 根据阶数 n 通带内波纹 Rp 和截止 频率 Wn 计算 ButterWorth 滤波器分子分母系数 b 为分子系数的矢量 形式 a 为分母系数的矢量形式 注 Chebyshev 型滤波器所用函数和 型类似 分别是 cheb2ord cheby2 例 实现上例中的滤波器 n Wn cheb1ord 0 2 0 3 1 25 b a cheby1 n 1 Wn freqz b a 512 1 三 练习三 练习 采样频率为 1Hz 通带临界频率 fp 0 2Hz 通带内衰减小于 1dB 1 阻带临界频率 fs 0 3Hz 阻带内衰减大于 25dB s 25 设计一 个数字滤波器满足以上参数 要求用两种方法以上 辽宁科技大学 30 实验八 通信系统调制技术的仿真实验实验八 通信系统调制技术的仿真实验 一 一 实验目的 实验目的 1 掌握模拟调制和数字调制随着输入信号的变化而相应地发生变化的调 制方式 2 熟悉 SIMULINK 中通信系统的各个模块的功能以及参数设置 3 掌握模拟调制和数字调制的几种方式 二 二 实验内容 实验内容 1 上图来自 toolbox commblks commblks commlibv2 双击 MATLAB 指令 窗上面的 SIMULINK 工具条 再双击 Communications Blockset 也可以看 到上面的模块 它们包括了通信系统中所需要的 也是通信原理教科书上 介绍的功能模块 Comm Sources 信源 Comm Sinks 信宿 Source Coding 信源编码 Error Detection and Correction 检错与纠错 Interleaving 交织 Modulation 调制 Channels 传输信道 RF Impairments 射频损耗 Syncronization 同步 等 2 幅度调制 双边带幅度调制包括双边带基带幅度调制和双边带频带幅度调制 假 设双边带幅度调制地输入信号是 u t 输出信号是 y t 则在 MATLAB 中 对于双边带基带幅度调制 y t 是个复信号 且 而对于双边带频带幅度调制 y t 是个实信号 j ektuty 且 y t u t k cos 2 fc 双边带基带幅度调制器实现基带模拟信号的双边带幅度调制 双边带 基带幅度调制器的输入信号是实数形式的标量信号 输出信号则是复数形 式的信号 双边带幅度调制器模块及其参数设置对话框如下图所示 假设 辽宁科技大学 31 双边带基带幅度调制器的输入信号是 u t 则输出信号等于 y t u t k ej 其中 k 表示输入信号偏移 它对应于参数 Input signal offset 表示初始相位 它对于参数 Initial phase rad 双边带基带幅度调制器主要有以下几个参数 Input signal offset 输入信号偏移 输入信号偏移 k 本参数应该大于或等于输入信号最小值的绝对值 Initial phase rad 初始相位 本参数表示双边带基带幅度调制信号的初始相位 Sample time 抽样时间 双边带基带幅度解调器输出的解调信号 的抽样间隔 双边带频带幅度调制器 DSB AM Modulator Passband 对输入的模 拟信号 实施双边带幅度调制 产生频带幅度调制信号 双边带频带幅度调制器的 输入信号和输出信号都是抽样形式的实信号 双边带频带幅度调制器模块 及其参数设置对话框如下图 假设双边带频带幅度调制的输入信号是 u t 输出信号是 y t 则 y t u t k cos 2 fc 其中 k 是输入信号偏移 fc是 载波频率 是初始相位 双边带幅度调制器主要有一下几个参数 Input signal offset 输入信号偏移 输入信号偏移 k 本参数 辽宁科技大学 32 应该大于或等于输入信号最小值的绝对值 Carrier frequency HZ 载波频率 双边带频带幅度调制信号 的载波频率 Initial phase rad 初始相位 本参数表示双边带频带幅度调 制信号的初始相位 单位是弧度 3 频率调制 基带频率调制器 FM Modulator Baseband 对输入的实信号实施频 率调制 产生的复数形式的输出信号 假设输入信号为 u t 输出信号 为 y t 则输出信号 y t 的频率随着输入信号 u t 的幅度的变化 而变化 基带频率调制器模块及其参数设置对话框如下图所示 基带频率调制器模块的主要有