Matlab实验指导书河北大学郑晓昆.doc

Matlab实验指导书河北大学电子信息工程学院2004年1月目 录MATLAB实验教学计划2实验一MATLAB基本操作.3实验二 MATLAB图形系统 .5实验三 MATLAB程序设计.6实验四 MATLAB基本应用领域.7实验五设计性综合实验1-数字信道编译码.14实验六设计性综合实验2-fir滤波器设计 .16MATLAB实验教学计划 指导教师：郑晓昆 薛文玲 王竹毅学时数：12学时 周4学时2次实验，共3周6次实验，第79教学周，每次实验2学时所用仪器设备：MATLAB7.0实验软件系统实验指导书：Matlab实验指导书 自编实验参考书：, 楼顺天等编著，西安电子科大出版社，06年5月第二版实验项目：A, MATLAB基本操作内容：矩阵操作，基本数学函数，逻辑函数操作等；要求：循序渐进完成P83练习题110B, MATLAB图形系统 内容：图形绘制，图形标注，对数和极坐标，坐标轴控制，颜色控制等要求：循序渐进完成P146练习题110C, MATLAB程序设计内容：脚本script和函数function认识，流程控制，参数交互输入，基本程序设计技巧练习，程序调试DEBUG等要求：循序渐进完成P184练习题110D, MATLAB基本应用领域内容：线性代数，多项式与内插，曲线拟合，数据分析与统计，泛函基础等要求：循序渐进完成P146练习题14，619E, 设计性综合实验-数字信道编译码内容：1数字通信系统信道编码AMI编译码 2数字通信系统信道编码HDB3编译码F,设计性综合实验-fir滤波器设计内容：设计一个由县冲击相应数字滤波器FIR是该滤波器能够滤出规定频率以上的信号，而该频率以下的信号不受影响。实验一 MATLAB基本操作一、 实验目的1 熟悉MATLAB的使用方法及特点；学会建立MATLAB搜索路径；熟悉MATLAB工作空间、MATLAB集成环境、命令窗口；掌握MATLAB的通用命令、管理命令和函数、管理变量和工作空间的使用方法；2 掌握MATLAB基本操作及矩阵基础知识，包括：输入矩阵、矩阵的转置、矩阵元素求和、矩阵下际、矩阵连接、矩阵行列删除、矩阵产生和操作、逻辑和关系运算、操作符和特殊字符、基本矩阵和矩阵操作、基本矩阵和阵列；掌握特殊变量和常数；掌握基本数学函数。二、实验内容1 利用基本矩阵产生3x3和15x8的单位阵，全1阵，全0阵，均匀分布的随机阵（-1，1之间），正态分布随机阵（方差4，均值1）2利用diag()函数和rot90()产生下列矩阵： 0 0 8 2 0 4 a= 0 -7 5 b= 0 5 0 2 3 0 7 0 8然后求解a阵的逆矩阵aa及b阵的特征值和对应特征向量，并利用reshape将aa阵变换成行向量。3 产生一均匀分布在(-5,5)随机阵(50x2)，精确到小数点后一位。 4编程实现当-，间隔为1o时，求解正弦和余弦的值，并利用plot()函数绘制正弦，余弦曲线。5利用rand函数产生(0,1)间均匀分布的10x10随机矩阵a,然后统计a中大于等于0.6的元素个数。 6利用randn函数产生均值为0，方差为1的10x10正态分布随机阵，然后统计其中大于-0.5，小于0.5的元素个数。7编程实现下表功能：a b b0.5a=1显示case 3显示error8有一矩阵a,找出矩阵中其值大于1的元素，并将他们重新排列成列向量b。9在一保定市区9月份平均气温变化测量矩阵temp_Baoding_sep中(48x30)，存在有奇异值（大于42o C，小于0o C）,编程实现删除奇异值所在的行。10在给定的100x100矩阵中，删除整行内容全为0的行，删除整列内容全为0的列。三、实验要求要求在实验前必须预习，将实验内容事先准备好，否则不允许上机。上机过程中由指导老师检查结果后方可做其他内容。每次实验结束后完成实验报告并在下次实验之前由学委统一交给指导教师。实验二 MATLAB图形系统一、实验目的和要求Matlab提供了强大的图形处理功能，本次实验旨在使学生熟悉和掌握应用Matlab实现二维图形和三维图形的绘制和控制与表现方法。二、 实验内容1，画出对数和指数函数曲线，并分别加上标题、轴标记和曲线说明。2，将图形窗口分为两格，分别绘制正割和余割函数曲线，并加上适当的标注。3，根据教材3.3节内容，循序渐进的绘制对数和极坐标系图形。4，根据教材3.4节内容，绘制多峰函数和三角函数的多条曲线。5，将图形窗口分为两个窗格分别绘制函数：y=2x+5 和 y=x2-3x+1 在-3，3区间上的曲线，并利用axis调整轴刻度，使他们具有相同的缩放尺寸。6，按图3.19的方式显示出autumn、bone、cool、hot、hsv、gray、等颜色条形图。7，有一位研究生，在一年中平均每月的费用为生活费190元，资料费33元，电话费45元，购买衣服42元，其他费用45元。请以一饼图表示出他每月的消费比例，并分离出表示资料费用的切片。8，参照图3.26和图3.27，画出下列函数的三维曲线和网格曲线： z=(x-2)2+(y-1.2)29,参照图3.28，画出下列函数的曲面及等高线： Z=x2+y2+sin (xy)10,参照图3.29、图3.30、图3.31画出各种大小和形状的球、柱体。 三、实验要求要求在实验前必须预习，将实验内容事先准备好，否则不允许上机。上机过程中由指导老师检查结果后方可做其他内容。每次实验结束后完成实验报告并在下次实验之前由学委统一交给指导教师。实验三 MATLAB程序设计一、 实验目的熟练掌握MATLAB的三种程序结构顺序结构、循环结构和分支结构。掌握并善于利用MATLAB的控制流语句命令。学会MATLAB的M文件的编写方法，包括命令文件和函数文件。掌握M文件的调试命令和调试方法。本章重点是掌握MATLAB的三种程序设计结构：顺序结构、循环结构和分支结构。难点是学习MATLAB语言的编程机巧。二、实验内容1， 编写M函数实现求一个数是否为素数，再编写一主程序（脚本文件），要求通过键盘输入一个整数，然后调用判断素数函数，从而确定它是否素数。2， 编写M函数统计一数值中零的个数，然后编写脚本文件，实现统计从12007中零的总个数。3， 编写程序计算x-3,3,字长0.01：4， p158 t65， p158 t86， p158 t97, 有n个人围成一圈，按顺序编号。从第1个人开始报数，数到m时该人退出，并且下一个从1重新开始报数。求出出圈人的顺序。三、实验要求要求在实验前必须预习，将实验内容事先准备好，否则不允许上机。上机过程中由指导老师检查结果后方可做其他内容。每次实验结束后完成实验报告并在下次实验之前由学委统一交给指导教师。实验四 MATLAB的应用一、 实验目的从工程教学的角度，详细并系统地学习MATLAB在高等数学、线性代数以及数据处理、数字信号处理等方面的应用，这一章是实验课最重要、最核心的部分。通过本实验的练习，应该重点掌握如下内容：能对矩阵作多种变换和运算，包括求解矩阵的特征值、特征向量和矩阵的对角化等，熟练掌握各类方程组的多种解法。在解方程的过程中，注意数组运算和符号运算之间的区别和联系。了解和掌握多项式的创建和基本运算，熟练掌握多项式的各种化简、提取和替换命令，掌握多项式因式分解和展开。初步掌握曲线拟合的方法，学会多项式拟合和非线性最小二乘估计。在插值和样条方面，要掌握一维插值、二维函数插值和样条函数插值的方法。熟练掌握一重和多重数值积分的命令，以及用多项式求导法求数值微分和用diff计算差分法求数值微分。熟练掌握本章中符号微积分应用的内容，包括符号自变量的确定、求函数的极限、对符号表达式（符号数组和多元向量函数）求导数和微分、符号积分、符号求和等，同时熟练掌握通过调用taylor命令求函数的泰勒级数展开式。熟练掌握各类常微分方程的各种求解方法和函数命令，包括数值解和符号解，了解MATLAB的ODE文件模板及其使用方法。熟练掌握数据分析函数的基础运算和有限差分，包括拉普拉斯微分算子、数值梯度、向量运算、协方差矩阵和相关阵；根据需要，熟练掌握傅立叶变换及其逆变换。二、实验内容理论课教材p222课后习题1-4、6-11、13-194. 设A=11.9 12.81 15.66;15.2 4.18 13.61;10.59 7.59 9.22 , B=16.00 4.41 -10.37 -21.61;0.88 -20.04 12.86 8.56;-1.43 10.71 18.81 5.99;-12.48 24.35 -23.9 10.34 分别求出这两个矩阵的LU和QR的分解。8. 将下列多项式进行因式分解，也即计算出多项式的根。（1）：p1(x)=x4-2*x3-3*x2+4*x+2 （2）：p2(x)=x4-7*x3+5*x2+31*x-30 （3）：p3(x)=x3-x2-25*x+25 （4）：p4(x)=-2*x5+3*x4+x3+5*x2+8*x12. 对函数y=10*exp(-|x|)取x-5,-4,-3,，3，4，5点的值作为粗值， 分别采用最邻近内插，线性内插，三次样条内插和三次曲线内插方法， 对-5,5内的点进行内插，比较其结果。16. 产生三个信号： x1sin(kt)+randn(size(t) x2cos(kt)+randn(size(t) x3sin(kt)+randn(size(t) 试计算x1与x2，x1与x3之间的相关系数，从中可得出什么结论? 如果信号不含正余弦信号分量，结论有如何？20.微分方程组 x1(t)=0.5-x1(t) x2(t)=x1(t)-4*x2(t) 当t0时,x1(0)=1,x2(0)=-0.5,求微分方程在t0,25上的解， 并画出x1x2的系统轨迹。三、实验要求要求在实验前必须预习，将实验内容事先准备好，否则不允许上机。上机过程中由指导老师检查结果后方可做其他内容。每次实验结束后完成实验报告并在下次实验之前由学委统一交给指导教师。四、部分参考答案4. % 设A=11.9 12.81 15.66;15.2 4.18 13.61;10.59 7.59 9.22 , % B=16.00 4.41 -10.37 -21.61;0.88 -20.04 12.86 8.56;-1.43 10.71 18.81 - 5.99;-12.48 24.35 -23.9 10.34 % 分别求出这两个矩阵的LU和QR的分解。 %程序如下： % A的LU分解 A=11.9 12.81 15.66;15.2 4.18 13.61;10.59 7.59 9.22 L,U=lu(A) % B的LU分解 B=16.00 4.41 -10.37 -21.61;0.88 -20.04 12.86 8.56;-1.43 10.71 18.81 -5.99; -12.48 24.35 -23.9 10.34 L,U=lu(B) % A的QR分解 A=11.9 12.81 15.66;15.2 4.18 13.61;10.59 7.59 9.22 Q,R=qr(A) % B的QR分解 B=16.00 4.41 -10.37 -21.61;0.88 -20.04 12.86 8.56;-1.43 10.71 18.81 -5.99; -12.48 24.35 -23.9 10.34 Q,R=qr(B)8. % 将下列多项式进行因式分解，也即计算出多项式的根。 % （1）：p1(x)=x4-2*x3-3*x2+4*x+2 % （2）：p2(x)=x4-7*x3+5*x2+31*x-30 % （3）：p3(x)=x3-x2-25*x+25 % （4）：p4(x)=-2*x5+3*x4+x3+5*x2+8*x %程序如下： p1=1 -2 -3 4 2; r1=roots(p1) p2=1 -7 5 31 -30; r2=roots(p2) p3=1 -1 -25 25; r3=roots(p3) p4=-2 3 1 5 8 0; r4=roots(p4)12.% 对函数y=10*exp(-|x|)取x-5,-4,-3,，3，4，5点的值作为粗值， % 分别采用最邻近内插，线性内插，三次样条内插和三次曲线内插方法， % 对-5,5内的点进行内插，比较其结果。 % 程序如下： %产生低分辨率峰值函数 x,y=meshgrid(-5:1:5); z=peaks(x,y); %定义内差点 xi,yi=meshgrid(-5:0.25:5); %利用四种方法进行内插 %最邻近内插 zi1=interp2(x,y,z,xi,yi,nearest); %线性内插 zi2=interp2(x,y,z,xi,yi,linear); %三次样条内插 zi3=interp2(x,y,z,xi,yi,spline); %三次曲线内插 zi4=interp2(x,y,z,xi,yi,cubic); %绘出曲面图进行比较 figure(1) subplot(2,3,1) surf(x,y,z),title(原始数据曲线) subplot(2,3,2) surf(xi,yi,zi1),title(最邻近内插) subplot(2,3,3) surf(xi,yi,zi2),title(线性内插) subplot(2,3,4) surf(xi,yi,zi3),title(三次样条内插) subplot(2,3,5) surf(xi,yi,zi4),title(三次曲线内插) %绘制轮廓图进行比较 figure(2) subplot(2,3,1) contour(x,y,z),title(原始数据曲线) subplot(2,3,2) contour(xi,yi,zi1),title(最邻近内插) subplot(2,3,3) contour(xi,yi,zi2),title(线性内插) subplot(2,3,4) contour(xi,yi,zi3),title(三次样条内插) subplot(2,3,5) contour(xi,yi,zi4),title(三次曲线内插)16.% 产生三个信号： % x1sin(kt)+randn(size(t) % x2cos(kt)+randn(size(t) % x3sin(kt)+randn(size(t) % 试计算x1与x2，x1与x3之间的相关系数，从中可得出什么结论? % 如果信号不含正余弦信号分量，结论有如何？ %程序如下： x0=2*pi*20; t=0:1/119:1; x1=sin(x0*t)+randn(size(t); x2=cos(x0*t)+randn(size(t); x3=sin(x0*t)+randn(size(t); y1=corrcoef(x1,x2) y2=corrcoef(x1,x3) %该程序尚未完成20.微分方程组 % x1(t)=0.5-x1(t) % x2(t)=x1(t)-4*x2(t) % 当t0时,x1(0)=1,x2(0)=-0.5,求微分方程在t0,25上的解， % 并画出x1x2的系统轨迹。 %程序如下： %含有参变量函数 X0=1;-0.5; tspan=0,25; T,X=ode45(char5_200,tspan,X0); figure(1) subplot(2,1,1),plot(T,X(:,1),r),title(x_1),grid on subplot(2,1,2),plot(T,X(:,2),k),title(x_2),grid on figure(2) plot(X(:,1),X(:,2),title(系统轨迹),grid on xlabel(X_1),ylabel(x_2) %该程序尚未完成 % 微分方程组 % x1(t)=0.5-x1(t) % x2(t)=x1(t)-4*x2(t) % 当t0时,x1(0)=1,x2(0)=-0.5,求微分方程在t0,25上的解， % 并画出x1x2的系统轨迹。 %程序如下： function dy=char5_200(t,y) dy=0.5-y(1);y(1)-4*y(2);实验五 数字通信信道编译码一、 实验目的在前面熟悉matlab语言编程的基础上，接触学习matlab在电子通信领域的应用，特别是matlab语言在信道编译码算法仿真方面的强大优势二、实验内容1数字通信系统信道编码AMI编译码（一）编码规则消息代码中的0 传输码中的0 消息代码中的1 传输码中的+1、-1交替 例如: 消息代码:1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 AMI码: +1 0 -1 0 +1 0 0 0 -1 0 +1 -1 +1 （二）AMI码的特点: 由AMI码确定的基带信号中正负脉冲交替，而0电位保持不变;所以由AMI码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量; 不易提取定时信号，由于它可能出现长的连0串。 （三）解码规则 从收到的符号序列中将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码 2数字通信系统信道编码HDB3编译码HDB3码即三阶高密度双极性码。 （一）编码规则:1， 先将消息代码变换成AMI码，若AMI码中连0的个数小于4,此时的AMI码就是HDB3码;2， 若AMI码中连0的个数大于4,则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号(+1或-1)同极性的符号,用表示(+1+,-1-);3，为了不破坏极性交替反转，当相邻V符号之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0变换成B或-B,B符号的极性与前一非符号的相反，并让后面的非零符号从V符号开始再交替变化。相邻的 v 和 v 之间要不同极性而v总和前面的非0同极性 包括B所以很好找到v（破坏点）例如: 消息代码:1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1AMI码: +1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 +1 -1HDB3码：+1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 +B 0 0 +V -1 +1二、HDB3码的特点:1， 由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量;2， HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。3， 编码规则复杂，但译码较简单。三、解码规则1，从收到的符号序列中找到破坏极性交替的点，可以断定符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连码;（先把特殊规律解决，再解决非特殊规