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MATLAB及在电子信息课程中的应用（第4版）

作译者：陈怀琛,吴大正,高西全

出版时间：2013-08 千字数：578 版次：01-01 页数：340

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121209826

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第1部分  语  言  篇
第1章  MATLAB语言概述	2
1.1  MATLAB语言的发展	2
1.2  MATLAB语言的特点	2
1.3  MATLAB的工作环境	3
1.3.1  命令窗	4
1.3.2  图形窗	6
1.3.3  文本编辑窗	6
1.4  演示程序	7
第2章  基本语法	9
2.1  变量及其赋值	9
2.1.1  标识符与数	9
2.1.2  矩阵及其元素的赋值	9
2.1.3  复数	11
2.1.4  变量检查	11
2.1.5  基本赋值矩阵	13
2.2  矩阵的初等运算	14
2.2.1  矩阵的加减乘法	14
2.2.2  矩阵除法及线性方程组的解	15
2.2.3  矩阵的乘方和幂次函数	17
2.2.4  矩阵结构形式的提取与变换	18
2.3  元素群运算	19
2.3.1  数组及其赋值	19
2.3.2  元素群的四则运算和幂次运算	20
2.3.3  元素群的函数	21
2.4  逻辑判断及流程控制	22
2.4.1  关系运算	22
2.4.2  逻辑运算	24
2.4.3  流程控制语句	25
2.5  基本绘图方法	28
2.5.1  直角坐标中的两维曲线	28
2.5.2  线型、点型和颜色	29
2.5.3  多条曲线的绘制	29
2.5.4  屏幕控制和其他二维绘图	31
2.5.5  三维曲线和曲面	34
2.5.6  特殊图形和动画	37
2.5.7  彩色、光照和图像	38
2.5.8  低层图形屏幕控制功能	40
2.6  M文件及程序调试	42
2.6.1  主程序文件	42
2.6.2  人机交互命令	44
2.6.3  函数文件	45
2.6.4  文件编辑器及程序调试	46
第3章  MATLAB的开发环境和工具	47
3.1  MATLAB与其他软件的接口关系	47
3.1.1  与磁盘操作系统的接口关系	47
3.1.2  与文字处理系统Winword的关系	49
3.1.3  图形文件的转储	50
3.1.4  低层输入输出函数库	50
3.1.5  与C和FORTRAN子程序的动态链接	52
3.2  MATLAB的文件管理系统	53
3.2.1  安装后的MATLAB文件管理系统	53
3.2.2  MATLAB自身的用户文件格式	53
3.2.3  文件管理和搜索路径	53
3.2.4  与目录和搜索有关的命令	54
3.2.5  搜索顺序	55
3.3  MATLAB的开发环境	55
3.3.1  桌面系统的内容	55
3.3.2  桌面命令菜单简介	56
3.3.3  MATLAB的用户界面	56
第4章  MATLAB的其他函数库	58
4.1  数据分析函数库（datafun函数库）	58
4.1.1  基本的数据分析	58
4.1.2  用于场论的数据分析函数	60
4.1.3  用于随机数据分析的函数	60
4.1.4  用于相关分析和傅里叶分析的函数	61
4.2  矩阵的分解与变换（matfun函数库）	62
4.2.1  线性方程组的系数矩阵	62
4.2.2  矩阵的分解	63
4.2.3  矩阵的特征值分析3	65
4.2.4  特殊矩阵库（specmat）	66
4.3  多项式函数库（polyfun）	66
4.3.1  多项式的四则运算3	67
4.3.2  多项式求导、求根和求值	68
4.3.3  多项式拟合	69
4.3.4  多项式插值	70
4.3.5  线性微分方程的解（residue）	71
4.4  函数功能和数值积分函数库（funfun）	72
4.4.1  函数功能和数值积分函数库的主要子程序	72
4.4.2  非线性函数的分析	73
4.4.3  任意函数的数值积分	75
4.5  字符串函数库（strfun）	76
4.5.1  字符串的赋值	77
4.5.2  字符串语句的执行	78
4.5.3  字符串输入输出	78
4.6  稀疏矩阵函数库（sparfun）	79
4.7  图形界面函数库（Guitools）	80
4.8  数据类型函数库（datatypes）	81
4.8.1  结构阵列	82
4.8.2  单元阵列	82
4.8.3  类和对象	84
习题	86
第2部分  应  用  篇
第5章  MATLAB在电路中的应用	90
5.1  电阻电路	90
5.2  动态电路	96
5.3  正弦稳态电路	103
5.4  频率响应	111
5.5  二端口电路	116
5.5.1  Z，Y，H，G，A，B六种参数间关系的MATLAB语句	117
5.5.2  网络函数及其MATLAB语句	117
5.6  用MATLAB图解几个电路概念	123
习题	127
第6章  MATLAB在信号与系统中的应用	132
6.1  连续信号和系统	132
6.2  傅里叶分析	141
6.3  离散信号和系统	150
6.4  线性时不变系统的模型	155
6.4.1  模型的典型表达式	155
6.4.2  模型转换	157
6.5  频谱概念的MATLAB图释	170
习题	174
第7章  MATLAB在数字信号处理中的应用	180
7.1  时域离散信号的产生及时域处理	180
7.2  z变换和傅里叶变换	189
7.3  离散傅里叶变换（DFT）	205
7.4  数字滤波器结构	216
7.5  FIR数字滤波器设计	226
7.6  IIR数字滤波器设计	233
7.7  频率、角频率和数字频率	243
7.7.1  频率	243
7.7.2  角频率	243
7.7.3  序列信号的频率——数字频率	244
习题	245
第8章  MATLAB在自动控制原理中的应用	249
8.1  控制工具箱中的LTI对象	250
8.1.1  LTI对象的类型和属性	250
8.1.2  LTI模型的建立	251
8.1.3  对象属性的获取和修改	254
8.1.4  LTI模型的简单组合和运算符扩展	257
8.1.5  复杂模型的组合	261
8.1.6  连续系统和采样系统之间的变换	263
8.1.7  典型系统的生成	265
8.2  动态特性和时域分析函数	276
8.3  系统的频域分析函数	289
8.4  系统的状态空间分析函数	295
8.5  系统的状态空间法设计函数	300
8.5.1  线性平方调节器问题	301
8.5.2  线性平方估计器问题	301
习题	308
第9章  MATLAB工具箱简介	312
9.1  符号数学（Symbolic Math）工具箱简介	312
9.1.1  Symbolic工具箱的主要功能	313
9.1.2  符号数学式的基本表示方法	313
9.2  系统仿真（Simulink）工具箱简介	315
9.2.1  概述	315
9.2.2  环节库及框图的建立	316
9.2.3  仿真方法和参数的设定	317
9.2.4  仿真的运行	317
9.2.5  Simulink的子系统屏蔽（Masking）功能	318
9.2.6  Simulink内部工作过程简介	319
9.2.7  Simulink应用范围的扩展	319
9.3  以matlab为基础的工具箱简介	320
9.4  以Simulink为基础的模块工具箱简介	321
9.4.1  电力系统（Powersys）模块工具箱简介	321
9.4.2  数字信号处理（DSP Blocks）模块工具箱简介	321
9.4.3  定点处理（Fix-Point Blocks）模块工具箱简介	322
9.4.4  通信系统（Comm）模块工具箱简介	323
附录  全书例题索引	325
参考文献	327

第4版序言


从本书开始发行至今的十多年间，在大学工科中教学生用计算机软件工具来解决课程中的问题，已得到愈来愈广泛的认同。其中最有意义的一件事，就是由教育部教育部高教司于2009年1月启动并组织几十个大学实施了两年的“用信息技术工具改造课程”教改项目。尤其是其中的“用MATLAB和建模实践改造工科线性代数课程”子项，使得线性代数不再是专门训练抽象思维的课程，而真正成为能解决后续工程课中数学问题的强有力的工具。因为这个改革在大一就实施，而且在全部新生中普及，使得所有的学生从入学第一年就懂得了MATLAB初步，对数学软件产生极大的兴趣，为在后续课程中的应用开辟了道路。本书所涉及的电路、信号与系统、数字信号处理和自动控制原理四门课程都可以直接受益。
近些年来，我发现在本书所涉及的四门课程的教育中，存在着两个薄弱的领域，很多教师和教材都没有搞得很清楚，我曾多次发表文章[1,2,3]进行呼吁。而这两方面的问题，都可以借助于MATLAB做形象生动的说明。这次对本书第3版的修订，也就着重讨论以下两个问题。
一是复信号和负频率的概念；最早遇到负频率的课程是信号与系统，因为傅里叶变换和频谱是课程的核心，频谱的横轴是从-∞到+∞，负频率是明显存在的，问题是如何解释？大多数的书都回避了这个问题，有些回避的方法是不对的，例如说“负频率仅仅是数学概念，没有任何物理意义”。其实负频率的概念是通过旋转相量 与复信号紧密联系的，不懂负频率，也就不懂复信号。在有些教材中，甚至用信号的“实值性”来否定复信号。因为自然界中没有带着虚数j的物理量，所以就不承认复信号，这太天真了！复信号是二维的信号，如位移、电场、……等，其两路信号在空间上正交、时间（相位）上协调，共同完成单路信号无法实现的任务（例如产生旋转磁场），对其综合效果的分析必须借助于复数，所以，推理时把一路信号乘以j。哪里有天然带j的信号？在电类专业先修的电路和电机课中就遇到过复信号，可惜许多人不认得。2007年我发现这个问题时，本书第3版刚出，我就把该书的附录B改写成了一篇文章“关于负频率的探讨”，这对老师比较合适，对学生而言可能偏难。这次修订中，我把这个问题分散配置，在电路中讲复信号如何形成旋转电磁场，在信号与系统中讲傅里叶反变换求复信号的动画仿真，在信号处理中对数字频率进行阐述，也许更易于被学生接受。
二是复杂系统的矩阵建模求解的方法；在信号与系统课程中，难题之一是复杂信号流图的求解，过去的书上都是不加证明地给出所谓“梅森公式”。但这个公式很陈旧很繁。超过三阶就更难用，现在很多书就干脆不讲了，这不是科学的办法，学生毕业后遇到大量的这类问题，还是不会解。到了数字信号处理课，求复杂滤波器的系统函数又遇到这个拦路虎；到自动控制原理中的复杂系统结构图变换，又是使师生头痛的一个难点。其实归根到底，这三个难题是有共性的，都是高阶线性代数方程组求解，都可以把它们归结为矩阵方程，用MATLAB可轻而易举地予以解决。这个方法是我在2002年发现的，以后在多次学术会议和杂志上宣传，在本教材的前几版中，也有这方面的例题。不过好像普及得还很不够，许多教师都还不知道。因此在本书此次再版中，增加了几个例题，以强化读者对此方法的理解。
第4版修订后的例题程序集名为dsk02v4，比前几版只增加了十来个程序。有关本书的程序集和教案等，读者可以从博文视点公司的网站http://www.broadview.com.cn/xxxxx上下载，也可访问我的主页网址http://chen.matlabedu.cn 上找到并下载。我的电子邮址是hchchen1934@vip.163.com，读者若发现书中错误或有建议，可用电子邮件与我联系。

陈怀琛
2013-5-10于西安电子科大

第3版说明


本书的前两版销量已达四万册。第1版出版于2002年1月。18个月以后，根据读者的要求，做了两方面的修订：一是跟随MATLAB升级，使语言篇能适应新版本的界面；二是为各章增加了习题，这些习题比相应教材上的习题更适合用MATLAB计算。第2版于2003年7月问世。至今，已经有两年半了，广大读者对本书的反映非常热烈。不少学校选择本书作为开设“MATLAB语言及其应用”课程的教材，很多老师给作者写信要求提供本书的程序集。为了满足广大读者的要求，2004年10月，电子工业出版社博文视点公司的网站，为作者多本著作的程序集开设了下载区域：http:www.broadview.com.cn中的“资源下载”区，至今一年多来，已经有数千读者的点击下载。
这次改版为第3版，主要为了适应如下的变化：
自本书第2版出版以来，MATLAB已由6.x版本升级至7.x。虽然它的基本语法没有改变，对应用程序几乎不发生影响，但是本书的“语言篇”，特别是MATLAB的运行界面有了变化。第3版中语言篇的改动主要就是以MATLAB 7.x的界面取代第2版中的MATLAB 6.x的界面，这些改动较集中地反映在第1章和第3章中。
另外，近两年来，作者出版了两本新书《数字信号处理教程——MATLAB释义与实现》[18]。和《线性代数实践与MATLAB入门》[19]。其中加入了作者的新研究成果，即用矩阵方法自动推导任意复杂滤波器的系统函数。因为这个方法具有普遍意义，可以作为MATLAB及线性代数应用于信号处理的一个强有力的例证。因此，在本书“应用篇”的第7章中，我们增加了一个例题7.24——正余弦产生器系统函数的计算机推导。
根据读者提供的反馈意见，本版改正了一些第2版中的文字或印刷错误。有一些教师要求提供讲课课件，由于例题中的程序部分已经有了电子版的程序集，程序文本及其运行结果都是教师能够用MATLAB显示、并通过计算机在课堂上投影演示的，比做幻灯片更好、对学生学习更有指导意义，所以我们一直没有做。须要做的可能是把建模部分的内容电子化。在第3版出版之际，我们将尽力满足读者的要求，为读者编写例题的题图、建模和公式推导的幻灯片，供读者免费使用。但此项工作很费时间，产生的文件也会比较大，不便下载，只能用电子邮件发送。‘有求必应’怕应接不暇，故必须由单位证明是上课使用的，在2006年春季开学时争取完成。届时我们将在博文视点公司的下载区给出赠送办法的通知，请读者注意。 
电子工业出版社刚为作者的几本书开辟了“MATLAB共享空间”博客论坛，其网址为：http://www.blogcn.com/user79/chenhuaichen/index.html，读者也可从此论坛与作者交流。
我们也重新制作了“语言篇”的《MATLAB入门》光盘。现在是两张CD-ROM，可以播放四个小时，售价100元，需要者可直接与作者联系。作者非常欢迎对本书的批评和建议，可以给电子工业出版社提出，也可直接向本人提出。本人的电话：029-88202988，电子邮件：hchchen@xidian.edu.cn。通邮地址：（710071）西安电子科技大学334信箱。
作  者        
2006年1月于西安电子科大
第1版前言


21世纪将以科学技术的高速发展为其特征，中华民族在国际大家庭中的地位将取决于我国的综合国力，高速度高质量地培养千千万万掌握高技术的人才，是其中一个十分重要的任务。要做到这一点，就必须努力地吸取世界上一切优秀的教育思想、教学手段，并创造性地应用于我们的教学事业。
在20世纪的最后20年中，计算机已经被成功地应用于工程设计和制造业中，在发达国家中其普及率已经超过了90%，它成十倍地提高了劳动生产率，创造了空前巨大的物质文明；它把任何创新的思想转化为市场的商品时间缩短到了惊人的程度，新产品的种类淘汰之快都是20年前无法想像的。国际互联网的广泛应用加快了产业全球化的进程。在这个极具挑战的时代中，把计算机充分运用到教学及工程计算过程中，显然具有重要的意义。
我们知道，计算尺发明于1630年，在大学中计算尺已被使用了300多年，大约在1970年左右被计算器完全代替；现在计算器在大学里已经使用了30年，它被计算机所代替已是历史的必然。教学工具的每一次更新都大大地提高了教育的效率。因此，自觉地而不是被动地加快计算机代替计算器的进程，将对大学教学效率的提高起到重要的作用。
在发达国家中，大学师生都能无限制地使用计算机，目前正在向中学和小学普及。而在我国，只在理工科的研究生中已经普及，在大学本科生中普及率，各个学校差别很大。就大多数学校而言，低年级师生使用计算机的时间还受到各种条件的限制。但随着计算机价格的不断下降和国家对教育投入的加大，学校装备的和学生个人购买的计算机也越来越多，因此在几年之内，大学生自由地使用计算机设备将能够实现。在大学本科课程中普遍使用计算机的瓶颈将是软件。即使在目前，拥有计算机的老师和学生也未必知道如何用计算机来帮助他们进行课程教学，因此要从现在起做好准备。
为了把计算机更好地用于大学的课程教育和科学研究，从20世纪80年代开始，出现了多种科学计算语言，也称为数学软件。经过十多年的发展和竞争，已经商品化的有Matlab，Matrix，Maple，Mathmatica，MathCAD等。它们的功能大同小异，又各有千秋。就易学性和普及性而言，首推MATLAB语言。
要想在大学本科的学习过程中使用计算机，那就应该从大学一年级开始，学会使用一种计算语言，并且在以后的各门课中不断地使用。作者的前一本书《MATLAB语言及其在理工课程中的应用指南》（西安电子科技大学出版社2000年1月出版），对MATLAB在高等数学、普通物理、力学、机械和电工等十多门课程中的应用实例作了介绍，该书受到了读者的广泛好评，同时一些读者也提出了一些建设性的建议。
有不少学校的大学生要到二年级才开始学习MATLAB语言，特别是一些电子信息专业的学生，他们在后续课程中需要更深入地应用它，因此他们希望为二年级以后的电子信息专业的学生专门写一本书。因此，作者在电子工业出版社的支持下，写成了这本《MATLAB及在电子信息课程中的应用》。
这本书是按照以下的指导思想来组织的：
（1）以电路、信号和系统、数字信号处理和自动控制原理4门主课为目标，作为这些课程的伴侣书。晶体管模拟电路和数字电路虽然也是主课，但有专门的软件来辅助分析，因此本书不作介绍。
（2）作为教学辅导书，本书不作理论推导，而是直接利用教材上的现成结论。重点讨论如何利用这些结论和MATLAB编程来解决实际问题，通过数字结果来加深对理论的理解。
（3）本书自成体系，同时避免各门课程的局限性。由于种种原因，目前各门课程之间往往存在一些重叠，各校对课程范围的划分也不尽相同，本书尽量避免这些不必要的矛盾。比如学习控制理论的时候，关于线性系统求解问题就不再介绍，只要查看信号与系统的有关内容就行了。这样做虽然有些不便，但可以使读者把各门课程的概念真正连贯起来，使之融会贯通，有利于对课程的理解和深化。
（4）MATLAB语言的内容极为丰富，它的各种函数都与数学领域有关，低年级学生不可能一下子全部掌握它，但也不能等学完了所有的数学课程再来使用它，所以正确的做法是先学一些入门知识，以后随着数学水平的提高，随时进行相关函数的学习。在MATLAB中还有许多工具箱，它们是用MATLAB基本语句编成的子程序集。应用工具箱可以更进一步简化编程，甚至给很复杂的问题提供傻瓜照相式的解决办法。本书中采用的原则如下：
	用最低限度的时间为低年级同学作入门教学，这反映在本书语言篇的大字部分。小字部分可以后再看。
	在第5，6两章中，完全采用MATLAB的基本（即matlab子目录下的）命令集，不用工具箱。使读者懂得如何使用基本命令来进行编程。
	在第7，8两章中，随着问题的深化，不用工具箱已经不利于学生的思维，因此就介绍了信号处理工具箱和控制工具箱。其实MATLAB的学生版已包括这两个工具箱以及符号数学工具箱。考虑到本书面向本科学生，因此避开了这两门课程中较深的问题。
	MATLAB的工具箱有很多种。除了信号处理工具箱和控制工具箱是必要的之外，我们还介绍了其他一些与电子信息学科有密切关系的工具箱。这些工具箱并不是学习课程必须掌握的，但它可以帮助读者开拓思路。比如如何用MATLAB解决那些用笔算几乎无法解决的问题，并且知道如何去寻找解决这些问题的方法和工具。
上面所说的这些原则决定了本书是一本面向大学教育、本科课程的教材，而不是工程师们拿来就用的手册，但对想搞清原理的工程师们仍有很好的参考价值。
本书分为两篇，第1篇包括第1章～第4章，介绍MATLAB语言的基础；第2篇为第5章～第9章，讨论MATLAB在大学电子信息类各专业基础课程中的应用。第1章～第4章及第8章、第9章由陈怀琛编写；吴大正负责第5章和第6章的选材和审校；高西全编写第7章；由陈怀琛负责全书的修改审定。

作  者       
2001年于西安电子科大

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