ED and SVD

矩阵的ED与SVD的意义:

  • ED

矩阵的本质是线性变换,矩阵乘以一个向量无非就是把这个向量的方向和长度变一变。可是到底是往哪个方向变化、长度缩放的比例到底是多少呢?
把矩阵进行ED可以得到它的特征向量和特征值。
在特征向量的方向上进行线性变换就是乘以相应的特征值,这是非常好的性质。
于是可以先把这个向量变化到特征向量组成的空间里(即特征空间),然后只要进行数乘即可。

ED的前提是这个矩阵是方阵且可相似对角化。
这个要求太严格,于是延伸有了SVD。对于任意的矩阵,是否也存在类似ED中特征向量的方向使得矩阵对向量的作用就是在这些方向上缩放一下?

  • SVD

SVD不对矩阵提任何要求。任意的矩阵A都可以分解为U∑V,其中U、V是正交阵。

### 奇异值分解(SVD)在通信系统中的应用 奇异值分解(SVD)作为一种强大的线性代数工具,在现代通信系统中有广泛的应用。其核心在于能够将复杂的矩阵操作简化为更易于处理的形式。 #### 数据压缩与降噪 在一个典型的无线通信场景中,信道传输的数据往往受到噪声和其他干扰的影响。利用 SVD 可以有效地分离信号成分和噪声成分。具体来说,通过对接收数据矩阵执行 SVD 分解: \[ \mathbf{A} = \mathbf{U}\Sigma\mathbf{V}^\top \] 其中 $\mathbf{A}$ 是接收到的数据矩阵;$\mathbf{U}, \mathbf{V}$ 分别代表左奇异向量和右奇异向量组成的正交矩阵;而 $\Sigma$ 则是由按大小排列的奇异值构成的对角矩阵[^1]。 由于实际物理系统的局限性和环境因素影响,通常只有前几个较大的奇异值对应于有效信号分量,其余较小的则多由随机噪声引起。因此可以通过仅保留较大奇异值得到近似表示从而达到去除噪音的目的。 ```python import numpy as np def svd_denoising(A, k): U, s, Vt = np.linalg.svd(A, full_matrices=False) # Only keep top-k singular values and vectors Ak = np.dot(U[:, :k], np.dot(np.diag(s[:k]), Vt[:k, :])) return Ak ``` #### 多输入多输出(MIMO) MIMO 技术允许发送端和接收端都配备多个天线来提高频谱效率并增强链路可靠性。当考虑 MIMO 系统时,信道状态信息可以用一个复数值矩阵 H 来表征。此时 SVD 就显得尤为重要因为它能帮助找到最优的空间流方向以便最大化吞吐量或最小化误码率。 假设给定一个 $N_t\times N_r$ 的信道响应矩阵 H,则对其进行 SVD 得: \[ \mathbf{H}= \mathbf{U}_h\Sigma_h\mathbf{V}_h^\top \] 这里 $\mathbf{U}_h,\mathbf{V}_h$ 表示发射空间模式和接收空间模式下的基底变换矩阵; 而 $\Sigma_h=\text{diag}(s_1,s_2,...)$ 中包含了按照强度排序后的各路径增益因子$s_i$. 进一步地, 发射机可以根据这些信息调整波束成形策略使得能量集中在最强通路上. ```matlab % MATLAB code snippet for applying SVD on a channel matrix in MIMO system. [U,S,V] = svd(H,'econ'); % Perform economic SVD to get only non-zero components P_optimal = diag(sqrt(diag(S))); % Optimal power allocation based on singular values W = P_optimal * V'; % Beamforming weight vector at transmitter side ```
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