cddb697acb8669a6b60661f8cedf55b87e20112f
[debian/gnuradio] / gnuradio-core / src / lib / general / gr_mpsk_receiver_cc.h
1 /* -*- c++ -*- */
2 /*
3  * Copyright 2004,2007 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 #ifndef INCLUDED_GR_MPSK_RECEIVER_CC_H
24 #define INCLUDED_GR_MPSK_RECEIVER_CC_H
25
26 #include <gr_block.h>
27 #include <gr_complex.h>
28 #include <fstream>
29
30 class gri_mmse_fir_interpolator_cc;
31
32 class gr_mpsk_receiver_cc;
33 typedef boost::shared_ptr<gr_mpsk_receiver_cc> gr_mpsk_receiver_cc_sptr;
34
35 // public constructor
36 gr_mpsk_receiver_cc_sptr 
37 gr_make_mpsk_receiver_cc (unsigned int M, float theta, 
38                           float alpha, float beta,
39                           float fmin, float fmax,
40                           float mu, float gain_mu, 
41                           float omega, float gain_omega, float omega_rel);
42
43 /*!
44  * \brief This block takes care of receiving M-PSK modulated signals through phase, frequency, and symbol
45  * synchronization. 
46  * \ingroup block
47  *
48  * This block takes care of receiving M-PSK modulated signals through phase, frequency, and symbol
49  * synchronization. It performs carrier frequency and phase locking as well as symbol timing recovery. 
50  * It works with (D)BPSK, (D)QPSK, and (D)8PSK as tested currently. It should also work for OQPSK and 
51  * PI/4 DQPSK.
52  *
53  * The phase and frequency synchronization are based on a Costas loop that finds the error of the incoming
54  * signal point compared to its nearest constellation point. The frequency and phase of the NCO are 
55  * updated according to this error. There are optimized phase error detectors for BPSK and QPSK, but 8PSK
56  * is done using a brute-force computation of the constellation points to find the minimum.
57  *
58  * The symbol synchronization is done using a modified Mueller and Muller circuit from the paper:
59  * 
60  *    G. R. Danesfahani, T.G. Jeans, "Optimisation of modified Mueller and Muller 
61  *    algorithm,"  Electronics Letters, Vol. 31, no. 13,  22 June 1995, pp. 1032 - 1033.
62  *
63  * This circuit interpolates the downconverted sample (using the NCO developed by the Costas loop)
64  * every mu samples, then it finds the sampling error based on this and the past symbols and the decision
65  * made on the samples. Like the phase error detector, there are optimized decision algorithms for BPSK
66  * and QPKS, but 8PSK uses another brute force computation against all possible symbols. The modifications
67  * to the M&M used here reduce self-noise.
68  *
69  */
70
71 class gr_mpsk_receiver_cc : public gr_block
72 {
73  public:
74   ~gr_mpsk_receiver_cc ();
75   void forecast(int noutput_items, gr_vector_int &ninput_items_required);
76   int general_work (int noutput_items,
77                     gr_vector_int &ninput_items,
78                     gr_vector_const_void_star &input_items,
79                     gr_vector_void_star &output_items);
80
81
82   // Member functions related to the symbol tracking portion of the receiver
83   //! (M&M) Returns current value of mu
84   float mu() const { return d_mu;}
85
86   //! (M&M) Returns current value of omega
87   float omega() const { return d_omega;}
88
89   //! (M&M) Returns mu gain factor
90   float gain_mu() const { return d_gain_mu;}
91
92   //! (M&M) Returns omega gain factor
93   float gain_omega() const { return d_gain_omega;}
94
95   //! (M&M) Sets value of mu
96   void set_mu (float mu) { d_mu = mu; }
97   
98   //! (M&M) Sets value of omega and its min and max values 
99   void set_omega (float omega) { 
100     d_omega = omega;
101     d_min_omega = omega*(1.0 - d_omega_rel);
102     d_max_omega = omega*(1.0 + d_omega_rel);
103     d_omega_mid = 0.5*(d_min_omega+d_max_omega);
104   }
105
106   //! (M&M) Sets value for mu gain factor
107   void set_gain_mu (float gain_mu) { d_gain_mu = gain_mu; }
108
109   //! (M&M) Sets value for omega gain factor
110   void set_gain_omega (float gain_omega) { d_gain_omega = gain_omega; }
111
112
113
114   // Member function related to the phase/frequency tracking portion of the receiver
115   //! (CL) Returns the value for alpha (the phase gain term)
116   float alpha() const { return d_alpha; }
117   
118   //! (CL) Returns the value of beta (the frequency gain term)
119   float beta() const { return d_beta; }
120
121   //! (CL) Returns the current value of the frequency of the NCO in the Costas loop
122   float freq() const { return d_freq; }
123
124   //! (CL) Returns the current value of the phase of the NCO in the Costal loop
125   float phase() const { return d_phase; }
126
127   //! (CL) Sets the value for alpha (the phase gain term)
128   void set_alpha(float alpha) { d_alpha = alpha; }
129   
130   //! (CL) Setss the value of beta (the frequency gain term)
131   void set_beta(float beta) { d_beta = beta; }
132
133   //! (CL) Sets the current value of the frequency of the NCO in the Costas loop
134   void set_freq(float freq) { d_freq = freq; }
135
136   //! (CL) Setss the current value of the phase of the NCO in the Costal loop
137   void set_phase(float phase) { d_phase = phase; }
138
139
140 protected:
141
142  /*!
143    * \brief Constructor to synchronize incoming M-PSK symbols
144    *
145    * \param M           modulation order of the M-PSK modulation
146    * \param theta       any constant phase rotation from the real axis of the constellation
147    * \param alpha       gain parameter to adjust the phase in the Costas loop (~0.01)
148    * \param beta        gain parameter to adjust the frequency in the Costas loop (~alpha^2/4)  
149    * \param fmin        minimum normalized frequency value the loop can achieve
150    * \param fmax        maximum normalized frequency value the loop can achieve
151    * \param mu          initial parameter for the interpolator [0,1]
152    * \param gain_mu     gain parameter of the M&M error signal to adjust mu (~0.05)
153    * \param omega       initial value for the number of symbols between samples (~number of samples/symbol)
154    * \param gain_omega  gain parameter to adjust omega based on the error (~omega^2/4)
155    * \param omega_rel   sets the maximum (omega*(1+omega_rel)) and minimum (omega*(1+omega_rel)) omega (~0.005)
156    *
157    * The constructor also chooses which phase detector and decision maker to use in the work loop based on the
158    * value of M.
159    */
160   gr_mpsk_receiver_cc (unsigned int M, float theta, 
161                        float alpha, float beta,
162                        float fmin, float fmax,
163                        float mu, float gain_mu, 
164                        float omega, float gain_omega, float omega_rel);
165
166   void make_constellation();
167   void mm_sampler(const gr_complex symbol);
168   void mm_error_tracking(gr_complex sample);
169   void phase_error_tracking(gr_complex sample);
170
171
172 /*!
173    * \brief Phase error detector for MPSK modulations.
174    *
175    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
176    *
177    * This function determines the phase error for any MPSK signal by creating a set of PSK constellation points
178    * and doing a brute-force search to see which point minimizes the Euclidean distance. This point is then used
179    * to derotate the sample to the real-axis and a atan (using the fast approximation function) to determine the
180    * phase difference between the incoming sample and the real constellation point
181    *
182    * This should be cleaned up and made more efficient.
183    *
184    * \returns the approximated phase error.
185  */
186   float phase_error_detector_generic(gr_complex sample) const; // generic for M but more costly
187
188  /*!
189    * \brief Phase error detector for BPSK modulation.
190    *
191    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
192    *
193    * This function determines the phase error using a simple BPSK phase error detector by multiplying the real
194    * and imaginary (the error signal) components together. As the imaginary part goes to 0, so does this error.
195    *
196    * \returns the approximated phase error.
197  */
198   float phase_error_detector_bpsk(gr_complex sample) const;    // optimized for BPSK
199
200  /*!
201    * \brief Phase error detector for QPSK modulation.
202    *
203    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
204    *
205    * This function determines the phase error using the limiter approach in a standard 4th order Costas loop
206    *
207    * \returns the approximated phase error.
208  */
209   float phase_error_detector_qpsk(gr_complex sample) const;
210
211
212
213  /*!
214    * \brief Decision maker for a generic MPSK constellation.
215    *
216    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
217    *
218    * This decision maker is a generic implementation that does a brute-force search 
219    * for the constellation point that minimizes the error between it and the incoming signal.
220    *
221    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
222  */
223   unsigned int decision_generic(gr_complex sample) const;
224
225
226  /*!
227    * \brief Decision maker for BPSK constellation.
228    *
229    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
230    *
231    * This decision maker is a simple slicer function that makes a decision on the symbol based on its
232    * placement on the real axis of greater than 0 or less than 0; the quadrature component is always 0.
233    *
234    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
235  */
236   unsigned int decision_bpsk(gr_complex sample) const;
237   
238
239  /*!
240    * \brief Decision maker for QPSK constellation.
241    *
242    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
243    *
244    * This decision maker is a simple slicer function that makes a decision on the symbol based on its
245    * placement versus both axes and returns which quadrant the symbol is in.
246    *
247    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
248  */
249   unsigned int decision_qpsk(gr_complex sample) const;
250
251   private:
252   unsigned int d_M;
253   float        d_theta;
254
255   // Members related to carrier and phase tracking
256   float d_alpha;
257   float d_beta;
258   float d_freq, d_max_freq, d_min_freq;
259   float d_phase;
260
261 /*!
262    * \brief Decision maker function pointer 
263    *
264    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
265    *
266    * This is a function pointer that is set in the constructor to point to the proper decision function
267    * for the specified constellation order.
268    *
269    * \return index into d_constellation point that is the closest to the recieved sample
270  */
271   unsigned int (gr_mpsk_receiver_cc::*d_decision)(gr_complex sample) const; // pointer to decision function
272
273
274   std::vector<gr_complex> d_constellation;
275   unsigned int d_current_const_point;
276
277   // Members related to symbol timing
278   float d_mu, d_gain_mu;
279   float d_omega, d_gain_omega, d_omega_rel, d_max_omega, d_min_omega, d_omega_mid;
280   gr_complex d_p_2T, d_p_1T, d_p_0T;
281   gr_complex d_c_2T, d_c_1T, d_c_0T;
282
283  /*!
284    * \brief Phase error detector function pointer 
285    *
286    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
287    *
288    * This is a function pointer that is set in the constructor to point to the proper phase error detector
289    * function for the specified constellation order.
290  */
291   float (gr_mpsk_receiver_cc::*d_phase_error_detector)(gr_complex sample) const;
292
293
294   //! get interpolated value
295   gri_mmse_fir_interpolator_cc  *d_interp;
296   
297   //! delay line length.
298   static const unsigned int DLLEN = 8;
299   
300   //! delay line plus some length for overflow protection
301   gr_complex d_dl[2*DLLEN] __attribute__ ((aligned(8)));
302   
303   //! index to delay line
304   unsigned int d_dl_idx;
305
306   friend gr_mpsk_receiver_cc_sptr
307   gr_make_mpsk_receiver_cc (unsigned int M, float theta,
308                             float alpha, float beta,
309                             float fmin, float fmax,
310                             float mu, float gain_mu, 
311                             float omega, float gain_omega, float omega_rel);
312 };
313
314 #endif