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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 -% erat, sed diam voluptua. -% 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. |