计算机仿真技术――基于MATLAB的电子信息类课程

MATLAB语言具有使用方便、输入简捷及编程效率高等特点，在国内已广泛应用于教学与科研。本书结合电子信息类课程的教学特点，系统地介绍MATLAB语言在高等数学、信号与系统、数字信号处理、自动控制原理、数字通信、电路和电子线路等课程中的应用。全书共8章，第1、2章为基础部分，主要介绍MATLAB语言的工作环境、基本语法和基本计算功能及图形功能等内容；第3章着重介绍MATLAB在高等数学中的应用，主要涉及矩阵分析、函数分析、数值积分等内容；第4、5、6章详细讨论MATLAB在信号处理、自动控制及数字通信领域中的应用；第7章着重介绍Simulink的应用；第8章介绍MATLAB在电路及电子线路等课程中的应用。本书内容丰富，针对性强，仿真实例多，易于学习。可作为高等学校电子信息类课程的教材或教学参考书，也可供电子信息领域的科技工作者或其他读者自学参考。

唐向宏，杭州电子科技大学教授、通信工程学院院长，主要从事通信领域的教学科研工作。编写教材《计算机仿真技术――基于MATLAB的电子信息类课程》。

目 录

第1章 MATLAB语言概述 1
1．1 MATLAB语言及特点 1
1．2 MATLAB的工作环境 2
1．2．1 MATLAB系统的安装 2
1．2．2 MATLAB系统的启动 2
1．2．3 MATLAB的命令窗口 3
1．2．4 工作空间窗口 6
1．2．5 命令历史窗口与当前路径窗口 6
1．2．6 图形窗窗口 8
1．2．7 文本编辑窗窗口 8
1．3 MATLAB的基本操作命令 10
第2章 MATLAB的基本语法 14
2．1 变量及其赋值 14
2．1．1 标识符与数据格式 14
2．1．2 矩阵及其元素的赋值 14
2．2 运算符与数学表达 19
2．2．1 算术运算符 19
2．2．2 关系操作符 21
2．2．3 逻辑运算符 21
2．2．4 其他逻辑函数 22
2．2．5 数学表达式的MATLAB语言描述 22
2．3 控制流 23
2．3．1 if语句 23
2．3．2 switch语句 24
2．3．3 while语句 25
2．3．4 for语句 26
2．4 数据的输入/输出及文件的读/写 27
2．4．1 交互输入/输出命令 28
2．4．2 文件输入/输出命令与函数 30
2．5 基本数学函数 38
2．5．1 三角函数 38
2．5．2 指数、对数、幂运算 41
2．5．3 复数的基本运算 42
2．5．4 数据的取舍与保留 42
2．6 基本绘图方法 43
2．6．1 图形窗口的控制 44
2．6．2 二维图形的绘制 44
2．6．3 多条曲线的绘制 52
2．6．4 复数的绘图 54
2．6．5 三维曲线和曲面 54
2．6．6 图形窗口的编辑功能 61
2．7 M文件及程序调试 63
2．7．1 M文件的结构 64
2．7．2 局部变量与全局变量 67
2．7．3 程序的调试 69
第3章 MATLAB在高等数学中的应用 71
3．1 矩阵分析 71
3．2 多项式运算 81
3．2．1 多项式表示及其四则运算 81
3．2．2 多项式求导、求根和求值 83
3．2．3 多项式拟合与多项式插值 86
3．3 数据分析与统计 91
3．3．1 数据基本操作 91
3．3．2 协方差与相关系数 94
3．3．3 有限差分 96
3．4 函数分析与数值积分 97
3．4．1 函数在MATLAB中的表示与函数的
绘图 98
3．4．2 函数的极点、零点分析 100
3．4．3 函数的数值积分与微分 102
3．4．4 常微分方程的数值求解 106
第4章 MATLAB在信号处理中的
应用 114
4．1 信号及其表示 114
4．1．1 连续时间信号的表示 114
4．1．2 工具箱中的信号产生函数 114
4．1．3 离散时间信号的表示 119
4．1．4 几种常用离散时间信号的表示 119
4．2 信号的基本运算 120
4．2．1 信号的相加与相乘 120
4．2．2 序列移位与周期延拓运算 121
4．2．3 序列翻褶与序列累加运算 122
4．2．4 两序列的卷积运算 123
4．2．5 两序列的相关运算 123
4．3 信号的能量和功率 124
4．4 线性时不变系统 125
4．4．1 系统的描述 125
4．4．2 系统模型的转换函数 127
4．4．3 系统互连与系统结构 129
4．5 线性时不变系统的响应 133
4．5．1 线性时不变系统的时域响应 133
4．5．2 LTI系统的单位冲激响应 137
4．5．3 时域响应的其他函数 139
4．6 线性时不变系统的频率响应 141
4．7 傅里叶变换 143
4．7．1 连续时间、连续频率――傅里叶
变换（FT） 143
4．7．2 连续时间、离散频率――傅里叶
级数（FS） 144
4．7．3 离散时间、连续频率――序列傅里叶
变换（DTFT） 144
4．7．4 离散时间、离散频率――离散傅里叶
级数（DFS） 145
4．7．5 离散时间、离散频率――离散傅里叶
变换（DFT） 146
4．8 IIR数字滤波器的设计方法 148
4．8．1 冲激响应不变法 149
4．8．2 双线性变换法 150
4．8．3 IIR数字滤波器的频率变换
设计法 151
4．9 FIR数字滤波器设计 155
4．9．1 窗函数设计法 155
4．9．2 频率采样法 158
4．9．3 MATLAB的其他相关函数 161
4．10 多采样率信号处理 166
4．10．1 抽取 166
4．10．2 内插 166
4．10．3 有理数倍采样率转换 166
4．11 离散信号处理系统设计分析
实例 171
4．11．1 双音拨号信号的频谱分析 171
4．11．2 去噪处理 173
4．11．3 多采样率频谱分析 174
第5章 MATLAB在自动控制原理中的
应用 180
5．1 控制系统模型 180
5．1．1 控制系统的描述与LTI对象 180
5．1．2 LTI模型的建立及转换函数 181
5．1．3 LTI对象属性的设置与转换 184
5．1．4 典型系统的生成 187
5．1．5 LTI模型的简单组合与复杂模型
组合 189
5．1．6 连续系统与采样系统之间的转换 192
5．2 控制系统的时域分析 193
5．3 控制系统的根轨迹 198
5．4 控制系统的频域分析 203
5．5 系统的状态空间分析函数 208
5．5．1 系统可观性与可控性判别函数 208
5．5．2 系统相似变换函数 209
5．6 极点配置和观测器设置 211
5．7 最优控制系统设计 213
第6章 通信系统仿真 219
6．1 通信工具箱函数 219
6．2 信息的量度与编码 222
6．2．1 Huffman编码 222
6．2．2 MATLAB信源编/译码方法 224
6．3 差错控制编/译码方法 227
6．4 模拟调制与解调 230
6．4．1 带通模拟调制/解调 230
6．4．2 基带模拟调制/解调 243
6．5 数字调制与解调 246
6．5．1 带通数字调制/解调 247
6．5．2 基带数字调制/解调 250
6．6 通信系统的性能仿真 253
6．6．1 通信系统的误码率仿真 253
6．6．2 误码率仿真界面 256
6．6．3 眼图/散射图 258
6．7 扩频通信系统的性能仿真 260
6．7．1 直接序列扩频（DS-SS）系统 260
6．7．2 跳频扩频系统（FH-SS） 262
6．8 多采样率FDM系统设计与
仿真 266
第7章 Simulink的应用 275
7．1 Simulink工作平台的启动 275
7．2 Simulink仿真原理 275
7．3 Simulink模块库 277
7．3．1 连续模块库（Continuous） 277
7．3．2 离散模块库（Discrete） 278
7．3．3 函数与表格模块库
（Function ＆ Table） 279
7．3．4 数学模块库（Math） 280
7．3．5 非线性模块库（Nonlinear） 280
7．3．6 信号与系统模块库
（Signals ＆ Systems） 281
7．3．7 信号输出模块库（Sinks） 282
7．3．8 信号源模块库（Sources） 283
7．4 仿真模型的建立和模块参数及属性的
设置 283
7．4．1 仿真模块的建立 283
7．4．2 参数与属性的设置 284
7．4．3 Simulink仿真注意与技巧 290
7．5 其他应用模块集和Simulink
扩展库 293
7．6 其他应用模块及仿真实例 297
第8章 MATLAB在电子电路中的
应用 304
8．1 基本电气元件简介 304
8．2 MATLAB在电路及电子线路中的
计算与分析 306
8．2．1 在电路中的应用 306
8．2．2 在电子线路中的应用 315
8．3 基于Simulink的电路设计与
仿真 318
8．3．1 电子元件功能模块库简介 318
8．3．2 电路设计与仿真 324
参考文献 344

第4版前言

如何利用计算机来加深对所学知识的理解和掌握、运用所学的理论和方法进行仿真、解决在学习中所遇到的问题，这是电子信息类专业的学生特别关心的问题。MATLAB是一种面向科学与工程的计算软件，它将不同领域的计算以函数的形式提供给用户，并为用户提供一个计算仿真平台。用户在使用时，只需在此平台上调用这些函数并赋予实际参数就能解决实际问题。

本书作者结合多年从事电子类课程的教学经验，在吸取目前国内外许多优秀MATLAB教材的基础上，编写了本教材。本教材第1、2版的书名为《MATLAB及在电子信息类课程中的应用》，分别于2006年、2009年出版；第3版于2013年出版，并更名为《计算机仿真技术——基于MATLAB的电子信息类课程》。本书出版以来，承蒙广大师生的厚爱，先后被数十所院校选为教材。

这次的第4版在前三版的基础上，从MATLAB编程和Simulink仿真的角度，以工程应用为背景，增加了MATLAB的工程应用实践内容和工程仿真实例，使得教学内容更丰富，体系更完整，涉及的课程更多，应用面更广；同时，根据读者的要求，对教材中相关程序做了进一步的注释和说明，以便于读者对程序的理解和掌握。

本书主要涉及MATLAB在高等数学、信号与系统、数字信号处理、自动控制原理、数字通信等课程中的应用。全书共8章，第1章、第2章是MATLAB基础部分，主要介绍MATLAB语言的工作环境、基本语法和基本计算功能及图形功能、MATLAB的文件管理系统、M文件的编制与调试等内容；第3章着重介绍MATLAB在高等数学中的应用，主要涉及数据分析、矩阵分析、多项式运算、函数分析、数值积分等内容；第4章着重介绍MATLAB在信号处理领域中的应用，涉及信号与系统和数字信号处理两门课程，主要内容有信号表示、信号的基本运算、线性时不变系统（LTI）的时域响应和频域响应、傅里叶变换及滤波器的设计，以及多采样率信号处理等；第5章侧重介绍MATLAB在自动控制原理中的应用，主要涉及控制系统的描述、控制系统的时频域分析、控制系统的根轨迹、系统的优化设计等内容；第6章重点介绍MATLAB在通信中的应用，主要涉及信源编/译码、差错控制编/译码、模拟调制/解调、数字调制/解调、通信系统的性能仿真，以及多采样率FDM系统设计与仿真等内容；第7章重点介绍Simulink的使用，主要涉及Simulink工作平台的启动、仿真过程、模块库，以及仿真模型的建立和模块参数与属性的设置等内容，并介绍Simulink在微分方程、数字通信、自动控制等领域的仿真实例；第8章从MATLAB编程和Simulink仿真的角度，系统介绍MATLAB在电路及电子线路等课程中的应用。

在本书的编写中，我们力求理论联系实际，加强针对性和实用性，根据各门课程所涉及的相关理论、原理和方法，列举了大量仿真实例。希望通过这些程序的仿真，使读者把各门课程的概念真正连贯起来，融会贯通所学理论，帮助读者加深对课程的理解和所学知识的运用。

本书文字符号说明：按国家规范，变量用斜体，矩阵、矢量（向量）等用黑斜体表示，考虑到本书主要内容以MATLAB及其应用程序为主，为保持文字符号表示与程序中一致，本书中涉及MATLAB语言调用格式或程序中的变量符号统一用正体表示。

本书第1、2、7、8章由唐向宏编写，第3、4章由郑雪峰编写，第5、6章由岳恒立编写，全书由唐向宏统稿。

由于编者水平所限，不足之处在所难免，欢迎读者批评指正。

作者的E-mail：tangxh@hdu.edu.cn

编著者