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path: root/buch
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Diffstat (limited to 'buch')
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/Makefile.inc17
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/einleitung.tex56
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/elliptic.tex92
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/jacobi.tex189
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/main.tex485
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/teil0.tex22
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/teil1.tex55
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/teil2.tex40
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/teil3.tex40
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex133
10 files changed, 483 insertions, 646 deletions
diff --git a/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc b/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc
index 8f20278..97e4089 100644
--- a/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc
+++ b/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc
@@ -3,12 +3,11 @@
#
# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
#
-dependencies-ellfilter = \
- papers/ellfilter/packages.tex \
- papers/ellfilter/main.tex \
- papers/ellfilter/references.bib \
- papers/ellfilter/teil0.tex \
- papers/ellfilter/teil1.tex \
- papers/ellfilter/teil2.tex \
- papers/ellfilter/teil3.tex
-
+dependencies-ellfilter = \
+ papers/ellfilter/packages.tex \
+ papers/ellfilter/main.tex \
+ papers/ellfilter/references.bib \
+ papers/ellfilter/einleitung.tex \
+ papers/ellfilter/tschebyscheff.tex \
+ papers/ellfilter/jacobi.tex \
+ papers/ellfilter/elliptic.tex
diff --git a/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex
new file mode 100644
index 0000000..37fd89f
--- /dev/null
+++ b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex
@@ -0,0 +1,56 @@
+\section{Einleitung}
+
+% Lineare filter
+
+% Filter, Signalverarbeitung
+
+
+Der womöglich wichtigste Filtertyp ist das Tiefpassfilter.
+Dieses soll im Durchlassbereich unter der Grenzfrequenz $\Omega_p$ unverstärkt durchlassen und alle anderen Frequenzen vollständig auslöschen.
+
+% Bei der Implementierung von Filtern
+
+In der Elektrotechnik führen Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englich \textit{time-invariant system}).
+Die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich $|H(\Omega)|$ eines solchen Systems ist dabei immer eine rationale Funktion, also eine Division von zwei Polynomen.
+Die Polynome habe dabei immer reelle oder komplex-konjugierte Nullstellen.
+
+
+\begin{equation} \label{ellfilter:eq:h_omega}
+ | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 F_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p}
+\end{equation}
+
+$\Omega = 2 \pi f$ ist die analoge Frequenz
+
+
+% Linear filter
+Damit das Filter implementierbar und stabil ist, muss $H(\Omega)^2$ eine rationale Funktion sein, deren Nullstellen und Pole auf der linken Halbebene liegen.
+
+$N \in \mathbb{N} $ gibt dabei die Ordnung des Filters vor, also die maximale Anzahl Pole oder Nullstellen.
+
+Damit ein Filter die Passband Kondition erfüllt muss $|F_N(w)| \leq 1 \forall |w| \leq 1$ und für $|w| \geq 1$ sollte die Funktion möglichst schnell divergieren.
+Eine einfaches Polynom, dass das erfüllt, erhalten wir wenn $F_N(w) = w^N$.
+Tatsächlich erhalten wir damit das Butterworth Filter, wie in Abbildung \ref{ellfilter:fig:butterworth} ersichtlich.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf}
+ \caption{$F_N$ für Butterworth filter. Der grüne Bereich definiert die erlaubten Werte für alle $F_N$-Funktionen.}
+ \label{ellfilter:fig:butterworth}
+\end{figure}
+
+wenn $F_N(w)$ eine rationale Funktion ist, ist auch $H(\Omega)$ eine rationale Funktion und daher ein lineares Filter. %proof?
+
+\begin{align}
+ F_N(w) & =
+ \begin{cases}
+ w^N & \text{Butterworth} \\
+ T_N(w) & \text{Tschebyscheff, Typ 1} \\
+ [k_1 T_N (k^{-1} w^{-1})]^{-1} & \text{Tschebyscheff, Typ 2} \\
+ R_N(w, \xi) & \text{Elliptisch (Cauer)} \\
+ \end{cases}
+\end{align}
+
+Mit der Ausnahme vom Butterworth filter sind alle Filter nach speziellen Funktionen benannt.
+Alle diese Filter sind optimal für unterschiedliche Anwendungsgebiete.
+Das Butterworth-Filter, zum Beispiel, ist maximal flach im Durchlassbereich.
+Das Tschebyscheff-1 Filter sind maximal steil für eine definierte Welligkeit im Durchlassbereich, währendem es im Sperrbereich monoton abfallend ist.
+Es scheint so als sind gewisse Eigenschaften dieser speziellen Funktionen verantwortlich für die Optimalität dieser Filter.
diff --git a/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex
new file mode 100644
index 0000000..88bfbfe
--- /dev/null
+++ b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex
@@ -0,0 +1,92 @@
+\section{Elliptische rationale Funktionen}
+
+Kommen wir nun zum eigentlichen Teil dieses Papers, den elliptischen rationalen Funktionen
+\begin{align}
+ R_N(\xi, w) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \\
+ &= \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}
+
+
+sieht ähnlich aus wie die trigonometrische Darstellung der Tschebyschef-Polynome \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials}
+Anstelle vom Kosinus kommt hier die $\cd$-Funktion zum Einsatz.
+Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor for.
+Zusätzlich werden noch zwei verschiedene elliptische Module $k$ und $k_1$ gebraucht.
+
+
+
+Sinus entspricht $\sn$
+
+Damit die Nullstellen an ähnlichen Positionen zu liegen kommen wie bei den Tschebyscheff-Polynomen, muss die $\cd$-Funktion gewählt werden.
+
+Die $\cd^{-1}(w, k)$-Funktion ist um $K$ verschoben zur $\sn^{-1}(w, k)$-Funktion, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd}.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex}
+ \caption{
+ $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$.
+ Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch.
+ }
+ \label{ellfilter:fig:cd}
+\end{figure}
+Auffallend ist, dass sich alle Nullstellen und Polstellen um $K$ verschoben haben.
+
+Durch das Konzept vom fundamentalen Rechteck, siehe Abbildung \ref{ellfilter:fig:fundamental_rectangle} können für alle inversen Jaccobi elliptischen Funktionen die Positionen der Null- und Polstellen anhand eines Diagramms ermittelt werden.
+Der erste Buchstabe bestimmt die Position der Nullstelle und der zweite Buchstabe die Polstelle.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex}
+ \caption{
+ Fundamentales Rechteck der inversen Jaccobi elliptischen Funktionen.
+ }
+ \label{ellfilter:fig:fundamental_rectangle}
+\end{figure}
+
+Auffallend an der $w = \sn(z, k)$-Funktion ist, dass sich $w$ auf der reellen Achse wie der Kosinus immer zwischen $-1$ und $1$ bewegt, während bei $\mathrm{Im(z) = K^\prime}$ die Werte zwischen $\pm 1/k$ und $\pm \infty$ verlaufen.
+Die Funktion hat also Equirippel-Verhalten um $w=0$ und um $w=\pm \infty$.
+Falls es möglich ist diese Werte abzufahren im Sti der Tschebyscheff-Polynome, kann ein Filter gebaut werden, dass Equirippel-Verhalten im Durchlass- und Sperrbereich aufweist.
+
+
+
+Analog zu Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2} können wir auch bei den elliptisch rationalen Funktionen die komplexe $z$-Ebene betrachten, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd2}, um die besser zu verstehen.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex}
+ \caption{
+ $z_1$-Ebene der elliptischen rationalen Funktionen.
+ Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen passiert.
+ }
+ \label{ellfilter:fig:cd2}
+\end{figure}
+% Da die $\cd^{-1}$-Funktion
+
+
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf}
+ \caption{$F_N$ für ein elliptischs filter.}
+ \label{ellfilter:fig:elliptic}
+\end{figure}
+
+\subsection{Degree Equation}
+
+Der $\cd^{-1}$ Term muss so verzogen werden, dass die umgebene $\cd$-Funktion die Nullstellen und Pole trifft.
+Dies trifft ein wenn die Degree Equation erfüllt ist.
+
+\begin{equation}
+ N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1}
+\end{equation}
+
+
+Leider ist das lösen dieser Gleichung nicht trivial.
+Die Rechnung wird in \ref{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut.
+
+
+\subsection{Polynome?}
+
+Bei den Tschebyscheff-Polynomen haben wir gesehen, dass die Trigonometrische Formel zu einfachen Polynomen umgewandelt werden kann.
+Im gegensatz zum $\cos^{-1}$ hat der $\cd^{-1}$ nicht nur Nullstellen sondern auch Pole.
+Somit entstehen bei den elliptischen rationalen Funktionen, wie es der name auch deutet, rationale Funktionen, also ein Bruch von zwei Polynomen.
+
+Da Transformationen einer rationalen Funktionen mit Grundrechenarten, wie es in \eqref{ellfilter:eq:h_omega} der Fall ist, immer noch rationale Funktionen ergeben, stellt dies kein Problem für die Implementierung dar.
diff --git a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
new file mode 100644
index 0000000..6a208fa
--- /dev/null
+++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
@@ -0,0 +1,189 @@
+\section{Jacobische elliptische Funktionen}
+
+%TODO $z$ or $u$ for parameter?
+
+Für das elliptische Filter wird statt der, für das Tschebyscheff-Filter benutzen Kreis-Trigonometrie die elliptischen Funktionen gebraucht.
+Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht.
+
+Im Wesentlichen erweitern die Jacobi elliptischen Funktionen die trigonometrische Funktionen für Ellipsen.
+Zum Beispiel gibt es analog zum Sinus den elliptischen $\sn(z, k)$.
+Im Gegensatz zum den trigonometrischen Funktionen haben die elliptischen Funktionen zwei parameter.
+Zum einen gibt es den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert.
+Zum andern das Winkelargument $z$.
+Im Kreis ist der Radius für alle Winkel konstant, bei Ellipsen ändert sich das.
+Dies hat zur Folge, dass bei einer Ellipse die Kreisbodenstrecke nicht linear zum Winkel verläuft.
+Darum kann hier nicht der gewohnte Winkel verwendet werden.
+Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art
+\begin{equation}
+ z
+ =
+ F(\phi, k)
+ =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ }
+ =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ dt
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ } %TODO which is right? are both functions from phi?
+\end{equation}
+mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung liegt.
+
+Dabei wird das vollständige und unvollständige Elliptische integral unterschieden.
+Beim vollständigen Integral
+\begin{equation}
+ K(k)
+ =
+ \int_{0}^{\pi / 2}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ }
+\end{equation}
+wird über ein viertel Ellipsenbogen 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 elliptishen Funktionen sind somit $4K$-periodisch.
+
+Neben dem $\sn$ gibt es zwei weitere basis-elliptische Funktionen $\cn$ und $\dn$.
+Dazu kommen noch weitere abgeleitete Funktionen, die durch Quotienten und Kehrwerte dieser Funktionen zustande kommen.
+Insgesamt sind es die zwölf Funktionen
+\begin{equation*}
+ \sn \quad
+ \ns \quad
+ \scelliptic \quad
+ \sd \quad
+ \cn \quad
+ \nc \quad
+ \cs \quad
+ \cd \quad
+ \dn \quad
+ \nd \quad
+ \ds \quad
+ \dc.
+\end{equation*}
+
+Die Jacobischen elliptischen Funktionen können mit der inversen Funktion des kompletten elliptischen Integrals erster Art
+\begin{equation}
+ \phi = F^{-1}(z, k)
+\end{equation}
+definiert werden. Dabei ist zu beachten dass nur das $z$ Argument der Funktion invertiert wird, also
+\begin{equation}
+ z = F(\phi, k)
+ \Leftrightarrow
+ \phi = F^{-1}(z, k).
+\end{equation}
+Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem Elliptischen integral dargestellt werden:
+\begin{equation}
+ \sin(\phi)
+ =
+ \sin \left( F^{-1}(z, k) \right)
+ =
+ \sn(z, k)
+ =
+ w
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+ \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}
+
+\begin{align}
+ \sn^{-1}(w, k)
+ & =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ },
+ \quad
+ \phi = \sin^{-1}(w)
+ \\
+ & =
+ \int_{0}^{w}
+ \frac{
+ dt
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ }
+\end{align}
+
+Beim $\cos^{-1}(x)$ haben wir gesehen, dass die analytische Fortsetzung bei $x < -1$ und $x > 1$ rechtwinklig in die Komplexen zahlen wandert.
+Wenn man das gleiche mit $\sn^{-1}(w, k)$ macht, erkennt man zwei interessante Stellen.
+Die erste ist die gleiche wie beim $\cos^{-1}(x)$ nämlich bei $t = \pm 1$.
+Der erste Term unter der Wurzel wird dann negativ, während der zweite noch positiv ist, da $k \leq 1$.
+\begin{equation}
+ \frac{
+ 1
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ }
+ \in \mathbb{R}
+ \quad \forall \quad
+ -1 \leq t \leq 1
+\end{equation}
+Die zweite stelle passiert wenn beide Faktoren unter der Wurzel negativ werden, was bei $t = 1/k$ der Fall ist.
+
+
+
+
+Funktion in relle und komplexe Richtung periodisch
+
+In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch.
+
+
+
+%TODO sn^{-1} grafik
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex}
+ \caption{
+ $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$.
+ Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch.
+ }
+ % \label{ellfilter:fig:cd2}
+\end{figure}
diff --git a/buch/papers/ellfilter/main.tex b/buch/papers/ellfilter/main.tex
index e9d6aba..c58dfa7 100644
--- a/buch/papers/ellfilter/main.tex
+++ b/buch/papers/ellfilter/main.tex
@@ -8,485 +8,10 @@
\begin{refsection}
\chapterauthor{Nicolas Tobler}
+\input{papers/ellfilter/einleitung.tex}
+\input{papers/ellfilter/tschebyscheff.tex}
+\input{papers/ellfilter/jacobi.tex}
+\input{papers/ellfilter/elliptic.tex}
-\section{Einleitung}
-
-% Lineare filter
-
-% Filter, Signalverarbeitung
-
-
-Der womöglich wichtigste Filtertyp ist das Tiefpassfilter.
-Dieses soll im Durchlassbereich unter der Grenzfrequenz $\Omega_p$ unverstärkt durchlassen und alle anderen Frequenzen vollständig auslöschen.
-
-% Bei der Implementierung von Filtern
-
-In der Elektrotechnik führen Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englich \textit{time-invariant system}).
-Die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich $|H(\Omega)|$ eines solchen Systems ist dabei immer eine rationale Funktion, also eine Division von zwei Polynomen.
-Die Polynome habe dabei immer reelle oder komplex-konjugierte Nullstellen.
-
-
-\begin{equation} \label{ellfilter:eq:h_omega}
- | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 F_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p}
-\end{equation}
-
-$\Omega = 2 \pi f$ ist die analoge Frequenz
-
-
-% Linear filter
-Damit das Filter implementierbar und stabil ist, muss $H(\Omega)^2$ eine rationale Funktion sein, deren Nullstellen und Pole auf der linken Halbebene liegen.
-
-$N \in \mathbb{N} $ gibt dabei die Ordnung des Filters vor, also die maximale Anzahl Pole oder Nullstellen.
-
-Damit ein Filter die Passband Kondition erfüllt muss $|F_N(w)| \leq 1 \forall |w| \leq 1$ und für $|w| \geq 1$ sollte die Funktion möglichst schnell divergieren.
-Eine einfaches Polynom, dass das erfüllt, erhalten wir wenn $F_N(w) = w^N$.
-Tatsächlich erhalten wir damit das Butterworth Filter, wie in Abbildung \ref{ellfilter:fig:butterworth} ersichtlich.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf}
- \caption{$F_N$ für Butterworth filter. Der grüne Bereich definiert die erlaubten Werte für alle $F_N$-Funktionen.}
- \label{ellfilter:fig:butterworth}
-\end{figure}
-
-wenn $F_N(w)$ eine rationale Funktion ist, ist auch $H(\Omega)$ eine rationale Funktion und daher ein lineares Filter. %proof?
-
-\begin{align}
- F_N(w) & =
- \begin{cases}
- w^N & \text{Butterworth} \\
- T_N(w) & \text{Tschebyscheff, Typ 1} \\
- [k_1 T_N (k^{-1} w^{-1})]^{-1} & \text{Tschebyscheff, Typ 2} \\
- R_N(w, \xi) & \text{Elliptisch (Cauer)} \\
- \end{cases}
-\end{align}
-
-Mit der Ausnahme vom Butterworth filter sind alle Filter nach speziellen Funktionen benannt.
-Alle diese Filter sind optimal für unterschiedliche Anwendungsgebiete.
-Das Butterworth-Filter, zum Beispiel, ist maximal flach im Durchlassbereich.
-Das Tschebyscheff-1 Filter sind maximal steil für eine definierte Welligkeit im Durchlassbereich, währendem es im Sperrbereich monoton abfallend ist.
-Es scheint so als sind gewisse Eigenschaften dieser speziellen Funktionen verantwortlich für die Optimalität dieser Filter.
-
-\section{Tschebyscheff-Filter}
-
-Als Einstieg betrachent Wir das Tschebyscheff-Filter, welches sehr verwand ist mit dem elliptischen Filter.
-Genauer ausgedrückt sind die Tschebyscheff-1 und -2 Filter Spezialfälle davon.
-
-Der Name des Filters deutet schon an, dass die Tschebyscheff-Polynome $T_N$ für das Filter relevant sind:
-\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}
-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)
-\end{align}
-übereinstimmt.
-Der Zusammenhang lässt sich mit den Doppel- und Mehrfachwinkelfunktionen der trigonometrischen Funktionen erklären.
-Abbildung \ref{ellfilter:fig:chebychef_polynomials} zeigt einige Tschebyscheff-Polynome.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf}
- \caption{Die Tschebyscheff-Polynome $C_N$.}
- \label{ellfilter:fig:chebychef_polynomials}
-\end{figure}
-Da der Kosinus begrenzt zwischen $-1$ und $1$ ist, sind auch die Tschebyscheff-Polynome begrenzt.
-Geht man aber über das Intervall $[-1, 1]$ hinaus, divergieren die Funktionen mit zunehmender Ordnung immer steiler gegen $\pm \infty$.
-Diese Eigenschaft ist sehr nützlich für ein Filter.
-Wenn wir die Tschebyscheff-Polynome quadrieren, passen sie perfekt in die Voraussetzungen für Filterfunktionen, wie es Abbildung \ref{ellfiter:fig:chebychef} demonstriert.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf}
- \caption{Die Tschebyscheff-Polynome füllen den erlaubten Bereich besser, und erhalten dadurch eine steilere Flanke im Sperrbereich.}
- \label{ellfiter:fig:chebychef}
-\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 dann helfen die elliptischen Filter besser zu verstehen.
-
-Starten wir mit der Funktion, die als erstes auf $w$ angewendet wird, dem Arcuscosinus.
-Die invertierte Funktion des Kosinus kann als definites Integral dargestellt werden:
-\begin{align}
- \cos^{-1}(x)
- &=
- \int_{x}^{1}
- \frac{
- dz
- }{
- \sqrt{
- 1-z^2
- }
- }\\
- &=
- \int_{0}^{x}
- \frac{
- -1
- }{
- \sqrt{
- 1-z^2
- }
- }
- ~dz
- + \frac{\pi}{2}
-\end{align}
-Der Integrand oder auch die Ableitung
-\begin{equation}
- \frac{
- -1
- }{
- \sqrt{
- 1-z^2
- }
- }
-\end{equation}
-bestimmt dabei die Richtung, in der die Funktion verläuft.
-Der reelle Arcuscosinus is 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.
-Der Wert des Arcuscosinus verlässt also bei $z= \pm 1$ den reellen Zahlenstrahl und knickt in die komplexe Ebene ab.
-Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos} zeigt den $\arccos$ in der komplexen Ebene.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex}
- \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 und es entstehen periodische Nullstellen.
-% \begin{equation}
-% \frac{
-% 1
-% }{
-% \sqrt{
-% 1-z^2
-% }
-% }
-% \in \mathbb{R}
-% \quad
-% \forall
-% \quad
-% -1 \leq z \leq 1
-% \end{equation}
-% \begin{equation}
-% \frac{
-% 1
-% }{
-% \sqrt{
-% 1-z^2
-% }
-% }
-% = i \xi \quad | \quad \xi \in \mathbb{R}
-% \quad
-% \forall
-% \quad
-% z \leq -1 \cup z \geq 1
-% \end{equation}
-
-Die Tschebyscheff-Polynome skalieren diese Nullstellen mit dem Ordnungsfaktor $N$, wie dargestellt in Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2}.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex}
- \caption{
- $z_1=N \cos^{-1}(w)$-Ebene der Tschebyscheff-Funktion.
- Die eingefärbten Pfade sind Verläufe von $w~\forall~[-\infty, \infty]$ für verschiedene Ordnungen $N$.
- Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen werden passiert.
- }
- \label{ellfilter:fig:arccos2}
-\end{figure}
-Somit passert $\cos( N~\cos^{-1}(w))$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Nullstellen.
-Durch die spezielle Anordnung der Nullstellen hat die Funktion Equirippel-Verhalten und ist dennoch ein Polynom, was sich perfekt für linear Filter eignet.
-
-\section{Jacobische elliptische Funktionen}
-
-%TODO $z$ or $u$ for parameter?
-
-Für das elliptische Filter wird statt der, für das Tschebyscheff-Filter benutzen Kreis-Trigonometrie die elliptischen Funktionen gebraucht.
-Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht.
-
-Im Wesentlichen erweitern die Jacobi elliptischen Funktionen die trigonometrische Funktionen für Ellipsen.
-Zum Beispiel gibt es analog zum Sinus den elliptischen $\sn(z, k)$.
-Im Gegensatz zum den trigonometrischen Funktionen haben die elliptischen Funktionen zwei parameter.
-Zum einen gibt es den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert.
-Zum andern das Winkelargument $z$.
-Im Kreis ist der Radius für alle Winkel konstant, bei Ellipsen ändert sich das.
-Dies hat zur Folge, dass bei einer Ellipse die Kreisbodenstrecke nicht linear zum Winkel verläuft.
-Darum kann hier nicht der gewohnte Winkel verwendet werden.
-Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art
-\begin{equation}
- z
- =
- F(\phi, k)
- =
- \int_{0}^{\phi}
- \frac{
- d\theta
- }{
- \sqrt{
- 1-k^2 \sin^2 \theta
- }
- }
- =
- \int_{0}^{\phi}
- \frac{
- dt
- }{
- \sqrt{
- (1-t^2)(1-k^2 t^2)
- }
- } %TODO which is right? are both functions from phi?
-\end{equation}
-mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung liegt.
-
-Dabei wird das vollständige und unvollständige Elliptische integral unterschieden.
-Beim vollständigen Integral
-\begin{equation}
- K(k)
- =
- \int_{0}^{\pi / 2}
- \frac{
- d\theta
- }{
- \sqrt{
- 1-k^2 \sin^2 \theta
- }
- }
-\end{equation}
-wird über ein viertel Ellipsenbogen 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 elliptishen Funktionen sind somit $4K$-periodisch.
-
-Neben dem $\sn$ gibt es zwei weitere basis-elliptische Funktionen $\cn$ und $\dn$.
-Dazu kommen noch weitere abgeleitete Funktionen, die durch Quotienten und Kehrwerte dieser Funktionen zustande kommen.
-Insgesamt sind es die zwölf Funktionen
-\begin{equation*}
- \sn \quad
- \ns \quad
- \scelliptic \quad
- \sd \quad
- \cn \quad
- \nc \quad
- \cs \quad
- \cd \quad
- \dn \quad
- \nd \quad
- \ds \quad
- \dc.
-\end{equation*}
-
-Die Jacobischen elliptischen Funktionen können mit der inversen Funktion des kompletten elliptischen Integrals erster Art
-\begin{equation}
- \phi = F^{-1}(z, k)
-\end{equation}
-definiert werden. Dabei ist zu beachten dass nur das $z$ Argument der Funktion invertiert wird, also
-\begin{equation}
- z = F(\phi, k)
- \Leftrightarrow
- \phi = F^{-1}(z, k).
-\end{equation}
-Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem Elliptischen integral dargestellt werden:
-\begin{equation}
- \sin(\phi)
- =
- \sin \left( F^{-1}(z, k) \right)
- =
- \sn(z, k)
- =
- w
-\end{equation}
-
-\begin{equation}
- \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}
-
-\begin{align}
- \sn^{-1}(w, k)
- & =
- \int_{0}^{\phi}
- \frac{
- d\theta
- }{
- \sqrt{
- 1-k^2 \sin^2 \theta
- }
- },
- \quad
- \phi = \sin^{-1}(w)
- \\
- & =
- \int_{0}^{w}
- \frac{
- dt
- }{
- \sqrt{
- (1-t^2)(1-k^2 t^2)
- }
- }
-\end{align}
-
-Beim $\cos^{-1}(x)$ haben wir gesehen, dass die analytische Fortsetzung bei $x < -1$ und $x > 1$ rechtwinklig in die Komplexen zahlen wandert.
-Wenn man das gleiche mit $\sn^{-1}(w, k)$ macht, erkennt man zwei interessante Stellen.
-Die erste ist die gleiche wie beim $\cos^{-1}(x)$ nämlich bei $t = \pm 1$.
-Der erste Term unter der Wurzel wird dann negativ, während der zweite noch positiv ist, da $k \leq 1$.
-\begin{equation}
- \frac{
- 1
- }{
- \sqrt{
- (1-t^2)(1-k^2 t^2)
- }
- }
- \in \mathbb{R}
- \quad \forall \quad
- -1 \leq t \leq 1
-\end{equation}
-Die zweite stelle passiert wenn beide Faktoren unter der Wurzel negativ werden, was bei $t = 1/k$ der Fall ist.
-
-
-
-
-Funktion in relle und komplexe Richtung periodisch
-
-In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch.
-
-
-
-%TODO sn^{-1} grafik
-
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex}
- \caption{
- $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$.
- Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch.
- }
- % \label{ellfilter:fig:cd2}
-\end{figure}
-
-\section{Elliptische rationale Funktionen}
-
-Kommen wir nun zum eigentlichen Teil dieses Papers, den elliptischen rationalen Funktionen
-\begin{align}
- R_N(\xi, w) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \\
- &= \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}
-
-
-sieht ähnlich aus wie die trigonometrische Darstellung der Tschebyschef-Polynome \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials}
-Anstelle vom Kosinus kommt hier die $\cd$-Funktion zum Einsatz.
-Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor for.
-Zusätzlich werden noch zwei verschiedene elliptische Module $k$ und $k_1$ gebraucht.
-
-
-
-Sinus entspricht $\sn$
-
-Damit die Nullstellen an ähnlichen Positionen zu liegen kommen wie bei den Tschebyscheff-Polynomen, muss die $\cd$-Funktion gewählt werden.
-
-Die $\cd^{-1}(w, k)$-Funktion ist um $K$ verschoben zur $\sn^{-1}(w, k)$-Funktion, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd}.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex}
- \caption{
- $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$.
- Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch.
- }
- \label{ellfilter:fig:cd}
-\end{figure}
-Auffallend ist, dass sich alle Nullstellen und Polstellen um $K$ verschoben haben.
-
-Durch das Konzept vom fundamentalen Rechteck, siehe Abbildung \ref{ellfilter:fig:fundamental_rectangle} können für alle inversen Jaccobi elliptischen Funktionen die Positionen der Null- und Polstellen anhand eines Diagramms ermittelt werden.
-Der erste Buchstabe bestimmt die Position der Nullstelle und der zweite Buchstabe die Polstelle.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex}
- \caption{
- Fundamentales Rechteck der inversen Jaccobi elliptischen Funktionen.
- }
- \label{ellfilter:fig:fundamental_rectangle}
-\end{figure}
-
-Auffallend an der $w = \sn(z, k)$-Funktion ist, dass sich $w$ auf der reellen Achse wie der Kosinus immer zwischen $-1$ und $1$ bewegt, während bei $\mathrm{Im(z) = K^\prime}$ die Werte zwischen $\pm 1/k$ und $\pm \infty$ verlaufen.
-Die Funktion hat also Equirippel-Verhalten um $w=0$ und um $w=\pm \infty$.
-Falls es möglich ist diese Werte abzufahren im Sti der Tschebyscheff-Polynome, kann ein Filter gebaut werden, dass Equirippel-Verhalten im Durchlass- und Sperrbereich aufweist.
-
-
-
-Analog zu Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2} können wir auch bei den elliptisch rationalen Funktionen die komplexe $z$-Ebene betrachten, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd2}, um die besser zu verstehen.
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex}
- \caption{
- $z_1$-Ebene der elliptischen rationalen Funktionen.
- Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen passiert.
- }
- \label{ellfilter:fig:cd2}
-\end{figure}
-% Da die $\cd^{-1}$-Funktion
-
-
-
-\begin{figure}
- \centering
- \input{papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf}
- \caption{$F_N$ für ein elliptischs filter.}
- \label{ellfilter:fig:elliptic}
-\end{figure}
-
-\subsection{Degree Equation}
-
-Der $\cd^{-1}$ Term muss so verzogen werden, dass die umgebene $\cd$-Funktion die Nullstellen und Pole trifft.
-Dies trifft ein wenn die Degree Equation erfüllt ist.
-
-\begin{equation}
- N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1}
-\end{equation}
-
-
-Leider ist das lösen dieser Gleichung nicht trivial.
-Die Rechnung wird in \ref{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut.
-
-
-\subsection{Polynome?}
-
-Bei den Tschebyscheff-Polynomen haben wir gesehen, dass die Trigonometrische Formel zu einfachen Polynomen umgewandelt werden kann.
-Im gegensatz zum $\cos^{-1}$ hat der $\cd^{-1}$ nicht nur Nullstellen sondern auch Pole.
-Somit entstehen bei den elliptischen rationalen Funktionen, wie es der name auch deutet, rationale Funktionen, also ein Bruch von zwei Polynomen.
-
-Da Transformationen einer rationalen Funktionen mit Grundrechenarten, wie es in \eqref{ellfilter:eq:h_omega} der Fall ist, immer noch rationale Funktionen ergeben, stellt dies kein Problem für die Implementierung dar.
-
-\input{papers/ellfilter/teil0.tex}
-\input{papers/ellfilter/teil1.tex}
-\input{papers/ellfilter/teil2.tex}
-\input{papers/ellfilter/teil3.tex}
-
-% \printbibliography[heading=subbibliography]
+\printbibliography[heading=subbibliography]
\end{refsection}
diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil0.tex b/buch/papers/ellfilter/teil0.tex
deleted file mode 100644
index 6204bc0..0000000
--- a/buch/papers/ellfilter/teil0.tex
+++ /dev/null
@@ -1,22 +0,0 @@
-%
-% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung
-%
-% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
-%
-% \section{Teil 0\label{ellfilter:section:teil0}}
-% \rhead{Teil 0}
-% Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam
-% nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam
-% erat, sed diam voluptua \cite{ellfilter:bibtex}.
-% At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum.
-% Stet clita kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum
-% dolor sit amet.
-
-% Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam
-% nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam
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-% At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita
-% kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum dolor sit
-% amet.
-
-
diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil1.tex b/buch/papers/ellfilter/teil1.tex
deleted file mode 100644
index 4760473..0000000
--- a/buch/papers/ellfilter/teil1.tex
+++ /dev/null
@@ -1,55 +0,0 @@
-%
-% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper
-%
-% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
-%
-% \section{Teil 1
-% \label{ellfilter:section:teil1}}
-% \rhead{Problemstellung}
-% Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem
-% accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa
-% quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae
-% dicta sunt explicabo.
-% Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit aspernatur aut odit
-% aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores eos qui ratione
-% voluptatem sequi nesciunt
-% \begin{equation}
-% \int_a^b x^2\, dx
-% =
-% \left[ \frac13 x^3 \right]_a^b
-% =
-% \frac{b^3-a^3}3.
-% \label{ellfilter:equation1}
-% \end{equation}
-% Neque porro quisquam est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet,
-% consectetur, adipisci velit, sed quia non numquam eius modi tempora
-% incidunt ut labore et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem.
-
-% Ut enim ad minima veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis
-% suscipit laboriosam, nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur?
-% Quis autem vel eum iure reprehenderit qui in ea voluptate velit
-% esse quam nihil molestiae consequatur, vel illum qui dolorem eum
-% fugiat quo voluptas nulla pariatur?
-
-% \subsection{De finibus bonorum et malorum
-% \label{ellfilter:subsection:finibus}}
-% At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui
-% blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos
-% dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non
-% provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia
-% animi, id est laborum et dolorum fuga \eqref{000tempmlate:equation1}.
-
-% Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio
-% \ref{ellfilter:section:loesung}.
-% Nam libero tempore, cum soluta nobis est eligendi optio cumque nihil
-% impedit quo minus id quod maxime placeat facere possimus, omnis
-% voluptas assumenda est, omnis dolor repellendus
-% \ref{ellfilter:section:folgerung}.
-% Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut rerum
-% necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae sint et
-% molestiae non recusandae.
-% Itaque earum rerum hic tenetur a sapiente delectus, ut aut reiciendis
-% voluptatibus maiores alias consequatur aut perferendis doloribus
-% asperiores repellat.
-
-
diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil2.tex b/buch/papers/ellfilter/teil2.tex
deleted file mode 100644
index 39dd5d7..0000000
--- a/buch/papers/ellfilter/teil2.tex
+++ /dev/null
@@ -1,40 +0,0 @@
-%
-% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2
-%
-% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
-%
-% \section{Teil 2
-% \label{ellfilter:section:teil2}}
-% \rhead{Teil 2}
-% Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem
-% accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa
-% quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae
-% dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit
-% aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores
-% eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam
-% est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci
-% velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore
-% et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima
-% veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam,
-% nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure
-% reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae
-% consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla
-% pariatur?
-
-% \subsection{De finibus bonorum et malorum
-% \label{ellfilter:subsection:bonorum}}
-% At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui
-% blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos
-% dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non
-% provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia
-% animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis
-% est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis
-% est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime
-% placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor
-% repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut
-% rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae
-% sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a
-% sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias
-% consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat.
-
-
diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil3.tex b/buch/papers/ellfilter/teil3.tex
deleted file mode 100644
index dad96ad..0000000
--- a/buch/papers/ellfilter/teil3.tex
+++ /dev/null
@@ -1,40 +0,0 @@
-%
-% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3
-%
-% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
-%
-% \section{Teil 3
-% \label{ellfilter:section:teil3}}
-% \rhead{Teil 3}
-% Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem
-% accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa
-% quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae
-% dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit
-% aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores
-% eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam
-% est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci
-% velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore
-% et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima
-% veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam,
-% nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure
-% reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae
-% consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla
-% pariatur?
-
-% \subsection{De finibus bonorum et malorum
-% \label{ellfilter:subsection:malorum}}
-% At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui
-% blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos
-% dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non
-% provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia
-% animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis
-% est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis
-% est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime
-% placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor
-% repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut
-% rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae
-% sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a
-% sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias
-% consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat.
-
-
diff --git a/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex
new file mode 100644
index 0000000..7d426b6
--- /dev/null
+++ b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex
@@ -0,0 +1,133 @@
+\section{Tschebyscheff-Filter}
+
+Als Einstieg betrachent Wir das Tschebyscheff-Filter, welches sehr verwand ist mit dem elliptischen Filter.
+Genauer ausgedrückt sind die Tschebyscheff-1 und -2 Filter Spezialfälle davon.
+
+Der Name des Filters deutet schon an, dass die Tschebyscheff-Polynome $T_N$ für das Filter relevant sind:
+\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}
+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)
+\end{align}
+übereinstimmt.
+Der Zusammenhang lässt sich mit den Doppel- und Mehrfachwinkelfunktionen der trigonometrischen Funktionen erklären.
+Abbildung \ref{ellfilter:fig:chebychef_polynomials} zeigt einige Tschebyscheff-Polynome.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf}
+ \caption{Die Tschebyscheff-Polynome $C_N$.}
+ \label{ellfilter:fig:chebychef_polynomials}
+\end{figure}
+Da der Kosinus begrenzt zwischen $-1$ und $1$ ist, sind auch die Tschebyscheff-Polynome begrenzt.
+Geht man aber über das Intervall $[-1, 1]$ hinaus, divergieren die Funktionen mit zunehmender Ordnung immer steiler gegen $\pm \infty$.
+Diese Eigenschaft ist sehr nützlich für ein Filter.
+Wenn wir die Tschebyscheff-Polynome quadrieren, passen sie perfekt in die Voraussetzungen für Filterfunktionen, wie es Abbildung \ref{ellfiter:fig:chebychef} demonstriert.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf}
+ \caption{Die Tschebyscheff-Polynome füllen den erlaubten Bereich besser, und erhalten dadurch eine steilere Flanke im Sperrbereich.}
+ \label{ellfiter:fig:chebychef}
+\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 dann helfen die elliptischen Filter besser zu verstehen.
+
+Starten wir mit der Funktion, die als erstes auf $w$ angewendet wird, dem Arcuscosinus.
+Die invertierte Funktion des Kosinus kann als definites Integral dargestellt werden:
+\begin{align}
+ \cos^{-1}(x)
+ &=
+ \int_{x}^{1}
+ \frac{
+ dz
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-z^2
+ }
+ }\\
+ &=
+ \int_{0}^{x}
+ \frac{
+ -1
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-z^2
+ }
+ }
+ ~dz
+ + \frac{\pi}{2}
+\end{align}
+Der Integrand oder auch die Ableitung
+\begin{equation}
+ \frac{
+ -1
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-z^2
+ }
+ }
+\end{equation}
+bestimmt dabei die Richtung, in der die Funktion verläuft.
+Der reelle Arcuscosinus is 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.
+Der Wert des Arcuscosinus verlässt also bei $z= \pm 1$ den reellen Zahlenstrahl und knickt in die komplexe Ebene ab.
+Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos} zeigt den $\arccos$ in der komplexen Ebene.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex}
+ \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 und es entstehen periodische Nullstellen.
+% \begin{equation}
+% \frac{
+% 1
+% }{
+% \sqrt{
+% 1-z^2
+% }
+% }
+% \in \mathbb{R}
+% \quad
+% \forall
+% \quad
+% -1 \leq z \leq 1
+% \end{equation}
+% \begin{equation}
+% \frac{
+% 1
+% }{
+% \sqrt{
+% 1-z^2
+% }
+% }
+% = i \xi \quad | \quad \xi \in \mathbb{R}
+% \quad
+% \forall
+% \quad
+% z \leq -1 \cup z \geq 1
+% \end{equation}
+
+Die Tschebyscheff-Polynome skalieren diese Nullstellen mit dem Ordnungsfaktor $N$, wie dargestellt in Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2}.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex}
+ \caption{
+ $z_1=N \cos^{-1}(w)$-Ebene der Tschebyscheff-Funktion.
+ Die eingefärbten Pfade sind Verläufe von $w~\forall~[-\infty, \infty]$ für verschiedene Ordnungen $N$.
+ Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen werden passiert.
+ }
+ \label{ellfilter:fig:arccos2}
+\end{figure}
+Somit passert $\cos( N~\cos^{-1}(w))$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Nullstellen.
+Durch die spezielle Anordnung der Nullstellen hat die Funktion Equirippel-Verhalten und ist dennoch ein Polynom, was sich perfekt für linear Filter eignet.