git.gag.com Git - debian/gnuradio/blob - gr-trellis/src/lib/fsm.cc

   1 /* -*- c++ -*- */
   2 /*
   3  * Copyright 2002 Free Software Foundation, Inc.
   4  *
   5  * This file is part of GNU Radio
   6  *
   7  * GNU Radio is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9  * the Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
  10  * any later version.
  11  *
  12  * GNU Radio is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  15  * GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  18  * along with GNU Radio; see the file COPYING.  If not, write to
  19  * the Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street,
  20  * Boston, MA 02110-1301, USA.
  21  */
  22
  23 #include <cstdio>
  24 #include <string>
  25 #include <iostream>
  26 #include <fstream>
  27 #include <stdexcept>
  28 #include <cmath>
  29 #include <stdlib.h>
  30 #include "base.h"
  31 #include "fsm.h"
  32
  33
  34 fsm::fsm()
  35 {
  36   d_I=0;
  37   d_S=0;
  38   d_O=0;
  39   d_NS.resize(0);
  40   d_OS.resize(0);
  41   d_PS.resize(0);
  42   d_PI.resize(0);
  43   d_TMi.resize(0);
  44   d_TMl.resize(0);
  45 }
  46
  47 fsm::fsm(const fsm &FSM)
  48 {
  49   d_I=FSM.I();
  50   d_S=FSM.S();
  51   d_O=FSM.O();
  52   d_NS=FSM.NS();
  53   d_OS=FSM.OS();
  54   d_PS=FSM.PS(); // is this going to make a deep copy?
  55   d_PI=FSM.PI();
  56   d_TMi=FSM.TMi();
  57   d_TMl=FSM.TMl();
  58 }
  59
  60 fsm::fsm(int I, int S, int O, const std::vector<int> &NS, const std::vector<int> &OS)
  61 {
  62   d_I=I;
  63   d_S=S;
  64   d_O=O;
  65   d_NS=NS;
  66   d_OS=OS;
  67
  68   generate_PS_PI();
  69   generate_TM();
  70 }
  71
  72 //######################################################################
  73 //# Read an FSM specification from a file.
  74 //# Format (hopefully will become more flexible in the future...):
  75 //# I S O (in the first line)
  76 //# blank line
  77 //# Next state matrix (S lines, each with I integers separated by spaces)
  78 //# blank line
  79 //# output symbol matrix (S lines, each with I integers separated by spaces)
  80 //# optional comments
  81 //######################################################################
  82 fsm::fsm(const char *name)
  83 {
  84   FILE *fsmfile;
  85
  86   if((fsmfile=fopen(name,"r"))==NULL)
  87     throw std::runtime_error ("fsm::fsm(const char *name): file open error\n");
  88     //printf("file open error in fsm()\n");
  89
  90   fscanf(fsmfile,"%d %d %d\n",&d_I,&d_S,&d_O);
  91   d_NS.resize(d_I*d_S);
  92   d_OS.resize(d_I*d_S);
  93
  94   for(int i=0;i<d_S;i++) {
  95     for(int j=0;j<d_I;j++) fscanf(fsmfile,"%d",&(d_NS[i*d_I+j]));
  96   }
  97   for(int i=0;i<d_S;i++) {
  98     for(int j=0;j<d_I;j++) fscanf(fsmfile,"%d",&(d_OS[i*d_I+j]));
  99   }
 100
 101   generate_PS_PI();
 102   generate_TM();
 103 }
 104
 105
 106
 107 //######################################################################
 108 //# Automatically generate the FSM from the generator matrix
 109 //# of a (n,k) binary convolutional code
 110 //######################################################################
 111 fsm::fsm(int k, int n, const std::vector<int> &G)
 112 {
 113
 114   // calculate maximum memory requirements for each input stream
 115   std::vector<int> max_mem_x(k,-1);
 116   int max_mem = -1;
 117   for(int i=0;i<k;i++) {
 118     for(int j=0;j<n;j++) {
 119       int mem = -1;
 120       if(G[i*n+j]!=0)
 121         mem=(int)(log(G[i*n+j])/log(2.0));
 122       if(mem>max_mem_x[i])
 123         max_mem_x[i]=mem;
 124       if(mem>max_mem)
 125         max_mem=mem;
 126     }
 127   }
 128
 129 //printf("max_mem_x\n");
 130 //for(int j=0;j<max_mem_x.size();j++) printf("%d ",max_mem_x[j]); printf("\n");
 131
 132   // calculate total memory requirements to set S
 133   int sum_max_mem = 0;
 134   for(int i=0;i<k;i++)
 135     sum_max_mem += max_mem_x[i];
 136
 137 //printf("sum_max_mem = %d\n",sum_max_mem);
 138
 139   d_I=1<<k;
 140   d_S=1<<sum_max_mem;
 141   d_O=1<<n;
 142
 143   // binary representation of the G matrix
 144   std::vector<std::vector<int> > Gb(k*n);
 145   for(int j=0;j<k*n;j++) {
 146     Gb[j].resize(max_mem+1);
 147     dec2base(G[j],2,Gb[j]);
 148 //printf("Gb\n");
 149 //for(int m=0;m<Gb[j].size();m++) printf("%d ",Gb[j][m]); printf("\n");
 150   }
 151
 152   // alphabet size of each shift register
 153   std::vector<int> bases_x(k);
 154   for(int j=0;j<k ;j++)
 155     bases_x[j] = 1 << max_mem_x[j];
 156 //printf("bases_x\n");
 157 //for(int j=0;j<max_mem_x.size();j++) printf("%d ",max_mem_x[j]); printf("\n");
 158
 159   d_NS.resize(d_I*d_S);
 160   d_OS.resize(d_I*d_S);
 161
 162   std::vector<int> sx(k);
 163   std::vector<int> nsx(k);
 164   std::vector<int> tx(k);
 165   std::vector<std::vector<int> > tb(k);
 166   for(int j=0;j<k;j++)
 167     tb[j].resize(max_mem+1);
 168   std::vector<int> inb(k);
 169   std::vector<int> outb(n);
 170
 171
 172   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 173     dec2bases(s,bases_x,sx); // split s into k values, each representing one of the k shift registers
 174 //printf("state = %d \nstates = ",s);
 175 //for(int j=0;j<sx.size();j++) printf("%d ",sx[j]); printf("\n");
 176     for(int i=0;i<d_I;i++) {
 177       dec2base(i,2,inb); // input in binary
 178 //printf("input = %d \ninputs = ",i);
 179 //for(int j=0;j<inb.size();j++) printf("%d ",inb[j]); printf("\n");
 180
 181       // evaluate next state
 182       for(int j=0;j<k;j++)
 183         nsx[j] = (inb[j]*bases_x[j]+sx[j])/2; // next state (for each shift register) MSB first
 184       d_NS[s*d_I+i]=bases2dec(nsx,bases_x); // collect all values into the new state
 185
 186       // evaluate transitions
 187       for(int j=0;j<k;j++)
 188         tx[j] = inb[j]*bases_x[j]+sx[j]; // transition (for each shift register)MSB first
 189       for(int j=0;j<k;j++) {
 190         dec2base(tx[j],2,tb[j]); // transition in binary
 191 //printf("transition = %d \ntransitions = ",tx[j]);
 192 //for(int m=0;m<tb[j].size();m++) printf("%d ",tb[j][m]); printf("\n");
 193       }
 194
 195       // evaluate outputs
 196       for(int nn=0;nn<n;nn++) {
 197         outb[nn] = 0;
 198         for(int j=0;j<k;j++) {
 199           for(int m=0;m<max_mem+1;m++)
 200             outb[nn] = (outb[nn] + Gb[j*n+nn][m]*tb[j][m]) % 2; // careful: polynomial 1+D ir represented as 110, not as 011
 201 //printf("output %d equals %d\n",nn,outb[nn]);
 202         }
 203       }
 204       d_OS[s*d_I+i] = base2dec(outb,2);
 205     }
 206   }
 207
 208   generate_PS_PI();
 209   generate_TM();
 210 }
 211
 212
 213
 214
 215 //######################################################################
 216 //# Automatically generate an FSM specification describing the
 217 //# ISI for a channel
 218 //# of length ch_length and a modulation of size mod_size
 219 //######################################################################
 220 fsm::fsm(int mod_size, int ch_length)
 221 {
 222   d_I=mod_size;
 223   d_S=(int) (pow(1.0*d_I,1.0*ch_length-1)+0.5);
 224   d_O=d_S*d_I;
 225
 226   d_NS.resize(d_I*d_S);
 227   d_OS.resize(d_I*d_S);
 228
 229   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 230     for(int i=0;i<d_I;i++) {
 231       int t=i*d_S+s;
 232       d_NS[s*d_I+i] = t/d_I;
 233       d_OS[s*d_I+i] = t;
 234     }
 235   }
 236
 237   generate_PS_PI();
 238   generate_TM();
 239 }
 240
 241
 242
 243
 244 //######################################################################
 245 //# Automatically generate an FSM specification describing the
 246 //# the trellis for a CPM with h=K/P (relatively prime),
 247 //# alphabet size M, and frequency pulse duration L symbols
 248 //#
 249 //# This FSM is based on the paper by B. Rimoldi
 250 //# "A decomposition approach to CPM", IEEE Trans. Info Theory, March 1988
 251 //# See also my own notes at http://www.eecs.umich.edu/~anastas/docs/cpm.pdf
 252 //######################################################################
 253 fsm::fsm(int P, int M, int L)
 254 {
 255   d_I=M;
 256   d_S=(int)(pow(1.0*M,1.0*L-1)+0.5)*P;
 257   d_O=(int)(pow(1.0*M,1.0*L)+0.5)*P;
 258
 259   d_NS.resize(d_I*d_S);
 260   d_OS.resize(d_I*d_S);
 261   int nv;
 262   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 263     for(int i=0;i<d_I;i++) {
 264       int s1=s/P;
 265       int v=s%P;
 266       int ns1= (i*(int)(pow(1.0*M,1.0*(L-1))+0.5)+s1)/M;
 267       if (L==1)
 268         nv=(i+v)%P;
 269       else
 270         nv=(s1%M+v)%P;
 271       d_NS[s*d_I+i] = ns1*P+nv;
 272       d_OS[s*d_I+i] = i*d_S+s;
 273     }
 274   }
 275
 276   generate_PS_PI();
 277   generate_TM();
 278 }
 279
 280
 281
 282
 283
 284
 285
 286
 287
 288
 289 //######################################################################
 290 //# Automatically generate an FSM specification describing the
 291 //# the joint trellis of fsm1 and fsm2
 292 //######################################################################
 293 fsm::fsm(const fsm &FSM1, const fsm &FSM2)
 294 {
 295   d_I=FSM1.I()*FSM2.I();
 296   d_S=FSM1.S()*FSM2.S();
 297   d_O=FSM1.O()*FSM2.O();
 298
 299   d_NS.resize(d_I*d_S);
 300   d_OS.resize(d_I*d_S);
 301
 302   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 303     for(int i=0;i<d_I;i++) {
 304       int s1=s/FSM2.S();
 305       int s2=s%FSM2.S();
 306       int i1=i/FSM2.I();
 307       int i2=i%FSM2.I();
 308       d_NS[s*d_I+i] = FSM1.NS()[s1 * FSM1.I() + i1] * FSM2.S() + FSM2.NS()[s2 * FSM2.I() + i2];
 309       d_OS[s*d_I+i] = FSM1.OS()[s1 * FSM1.I() + i1] * FSM2.O() + FSM2.OS()[s2 * FSM2.I() + i2];
 310     }
 311   }
 312
 313   generate_PS_PI();
 314   generate_TM();
 315 }
 316
 317
 318
 319
 320 //######################################################################
 321 //# Generate a new FSM representing n stages through the original FSM
 322 //# AKA radix-n FSM
 323 //######################################################################
 324 fsm::fsm(const fsm &FSM, int n)
 325 {
 326   d_I=(int) (pow(1.0*FSM.I(),1.0*n)+0.5);
 327   d_S=FSM.S();
 328   d_O=(int) (pow(1.0*FSM.O(),1.0*n)+0.5);
 329
 330   d_NS.resize(d_I*d_S);
 331   d_OS.resize(d_I*d_S);
 332
 333   for(int s=0;s<d_S;s++ ) {
 334     for(int i=0;i<d_I;i++ ) {
 335       std::vector<int> ii(n);
 336       dec2base(i,FSM.I(),ii);
 337       std::vector<int> oo(n);
 338       int ns=s;
 339       for(int k=0;k<n;k++) {
 340         oo[k]=FSM.OS()[ns*FSM.I()+ii[k]];
 341         ns=FSM.NS()[ns*FSM.I()+ii[k]];
 342       }
 343       d_NS[s*d_I+i]=ns;
 344       d_OS[s*d_I+i]=base2dec(oo,FSM.O());
 345     }
 346   }
 347
 348   generate_PS_PI();
 349   generate_TM();
 350 }
 351
 352
 353
 354
 355
 356
 357
 358
 359
 360 //######################################################################
 361 //# generate the PS and PI tables for later use
 362 //######################################################################
 363 void fsm::generate_PS_PI()
 364 {
 365   d_PS.resize(d_S);
 366   d_PI.resize(d_S);
 367
 368   for(int i=0;i<d_S;i++) {
 369     d_PS[i].resize(d_I*d_S); // max possible size
 370     d_PI[i].resize(d_I*d_S);
 371     int j=0;
 372     for(int ii=0;ii<d_S;ii++) for(int jj=0;jj<d_I;jj++) {
 373       if(d_NS[ii*d_I+jj]!=i) continue;
 374       d_PS[i][j]=ii;
 375       d_PI[i][j]=jj;
 376       j++;
 377     }
 378     d_PS[i].resize(j);
 379     d_PI[i].resize(j);
 380   }
 381 }
 382
 383
 384 //######################################################################
 385 //# generate the termination matrices TMl and TMi for later use
 386 //######################################################################
 387 void fsm::generate_TM()
 388 {
 389   d_TMi.resize(d_S*d_S);
 390   d_TMl.resize(d_S*d_S);
 391
 392   for(int i=0;i<d_S*d_S;i++) {
 393     d_TMi[i] = -1; // no meaning
 394     d_TMl[i] = d_S; //infinity: you need at most S-1 steps
 395     if (i/d_S == i%d_S)
 396       d_TMl[i] = 0;
 397   }
 398
 399   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 400     bool done = false;
 401     int attempts = 0;
 402     while (done == false && attempts < d_S-1) {
 403       done = find_es(s);
 404       attempts ++;
 405     }
 406     if (done == false) {
 407       //throw std::runtime_error ("fsm::generate_TM(): FSM appears to be disconnected\n");
 408       printf("fsm::generate_TM(): FSM appears to be disconnected\n");
 409       printf("state %d cannot be reached from all other states\n",s);
 410     }
 411   }
 412 }
 413
 414
 415 // find a path from any state to the ending state "es"
 416 bool fsm::find_es(int es)
 417 {
 418   bool done = true;
 419   for(int s=0;s<d_S;s++) {
 420     if(d_TMl[s*d_S+es] < d_S)
 421       continue;
 422     int minl=d_S;
 423     int mini=-1;
 424     for(int i=0;i<d_I;i++) {
 425       if( 1 + d_TMl[d_NS[s*d_I+i]*d_S+es] < minl) {
 426         minl = 1 + d_TMl[d_NS[s*d_I+i]*d_S+es];
 427         mini = i;
 428       }
 429     }
 430     if (mini != -1) {
 431       d_TMl[s*d_S+es]=minl;
 432       d_TMi[s*d_S+es]=mini;
 433     }
 434     else
 435       done = false;
 436   }
 437   return done;
 438 }
 439
 440
 441
 442
 443
 444 //######################################################################
 445 //#  generate trellis representation of FSM as an SVG file
 446 //######################################################################
 447 void fsm::write_trellis_svg( std::string filename ,int number_stages)
 448 {
 449    std::ofstream trellis_fname (filename.c_str());
 450    if (!trellis_fname) {std::cout << "file not found " << std::endl ; exit(-1);}
 451    const int TRELLIS_Y_OFFSET = 30;
 452    const int TRELLIS_X_OFFSET = 20;
 453    const int STAGE_LABEL_Y_OFFSET = 25;
 454    const int STAGE_LABEL_X_OFFSET = 20;
 455    const int STATE_LABEL_Y_OFFSET = 30;
 456    const int STATE_LABEL_X_OFFSET = 5;
 457    const int STAGE_STATE_OFFSETS = 10;
 458 //   std::cout << "################## BEGIN SVG TRELLIS PIC #####################" << std::endl;
 459    trellis_fname << "<svg viewBox = \"0 0 200 200\" version = \"1.1\">" << std::endl;
 460
 461     for( int stage_num = 0;stage_num < number_stages;stage_num ++){
 462     // draw states
 463       for ( int state_num = 0;state_num < d_S ; state_num ++ ) {
 464         trellis_fname << "<circle cx = \"" << stage_num * STAGE_STATE_OFFSETS + TRELLIS_X_OFFSET <<
 465         "\" cy = \"" << state_num * STAGE_STATE_OFFSETS + TRELLIS_Y_OFFSET << "\" r = \"1\"/>" << std::endl;
 466       //draw branches
 467         if(stage_num != number_stages-1){
 468           for( int branch_num = 0;branch_num < d_I; branch_num++){
 469             trellis_fname << "<line x1 =\"" << STAGE_STATE_OFFSETS * stage_num+ TRELLIS_X_OFFSET  << "\" ";
 470             trellis_fname << "y1 =\"" << state_num * STAGE_STATE_OFFSETS + TRELLIS_Y_OFFSET<< "\" ";
 471             trellis_fname << "x2 =\"" <<  STAGE_STATE_OFFSETS *stage_num + STAGE_STATE_OFFSETS+ TRELLIS_X_OFFSET << "\" ";
 472             trellis_fname << "y2 =\"" << d_NS[d_I * state_num + branch_num] * STAGE_STATE_OFFSETS + TRELLIS_Y_OFFSET << "\" ";
 473             trellis_fname << " stroke-dasharray = \"3," <<  branch_num << "\" ";
 474             trellis_fname << " stroke = \"black\" stroke-width = \"0.3\"/>" << std::endl;
 475           }
 476         }
 477       }
 478     }
 479   // label the stages
 480   trellis_fname << "<g font-size = \"4\" font= \"times\" fill = \"black\">" << std::endl;
 481   for( int stage_num = 0;stage_num < number_stages ;stage_num ++){
 482     trellis_fname << "<text x = \"" << stage_num * STAGE_STATE_OFFSETS + STAGE_LABEL_X_OFFSET <<
 483       "\" y = \""  << STAGE_LABEL_Y_OFFSET  << "\" >" << std::endl;
 484     trellis_fname << stage_num <<  std::endl;
 485     trellis_fname << "</text>" << std::endl;
 486   }
 487   trellis_fname << "</g>" << std::endl;
 488
 489   // label the states
 490   trellis_fname << "<g font-size = \"4\" font= \"times\" fill = \"black\">" << std::endl;
 491   for( int state_num = 0;state_num < d_S ; state_num ++){
 492     trellis_fname << "<text y = \"" << state_num * STAGE_STATE_OFFSETS + STATE_LABEL_Y_OFFSET <<
 493       "\" x = \""  << STATE_LABEL_X_OFFSET  << "\" >" << std::endl;
 494     trellis_fname << state_num <<  std::endl;
 495     trellis_fname << "</text>" << std::endl;
 496   }
 497   trellis_fname << "</g>" << std::endl;
 498
 499
 500   trellis_fname << "</svg>" << std::endl;
 501 //  std::cout << "################## END SVG TRELLIS PIC ##################### " << std::endl;
 502   trellis_fname.close();
 503 }
 504
 505
 506
 507
 508
 509
 510 //######################################################################
 511 //# Write trellis specification to a text file,
 512 //# in the same format used when reading FSM files
 513 //######################################################################
 514 void fsm::write_fsm_txt(std::string filename)
 515 {
 516    std::ofstream trellis_fname (filename.c_str());
 517    if (!trellis_fname) {std::cout << "file not found " << std::endl ; exit(-1);}
 518    trellis_fname << d_I << ' ' << d_S << ' ' << d_O << std::endl;
 519    trellis_fname << std::endl;
 520    for(int i=0;i<d_S;i++) {
 521      for(int j=0;j<d_I;j++)  trellis_fname << d_NS[i*d_I+j] << ' ';
 522      trellis_fname << std::endl;
 523    }
 524    trellis_fname << std::endl;
 525    for(int i=0;i<d_S;i++) {
 526      for(int j=0;j<d_I;j++) trellis_fname << d_OS[i*d_I+j] << ' ';
 527      trellis_fname << std::endl;
 528    }
 529    trellis_fname << std::endl;
 530    trellis_fname.close();
 531 }
 532