FMD/AliFMDBaseDigitizer.cxx

   1 /**************************************************************************
   2  * Copyright(c) 2004, ALICE Experiment at CERN, All rights reserved. *
   3  *                                                                        *
   4  * Author: The ALICE Off-line Project.                                    *
   5  * Contributors are mentioned in the code where appropriate.              *
   6  *                                                                        *
   7  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and its   *
   8  * documentation strictly for non-commercial purposes is hereby granted   *
   9  * without fee, provided that the above copyright notice appears in all   *
  10  * copies and that both the copyright notice and this permission notice   *
  11  * appear in the supporting documentation. The authors make no claims     *
  12  * about the suitability of this software for any purpose. It is          *
  13  * provided "as is" without express or implied warranty.                  *
  14  **************************************************************************/
  15 /* $Id$ */
  16 /** @file    AliFMDBaseDigitizer.cxx
  17     @author  Christian Holm Christensen <cholm@nbi.dk>
  18     @date    Mon Mar 27 12:38:26 2006
  19     @brief   FMD Digitizers implementation
  20     @ingroup FMD_sim
  21 */
  22 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  23 //
  24 //  This class contains the procedures simulation ADC  signal for the
  25 //  Forward Multiplicity detector  : Hits->Digits and Hits->SDigits
  26 //
  27 //  Digits consists of
  28 //   - Detector #
  29 //   - Ring ID
  30 //   - Sector #
  31 //   - Strip #
  32 //   - ADC count in this channel
  33 //
  34 //  Digits consists of
  35 //   - Detector #
  36 //   - Ring ID
  37 //   - Sector #
  38 //   - Strip #
  39 //   - Total energy deposited in the strip
  40 //   - ADC count in this channel
  41 //
  42 // As the Digits and SDigits have so much in common, the classes
  43 // AliFMDDigitizer and AliFMDSDigitizer are implemented via a base
  44 // class AliFMDBaseDigitizer.
  45 //
  46 //                 +---------------------+
  47 //                 | AliFMDBaseDigitizer |
  48 //                 +---------------------+
  49 //                           ^
  50 //                           |
  51 //                +----------+---------+
  52 //                |                    |
  53 //      +-----------------+     +------------------+
  54 //      | AliFMDDigitizer |     | AliFMDSDigitizer |
  55 //      +-----------------+     +------------------+
  56 //
  57 // These classes has several paramters:
  58 //
  59 //     fPedestal
  60 //     fPedestalWidth
  61 //         (Only AliFMDDigitizer)
  62 //         Mean and width of the pedestal.  The pedestal is simulated
  63 //         by a Guassian, but derived classes my override MakePedestal
  64 //         to simulate it differently (or pick it up from a database).
  65 //
  66 //     fVA1MipRange
  67 //         The dymamic MIP range of the VA1_ALICE pre-amplifier chip
  68 //
  69 //     fAltroChannelSize
  70 //         The largest number plus one that can be stored in one
  71 //         channel in one time step in the ALTRO ADC chip.
  72 //
  73 //     fSampleRate
  74 //         How many times the ALTRO ADC chip samples the VA1_ALICE
  75 //         pre-amplifier signal.   The VA1_ALICE chip is read-out at
  76 //         10MHz, while it's possible to drive the ALTRO chip at
  77 //         25MHz.  That means, that the ALTRO chip can have time to
  78 //         sample each VA1_ALICE signal up to 2 times.  Although it's
  79 //         not certain this feature will be used in the production,
  80 //         we'd like have the option, and so it should be reflected in
  81 //         the code.
  82 //
  83 //
  84 // The shaping function of the VA1_ALICE is generally given by
  85 //
  86 //      f(x) = A(1 - exp(-Bx))
  87 //
  88 // where A is the total charge collected in the pre-amp., and B is a
  89 // paramter that depends on the shaping time of the VA1_ALICE circut.
  90 //
  91 // When simulating the shaping function of the VA1_ALICe
  92 // pre-amp. chip, we have to take into account, that the shaping
  93 // function depends on the previous value of read from the pre-amp.
  94 //
  95 // That results in the following algorithm:
  96 //
  97 //    last = 0;
  98 //    FOR charge IN pre-amp. charge train DO
  99 //      IF last < charge THEN
 100 //        f(t) = (charge - last) * (1 - exp(-B * t)) + last
 101 //      ELSE
 102 //        f(t) = (last - charge) * exp(-B * t) + charge)
 103 //      ENDIF
 104 //      FOR i IN # samples DO
 105 //        adc_i = f(i / (# samples))
 106 //      DONE
 107 //      last = charge
 108 //   DONE
 109 //
 110 // Here,
 111 //
 112 //   pre-amp. charge train
 113 //       is a series of 128 charges read from the VA1_ALICE chip
 114 //
 115 //   # samples
 116 //       is the number of times the ALTRO ADC samples each of the 128
 117 //       charges from the pre-amp.
 118 //
 119 // Where Q is the total charge collected by the VA1_ALICE
 120 // pre-amplifier.   Q is then given by
 121 //
 122 //           E S
 123 //      Q =  - -
 124 //           e R
 125 //
 126 // where E is the total energy deposited in a silicon strip, R is the
 127 // dynamic range of the VA1_ALICE pre-amp (fVA1MipRange), e is the
 128 // energy deposited by a single MIP, and S ALTRO channel size in each
 129 // time step (fAltroChannelSize).
 130 //
 131 // The energy deposited per MIP is given by
 132 //
 133 //      e = M * rho * w
 134 //
 135 // where M is the universal number 1.664, rho is the density of
 136 // silicon, and w is the depth of the silicon sensor.
 137 //
 138 // The final ADC count is given by
 139 //
 140 //      C' = C + P
 141 //
 142 // where P is the (randomized) pedestal (see MakePedestal)
 143 //
 144 // This class uses the class template AliFMDMap<Type> to make an
 145 // internal cache of the energy deposted of the hits.  The class
 146 // template is instantasized as
 147 //
 148 //  typedef AliFMDMap<std::pair<Float_t, UShort_t> > AliFMDEdepMap;
 149 //
 150 // The first member of the values is the summed energy deposition in a
 151 // given strip, while the second member of the values is the number of
 152 // hits in a given strip.  Using the second member, it's possible to
 153 // do some checks on just how many times a strip got hit, and what
 154 // kind of error we get in our reconstructed hits.  Note, that this
 155 // information is currently not written to the digits tree.  I think a
 156 // QA (Quality Assurance) digit tree is better suited for that task.
 157 // However, the information is there to be used in the future.
 158 //
 159 //
 160 // Latest changes by Christian Holm Christensen
 161 //
 162 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 163
 164 //      /1
 165 //      |           A(-1 + B + exp(-B))
 166 //      | f(x) dx = ------------------- = 1
 167 //      |                    B
 168 //      / 0
 169 //
 170 // and B is the a parameter defined by the shaping time (fShapingTime).
 171 //
 172 // Solving the above equation, for A gives
 173 //
 174 //                 B
 175 //      A = ----------------
 176 //          -1 + B + exp(-B)
 177 //
 178 // So, if we define the function g: [0,1] -> [0:1] by
 179 //
 180 //               / v
 181 //               |              Bu + exp(-Bu) - Bv - exp(-Bv)
 182 //      g(u,v) = | f(x) dx = -A -----------------------------
 183 //               |                            B
 184 //               / u
 185 //
 186 // we can evaluate the ALTRO sample of the VA1_ALICE pre-amp between
 187 // any two times (u, v), by
 188 //
 189 //
 190 //                                B         Bu + exp(-Bu) - Bv - exp(-Bv)
 191 //      C = Q g(u,v) = - Q ---------------- -----------------------------
 192 //                         -1 + B + exp(-B)              B
 193 //
 194 //               Bu + exp(-Bu) - Bv - exp(-Bv)
 195 //        = -  Q -----------------------------
 196 //                    -1 + B + exp(-B)
 197 //
 198
 199 #include <TTree.h>              // ROOT_TTree
 200 //#include <TRandom.h>          // ROOT_TRandom
 201 #include <AliLog.h>             // ALILOG_H
 202 #include "AliFMDBaseDigitizer.h" // ALIFMDDIGITIZER_H
 203 #include "AliFMD.h"             // ALIFMD_H
 204 #include "AliFMDGeometry.h"     // ALIFMDGEOMETRY_H
 205 #include "AliFMDDetector.h"     // ALIFMDDETECTOR_H
 206 #include "AliFMDRing.h"         // ALIFMDRING_H
 207 #include "AliFMDHit.h"          // ALIFMDHIT_H
 208 // #include "AliFMDDigit.h"     // ALIFMDDIGIT_H
 209 #include "AliFMDParameters.h"   // ALIFMDPARAMETERS_H
 210 // #include <AliRunDigitizer.h> // ALIRUNDIGITIZER_H
 211 //#include <AliRun.h>           // ALIRUN_H
 212 #include <AliLoader.h>          // ALILOADER_H
 213 #include <AliRunLoader.h>       // ALIRUNLOADER_H
 214
 215 //====================================================================
 216 ClassImp(AliFMDBaseDigitizer)
 217 #if 0
 218   ; // This is here to keep Emacs for indenting the next line
 219 #endif
 220
 221 //____________________________________________________________________
 222 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer()
 223   : fRunLoader(0),
 224     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 225           AliFMDMap::kMaxRings,
 226           AliFMDMap::kMaxSectors,
 227           AliFMDMap::kMaxStrips),
 228     fShapingTime(0)
 229 {
 230   // Default ctor - don't use it
 231 }
 232
 233 //____________________________________________________________________
 234 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer(AliRunDigitizer* manager)
 235   : AliDigitizer(manager, "AliFMDBaseDigitizer", "FMD Digitizer base class"),
 236     fRunLoader(0),
 237     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 238           AliFMDMap::kMaxRings,
 239           AliFMDMap::kMaxSectors,
 240           AliFMDMap::kMaxStrips),
 241     fShapingTime(0)
 242 {
 243   // Normal CTOR
 244   AliDebug(1," processed");
 245   SetShapingTime();
 246 }
 247
 248 //____________________________________________________________________
 249 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer(const Char_t* name,
 250                                          const Char_t* title)
 251   : AliDigitizer(name, title),
 252     fRunLoader(0),
 253     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 254           AliFMDMap::kMaxRings,
 255           AliFMDMap::kMaxSectors,
 256           AliFMDMap::kMaxStrips)
 257 {
 258   // Normal CTOR
 259   AliDebug(1," processed");
 260   SetShapingTime();
 261 }
 262
 263 //____________________________________________________________________
 264 AliFMDBaseDigitizer::~AliFMDBaseDigitizer()
 265 {
 266   // Destructor
 267 }
 268
 269 //____________________________________________________________________
 270 Bool_t
 271 AliFMDBaseDigitizer::Init()
 272 {
 273   // Initialization
 274   AliFMDParameters::Instance()->Init();
 275   return kTRUE;
 276 }
 277
 278
 279 //____________________________________________________________________
 280 UShort_t
 281 AliFMDBaseDigitizer::MakePedestal(UShort_t,
 282                                   Char_t,
 283                                   UShort_t,
 284                                   UShort_t) const
 285 {
 286   // Make a pedestal
 287   return 0;
 288 }
 289
 290 //____________________________________________________________________
 291 void
 292 AliFMDBaseDigitizer::SumContributions(AliFMD* fmd)
 293 {
 294   // Sum energy deposited contributions from each hit in a cache
 295   // (fEdep).
 296   if (!fRunLoader)
 297     Fatal("SumContributions", "no run loader");
 298
 299   // Clear array of deposited energies
 300   fEdep.Reset();
 301
 302   // Get the FMD loader
 303   AliLoader* inFMD = fRunLoader->GetLoader("FMDLoader");
 304   // And load the hits
 305   inFMD->LoadHits("READ");
 306
 307   // Get the tree of hits
 308   TTree* hitsTree = inFMD->TreeH();
 309   if (!hitsTree)  {
 310     // Try again
 311     inFMD->LoadHits("READ");
 312     hitsTree = inFMD->TreeH();
 313   }
 314
 315   // Get the FMD branch
 316   TBranch* hitsBranch = hitsTree->GetBranch("FMD");
 317   if (hitsBranch) fmd->SetHitsAddressBranch(hitsBranch);
 318   else            AliFatal("Branch FMD hit not found");
 319
 320   // Get a list of hits from the FMD manager
 321   TClonesArray *fmdHits = fmd->Hits();
 322
 323   // Get number of entries in the tree
 324   Int_t ntracks  = Int_t(hitsTree->GetEntries());
 325
 326   AliFMDParameters* param = AliFMDParameters::Instance();
 327   Int_t read = 0;
 328   // Loop over the tracks in the
 329   for (Int_t track = 0; track < ntracks; track++)  {
 330     // Read in entry number `track'
 331     read += hitsBranch->GetEntry(track);
 332
 333     // Get the number of hits
 334     Int_t nhits = fmdHits->GetEntries ();
 335     for (Int_t hit = 0; hit < nhits; hit++) {
 336       // Get the hit number `hit'
 337       AliFMDHit* fmdHit =
 338         static_cast<AliFMDHit*>(fmdHits->UncheckedAt(hit));
 339
 340       // Extract parameters
 341       UShort_t detector = fmdHit->Detector();
 342       Char_t   ring     = fmdHit->Ring();
 343       UShort_t sector   = fmdHit->Sector();
 344       UShort_t strip    = fmdHit->Strip();
 345       Float_t  edep     = fmdHit->Edep();
 346       // UShort_t minstrip = param->GetMinStrip(detector, ring, sector, strip);
 347       // UShort_t maxstrip = param->GetMaxStrip(detector, ring, sector, strip);
 348       // Check if strip is `dead'
 349       if (param->IsDead(detector, ring, sector, strip)) {
 350         AliDebug(5, Form("FMD%d%c[%2d,%3d] is marked as dead",
 351                          detector, ring, sector, strip));
 352         continue;
 353       }
 354       // Check if strip is out-side read-out range
 355       // if (strip < minstrip || strip > maxstrip) {
 356       //   AliDebug(5, Form("FMD%d%c[%2d,%3d] is outside range [%3d,%3d]",
 357       //                    detector,ring,sector,strip,minstrip,maxstrip));
 358       //   continue;
 359       // }
 360
 361       // Give warning in case of double hit
 362       if (fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep != 0)
 363         AliDebug(5, Form("Double hit in %d%c(%d,%d)",
 364                          detector, ring, sector, strip));
 365
 366       // Sum energy deposition
 367       fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep  += edep;
 368       fEdep(detector, ring, sector, strip).fN     += 1;
 369       // Add this to the energy deposited for this strip
 370     }  // hit loop
 371   } // track loop
 372   AliDebug(1, Form("Size of cache: %d bytes, read %d bytes",
 373                    sizeof(fEdep), read));
 374 }
 375
 376 //____________________________________________________________________
 377 void
 378 AliFMDBaseDigitizer::DigitizeHits(AliFMD* fmd) const
 379 {
 380   // For the stored energy contributions in the cache (fEdep), convert
 381   // the energy signal to ADC counts, and store the created digit in
 382   // the digits array (AliFMD::fDigits)
 383   //
 384   AliFMDGeometry* geometry = AliFMDGeometry::Instance();
 385
 386   TArrayI counts(3);
 387   for (UShort_t detector=1; detector <= 3; detector++) {
 388     // Get pointer to subdetector
 389     AliFMDDetector* det = geometry->GetDetector(detector);
 390     if (!det) continue;
 391     for (UShort_t ringi = 0; ringi <= 1; ringi++) {
 392       Char_t ring = ringi == 0 ? 'I' : 'O';
 393       // Get pointer to Ring
 394       AliFMDRing* r = det->GetRing(ring);
 395       if (!r) continue;
 396
 397       // Get number of sectors
 398       UShort_t nSectors = UShort_t(360. / r->GetTheta());
 399       // Loop over the number of sectors
 400       for (UShort_t sector = 0; sector < nSectors; sector++) {
 401         // Get number of strips
 402         UShort_t nStrips = r->GetNStrips();
 403         // Loop over the stips
 404         Float_t last = 0;
 405         for (UShort_t strip = 0; strip < nStrips; strip++) {
 406           // Reset the counter array to the invalid value -1
 407           counts.Reset(-1);
 408           // Reset the last `ADC' value when we've get to the end of a
 409           // VA1_ALICE channel.
 410           if (strip % 128 == 0) last = 0;
 411
 412           Float_t edep = fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep;
 413           ConvertToCount(edep, last, detector, ring, sector, strip, counts);
 414           last = edep;
 415           AddDigit(fmd, detector, ring, sector, strip, edep,
 416                    UShort_t(counts[0]), Short_t(counts[1]),
 417                    Short_t(counts[2]));
 418 #if 0
 419           // This checks if the digit created will give the `right'
 420           // number of particles when reconstructed, using a naiive
 421           // approach.  It's here only as a quality check - nothing
 422           // else.
 423           CheckDigit(digit, fEdep(detector, ring, sector, strip).fN,
 424                      counts);
 425 #endif
 426         } // Strip
 427       } // Sector
 428     } // Ring
 429   } // Detector
 430 }
 431
 432 //____________________________________________________________________
 433 void
 434 AliFMDBaseDigitizer::ConvertToCount(Float_t   edep,
 435                                     Float_t   last,
 436                                     UShort_t  detector,
 437                                     Char_t    ring,
 438                                     UShort_t  sector,
 439                                     UShort_t  strip,
 440                                     TArrayI&  counts) const
 441 {
 442   // Convert the total energy deposited to a (set of) ADC count(s).
 443   //
 444   // This is done by
 445   //
 446   //               Energy_Deposited      ALTRO_Channel_Size
 447   //    ADC = -------------------------- ------------------- + pedestal
 448   //          Energy_Deposition_Of_1_MIP VA1_ALICE_MIP_Range
 449   //
 450   //               Energy_Deposited             fAltroChannelSize
 451   //        = --------------------------------- ----------------- + pedestal
 452   //          1.664 * Si_Thickness * Si_Density   fVA1MipRange
 453   //
 454   //
 455   //        = Energy_Deposited * ConversionFactor + pedestal
 456   //
 457   // However, this is modified by the response function of the
 458   // VA1_ALICE pre-amp. chip in case we are doing oversampling of the
 459   // VA1_ALICE output.
 460   //
 461   // In that case, we get N=fSampleRate values of the ADC, and the
 462   // `EnergyDeposited' is a function of which sample where are
 463   // calculating the ADC for
 464   //
 465   //     ADC_i = f(EnergyDeposited, i/N, Last) * ConversionFactor + pedestal
 466   //
 467   // where Last is the Energy deposited in the previous strip.
 468   //
 469   // Here, f is the shaping function of the VA1_ALICE.   This is given
 470   // by
 471   //
 472   //                    |   (E - l) * (1 - exp(-B * t) + l   if E > l
 473   //       f(E, t, l) = <
 474   //                    |   (l - E) * exp(-B * t) + E        otherwise
 475   //
 476   //
 477   //                  = E + (l - E) * ext(-B * t)
 478   //
 479   AliFMDParameters* param = AliFMDParameters::Instance();
 480   Float_t  convF          = 1/param->GetPulseGain(detector,ring,sector,strip);
 481   UShort_t ped            = MakePedestal(detector,ring,sector,strip);
 482   UInt_t   maxAdc         = param->GetAltroChannelSize()-1;
 483   UShort_t rate           = param->GetSampleRate(detector,ring,sector,strip);
 484
 485   // In case we don't oversample, just return the end value.
 486   if (rate == 1) {
 487     counts[0] = UShort_t(TMath::Min(edep * convF + ped, Float_t(maxAdc)));
 488     AliDebug(2, Form("FMD%d%c[%2d,%3d]: converting ELoss %f to ADC %d (%f)",
 489                      detector,ring,sector,strip,edep,counts[0],convF));
 490     return;
 491   }
 492
 493   // Create a pedestal
 494   Float_t b = fShapingTime;
 495   for (Ssiz_t i = 0; i < rate;  i++) {
 496     Float_t t = Float_t(i) / rate;
 497     Float_t s = edep + (last - edep) * TMath::Exp(-b * t);
 498     counts[i] = UShort_t(TMath::Min(s * convF + ped, Float_t(maxAdc)));
 499   }
 500 }
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