merged trondeau/digital-wip2 r4193:4730 into trunk - improves digital receiver and...
[debian/gnuradio] / gnuradio-core / src / lib / general / gr_mpsk_receiver_cc.h
1 /* -*- c++ -*- */
2 /*
3  * Copyright 2004 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 2, 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   }
104
105   //! (M&M) Sets value for mu gain factor
106   void set_gain_mu (float gain_mu) { d_gain_mu = gain_mu; }
107
108   //! (M&M) Sets value for omega gain factor
109   void set_gain_omega (float gain_omega) { d_gain_omega = gain_omega; }
110
111
112
113   // Member function related to the phase/frequency tracking portion of the receiver
114   //! (CL) Returns the value for alpha (the phase gain term)
115   float alpha() const { return d_alpha; }
116   
117   //! (CL) Returns the value of beta (the frequency gain term)
118   float beta() const { return d_beta; }
119
120   //! (CL) Returns the current value of the frequency of the NCO in the Costas loop
121   float freq() const { return d_freq; }
122
123   //! (CL) Returns the current value of the phase of the NCO in the Costal loop
124   float phase() const { return d_phase; }
125
126   //! (CL) Sets the value for alpha (the phase gain term)
127   void set_alpha(float alpha) { d_alpha = alpha; }
128   
129   //! (CL) Setss the value of beta (the frequency gain term)
130   void set_beta(float beta) { d_beta = beta; }
131
132   //! (CL) Sets the current value of the frequency of the NCO in the Costas loop
133   void set_freq(float freq) { d_freq = freq; }
134
135   //! (CL) Setss the current value of the phase of the NCO in the Costal loop
136   void set_phase(float phase) { d_phase = phase; }
137
138
139 protected:
140
141  /*!
142    * \brief Constructor to synchronize incoming M-PSK symbols
143    *
144    * \param M           modulation order of the M-PSK modulation
145    * \param theta       any constant phase rotation from the real axis of the constellation
146    * \param alpha       gain parameter to adjust the phase in the Costas loop (~0.01)
147    * \param beta        gain parameter to adjust the frequency in the Costas loop (~alpha^2/4)  
148    * \param fmin        minimum normalized frequency value the loop can achieve
149    * \param fmax        maximum normalized frequency value the loop can achieve
150    * \param mu          initial parameter for the interpolator [0,1]
151    * \param gain_mu     gain parameter of the M&M error signal to adjust mu (~0.05)
152    * \param omega       initial value for the number of symbols between samples (~number of samples/symbol)
153    * \param gain_omega  gain parameter to adjust omega based on the error (~omega^2/4)
154    * \param omega_rel   sets the maximum (omega*(1+omega_rel)) and minimum (omega*(1+omega_rel)) omega (~0.005)
155    *
156    * The constructor also chooses which phase detector and decision maker to use in the work loop based on the
157    * value of M.
158    */
159   gr_mpsk_receiver_cc (unsigned int M, float theta, 
160                        float alpha, float beta,
161                        float fmin, float fmax,
162                        float mu, float gain_mu, 
163                        float omega, float gain_omega, float omega_rel);
164
165   void make_constellation();
166   void mm_sampler(const gr_complex symbol);
167   void mm_error_tracking(gr_complex sample);
168   void phase_error_tracking(gr_complex sample);
169
170
171 /*!
172    * \brief Phase error detector for MPSK modulations.
173    *
174    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
175    *
176    * This function determines the phase error for any MPSK signal by creating a set of PSK constellation points
177    * and doing a brute-force search to see which point minimizes the Euclidean distance. This point is then used
178    * to derotate the sample to the real-axis and a atan (using the fast approximation function) to determine the
179    * phase difference between the incoming sample and the real constellation point
180    *
181    * This should be cleaned up and made more efficient.
182    *
183    * \returns the approximated phase error.
184  */
185   float phase_error_detector_generic(gr_complex sample) const; // generic for M but more costly
186
187  /*!
188    * \brief Phase error detector for BPSK modulation.
189    *
190    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
191    *
192    * This function determines the phase error using a simple BPSK phase error detector by multiplying the real
193    * and imaginary (the error signal) components together. As the imaginary part goes to 0, so does this error.
194    *
195    * \returns the approximated phase error.
196  */
197   float phase_error_detector_bpsk(gr_complex sample) const;    // optimized for BPSK
198
199  /*!
200    * \brief Phase error detector for QPSK modulation.
201    *
202    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
203    *
204    * This function determines the phase error using the limiter approach in a standard 4th order Costas loop
205    *
206    * \returns the approximated phase error.
207  */
208   float phase_error_detector_qpsk(gr_complex sample) const;
209
210
211
212  /*!
213    * \brief Decision maker for a generic MPSK constellation.
214    *
215    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
216    *
217    * This decision maker is a generic implementation that does a brute-force search 
218    * for the constellation point that minimizes the error between it and the incoming signal.
219    *
220    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
221  */
222   unsigned int decision_generic(gr_complex sample) const;
223
224
225  /*!
226    * \brief Decision maker for BPSK constellation.
227    *
228    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
229    *
230    * This decision maker is a simple slicer function that makes a decision on the symbol based on its
231    * placement on the real axis of greater than 0 or less than 0; the quadrature component is always 0.
232    *
233    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
234  */
235   unsigned int decision_bpsk(gr_complex sample) const;
236   
237
238  /*!
239    * \brief Decision maker for QPSK constellation.
240    *
241    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
242    *
243    * This decision maker is a simple slicer function that makes a decision on the symbol based on its
244    * placement versus both axes and returns which quadrant the symbol is in.
245    *
246    * \returns the index to d_constellation that minimizes the error/
247  */
248   unsigned int decision_qpsk(gr_complex sample) const;
249
250   private:
251   unsigned int d_M;
252   float        d_theta;
253
254   // Members related to carrier and phase tracking
255   float d_alpha;
256   float d_beta;
257   float d_freq, d_max_freq, d_min_freq;
258   float d_phase;
259
260 /*!
261    * \brief Decision maker function pointer 
262    *
263    * \param sample   the baseband I&Q sample from which to make the decision
264    *
265    * This is a function pointer that is set in the constructor to point to the proper decision function
266    * for the specified constellation order.
267    *
268    * \return index into d_constellation point that is the closest to the recieved sample
269  */
270   unsigned int (gr_mpsk_receiver_cc::*d_decision)(gr_complex sample) const; // pointer to decision function
271
272
273   std::vector<gr_complex> d_constellation;
274   unsigned int d_current_const_point;
275
276   // Members related to symbol timing
277   float d_mu, d_gain_mu;
278   float d_omega, d_gain_omega, d_omega_rel, d_max_omega, d_min_omega;
279   gr_complex d_p_2T, d_p_1T, d_p_0T;
280   gr_complex d_c_2T, d_c_1T, d_c_0T;
281
282  /*!
283    * \brief Phase error detector function pointer 
284    *
285    * \param sample   the I&Q sample from which to determine the phase error
286    *
287    * This is a function pointer that is set in the constructor to point to the proper phase error detector
288    * function for the specified constellation order.
289  */
290   float (gr_mpsk_receiver_cc::*d_phase_error_detector)(gr_complex sample) const;
291
292
293   //! get interpolated value
294   gri_mmse_fir_interpolator_cc  *d_interp;
295   
296   //! delay line length.
297   static const unsigned int DLLEN = 8;
298   
299   //! delay line plus some length for overflow protection
300   gr_complex d_dl[2*DLLEN];
301   
302   //! index to delay line
303   unsigned int d_dl_idx;
304
305   friend gr_mpsk_receiver_cc_sptr
306   gr_make_mpsk_receiver_cc (unsigned int M, float theta,
307                             float alpha, float beta,
308                             float fmin, float fmax,
309                             float mu, float gain_mu, 
310                             float omega, float gain_omega, float omega_rel);
311 };
312
313 #endif