git.sesse.net Git - c64tapwav/blob - decode.cpp

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <string.h>
   3 #include <math.h>
   4 #include <unistd.h>
   5 #include <assert.h>
   6 #include <vector>
   7 #include <algorithm>
   8
   9 #define LANCZOS_RADIUS 30
  10 #define BUFSIZE 4096
  11 #define HYSTERESIS_LIMIT 3000
  12 #define SAMPLE_RATE 44100
  13 #define C64_FREQUENCY 985248
  14 #define TAP_RESOLUTION 8
  15
  16 #define SYNC_PULSE_START 1000
  17 #define SYNC_PULSE_END 15000
  18 #define SYNC_PULSE_LENGTH 380.0
  19 #define SYNC_TEST_TOLERANCE 1.10
  20
  21 struct tap_header {
  22         char identifier[12];
  23         char version;
  24         char reserved[3];
  25         unsigned int data_len;
  26 };
  27
  28 double sinc(double x)
  29 {
  30         if (fabs(x) < 1e-6) {
  31                 return 1.0f - fabs(x);
  32         } else {
  33                 return sin(x) / x;
  34         }
  35 }
  36
  37 #if 0
  38 double weight(double x)
  39 {
  40         if (fabs(x) > LANCZOS_RADIUS) {
  41                 return 0.0f;
  42         }
  43         return sinc(M_PI * x) * sinc(M_PI * x / LANCZOS_RADIUS);
  44 }
  45 #else
  46 double weight(double x)
  47 {
  48         if (fabs(x) > 1.0f) {
  49                 return 0.0f;
  50         }
  51         return 1.0f - fabs(x);
  52 }
  53 #endif
  54
  55 double interpolate(const std::vector<short> &pcm, double i)
  56 {
  57         int lower = std::max<int>(ceil(i - LANCZOS_RADIUS), 0);
  58         int upper = std::min<int>(floor(i + LANCZOS_RADIUS), pcm.size() - 1);
  59         double sum = 0.0f;
  60
  61         for (int x = lower; x <= upper; ++x) {
  62                 sum += pcm[x] * weight(i - x);
  63         }
  64         return sum;
  65 }
  66
  67 // between [x,x+1]
  68 double find_zerocrossing(const std::vector<short> &pcm, int x)
  69 {
  70         if (pcm[x] == 0) {
  71                 return x;
  72         }
  73         if (pcm[x + 1] == 0) {
  74                 return x + 1;
  75         }
  76
  77         assert(pcm[x + 1] > 0);
  78         assert(pcm[x] < 0);
  79
  80         double lower = x;
  81         double upper = x + 1;
  82         while (upper - lower > 1e-6) {
  83                 double mid = 0.5f * (upper + lower);
  84                 if (interpolate(pcm, mid) > 0) {
  85                         upper = mid;
  86                 } else {
  87                         lower = mid;
  88                 }
  89         }
  90
  91         return 0.5f * (upper + lower);
  92 }
  93
  94 struct pulse {
  95         double time;  // in seconds from start
  96         double len;   // in seconds
  97 };
  98
  99 int main(int argc, char **argv)
 100 {
 101         std::vector<short> pcm;
 102
 103         while (!feof(stdin)) {
 104                 short buf[BUFSIZE];
 105                 ssize_t ret = fread(buf, 2, BUFSIZE, stdin);
 106                 if (ret >= 0) {
 107                         pcm.insert(pcm.end(), buf, buf + ret);
 108                 }
 109         }
 110
 111 #if 0
 112         for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
 113                 in[i] += rand() % 10000;
 114         }
 115 #endif
 116
 117 #if 0
 118         for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
 119                 printf("%d\n", in[i]);
 120         }
 121 #endif
 122
 123         std::vector<pulse> pulses;  // in seconds
 124
 125         // Find the flanks.
 126         int last_bit = -1;
 127         double last_upflank = -1;
 128         for (unsigned i = 0; i < pcm.size(); ++i) {
 129                 int bit = (pcm[i] > 0) ? 1 : 0;
 130                 if (bit == 1 && last_bit == 0) {
 131                         // Check if we ever go up above HYSTERESIS_LIMIT before we dip down again.
 132                         bool true_pulse = false;
 133                         unsigned j;
 134                         int max_level_after = -32768;
 135                         for (j = i; j < pcm.size(); ++j) {
 136                                 max_level_after = std::max<int>(max_level_after, pcm[j]);
 137                                 if (pcm[j] < 0) break;
 138                                 if (pcm[j] > HYSTERESIS_LIMIT) {
 139                                         true_pulse = true;
 140                                         break;
 141                                 }
 142                         }
 143
 144                         if (!true_pulse) {
 145 #if 0
 146                                 fprintf(stderr, "Ignored up-flank at %.6f seconds due to hysteresis (%d < %d).\n",
 147                                         double(i) / SAMPLE_RATE, max_level_after, HYSTERESIS_LIMIT);
 148 #endif
 149                                 i = j;
 150                                 continue;
 151                         }
 152
 153                         // up-flank!
 154                         double t = find_zerocrossing(pcm, i - 1) * (1.0 / SAMPLE_RATE);
 155                         if (last_upflank > 0) {
 156                                 pulse p;
 157                                 p.time = t;
 158                                 p.len = t - last_upflank;
 159                                 pulses.push_back(p);
 160                         }
 161                         last_upflank = t;
 162                 }
 163                 last_bit = bit;
 164         }
 165
 166         // Calibrate on the first ~25k pulses (skip a few, just to be sure).
 167         double calibration_factor = 1.0f;
 168         if (pulses.size() < SYNC_PULSE_END) {
 169                 fprintf(stderr, "Too few pulses, not calibrating!\n");
 170         } else {
 171                 double sum = 0.0;
 172                 for (int i = SYNC_PULSE_START; i < SYNC_PULSE_END; ++i) {
 173                         sum += pulses[i].len;
 174                 }
 175                 double mean_length = C64_FREQUENCY * sum / (SYNC_PULSE_END - SYNC_PULSE_START);
 176                 calibration_factor = SYNC_PULSE_LENGTH / mean_length;
 177                 fprintf(stderr, "Calibrated sync pulse length: %.2f -> 380.0 (change %+.2f%%)\n",
 178                         mean_length, 100.0 * (calibration_factor - 1.0));
 179
 180                 // Check for pulses outside +/- 10% (sign of misdetection).
 181                 for (int i = SYNC_PULSE_START; i < SYNC_PULSE_END; ++i) {
 182                         double cycles = pulses[i].len * calibration_factor * C64_FREQUENCY;
 183                         if (cycles < SYNC_PULSE_LENGTH / SYNC_TEST_TOLERANCE || cycles > SYNC_PULSE_LENGTH * SYNC_TEST_TOLERANCE) {
 184                                 fprintf(stderr, "Sync cycle with upflank at %.6f was detected at %.0f cycles; misdetect?\n",
 185                                         pulses[i].time, cycles);
 186                         }
 187                 }
 188
 189                 // Compute the standard deviation (to check for uneven speeds).
 190                 double sum2 = 0.0;
 191                 for (int i = SYNC_PULSE_START; i < SYNC_PULSE_END; ++i) {
 192                         double cycles = pulses[i].len * calibration_factor * C64_FREQUENCY;
 193                         sum2 += (cycles - SYNC_PULSE_LENGTH) * (cycles - SYNC_PULSE_LENGTH);
 194                 }
 195                 double stddev = sqrt(sum2 / (SYNC_PULSE_END - SYNC_PULSE_START - 1));
 196                 fprintf(stderr, "Sync pulse length standard deviation: %.2f cycles\n",
 197                         stddev);
 198         }
 199
 200         FILE *fp = fopen("cycles.plot", "w");
 201         std::vector<char> tap_data;
 202         for (unsigned i = 0; i < pulses.size(); ++i) {
 203                 double cycles = pulses[i].len * calibration_factor * C64_FREQUENCY;
 204                 fprintf(fp, "%f %f\n", pulses[i].time, cycles);
 205                 int len = lrintf(cycles / TAP_RESOLUTION);
 206                 if (i > SYNC_PULSE_END && (cycles < 100 || cycles > 800)) {
 207                         fprintf(stderr, "Cycle with upflank at %.6f was detected at %.0f cycles; misdetect?\n",
 208                                         pulses[i].time, cycles);
 209                 }
 210                 if (len <= 255) {
 211                         tap_data.push_back(len);
 212                 } else {
 213                         int overflow_len = lrintf(cycles);
 214                         tap_data.push_back(0);
 215                         tap_data.push_back(overflow_len & 0xff);
 216                         tap_data.push_back((overflow_len >> 8) & 0xff);
 217                         tap_data.push_back(overflow_len >> 16);
 218                 }
 219         }
 220         fclose(fp);
 221
 222         tap_header hdr;
 223         memcpy(hdr.identifier, "C64-TAPE-RAW", 12);
 224         hdr.version = 1;
 225         hdr.reserved[0] = hdr.reserved[1] = hdr.reserved[2] = 0;
 226         hdr.data_len = tap_data.size();
 227
 228         fwrite(&hdr, sizeof(hdr), 1, stdout);
 229         fwrite(tap_data.data(), tap_data.size(), 1, stdout);
 230 }