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author | Joshua Baer <joshua.baer@ost.ch> | 2022-08-30 09:27:42 +0200 |
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diff --git a/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex index 581d452..05061d1 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex @@ -2,10 +2,10 @@ Filter sind womöglich eines der wichtigsten Elemente in der Signalverarbeitung und finden Anwendungen in der digitalen und analogen Elektrotechnik. Besonders hilfreich ist die Untergruppe der linearen Filter. -Elektronische Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen führen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englich \textit{time-invariant system}). +Elektronische Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen führen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englisch \textit{time-invariant system}). Durch die Linearität werden beim Filtern keine neuen Frequenzanteile erzeugt, was es erlaubt, einen Frequenzanteil eines Signals verzerrungsfrei herauszufiltern. Diese Eigenschaft macht es sinnvoll, lineare Filter im Frequenzbereich zu beschreiben. -Die Übertragungsfunktion eines linearen Filters im Frequenzbereich $H(\Omega)$ ist dabei immer eine rationale Funktion, also ein Quotient von zwei Polynomen. +Die Übertragungsfunktion $H(\Omega)$ eines linearen Filters im Frequenzbereich ist dabei immer eine rationale Funktion, also ein Quotient von zwei Polynomen. Dabei ist $\Omega = 2 \pi f$ die Frequenzeinheit. Die Polynome haben dabei immer reelle oder komplexkonjugierte Nullstellen. @@ -40,8 +40,8 @@ Des weiteren müssen alle Nullstellen und Pole von $F_N$ auf der linken Halbeben $w$ ist die normalisierte Frequenz, die es erlaubt ein Filter unabhängig von der Grenzfrequenz zu beschrieben. Bei $w=1$ hat das Filter eine Dämpfung von $1/(1+\varepsilon^2)$. $N \in \mathbb{N} $ gibt die Ordnung des Filters vor, also die maximale Anzahl Pole oder Nullstellen. -Je höher $N$ gewählt wird, desto steiler ist der Übergang in denn Sperrbereich. -Grössere $N$ sind erfordern jedoch aufwendigere Implementierungen und haben mehr Phasenverschiebung. +Je höher $N$ gewählt wird, desto steiler ist der Übergang im Sperrbereich. +Grössere $N$ erfordern jedoch aufwendigere Implementierungen und haben mehr Phasenverschiebung. Eine einfache Funktion, die für $F_N$ eingesetzt werden kann, ist das Polynom $w^N$. Tatsächlich erhalten wir damit das Butterworth Filter, wie in Abbildung \ref{ellfilter:fig:butterworth} ersichtlich. @@ -63,12 +63,12 @@ Eine Reihe von rationalen Funktionen können für $F_N$ eingesetzt werden, um Ti \end{align} Mit der Ausnahme vom Butterworth-Filter sind alle Filter nach speziellen Funktionen benannt. Alle diese Filter sind optimal hinsichtlich einer Eigenschaft. -Es scheint so als sind gewisse Eigenschaften dieser speziellen Funktionen verantwortlich für die Optimalität dieser Filter. +Es scheint so, als sind gewisse Eigenschaften dieser speziellen Funktionen verantwortlich für die Optimalität dieser Filter. Das Butterworth-Filter, zum Beispiel, ist maximal flach im Durchlassbereich. In vielen Anwendung sind Filter mit einem steilen Übergang gewünscht. Da es technisch nicht möglich ist, mit einer rationalen Funktion mit begrenzter Anzahl Pole eine steile Flanke zu erreichen, während der Durchlass- und Sperrbereich flach und monoton sind, gibt es Filtertypen, die absichtlich Welligkeiten in der Frequenzantwort aufweisen. Besonders effizient sind Filter mit Equiripple-Verhalten, wessen Welligkeit optimal definiert wird für eine maximal steile Flanke, während die maximale Abweichung zum idealen Filter begrenzt ist. -Die Welligkeit beansprucht dabei einen begrenzen Verstärkungsintervall und nützt diesen Vollständig aus, indem sie periodisch die Grenzen des Intervalls berührt. +Die Welligkeit beansprucht dabei einen begrenzen Verstärkungsintervall und nützt diesen vollständig aus, indem sie periodisch die Grenzen des Intervalls berührt. Das Tschebyscheff-1 Filter, zum Beispiel, hat Equiripple-Verhalten im Durchlassbereich, währendem es im Sperrbereich monoton abfallend ist. Beim Tschebyscheff-2 Filter ist es umgekehrt. diff --git a/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex index 81821c1..651d6bc 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex @@ -2,16 +2,16 @@ Kommen wir nun zum eigentlichen Teil dieses Papers, den rationalen elliptischen Funktionen \cite{ellfilter:bib:orfanidis} \begin{align} - R_N(\xi, w) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \label{ellfilter:eq:elliptic}\\ + R_N(w, \xi) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \label{ellfilter:eq:elliptic}\\ &= \cd \left(N~\frac{K_1}{K}~\cd^{-1}(w, k), k_1\right) , \quad k= 1/\xi, k_1 = 1/f(\xi) \\ &= \cd \left(N~K_1~z , k_1 \right), \quad w= \cd(z K, k) \end{align} Beim Betrachten dieser Definition, fällt die Ähnlichkeit zur trigonometrische Darstellung der Tsche\-byschef-Polynome \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} auf. Wie bei den Tschebyscheff-Polynomen ist die Formel mit speziellen Funktionen geschrieben. Es kann jedoch gezeigt werden, dass es sich tatsächlich um rationale Funktionen handelt, wie es für ein lineares Filter vorausgesetzt wird. -Die elliptischen Funktionen werden also genau so eingesetzt, dass die resultierenden Nullstellen und Pole eine rationale Funktion ergeben. +Die elliptischen Funktionen werden also genau so eingesetzt, dass die resultierenden Nullstellen und Pole eine rationale Funktion ergeben. Anstelle des Kosinus bei den Tschebyscheff-Polynomen kommt hier die $\cd$-Funktion zum Einsatz. -Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor for. +Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor vor. Zusätzlich werden noch zwei verschiedene elliptische Moduli $k$ und $k_1$ gebraucht. Bei $k = k_1 = 0$ wird der $\cd$ zum Kosinus und wir erhalten in diesem Spezialfall die Tschebyschef-Polynome. @@ -52,18 +52,21 @@ Abbildung \ref{ellfilter:fig:elliptic_freq} zeigt eine rationale elliptische Fun \end{figure} Da sich die Funktion im Übergangsbereich nur zur nächsten Reihe von Polstellen bewegt, ist der Übergangsbereich monoton steigend. -Theoretisch könnte eine gleiches Durchlass- und Sperrbereichsverhalten erreicht werden, wenn die Funktion auf eine andere Reihe ansteigen würde. +Theoretisch könnte eine gleiches Durchlass- und Sperrbereichsverhalten erreicht werden, wenn die Funktion auf eine andere Reihe ansteigen würde, z.B. $\mathrm{Im(z) = 3K^\prime}$. Dies würde jedoch zu Oszillationen zwischen $1$ und $1/k$ im Übergangsbereich führen. \subsection{Gradgleichung} Damit die Pol- und Nullstellen genau in dieser Konstellation durchfahren werden, müssen die elliptischen Moduli des inneren und äusseren $\cd$ aufeinander abgestimmt werden. -In der reellen Richtung müssen sich die Periodizitäten $K$ und $K_1$ um den Faktor $N$ unterscheiden, während die imagiäre Periodizitäten $K^\prime$ und $K^\prime_1$ gleich bleiben müssen. +In der reellen Richtung müssen sich die Periodizitäten $K$ und $K_1$ um den Faktor $N$ unterscheiden, während die imaginäre Periodizitäten $K^\prime$ und $K^\prime_1$ gleich bleiben müssen. Zur Erinnerung, $K$ und $K^\prime$ sind durch elliptische Integrale definiert und vom Modul $k$ abhängig wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:kprime}. \begin{figure} \centering \input{papers/ellfilter/python/k.pgf} - \caption{Die Periodizitäten in realer und imaginärer Richtung in Abhängigkeit vom elliptischen Modul $k$.} + \caption{ + Die Periodizitäten in realer und imaginärer Richtung in Abhängigkeit vom elliptischen Modul $k$. + In der rechten Grafik sind $K$ und $K^\prime$ gegenübergestellt, wobei alle möglichen Kombinationen auf der eingezeichneten Ortskurve liegen. + } \label{ellfilter:fig:kprime} \end{figure} $K$ und $K^\prime$ sind durch die Ortskurve $K + jK^\prime$ aneinander gebunden und benötigen den Zusatzfaktor $K_1/K$ in \eqref{ellfilter:eq:elliptic}, um die genanten Forderungen einzuhalten. @@ -84,7 +87,7 @@ k_1 = k^N \prod_{i=1}^L \sn^4 \Bigg( \frac{2i - 1}{N} K, k \Bigg), \quad \text{wobei} \quad N = 2L+r. \end{equation} -Die Herleitung ist sehr umfassend und wird in \cite{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut. +Die Herleitung ist sehr umfangreich und wird in \cite{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut. \subsection{Berechnung der rationalen Funktion} @@ -102,7 +105,7 @@ Wenn $k$ und $N$ bekannt sind, können die Position der Pol- und Nullstellen $p_ } \label{ellfilter:fig:pn} \end{figure} -Dabei muss aufgepasst werden, dass insgesamt nur $N$ Nullstellen und $N$ Pole gesetzt werden, da bei der transformation mit dem $\cd$ mehrere Werte auf einen abgebildet werden und mehrfache Pole und Nullstellen nicht erwünscht sind. +Dabei muss aufgepasst werden, dass insgesamt nur $N$ Nullstellen und $N$ Pole gesetzt werden, da bei der Transformation mit dem $\cd$ mehrere Werte auf einen abgebildet werden und mehrfache Pole und Nullstellen nicht erwünscht sind. Wegen der Periodizität sind diese in der komplexen $z$-Ebene linear angeordnet: \begin{align} n_i(k) &= K\frac{2i+1}{N} \\ @@ -116,7 +119,7 @@ wobei $r_0$ so gewählt werden muss, dass $R_N(w, k) = 1$. \section{Elliptisches Filter} -Um ein elliptisches Filter auszulegen werden aber nicht die Pol- und Nullstellen der rationalen Funktion gebraucht, sondern diejenigen der Übertragungsfunktion $H(s)$ der komplexen Frequenz $s = j\Omega + \sigma$. +Um ein elliptisches Filter auszulegen, werden aber nicht die Pol- und Nullstellen der rationalen Funktion gebraucht, sondern diejenigen der Übertragungsfunktion $H(s)$ der komplexen Frequenz $s = j\Omega + \sigma$. Der Bezug zum quadratischen Amplitudengang \eqref{ellfilter:eq:quadratic_transfer} ist dabei \begin{equation} |H(\Omega)|^2 = H(s) H(s^*), @@ -124,9 +127,3 @@ Der Bezug zum quadratischen Amplitudengang \eqref{ellfilter:eq:quadratic_transfe wobei $*$ die komplexe Konjugation kennzeichnet. Die genaue Berechnung geht einiges tiefer in die Filtertheorie, und verlässt das Gebiet der speziellen Funktionen. Der interessierte Leser wird auf \cite[Kapitel~5]{ellfilter:bib:orfanidis} verwiesen. - -% \subsection{Schlussfolgerung} - -% Die elliptischen Filter können als direkte Erweiterung der Tschebyscheff-Filter verstanden werden. -% Bei den Tschebyscheff-Polynomen haben wir gesehen, dass die Trigonometrische Formel zu einfachen Polynomen umgewandelt werden kann. -% Im elliptischen Fall entstehen so rationale Funktionen mit Nullstellen und auch Pole. diff --git a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex index 841cd7d..06548a5 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex @@ -1,6 +1,6 @@ \section{Jacobische elliptische Funktionen} -Für das elliptische Filter werden, wie es der Name bereits deutet, elliptische Funktionen gebraucht. +Für das elliptische Filter werden, wie es der Name bereits andeutet, elliptische Funktionen gebraucht. Wie die trigonometrischen Funktionen Zusammenhänge eines Kreises darlegen, beschreiben die elliptischen Funktionen Ellipsen. Es ist daher naheliegend, dass der Kosinus des Tschebyscheff-Filters gegen ein elliptisches Pendant ausgetauscht werden könnte. Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es hier ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht. @@ -32,7 +32,7 @@ Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art \end{equation} mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung gebracht werden. -Dabei wird das vollständige und unvollständige elliptische integral unterschieden. +Dabei wird das vollständige und unvollständige elliptische Integral unterschieden. Beim vollständigen Integral \begin{equation} K(k) @@ -46,7 +46,7 @@ Beim vollständigen Integral } } \end{equation} -wird über ein viertel Ellipsenbogen integriert, also bis $\phi=\pi/2$ und liefert das Winkelargument für eine Vierteldrehung. +wird über ein Viertelellipsenbogen integriert, also bis $\phi=\pi/2$ und liefert das Winkelargument für eine Vierteldrehung. Die Zahl wird oft auch abgekürzt mit $K = K(k)$ und ist für das elliptische Filter sehr relevant. Alle elliptischen Funktionen sind somit $4K$-periodisch. @@ -89,38 +89,10 @@ Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem elliptischen Integral w. \end{equation} -% \begin{equation} %TODO remove unnecessary equations -% \phi -% = -% F^{-1}(z, k) -% = -% \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) -% = -% \sin^{-1} ( w ) -% \end{equation} - -% \begin{equation} -% F(\phi, k) -% = -% z -% = -% F( \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) , k) -% = -% F( \sin^{-1} ( w ), k) -% \end{equation} - -% \begin{equation} -% \sn^{-1}(w, k) -% = -% F(\phi, k), -% \quad -% \phi = \sin^{-1}(w) -% \end{equation} - \subsection{Die Funktion $\sn^{-1}$} Beim Tschebyscheff-Filter konnten wir mit Betrachten des Arcuscosinus die Funktionalität erklären. -Für das Elliptische Filter machen wir die gleiche Betrachtung mit der $\sn^{-1}$-Funktion. +Für das elliptische Filter machen wir die gleiche Betrachtung mit der $\sn^{-1}$-Funktion. Der $\sn^{-1}$ ist durch das elliptische Integral \begin{align} \sn^{-1}(w, k) diff --git a/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex index 0a48949..84095a7 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex @@ -3,17 +3,17 @@ Als Einstieg betrachten wir das Tschebyscheff-Filter, welches sehr verwandt ist mit dem elliptischen Filter. Genauer ausgedrückt erhält man die Tschebyscheff-1 und -2 Filter bei Grenzwerten von Parametern beim elliptischen Filter. Der Name des Filters deutet schon an, dass die Tschebyscheff-Polynome $T_N$ (siehe auch Kapitel \ref{buch:polynome:section:tschebyscheff}) für das Filter relevant sind: -\begin{align} +\begin{align*} T_{0}(x)&=1\\ T_{1}(x)&=x\\ T_{2}(x)&=2x^{2}-1\\ T_{3}(x)&=4x^{3}-3x\\ T_{n+1}(x)&=2x~T_{n}(x)-T_{n-1}(x). -\end{align} +\end{align*} Bemerkenswert ist, dass die Polynome im Intervall $[-1, 1]$ mit der trigonometrischen Funktion \begin{align} \label{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} T_N(w) &= \cos \left( N \cos^{-1}(w) \right) \\ - &= \cos \left(N~z \right), \quad w= \cos(z) + &= \cos \left(N~z \right), \quad w= \cos(z) \label{ellfilter:eq:chebychef_polynomials2} \end{align} übereinstimmen. Der Zusammenhang lässt sich mit den Doppel- und Mehrfachwinkelfunktionen der trigonometrischen Funktionen erklären. @@ -36,7 +36,7 @@ Wenn wir die Tschebyscheff-Polynome quadrieren, passen sie perfekt in die Forder \end{figure} Die analytische Fortsetzung von \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} über das Intervall $[-1,1]$ hinaus stimmt mit den Polynomen überein, wie es zu erwarten ist. -Die genauere Betrachtung wird uns helfen die elliptischen Filter besser zu verstehen. +Die genauere Betrachtung wird uns helfen, die elliptischen Filter besser zu verstehen. Starten wir mit der Funktion, die in \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} als erstes auf $w$ angewendet wird, dem Arcuscosinus. Die invertierte Funktion des Kosinus kann als bestimmtes Integral dargestellt werden: \begin{align} @@ -73,7 +73,7 @@ Der Integrand oder auch die Ableitung von $\cos^{-1}(x)$, }, \end{equation} bestimmt dabei die Richtung, in welche die Funktion verläuft. -Der reelle Arcuscosinus is bekanntlich nur für $|z| \leq 1$ definiert. +Der reelle Arcuscosinus ist bekanntlich nur für $|z| \leq 1$ definiert. Hier bleibt der Wert unter der Wurzel positiv und das Integral liefert reelle Werte. Doch wenn $|z|$ über 1 hinausgeht, wird der Term unter der Wurzel negativ. Durch die Quadratwurzel entstehen für den Integranden zwei rein komplexe Lösungen. @@ -82,14 +82,15 @@ Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos} zeigt den Arcuscosinus in der komplexen Ebe \begin{figure} \centering \input{papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex} - \caption{Die Funktion $z = \cos^{-1}(w)$ dargestellt in der komplexen ebene.} + \caption{Die Funktion $z = \cos^{-1}(w)$ dargestellt in der komplexen Ebene.} \label{ellfilter:fig:arccos} \end{figure} -Wegen der Periodizität des Kosinus ist auch der Arcuscosinus $2\pi$-periodisch. +Wegen der Periodizität des Kosinus werden periodisch Werte in der $z$-Ebene auf den gleichen Wert in $w$ abgebildet. +Das gleiche Muster kommt daher periodisch vor. Das Einzeichnen von Pol- und Nullstellen ist hilfreich für die Betrachtung der Funktion. -In \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} wird $z$ mit dem Ordnungsfaktor $N$ multipliziert und durch die Kosinusfunktion zurück transformiert. +In \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials2} wird $z$ mit dem Ordnungsfaktor $N$ multipliziert und durch die Kosinusfunktion zurück transformiert. Die Skalierung hat zur Folge, dass bei der Rücktransformation durch den Kosinus mehrere Nullstellen durchlaufen werden. Somit passiert $\cos \big( N~\cos^{-1}(w) \big)$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Nullstellen, wie dargestellt in Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2}. \begin{figure} @@ -105,4 +106,4 @@ Somit passiert $\cos \big( N~\cos^{-1}(w) \big)$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Null \label{ellfilter:fig:arccos2} \end{figure} Durch die spezielle Anordnung der Nullstellen hat die Funktion auf der reellen Achse Equiripple-Verhalten und ist dennoch ein Polynom, was sich perfekt für lineare Filter eignet. -Für $|w| <= 1$ ist die Funktion begrenzt zwischen $-1$ und $1$. +Für $|w| \le 1$ ist die Funktion begrenzt zwischen $-1$ und $1$. |