bertos/net/afsk.c

   1 /**
   2  * \file
   3  * <!--
   4  * This file is part of BeRTOS.
   5  *
   6  * Bertos is free software; you can redistribute it and/or modify
   7  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   9  * (at your option) any later version.
  10  *
  11  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14  * GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  17  * along with this program; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  19  *
  20  * As a special exception, you may use this file as part of a free software
  21  * library without restriction.  Specifically, if other files instantiate
  22  * templates or use macros or inline functions from this file, or you compile
  23  * this file and link it with other files to produce an executable, this
  24  * file does not by itself cause the resulting executable to be covered by
  25  * the GNU General Public License.  This exception does not however
  26  * invalidate any other reasons why the executable file might be covered by
  27  * the GNU General Public License.
  28  *
  29  * Copyright 2008 Develer S.r.l. (http://www.develer.com/)
  30  *
  31  * -->
  32  *
  33  * \brief AFSK1200 modem.
  34  *
  35  * \version $Id$
  36  * \author Francesco Sacchi <asterix@develer.com>
  37  */
  38
  39 #include "afsk.h"
  40 #include <net/ax25.h>
  41
  42 #include "cfg/cfg_afsk.h"
  43 #include "hw/hw_afsk.h"
  44
  45 #include <drv/timer.h>
  46
  47 #include <cfg/module.h>
  48
  49 #define LOG_LEVEL   AFSK_LOG_LEVEL
  50 #define LOG_FORMAT  AFSK_LOG_FORMAT
  51 #include <cfg/log.h>
  52
  53 #include <cpu/power.h>
  54 #include <cpu/pgm.h>
  55 #include <struct/fifobuf.h>
  56
  57 #include <string.h> /* memset */
  58
  59 #define PHASE_BIT    8
  60 #define PHASE_INC    1
  61
  62 #define PHASE_MAX    (SAMPLEPERBIT * PHASE_BIT)
  63 #define PHASE_THRES  (PHASE_MAX / 2) // - PHASE_BIT / 2)
  64
  65 // Modulator constants
  66 #define MARK_FREQ  1200
  67 #define MARK_INC   (uint16_t)(DIV_ROUND(SIN_LEN * (uint32_t)MARK_FREQ, CONFIG_AFSK_DAC_SAMPLERATE))
  68
  69 #define SPACE_FREQ 2200
  70 #define SPACE_INC  (uint16_t)(DIV_ROUND(SIN_LEN * (uint32_t)SPACE_FREQ, CONFIG_AFSK_DAC_SAMPLERATE))
  71
  72 //Ensure sample rate is a multiple of bit rate
  73 STATIC_ASSERT(!(CONFIG_AFSK_DAC_SAMPLERATE % BITRATE));
  74
  75 #define DAC_SAMPLEPERBIT (CONFIG_AFSK_DAC_SAMPLERATE / BITRATE)
  76
  77 /**
  78  * Sine table for the first quarter of wave.
  79  * The rest of the wave is computed from this first quarter.
  80  * This table is used to generate the modulated data.
  81  */
  82 static const uint8_t PROGMEM sin_table[] =
  83 {
  84         128, 129, 131, 132, 134, 135, 137, 138, 140, 142, 143, 145, 146, 148, 149, 151,
  85         152, 154, 155, 157, 158, 160, 162, 163, 165, 166, 167, 169, 170, 172, 173, 175,
  86         176, 178, 179, 181, 182, 183, 185, 186, 188, 189, 190, 192, 193, 194, 196, 197,
  87         198, 200, 201, 202, 203, 205, 206, 207, 208, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 217,
  88         218, 219, 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233,
  89         234, 234, 235, 236, 237, 238, 238, 239, 240, 241, 241, 242, 243, 243, 244, 245,
  90         245, 246, 246, 247, 248, 248, 249, 249, 250, 250, 250, 251, 251, 252, 252, 252,
  91         253, 253, 253, 253, 254, 254, 254, 254, 254, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255,
  92 };
  93
  94 #define SIN_LEN 512 ///< Full wave length
  95
  96 STATIC_ASSERT(sizeof(sin_table) == SIN_LEN / 4);
  97
  98
  99 /**
 100  * Given the index, this function computes the correct sine sample
 101  * based only on the first quarter of wave.
 102  */
 103 INLINE uint8_t sin_sample(uint16_t idx)
 104 {
 105         ASSERT(idx < SIN_LEN);
 106         uint16_t new_idx = idx % (SIN_LEN / 2);
 107         new_idx = (new_idx >= (SIN_LEN / 4)) ? (SIN_LEN / 2 - new_idx - 1) : new_idx;
 108
 109         #if CPU_HARVARD
 110                 uint8_t data = pgm_read_char(&sin_table[new_idx]);
 111         #else
 112                 uint8_t data = sin_table[new_idx];
 113         #endif
 114
 115         return (idx >= (SIN_LEN / 2)) ? (255 - data) : data;
 116 }
 117
 118
 119 #define BIT_DIFFER(bitline1, bitline2) (((bitline1) ^ (bitline2)) & 0x01)
 120 #define EDGE_FOUND(bitline)            BIT_DIFFER((bitline), (bitline) >> 1)
 121
 122
 123 static bool hdlc_parse(Hdlc *hdlc, bool bit, FIFOBuffer *fifo)
 124 {
 125         bool ret = true;
 126
 127         hdlc->demod_bits <<= 1;
 128         hdlc->demod_bits |= bit ? 1 : 0;
 129
 130         /* HDLC Flag */
 131         if (hdlc->demod_bits == HDLC_FLAG)
 132         {
 133                 if (!fifo_isfull(fifo))
 134                 {
 135                         fifo_push(fifo, HDLC_FLAG);
 136                         hdlc->rxstart = true;
 137                 }
 138                 else
 139                 {
 140                         ret = false;
 141                         hdlc->rxstart = false;
 142                 }
 143
 144                 hdlc->currchar = 0;
 145                 hdlc->bit_idx = 0;
 146                 return ret;
 147         }
 148
 149         /* Reset */
 150         if ((hdlc->demod_bits & HDLC_RESET) == HDLC_RESET)
 151         {
 152                 hdlc->rxstart = false;
 153                 return ret;
 154         }
 155
 156         if (!hdlc->rxstart)
 157                 return ret;
 158
 159         /* Stuffed bit */
 160         if ((hdlc->demod_bits & 0x3f) == 0x3e)
 161                 return ret;
 162
 163         if (hdlc->demod_bits & 0x01)
 164                 hdlc->currchar |= 0x80;
 165
 166         if (++hdlc->bit_idx >= 8)
 167         {
 168                 if ((hdlc->currchar == HDLC_FLAG
 169                         || hdlc->currchar == HDLC_RESET
 170                         || hdlc->currchar == AX25_ESC))
 171                 {
 172                         if (!fifo_isfull(fifo))
 173                                 fifo_push(fifo, AX25_ESC);
 174                         else
 175                         {
 176                                 hdlc->rxstart = false;
 177                                 ret = false;
 178                         }
 179                 }
 180
 181                 if (!fifo_isfull(fifo))
 182                         fifo_push(fifo, hdlc->currchar);
 183                 else
 184                 {
 185                         hdlc->rxstart = false;
 186                         ret = false;
 187                 }
 188
 189                 hdlc->currchar = 0;
 190                 hdlc->bit_idx = 0;
 191         }
 192         else
 193                 hdlc->currchar >>= 1;
 194
 195         return ret;
 196 }
 197
 198
 199 /**
 200  * ADC ISR callback.
 201  * This function has to be called by the ADC ISR when a sample of the configured
 202  * channel is available.
 203  * \param af Afsk context to operate one (\see Afsk).
 204  * \param curr_sample current sample from the ADC.
 205  */
 206 void afsk_adc_isr(Afsk *af, int8_t curr_sample)
 207 {
 208         AFSK_STROBE_ON();
 209
 210         /*
 211          * Frequency discriminator and LP IIR filter.
 212          * This filter is designed to work
 213          * at the given sample rate and bit rate.
 214          */
 215         STATIC_ASSERT(SAMPLERATE == 9600);
 216         STATIC_ASSERT(BITRATE == 1200);
 217
 218         /*
 219          * Frequency discrimination is achieved by simply multiplying
 220          * the sample with a delayed sample of (samples per bit) / 2.
 221          * Then the signal is lowpass filtered with a first order,
 222          * 600 Hz filter. The filter implementation is selectable
 223          * through the CONFIG_AFSK_FILTER config variable.
 224          */
 225
 226         af->iir_x[0] = af->iir_x[1];
 227
 228         #if (CONFIG_AFSK_FILTER == AFSK_BUTTERWORTH)
 229                 af->iir_x[1] = ((int8_t)fifo_pop(&af->delay_fifo) * curr_sample) >> 2;
 230                 //af->iir_x[1] = ((int8_t)fifo_pop(&af->delay_fifo) * curr_sample) / 6.027339492;
 231         #elif (CONFIG_AFSK_FILTER == AFSK_CHEBYSHEV)
 232                 af->iir_x[1] = ((int8_t)fifo_pop(&af->delay_fifo) * curr_sample) >> 2;
 233                 //af->iir_x[1] = ((int8_t)fifo_pop(&af->delay_fifo) * curr_sample) / 3.558147322;
 234         #else
 235                 #error Filter type not found!
 236         #endif
 237
 238         af->iir_y[0] = af->iir_y[1];
 239
 240         #if CONFIG_AFSK_FILTER == AFSK_BUTTERWORTH
 241                 /*
 242                  * This strange sum + shift is an optimization for af->iir_y[0] * 0.668.
 243                  * iir * 0.668 ~= (iir * 21) / 32 =
 244                  * = (iir * 16) / 32 + (iir * 4) / 32 + iir / 32 =
 245                  * = iir / 2 + iir / 8 + iir / 32 =
 246                  * = iir >> 1 + iir >> 3 + iir >> 5
 247                  */
 248                 af->iir_y[1] = af->iir_x[0] + af->iir_x[1] + (af->iir_y[0] >> 1) + (af->iir_y[0] >> 3) + (af->iir_y[0] >> 5);
 249                 //af->iir_y[1] = af->iir_x[0] + af->iir_x[1] + af->iir_y[0] * 0.6681786379;
 250         #elif CONFIG_AFSK_FILTER == AFSK_CHEBYSHEV
 251                 /*
 252                  * This should be (af->iir_y[0] * 0.438) but
 253                  * (af->iir_y[0] >> 1) is a faster approximation :-)
 254                  */
 255                 af->iir_y[1] = af->iir_x[0] + af->iir_x[1] + (af->iir_y[0] >> 1);
 256                 //af->iir_y[1] = af->iir_x[0] + af->iir_x[1] + af->iir_y[0] * 0.4379097269;
 257         #endif
 258
 259         /* Save this sampled bit in a delay line */
 260         af->sampled_bits <<= 1;
 261         af->sampled_bits |= (af->iir_y[1] > 0) ? 1 : 0;
 262
 263         /* Store current ADC sample in the af->delay_fifo */
 264         fifo_push(&af->delay_fifo, curr_sample);
 265
 266         /* If there is an edge, adjust phase sampling */
 267         if (EDGE_FOUND(af->sampled_bits))
 268         {
 269                 if (af->curr_phase < PHASE_THRES)
 270                         af->curr_phase += PHASE_INC;
 271                 else
 272                         af->curr_phase -= PHASE_INC;
 273         }
 274         af->curr_phase += PHASE_BIT;
 275
 276         /* sample the bit */
 277         if (af->curr_phase >= PHASE_MAX)
 278         {
 279                 af->curr_phase %= PHASE_MAX;
 280
 281                 /* Shift 1 position in the shift register of the found bits */
 282                 af->found_bits <<= 1;
 283
 284                 /*
 285                  * Determine bit value by reading the last 3 sampled bits.
 286                  * If the number of ones is two or greater, the bit value is a 1,
 287                  * otherwise is a 0.
 288                  * This algorithm presumes that there are 8 samples per bit.
 289                  */
 290                 STATIC_ASSERT(SAMPLEPERBIT == 8);
 291                 uint8_t bits = af->sampled_bits & 0x07;
 292                 if (bits == 0x07 // 111, 3 bits set to 1
 293                  || bits == 0x06 // 110, 2 bits
 294                  || bits == 0x05 // 101, 2 bits
 295                  || bits == 0x03 // 011, 2 bits
 296                 )
 297                         af->found_bits |= 1;
 298
 299                 /*
 300                  * NRZI coding: if 2 consecutive bits have the same value
 301                  * a 1 is received, otherwise it's a 0.
 302                  */
 303                 if (!hdlc_parse(&af->hdlc, !EDGE_FOUND(af->found_bits), &af->rx_fifo))
 304                         af->status |= AFSK_RXFIFO_OVERRUN;
 305         }
 306
 307
 308         AFSK_STROBE_OFF();
 309 }
 310
 311 static void afsk_txStart(Afsk *af)
 312 {
 313         if (!af->sending)
 314         {
 315                 af->phase_inc = MARK_INC;
 316                 af->phase_acc = 0;
 317                 af->stuff_cnt = 0;
 318                 af->sending = true;
 319                 af->preamble_len = DIV_ROUND(CONFIG_AFSK_PREAMBLE_LEN * BITRATE, 8000);
 320                 AFSK_DAC_IRQ_START(af->dac_ch);
 321         }
 322         ATOMIC(af->trailer_len  = DIV_ROUND(CONFIG_AFSK_TRAILER_LEN  * BITRATE, 8000));
 323 }
 324
 325 #define BIT_STUFF_LEN 5
 326
 327 #define SWITCH_TONE(inc)  (((inc) == MARK_INC) ? SPACE_INC : MARK_INC)
 328
 329 /**
 330  * DAC ISR callback.
 331  * This function has to be called by the DAC ISR when a sample of the configured
 332  * channel has been converted out.
 333  *
 334  * \param af Afsk context to operate one (\see Afsk).
 335  *
 336  * \note The next DAC output sample is supplied by the Afsk driver through calling
 337  *        the AFSK_DAC_SET() callback.
 338  */
 339 void afsk_dac_isr(Afsk *af)
 340 {
 341         /* Check if we are at a start of a sample cycle */
 342         if (af->sample_count == 0)
 343         {
 344                 if (af->tx_bit == 0)
 345                 {
 346                         /* We have just finished transimitting a char, get a new one. */
 347                         if (fifo_isempty(&af->tx_fifo) && af->trailer_len == 0)
 348                         {
 349                                 AFSK_DAC_IRQ_STOP(af->dac_ch);
 350                                 af->sending = false;
 351                                 return;
 352                         }
 353                         else
 354                         {
 355                                 /*
 356                                  * If we have just finished sending an unstuffed byte,
 357                                  * reset bitstuff counter.
 358                                  */
 359                                 if (!af->bit_stuff)
 360                                         af->stuff_cnt = 0;
 361
 362                                 af->bit_stuff = true;
 363
 364                                 /*
 365                                  * Handle preamble and trailer
 366                                  */
 367                                 if (af->preamble_len == 0)
 368                                 {
 369                                         if (fifo_isempty(&af->tx_fifo))
 370                                         {
 371                                                 af->trailer_len--;
 372                                                 af->curr_out = HDLC_FLAG;
 373                                         }
 374                                         else
 375                                                 af->curr_out = fifo_pop(&af->tx_fifo);
 376                                 }
 377                                 else
 378                                 {
 379                                         af->preamble_len--;
 380                                         af->curr_out = HDLC_FLAG;
 381                                 }
 382
 383                                 /* Handle char escape */
 384                                 if (af->curr_out == AX25_ESC)
 385                                 {
 386                                         if (fifo_isempty(&af->tx_fifo))
 387                                         {
 388                                                 AFSK_DAC_IRQ_STOP(af->dac_ch);
 389                                                 af->sending = false;
 390                                                 return;
 391                                         }
 392                                         else
 393                                                 af->curr_out = fifo_pop(&af->tx_fifo);
 394                                 }
 395                                 else if (af->curr_out == HDLC_FLAG || af->curr_out == HDLC_RESET)
 396                                         /* If these chars are not escaped disable bit stuffing */
 397                                         af->bit_stuff = false;
 398                         }
 399                         /* Start with LSB mask */
 400                         af->tx_bit = 0x01;
 401                 }
 402
 403                 /* check for bit stuffing */
 404                 if (af->bit_stuff && af->stuff_cnt >= BIT_STUFF_LEN)
 405                 {
 406                         /* If there are more than 5 ones in a row insert a 0 */
 407                         af->stuff_cnt = 0;
 408                         /* switch tone */
 409                         af->phase_inc = SWITCH_TONE(af->phase_inc);
 410                 }
 411                 else
 412                 {
 413                         /*
 414                          * NRZI: if we want to transmit a 1 the modulated frequency will stay
 415                          * unchanged; with a 0, there will be a change in the tone.
 416                          */
 417                         if (af->curr_out & af->tx_bit)
 418                         {
 419                                 /*
 420                                  * Transmit a 1:
 421                                  * - Stay on the previous tone
 422                                  * - Increase bit stuff counter
 423                                  */
 424                                 af->stuff_cnt++;
 425                         }
 426                         else
 427                         {
 428                                 /*
 429                                  * Transmit a 0:
 430                                  * - Reset bit stuff counter
 431                                  * - Switch tone
 432                                  */
 433                                 af->stuff_cnt = 0;
 434                                 af->phase_inc = SWITCH_TONE(af->phase_inc);
 435                         }
 436
 437                         /* Go to the next bit */
 438                         af->tx_bit <<= 1;
 439                 }
 440                 af->sample_count = DAC_SAMPLEPERBIT;
 441         }
 442
 443         /* Get new sample and put it out on the DAC */
 444         af->phase_acc += af->phase_inc;
 445         af->phase_acc %= SIN_LEN;
 446
 447         AFSK_DAC_SET(af->dac_ch, sin_sample(af->phase_acc));
 448         af->sample_count--;
 449 }
 450
 451
 452 static size_t afsk_read(KFile *fd, void *_buf, size_t size)
 453 {
 454         Afsk *af = AFSK_CAST(fd);
 455         uint8_t *buf = (uint8_t *)_buf;
 456
 457         #if CONFIG_AFSK_RXTIMEOUT == 0
 458         while (size-- && !fifo_isempty_locked(&af->rx_fifo))
 459         #else
 460         while (size--)
 461         #endif
 462         {
 463                 #if CONFIG_AFSK_RXTIMEOUT != -1
 464                 ticks_t start = timer_clock();
 465                 #endif
 466
 467                 while (fifo_isempty_locked(&af->rx_fifo));
 468                 {
 469                         cpu_relax();
 470                         #if CONFIG_AFSK_RXTIMEOUT != -1
 471                         if (timer_clock() - start > ms_to_ticks(CONFIG_AFSK_RXTIMEOUT))
 472                                 return buf - (uint8_t *)_buf;
 473                         #endif
 474                 }
 475
 476                 *buf++ = fifo_pop_locked(&af->rx_fifo);
 477         }
 478
 479         return buf - (uint8_t *)_buf;
 480 }
 481
 482 static size_t afsk_write(KFile *fd, const void *_buf, size_t size)
 483 {
 484         Afsk *af = AFSK_CAST(fd);
 485         const uint8_t *buf = (const uint8_t *)_buf;
 486
 487         while (size--)
 488         {
 489                 while (fifo_isfull_locked(&af->tx_fifo))
 490                         cpu_relax();
 491
 492                 fifo_push_locked(&af->tx_fifo, *buf++);
 493                 afsk_txStart(af);
 494         }
 495
 496         return buf - (const uint8_t *)_buf;
 497 }
 498
 499 static int afsk_flush(KFile *fd)
 500 {
 501         Afsk *af = AFSK_CAST(fd);
 502         while (af->sending)
 503                 cpu_relax();
 504         return 0;
 505 }
 506
 507 static int afsk_error(KFile *fd)
 508 {
 509         Afsk *af = AFSK_CAST(fd);
 510         int err;
 511
 512         ATOMIC(err = af->status);
 513         return err;
 514 }
 515
 516 static void afsk_clearerr(KFile *fd)
 517 {
 518         Afsk *af = AFSK_CAST(fd);
 519         ATOMIC(af->status = 0);
 520 }
 521
 522
 523 /**
 524  * Initialize an AFSK1200 modem.
 525  * \param af Afsk context to operate one (\see Afsk).
 526  * \param adc_ch  ADC channel used by the demodulator.
 527  * \param dac_ch  DAC channel used by the modulator.
 528  */
 529 void afsk_init(Afsk *af, int adc_ch, int dac_ch)
 530 {
 531         #if CONFIG_AFSK_RXTIMEOUT != -1
 532         MOD_CHECK(timer);
 533         #endif
 534         memset(af, 0, sizeof(*af));
 535         af->adc_ch = adc_ch;
 536         af->dac_ch = dac_ch;
 537
 538         fifo_init(&af->delay_fifo, (uint8_t *)af->delay_buf, sizeof(af->delay_buf));
 539         fifo_init(&af->rx_fifo, af->rx_buf, sizeof(af->rx_buf));
 540
 541         /* Fill sample FIFO with 0 */
 542         for (int i = 0; i < SAMPLEPERBIT / 2; i++)
 543                 fifo_push(&af->delay_fifo, 0);
 544
 545         fifo_init(&af->tx_fifo, af->tx_buf, sizeof(af->tx_buf));
 546
 547         AFSK_ADC_INIT(adc_ch, af);
 548         AFSK_DAC_INIT(dac_ch, af);
 549         AFSK_STROBE_INIT();
 550         LOG_INFO("MARK_INC %d, SPACE_INC %d\n", MARK_INC, SPACE_INC);
 551
 552         DB(af->fd._type = KFT_AFSK);
 553         af->fd.write = afsk_write;
 554         af->fd.read = afsk_read;
 555         af->fd.flush = afsk_flush;
 556         af->fd.error = afsk_error;
 557         af->fd.clearerr = afsk_clearerr;
 558         af->phase_inc = MARK_INC;
 559 }