實習零 MATLAB/Simulink 使用說明

教育部資通訊科技人才培育先導型計畫通訊系統模擬實習零 1

實習零 MATLAB/Simulink 使用說明

教育部資通訊科技人才培育先導型計畫實習零 MATLAB/Simulink 使用說明 2

大綱目的MATLAB/Simulink 簡介MATLAB 程式撰寫入門MATLAB/Simulink 環境介紹Simulink 建構模型Simulink 編輯建構模型的技巧建立 Simulink 子系統建立 Simulink 參數化子系統實習作業參考文獻


目的本課程 - 「通訊系統模擬」將使用 MATLAB/Simulink 進行模

擬，其中基礎篇以 Simulink 內建模組方塊建構模擬系統平台之方式進行模擬，模擬結果皆以圖解方式說明物理意義；進階篇以 MATLAB 撰寫程式碼之方式進行模擬，除了以數值或圖表結果驗證解說相關理論，也可以做數據資料之定量分析。

本實習主要簡單介紹 MATLAB/Simulink 軟體與其環境，並說明使用 ( 操作 ) 方式，方便使用者熟悉 MATLAB/Simulink 軟體 / 環境 / 使用方法後進行本課程規劃之實習的模擬與分析。


MATLAB/ Simulink 簡介 Simulink 在 MATLAB 的分析工具中，就分析的特性而言是個非常方便之工具，不管是線性系統、數位控制、非線性系統、信號處理的分析與驗證、通訊系統、模糊系統以及 RF 設計皆是非常方便的工具。採用圖形輸入方式，只要知道訊號流程圖或是系統方塊圖，不管是線性或是非線性系統皆能建立連續時間或離散時間或者兩者混合的系統模型，系統也能夠是多取樣頻率 (multirate) ，即不同的系統能夠以不同的取樣頻率組合起來進行分析模樣。採用開放式的架構，可方便去發展副程式供 MATLAB 使用或是轉成 C 或

C++ 程式碼。 Simulink 使用基本上分為： (1) 模型的定義 ( 建立 ) ； (2) 模型的分析。這兩種程序可以交互使用，藉由不斷的修改模型，改變模型方塊圖的參數值，再不斷的模擬以得到所需系統的性能規格。


MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink 之間的關係圖之間的關係圖 MATLAB

應用發展工具(Application

Development Tools)

工具箱 (Toolboxes)

資料存取工具(Data Access Tools)

獨立支援應用(Stand-AloneApplication)

資料來源(Data Sources)

Simulink狀態流程

(Stateflow)

區塊模組(Blocksets)

碼的產生(Code Generation)

C Code




MATLAB 之工作環境視窗

開啟新開啟新的的 M-fileM-file

目前的資料夾或目錄目前的資料夾或目錄（建議加以設定（建議加以設定 ))

開啟開啟SimulinkSimulink

工作空間工作空間(workspace)(workspace)

指令視窗指令視窗(Command (Command Window)Window)

歷史指令視窗歷史指令視窗(History)(History)

開啟 MATLAB 套裝軟體後之工作環境視窗


MATLAB 指令的輸入與執行 MATLAB 程式碼運算採用逐行指令編譯與執行之方式進行。在「指令視窗」中的提示符號「 >> 」可以直接輸入指令。例如輸入 9+10 ，按下 Enter 鍵，隨即編譯與執行並顯示結果。


指令後面加上一個分號，表示執行指令不顯示結果。指令後無分號，表示執行指令並顯示結果。

MATLAB 指令的輸入與執行 ( 續 )

有加分號有加分號不加分號不加分號


>> a = [ 1 2 3 4 ]a = 1 2 3 4

>> b = 1 : 4b = 1 2 3 4

>> c = 6 : -2 : 0c = 6 4 2 0

向量資料之輸入

從 1 到 4 ，間距為 1 ，建立一個向量。

從 6 到 0 ，間距為 -2 ，建立一個向量。

　 MATLAB 提供 Colon (:) 運算子，以方便建立列向量與行向量


在指令視窗中，建立一個矩陣資料之後，必須以索引值 ( 行與列 ) 取得矩陣中特定之元素。

>> a = [ 1 2 3 ; 4 5 6 ; 7 8 9 ]

a =

矩陣資料建立與其元素之操作

1 2 3 4 5 6 7 8 9

>> a (1 , 1) ，表示取出矩陣中第一行與第一列之元素。>>a (2:3 , 1:2) ，表示取出矩陣中第二列至第三列裡，第一行與第二行之元素。

若要取出矩陣中第三行元素，有下列三種方式：>> a ( [1 2 3] , 3)

>> a ( 1:3 , 3 )

>> a ( : , 3)


繪圖函數 plot(x, y) 會利用所提供的資料製作出一個連線圖。基本繪圖程式範例

Example:

>> Tstep=0.001;>> t=(0:Tstep:1);>> amp=1;>> freq=10;>> y=amp*sin(2*pi*freq*t);>> plot(t,y);


指定Ｘ軸、Ｙ軸以及線的規格基本繪圖程式範例 ( 續 )

Example:

>> Tstep=0.001;>> t=(0:Tstep:1);>> amp=1;>> freq=10;>> y=amp*sin(2*pi*freq*t);>> plot(t,y);% 指定Ｘ軸、Ｙ軸繪圖區間及格線>>axis([0, 1, -2, 2]);>>grid;


編輯圖形Step1: 點選 Edit plot

Step2:滑鼠左鍵雙擊圖形外框，即可進入圖形參數設定視窗

Step3: 修改圖形背景顏色以及線條　顏色以及修改Ｘ軸與Ｙ軸之最大值與最小值


使用編輯器編輯一系列的 MATLAB 指令，並儲存成 MATLAB 程式碼之檔案，稱為 M檔案 (M-File) 。建立 MATLAB 程式碼

編輯一系列的 MATLAB 指令存成一程式碼檔案example1.m

開啟編輯器


於指令視窗鍵入檔案名稱即可執行此檔案之程式碼： - - 逐一執行底稿裡的每一行指令。　　 - - 變數被存放於目前的工作空間。

執行 MATLAB 程式碼

檔案名稱


function y = times2(x)% This function multiplies % the input by 2y = 2*x ;

建立函數 (Functions)

關鍵字輸出引數輸入引數函數定義列

函數說明文字區函數之主體

MATLAB 函數函數 (Functions)(Functions) - - 第一列是以文字函數 (function) 開始　　　　 - - 接收輸入引數 (input arguments) 以及傳回輸出引數 (return output arguments) - - 變數存放於函數的工作空間一個 MATLAB 函數通常包括函數定義列、函數說明文字區以及函數之主體。


MATLAB 程式底稿 (Scripts) 與函數(Functions)

MatlabMatlab 程式底稿程式底稿 (Scripts)(Scripts)存成存成 example2.mexample2.m

MATLABMATLAB 程式底稿程式底稿 (Scripts)(Scripts) 與函數與函數 (Functions)(Functions) 編輯方式比較編輯方式比較

函數函數 (Functions)(Functions)存成存成 wavefunc.mwavefunc.m


執行 MATLAB 程式 example2

執行 example2


函數 (Functions) 之呼叫編輯編輯 MATLABMATLAB 程式叫用函數。程式叫用函數。

example2example2 之程式編輯成叫用函數的方式之程式編輯成叫用函數的方式 (example3.m) (example3.m) 。。所叫用之函數要放於同一個目錄，若函數放於其他目錄，則要設定路所叫用之函數要放於同一個目錄，若函數放於其他目錄，則要設定路徑徑至該目錄。至該目錄。

叫用函數叫用函數 wavefuncwavefunc

MatlabMatlab 程式存成程式存成 example3.mexample3.m


執行 MATLAB 程式 example3

執行 example3

example2example2 之程式編輯成叫用函數的方式之程式編輯成叫用函數的方式 (example3.m)(example3.m) ，，兩個程式執行結兩個程式執行結果相同果相同。。




開啟 MATLAB/Simulink

在 MATLAB 之指令視窗，鍵入 Simulink 之指令或在 MATLAB工具列上點選 Simulink 之圖示，可開啟 Simulink 介面。

點選 simulink 之圖示

鍵入 simulink 之指令


Simulink 介面說明 Simulink 的環境標示說明。

功能表工具列

Simulink 函數庫

Simulink 下之工具夾

元件的基本使用說明Simulink 函數庫之元件圖示與內容Simulink 之元件目錄


圖示名稱說明Commonly Used Blocks

常用元件

Continuous 連續性線性系統分析元件DisContinuous 非連續性線性系統分析元件Discrete 離散型線性系統的分析元件Logic and Bit Operation

邏輯和位元運算元件

Lookup Table 一般查表功能元件Math Operation 數學函數運算元件Model Verification

模型驗證元件

Simulink 元件庫說明


圖示名稱說明Model-Wide Utilities

model-wide公用元件

Port & Subsystem

輸出入連接點和子系統元件Signal attributes

基本信號屬性之元件Signal Routing

基本信號及系統連接如多工器或解多工器等分析元件Sink 輸出設備元件Source 訊號源元件User Defined Functions

使用者定義之函數

Additional Math & Discrete

外加之數學函數運算與離散型系統之元件

Simulink 元件庫說明 ( 續 )


Commlib 是通訊模擬常用之元件庫。在 MATLAB 之指令視窗中輸入commlib 或在 Simulink library 視窗中點選 commlib 之圖示，都可以打開Communications Blackest 。

Communications Blackest ：主要提供通道、濾波器、訊號源、量化、錯誤偵測和更正、交錯編碼、調變、 RF 訊號衰退、序列運算、訊號源編碼、同步處理等各種通訊上面可能出現的技術之元件。

通訊元件庫 (commlib)


訊號處理元件庫 Signal Processing Blackest ：主要提供估算、濾波器設計、一般數學運算程式庫、量化、訊號調度、訊號運算、訊號處理分析、訊號處理源、統計表示、訊號轉換等元件庫。




Simulink 之系統設計流程

設計數學及系統方塊模型以 Simulink 方塊建立模擬平台

設定參數執行模擬

驗證結果 (Scope)


使用通訊元件庫設計數位通訊系統模擬平台SourceCoding

ChannelEncoding ModulationPulse

Shaping

ChannelModel

RFImpairments

ReceiverAlgorithms DemodulationChannel

DecodingSource

Decoding

RF

Blockset

Signal

Processing

Blockset


開啟開啟 SimulinkSimulink 及新檔案及新檔案開啟開啟 MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink 視窗及新檔案視窗及新檔案

新檔案新檔案( 工作視窗 )


開啟 MATLAB/Simulink 視窗後，在 File選單內選取 New ，此時Simulink 會開啟一個新的工作視窗 (檔名為 Untitled) ，此即為建構模型的工作視窗 ( 或稱目標模型視窗 ) 。

開啟工作視窗 ( 新檔案 )

Simulink 工具列

新檔案新檔案( 工作視窗 )


接下來再用 File 下之 Save As存檔，檔名的命名方式為英文或數字命名 (但不能以數字作為檔名之開頭 ) ，存檔可先做，或是編輯完系統後再存檔均可，儲存完畢後的檔案為“ XXX .mdl” 。

存檔


選取以及連接方塊圖藉由拖曳之方式來收集方塊建構模擬系統模型使用滑鼠左鍵連接方塊


連接方法連接方法 1. 選擇來源方塊 2. 按住 Ctrl 鍵

3. 選擇目的方塊4. 完成連線


複製方塊與插入方塊點選方塊並按滑鼠右鍵，然後選擇copy

將方塊移至線上即可插入

按滑鼠右鍵，選擇貼上


設定方塊參數

雙擊方塊即可打開方塊參數設定視窗選擇 Apply 或 OK 以更新方塊設定


元件功能說明查詢其屬性視窗內容的設定參數定義，可先選擇該元件方塊並按滑鼠右鍵選取 help ，可得方塊之功能說明，下圖為訊號產生器之說明檔。


分支訊號線以及轉折訊號線在線上按住滑鼠右鍵即可將訊號線分支在線上按住滑鼠左鍵即可將訊號線轉折


模擬參數 Max step size 設定 Simulink 以數位 ( 離散 ) 方式計算與模擬類比 ( 連續 ) 系統，其計算結果之時域解析度與模擬參數 (Max step size)息息相

關， Max step size 通常設定為 auto ，內建公式為 50

startstop tth

振福為 1 ，頻率 100 Hz 的正弦波， Max step size 設定為 auto ， (3-1)/50=20 點資料所顯示出來的結果。

tstart tstop


模擬參數 Max step size 設定 ( 續 ) 比較下圖與Max step size設定為auto之結果，很明顯地在設計系統時，了解訊號的特性是必要的，適當選取Max step size，才能模擬出預期的結果。

1. Max step size 設定為 0.001時之正弦波輸出波形 (振福為 1 ，頻率 100Hz)2. (0.2-0)/0.001=200 點資料

tstart tstop


範例 1: DSB AM 調變和解調模擬平台建構開新檔並存成 DSB_AM .mdl ，打開 Sources 元件庫，點選 Signal

Generator拖曳至編輯區。


範例 1: DSB AM 調變和解調模擬平台建構( 續 )

把其餘所需的元件逐一放到編輯區。

接下來進行元件連接工作


範例 1: 模擬參數設定開始進行模擬前，工具列 Simulation 下設定模擬參數 Configuration Parameters 。

設定模擬參數


範例 1: 模擬環境設定、存檔與執行模擬① 執行時間設定為 10.0秒，此處的時間為模擬的停止時間。② 可以先存檔。③ 再執行模擬。

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範例 1: 驗證結果 (Scope) 以 Scope 顯示執行模擬結果，此範例是 DSB AM 的調變和解調後的時域波形。

訊號源

DSB AM調變後訊號解調後訊號

雜訊的干擾




選取物件選取物件 (objects) ：將滑鼠游標移至所選取的物件上單按滑鼠左鍵即可，當物件被選取後，會在物件邊角處出現小正方形黑點，如果此時再選取別的物件，則原被選取的物件便會被釋放還原；選取多個物件有兩個方法，

按下 Shift 鍵不放，將滑鼠游標移至所欲選取的物件上，單按滑鼠左鍵來選取物件，重複此步驟 (shift 鍵不可放開 ) 。使用界限框選取物件，將滑鼠游標移至欲選取的物件群組的邊角處 ( 非物件上 ) ，單按滑鼠左鍵不放 (此時游標成 “ +”字型狀 ) ，一直到拖曳到物件組的另一端，涵蓋住物件群組，之後釋放開滑鼠左鍵，所有在界限框內的物件皆會被選取。

選取多個物件

選取單一物件


複製、移動、刪除、改變元件 (block) 放置方向複製元件：滑鼠移到欲複製的元件上，按右鍵拖曳即可完成複製。移動元件：滑鼠移到欲移動的元件上，按住左鍵不放移到想要的位置

上即可完成移動。刪除元件：滑鼠移到欲刪除的元件上，按下 Delete 鍵即可完成刪除。改變元件的置放方向：元件內信號的流程是由左至右，也就是輸入阜

(input) 在左邊而輸出阜 (output) 在右邊，我們可以利用下列任一方法來改變方塊的置放方向：

使用 Format選單內的 Rotate Block 選項可將 block順時鐘旋轉 90度。

使用 Format選單內的 Filp Block 選項，會將 block旋轉 180度。Rotate

Filp


增加元件 (block) 陰影、改變形狀大小增加 blocks陰影：使用 Format選單內的 Show Drop Shadow選項，可以將所選擇的 block 加上陰影。

改變 blocks 圖式的形狀大小：先將滑鼠游標移至所需的 block 上，單按滑鼠左鍵上選取此 block 後，在 block 的邊角處會出現小正方形黑點，將游標移至黑點處，游標會變成雙箭頭形式，此時單按滑鼠左鍵不放，即可達到改變 block 形狀大小的動作。


改變 blocks 顏色使用 Format選單內的 Foreground Color 選項，再選擇所需的顏色可使

block和其名稱改變顏色。

使用 Format 選單內的 Background Color選項，再選擇所需的顏色可使block 的背景改變顏色。


改變 blocks 名稱及其位置改變 blocks 的名稱：將滑鼠游標移至 block 的名稱上，單按滑鼠左鍵，此時 block名稱會反黑 ( 或其他顏色 ) ，自鍵盤鍵入所欲修改的文字。你可以在 Style選單開啟 Fonts選項，修改 block名稱所屬的字型。

改變 block 的名稱位置：在 Format選單內，關於改變 block名稱位置的選項如下： Flip Name ：顯示 block 相對的名稱位置。

Hide Name ：關閉 (隱藏 )block 的名稱；這個指令功能可以配合先改變 block 放置的方向 (Rotate Block) ，再改變 block名稱放置位置 (Flip Name) 。

Flip Name


連接 blocks一個 block 的輸出阜，可以連接任何數目的線段 (line) 。但是只有一條線段可以連接到另一 block 的輸入阜。步驟如下：

將滑鼠游標移至第一個 block 的輸出阜上，其實並不需要非常準確地正好在輸入阜上，只要靠近輸出阜即可。

單按滑鼠左鍵不放，此時滑鼠游標會改變成 +字型狀。

拖曳滑鼠游標至第二個 block 的輸入阜上 (靠近即可 ) ，或是直接移動游標至 (block)此時線段會連接到指定的輸入阜上，釋放開滑鼠左鍵，此時輸入阜會消失取而代之的是一條含有箭頭連接兩個 block 的直線線段。

滑鼠游標

+ 字型狀


已知線段上加拉一線段從已知線段上加拉一條線段的步驟如下：

將滑鼠游標移至線段上 (游標所落位置即是重拉新線段的起點處 ) 。

按下 Ctrl 鍵不放，同時按下滑鼠左鍵不放。拖曳滑鼠游標至所欲連接的 block 的輸入阜上，然後釋放開滑鼠左鍵

和 Ctrl 鍵， Simulink 就會產生一條新的線段 (含箭頭 ) ，連接起點與輸入阜，即完成連接。

滑鼠游標


刪除、移動線段刪除線段：首先須選取單一或多條線段後 ( 參考選取物件說明 ) ，按下 Delete 鍵或是自 File選單內選取 Clear 或 Cut選項，來刪除被選取的線段。移動線段：移動被選取的線段步驟如下：

將滑鼠游標移至所欲移動的線段上，單按住滑鼠左鍵不放，此時游標成形狀。

拖曳滑鼠游標置所需位置上，釋放滑鼠左鍵可達到移動線段之目的。


移動頂點、分割直線段移動頂點 (vertex) ：將滑鼠游標移至線段頂點上，單按住滑鼠左鍵不放，此時頂點上有一個圓圈覆蓋，拖曳滑鼠游標置所需位置後，釋放滑鼠左鍵即可。分割直線段：把一條直線分割成兩個線段 (含一個頂點 )步驟如下：

將滑鼠游標移至線段上 (此處即將產生頂點處 ) ，按住 Shift 鍵再將拖曳滑鼠游標至所需新位置上釋放開滑鼠左鍵和 Shift 鍵即可。




建立子系統建立子系統 (subsystem) ：當所建構的模型，其組成的 block 數目越來越多，則會增加模型的大小及複雜度。我們可以將代表某一個功能目的之數個 blocks 組合成一個子系統 block( 即以一個 block 表示 ) ，建立子系統的好處有：

減少模型內的 block 的總數目。允許將功能表上相關的 block 組合在一起，易於除錯與修改。所建構的系統模型有階層 (hierarchical) 的概念， (次系統內仍可建立次系

統 ) 。


建立子系統範例建立系統 ( 一個弦波分別乘上三個弦波，再用一 scope 同時觀察 )


建立子系統範例 ( 續 )將欲產生子系統 block 所需的 blocks( 含線段部分 ) 用界線框框起來

( 可參考界限框選取物件的部分 ) ，不可用 < 一次選取一個物件 > 的方式選取所需的 blocks 。


建立子系統範例 ( 續 )在 Edit選單內，選取 Create Subsystem選項， Simulink 會將被選取的

block 用單一個子系統 block 來替換。


變更子系統名稱如有需要，可將子系統 block 變更為適當的名稱 ( 參考改變 block 的名

稱 ) 。

可變更為適當的名稱


開啟子系統內元件將滑鼠游標移至子系統 block 上，雙按滑鼠左鍵，則可開啟子系統

block 。


還原子系統回其原始的建構模型如要將子系統 block還原回其原始的建構模型，只要在 Edit選單內，選取 Undo選項即可。

子系統之接線可做適當整理。




建立參數化子系統前述步驟所建立之子系統無法改變其參數值。以前一例子依序說明建立可參數化子系統的方法：

開啟一個新的工作視窗並選取子系統：

新的工作視窗


建立參數化子系統 ( 續 )點選子系統，雙擊滑鼠左鍵跳出子系統編輯視窗。

子系統編輯視窗


建立參數化子系統 ( 續 )在子系統編輯視窗建立與前一範例之相同架構，工作視窗中子系統元件輸入 /輸出架構會自動調整。

工作視窗子系統編輯視窗


建立參數化子系統 ( 續 ) 在工作視窗中加入 Sine wave 以及 Scope 元件並且設定 Sine wave 元件內部之參數。

工作視窗


建立參數化子系統 ( 續 ) 使用滑鼠左鍵雙擊子系統編輯視窗中 Sine wave1 、 Sine wave2 以及 Sine wave3並且分別設定參數中的 Frequency 參數為 f1 、 f2 以及 f3 。 ( 下圖以 Sine wave1之參數設定為例 )

子系統編輯視窗


參數化子系統之參數定義 ( 續 ) 用滑鼠選取工作視窗內之 Subsystem ，再使用 Edit 下之 Mask subsystem 選項，

在 Parameter 處 (1 所指處 ) 輸入參數資料的名稱即可 (Prompt 輸入 F1 、 F2 以及F3 ； Variable 輸入 f1 、 f2 以及 f3) ，填入先前在 Subsystem 下所設定的參數名稱。填完後按 OK完成參數設定。

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4


參數化子系統之參數定義 ( 續 ) 回到工作視窗設定模擬環境、存檔與執行模擬

① 執行時間設定為 0.5秒，此處的時間為模擬的停止時間。② 可以先存檔。③ 再執行模擬。

12 3


參數化子系統之參數改變與執行用滑鼠點選工作視窗中的 Subsystem叫出參數設定視窗，設定參數 ( 使用原始子系統參數 ) ，執行模擬可以得到輸出結果。


參數化子系統之參數改變與執行 ( 續 )改變參數值，例如 F1 變更為 2*pi*1000 、 F2 變更為 2*pi*20 以及 F3變更為 2*pi*100 ，可觀察模擬結果是不是如預期的一樣。




實習作業1. 建立一系統觀察以下訊號 (難易度：易 )

訊號及其半波整流訊號。訊號及其半波整流訊號。複數訊號在複數平面之波形。改變 y(t) 之振幅為 3 和 / 或相位為 /6 ，觀察在複數平面之波形變化。

2. 建立一參數化子系統 (難易度：難 ) 參考先前參數化子系統建立步驟完成以下之子系統，參數自訂。輸入一弦波並以一 scope觀察兩個輸出，改變子系統參數驗證此參數化子系統。

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)20sin(2)( tty

)()()( tjytxtz

教育部資通訊科技人才培育先導型計畫實習一週期訊號與濾波器之模擬與分析 78

參考文獻鄭錦聰、莊鎮嘉，MATLAB程式設計實務，全華圖書公司， 2006 年 10月。李宜達，動態模擬與繪圖使用MATLAB/SIMULINK，全華圖書公司， 1998 年 10月。鈦思科技，通訊系統設計與模擬使用MATLAB/SIMULINK， 2007 年 3月。 Matlab/Simulink online help manual.

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