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  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Laszlo Boszormenyi (GCS)
  • Date: 2009-03-31 00:37:15 UTC
  • mfrom: (1.1.7 upstream) (9.1.2 sid)
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20090331003715-i5yisvcfv7mgz3eh
Tags: 2.1.dfsg-1
* New major upstream release (closes: #495937).
* Add desktop files (closes: #501181).

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removed removed

Lines of Context:
 
1
//  This file is part of reSID, a MOS6581 SID emulator engine.
 
2
//  Copyright (C) 2004  Dag Lem <resid@nimrod.no>
 
3
//
 
4
//  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
 
5
//  it under the terms of the GNU General Public License as published by
 
6
//  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
 
7
//  (at your option) any later version.
 
8
//
 
9
//  This program is distributed in the hope that it will be useful,
 
10
//  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 
11
//  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 
12
//  GNU General Public License for more details.
 
13
//
 
14
//  You should have received a copy of the GNU General Public License
 
15
//  along with this program; if not, write to the Free Software
 
16
//  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
 
17
//  ---------------------------------------------------------------------------
 
18
//  Filter distortion code written by Antti S. Lankila 2007 - 2008.
 
19
 
 
20
#ifndef __FILTER_H__
 
21
#define __FILTER_H__
 
22
 
 
23
#include <math.h>
 
24
#include "siddefs-fp.h"
 
25
 
 
26
// ----------------------------------------------------------------------------
 
27
// The SID filter is modeled with a two-integrator-loop biquadratic filter,
 
28
// which has been confirmed by Bob Yannes to be the actual circuit used in
 
29
// the SID chip.
 
30
//
 
31
// Measurements show that excellent emulation of the SID filter is achieved,
 
32
// except when high resonance is combined with high sustain levels.
 
33
// In this case the SID op-amps are performing less than ideally and are
 
34
// causing some peculiar behavior of the SID filter. This however seems to
 
35
// have more effect on the overall amplitude than on the color of the sound.
 
36
//
 
37
// The theory for the filter circuit can be found in "Microelectric Circuits"
 
38
// by Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.
 
39
// The circuit is modeled based on the explanation found there except that
 
40
// an additional inverter is used in the feedback from the bandpass output,
 
41
// allowing the summer op-amp to operate in single-ended mode. This yields
 
42
// inverted filter outputs with levels independent of Q, which corresponds with
 
43
// the results obtained from a real SID.
 
44
//
 
45
// We have been able to model the summer and the two integrators of the circuit
 
46
// to form components of an IIR filter.
 
47
// Vhp is the output of the summer, Vbp is the output of the first integrator,
 
48
// and Vlp is the output of the second integrator in the filter circuit.
 
49
//
 
50
// According to Bob Yannes, the active stages of the SID filter are not really
 
51
// op-amps. Rather, simple NMOS inverters are used. By biasing an inverter
 
52
// into its region of quasi-linear operation using a feedback resistor from
 
53
// input to output, a MOS inverter can be made to act like an op-amp for
 
54
// small signals centered around the switching threshold.
 
55
//
 
56
// Qualified guesses at SID filter schematics are depicted below.
 
57
//
 
58
// SID filter
 
59
// ----------
 
60
// 
 
61
//     -----------------------------------------------
 
62
//    |                                               |
 
63
//    |            ---Rq--                            |
 
64
//    |           |       |                           |
 
65
//    |  ------------<A]-----R1---------              |
 
66
//    | |                               |             |
 
67
//    | |                        ---C---|      ---C---|
 
68
//    | |                       |       |     |       |
 
69
//    |  --R1--    ---R1--      |---Rs--|     |---Rs--| 
 
70
//    |        |  |       |     |       |     |       |
 
71
//     ----R1--|-----[A>--|--R-----[A>--|--R-----[A>--|
 
72
//             |          |             |             |
 
73
// vi -----R1--           |             |             |
 
74
// 
 
75
//                       vhp           vbp           vlp
 
76
// 
 
77
// 
 
78
// vi  - input voltage
 
79
// vhp - highpass output
 
80
// vbp - bandpass output
 
81
// vlp - lowpass output
 
82
// [A> - op-amp
 
83
// R1  - summer resistor
 
84
// Rq  - resistor array controlling resonance (4 resistors)
 
85
// R   - NMOS FET voltage controlled resistor controlling cutoff frequency
 
86
// Rs  - shunt resitor
 
87
// C   - capacitor
 
88
// 
 
89
// 
 
90
// 
 
91
// SID integrator
 
92
// --------------
 
93
// 
 
94
//                                   V+
 
95
// 
 
96
//                                   |
 
97
//                                   |
 
98
//                              -----|
 
99
//                             |     |
 
100
//                             | ||--
 
101
//                              -||
 
102
//                   ---C---     ||->
 
103
//                  |       |        |
 
104
//                  |---Rs-----------|---- vo
 
105
//                  |                |
 
106
//                  |            ||--
 
107
// vi ----     -----|------------||
 
108
//        |   ^     |            ||->
 
109
//        |___|     |                |
 
110
//        -----     |                |
 
111
//          |       |                |
 
112
//          |---R2--                 |
 
113
//          |
 
114
//          R1                       V-
 
115
//          |
 
116
//          |
 
117
// 
 
118
//          Vw
 
119
//
 
120
// ----------------------------------------------------------------------------
 
121
class FilterFP
 
122
{
 
123
public:
 
124
  FilterFP();
 
125
 
 
126
  void enable_filter(bool enable);
 
127
  void set_chip_model(chip_model model);
 
128
  void set_distortion_properties(float, float, float);
 
129
  void set_type3_properties(float, float, float, float);
 
130
  void set_type4_properties(float, float);
 
131
  void set_clock_frequency(float);
 
132
 
 
133
  RESID_INLINE
 
134
  float clock(float voice1, float voice2, float voice3,
 
135
              float ext_in);
 
136
  void reset();
 
137
 
 
138
  // Write registers.
 
139
  void writeFC_LO(reg8);
 
140
  void writeFC_HI(reg8);
 
141
  void writeRES_FILT(reg8);
 
142
  void writeMODE_VOL(reg8);
 
143
 
 
144
private:
 
145
  void set_Q();
 
146
  void set_w0();
 
147
  float type3_w0(const float source, const float offset);
 
148
  float type4_w0();
 
149
  void calculate_helpers();
 
150
  void nuke_denormals();
 
151
 
 
152
  // Filter enabled.
 
153
  bool enabled;
 
154
 
 
155
  // 6581/8580 filter model (XXX: we should specialize in separate classes)
 
156
  chip_model model;
 
157
 
 
158
  // Filter cutoff frequency.
 
159
  reg12 fc;
 
160
 
 
161
  // Filter resonance.
 
162
  reg8 res;
 
163
 
 
164
  // Selects which inputs to route through filter.
 
165
  reg8 filt;
 
166
 
 
167
  // Switch voice 3 off.
 
168
  reg8 voice3off;
 
169
 
 
170
  // Highpass, bandpass, and lowpass filter modes.
 
171
  reg8 hp_bp_lp;
 
172
 
 
173
  // Output master volume.
 
174
  reg4 vol;
 
175
  float volf; /* avoid integer-to-float conversion at output */
 
176
 
 
177
  // clock
 
178
  float clock_frequency;
 
179
 
 
180
  /* Distortion params for Type3 */
 
181
  float distortion_rate, distortion_point, distortion_cf_threshold;
 
182
 
 
183
  /* Type3 params. */
 
184
  float type3_baseresistance, type3_offset, type3_steepness, type3_minimumfetresistance;
 
185
 
 
186
  /* Type4 params */
 
187
  float type4_k, type4_b;
 
188
 
 
189
  // State of filter.
 
190
  float Vhp, Vbp, Vlp;
 
191
 
 
192
  /* Resonance/Distortion/Type3/Type4 helpers. */
 
193
  float type4_w0_cache, _1_div_Q, type3_fc_kink_exp, distortion_CT,
 
194
        type3_fc_distortion_offset_bp, type3_fc_distortion_offset_hp;
 
195
 
 
196
friend class SIDFP;
 
197
};
 
198
 
 
199
// ----------------------------------------------------------------------------
 
200
// Inline functions.
 
201
// The following functions are defined inline because they are called every
 
202
// time a sample is calculated.
 
203
// ----------------------------------------------------------------------------
 
204
 
 
205
/* kinkiness of DAC:
 
206
 * some chips have more, some less. We should make this tunable. */
 
207
const float kinkiness = 0.966f;
 
208
const float sidcaps_6581 = 470e-12f;
 
209
const float outputleveldifference_lp_bp = 1.4f;
 
210
const float outputleveldifference_bp_hp = 1.2f;
 
211
 
 
212
RESID_INLINE
 
213
static float fastexp(float val) {
 
214
    typedef union {
 
215
        int i;
 
216
        float f;
 
217
    } conv;
 
218
 
 
219
    conv tmp;
 
220
 
 
221
    /* single precision fp has 1 + 8 + 23 bits, exponent bias is 127.
 
222
     * It therefore follows that we need to shift left by 23 bits, and to
 
223
     * calculate exp(x) instead of pow(2, x) we divide the power by ln(2). */
 
224
    const float a = (1 << 23) / M_LN2_f;
 
225
    /* The other factor corrects for the exponent bias so that 2^0 = 1. */
 
226
    const float b = (1 << 23) * 127;
 
227
    /* According to "A Fast, Compact Approximation of the Exponential Function"
 
228
     * by Nicol N. Schraudolph, 60801.48 yields the minimum RMS error for the
 
229
     * piecewise-linear approximation when using doubles (20 bits residual).
 
230
     * We have 23 bits, so we scale this value by 8. */
 
231
    const float c = 60801.48f * 8.f + 0.5f;
 
232
 
 
233
    /* Parenthesis are important: C standard disallows folding subtraction.
 
234
     * Unfortunately GCC appears to generate a write to memory rather than
 
235
     * handle this conversion entirely in registers. */
 
236
    tmp.i = (int)(a * val + (b - c));
 
237
    return tmp.f;
 
238
}
 
239
 
 
240
RESID_INLINE
 
241
float FilterFP::type3_w0(const float source, const float distoffset)
 
242
{
 
243
    /* The distortion appears to be the result of MOSFET entering saturation
 
244
     * mode. The conductance of a FET is proportional to:
 
245
     *
 
246
     * ohmic = 2 * (Vgs - Vt) * Vds - Vds^2
 
247
     * saturation = (Vgs - Vt)^2
 
248
     *
 
249
     * The FET switches to saturation mode when Vgs - Vt < Vds.
 
250
     *
 
251
     * In the circuit, the Vgs is mixed with the Vds signal, which gives
 
252
     * (Vgs + Vds) / 2 as the gate voltage. Doing the substitutions we get:
 
253
     *
 
254
     * ohmic = 2 * ((Vgs + Vds) / 2 - Vt) * Vds - Vds^2 = (Vgs - Vt) * Vds
 
255
     * saturation = ((Vgs + Vds) / 2 - Vt)^2
 
256
     *
 
257
     * Therefore: once the Vds crosses a threshold given by the gate and
 
258
     * threshold FET conductance begins to increase faster. The exact shape
 
259
     * for this effect is a parabola.
 
260
     *
 
261
     * The scaling term here tries to match the FC control level with
 
262
     * the signal level in simulation. On the chip, the FC control is
 
263
     * biased by forcing its highest DAC bit in the 1 position, thus
 
264
     * limiting the electrical range to half. Therefore one can guess that
 
265
     * the real FC range is half of the full voice range.
 
266
     *
 
267
     * On the simulation, FC goes to 2047 and the voices to 4095 * 255.
 
268
     * If the FC control was intact, then the scaling factor would be
 
269
     * 1/512. (Simulation voices are 512 times "louder" intrinsically.)
 
270
     * As the real chip's FC has reduced range, the scaling required to
 
271
     * match levels is 1/256. */
 
272
 
 
273
    float fetresistance = type3_fc_kink_exp;
 
274
    if (source > distoffset) {
 
275
        const float dist = source - distoffset;
 
276
        fetresistance *= fastexp(dist * type3_steepness * distortion_rate);
 
277
    }
 
278
    const float dynamic_resistance = type3_minimumfetresistance + fetresistance;
 
279
 
 
280
    /* 2 parallel resistors */
 
281
    const float _1_div_resistance = (type3_baseresistance + dynamic_resistance) / (type3_baseresistance * dynamic_resistance);
 
282
    /* 1.f / (clock * caps * resistance) */
 
283
    return distortion_CT * _1_div_resistance;
 
284
}
 
285
 
 
286
RESID_INLINE
 
287
float FilterFP::type4_w0()
 
288
{
 
289
    const float freq = type4_k * fc + type4_b;
 
290
    return 2.f * M_PI_f * freq / clock_frequency;
 
291
}
 
292
 
 
293
// ----------------------------------------------------------------------------
 
294
// SID clocking - 1 cycle.
 
295
// ----------------------------------------------------------------------------
 
296
RESID_INLINE
 
297
float FilterFP::clock(float voice1,
 
298
                   float voice2,
 
299
                   float voice3,
 
300
                   float ext_in)
 
301
{
 
302
    /* Avoid denormal numbers by using small offsets from 0 */
 
303
    float Vi = 0.f, Vnf = 0.f, Vf = 0.f;
 
304
 
 
305
    // Route voices into or around filter.
 
306
    ((filt & 1) ? Vi : Vnf) += voice1;
 
307
    ((filt & 2) ? Vi : Vnf) += voice2;
 
308
    // NB! Voice 3 is not silenced by voice3off if it is routed through
 
309
    // the filter.
 
310
    if (filt & 4)
 
311
        Vi += voice3;
 
312
    else if (! voice3off)
 
313
        Vnf += voice3;
 
314
    ((filt & 8) ? Vi : Vnf) += ext_in;
 
315
  
 
316
    if (! enabled)
 
317
        return (Vnf - Vi) * volf;
 
318
 
 
319
    if (hp_bp_lp & 1)
 
320
        Vf += Vlp;
 
321
    if (hp_bp_lp & 2)
 
322
        Vf += Vbp;
 
323
    if (hp_bp_lp & 4)
 
324
        Vf += Vhp;
 
325
    
 
326
    if (model == MOS6581FP) {
 
327
        float diff1, diff2;
 
328
 
 
329
        Vhp = Vbp * _1_div_Q * (1.f/outputleveldifference_bp_hp) - Vlp * (1.f/outputleveldifference_bp_hp) - Vi * 0.5f;
 
330
 
 
331
        /* the input summer mixing, or something like it... */
 
332
        diff1 = (Vlp - Vbp) * distortion_cf_threshold;
 
333
        diff2 = (Vhp - Vbp) * distortion_cf_threshold;
 
334
        Vlp -= diff1;
 
335
        Vbp += diff1;
 
336
        Vbp += diff2;
 
337
        Vhp -= diff2;
 
338
 
 
339
        /* Model output strip mixing. Doing it now that HP state
 
340
         * variable modifying still makes some difference.
 
341
         * (Phase error, though.) */
 
342
        if (hp_bp_lp & 1)
 
343
            Vlp += (Vf + Vnf - Vlp) * distortion_cf_threshold;
 
344
        if (hp_bp_lp & 2)
 
345
            Vbp += (Vf + Vnf - Vbp) * distortion_cf_threshold;
 
346
        if (hp_bp_lp & 4)
 
347
            Vhp += (Vf + Vnf - Vhp) * distortion_cf_threshold;
 
348
       
 
349
        /* Simulating the exponential VCR that the FET block is... */
 
350
        Vlp -= Vbp * type3_w0(Vbp, type3_fc_distortion_offset_bp);
 
351
        Vbp -= Vhp * type3_w0(Vhp, type3_fc_distortion_offset_hp) * outputleveldifference_bp_hp;
 
352
 
 
353
        /* Tuned based on Fred Gray's Break Thru. It is probably not a hard
 
354
         * discontinuity but a saturation effect... */
 
355
        if (Vnf > 3.2e6f)
 
356
            Vnf = 3.2e6f;
 
357
        
 
358
        Vf += Vnf + Vlp * (outputleveldifference_lp_bp - 1.f);
 
359
    } else {
 
360
        /* On the 8580, BP appears mixed in phase with the rest. */
 
361
        Vhp = -Vbp * _1_div_Q - Vlp - Vi;
 
362
        Vlp += Vbp * type4_w0_cache;
 
363
        Vbp += Vhp * type4_w0_cache;
 
364
 
 
365
        Vf += Vnf;
 
366
    }
 
367
    
 
368
    return Vf * volf;
 
369
}
 
370
 
 
371
RESID_INLINE
 
372
void FilterFP::nuke_denormals()
 
373
{
 
374
    /* We could use the flush-to-zero flag or denormals-are-zero on systems
 
375
     * where compiling with -msse and -mfpmath=sse is acceptable. Since this
 
376
     * doesn't include general VICE builds, we do this instead. */
 
377
    if (Vbp > -1e-12f && Vbp < 1e-12f)
 
378
        Vbp = 0;
 
379
    if (Vlp > -1e-12f && Vlp < 1e-12f)
 
380
        Vlp = 0;
 
381
}
 
382
 
 
383
#endif // not __FILTER_H__