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 <TMath.h>
 200 #include <TTree.h>              // ROOT_TTree
 201 //#include <TRandom.h>          // ROOT_TRandom
 202 // #include <AliLog.h>          // ALILOG_H
 203 #include "AliFMDDebug.h" // Better debug macros
 204 #include "AliFMDBaseDigitizer.h" // ALIFMDDIGITIZER_H
 205 #include "AliFMD.h"             // ALIFMD_H
 206 #include "AliFMDGeometry.h"     // ALIFMDGEOMETRY_H
 207 #include "AliFMDDetector.h"     // ALIFMDDETECTOR_H
 208 #include "AliFMDRing.h"         // ALIFMDRING_H
 209 #include "AliFMDHit.h"          // ALIFMDHIT_H
 210 // #include "AliFMDDigit.h"     // ALIFMDDIGIT_H
 211 #include "AliFMDParameters.h"   // ALIFMDPARAMETERS_H
 212 // #include <AliRunDigitizer.h> // ALIRUNDIGITIZER_H
 213 //#include <AliRun.h>           // ALIRUN_H
 214 #include <AliLoader.h>          // ALILOADER_H
 215 #include <AliRunLoader.h>       // ALIRUNLOADER_H
 216
 217 //====================================================================
 218 ClassImp(AliFMDBaseDigitizer)
 219 #if 0
 220   ; // This is here to keep Emacs for indenting the next line
 221 #endif
 222
 223 //____________________________________________________________________
 224 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer()
 225   : fRunLoader(0),
 226     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 227           AliFMDMap::kMaxRings,
 228           AliFMDMap::kMaxSectors,
 229           AliFMDMap::kMaxStrips),
 230     fShapingTime(6)
 231 {
 232   // Default ctor - don't use it
 233 }
 234
 235 //____________________________________________________________________
 236 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer(AliRunDigitizer* manager)
 237   : AliDigitizer(manager, "AliFMDBaseDigitizer", "FMD Digitizer base class"),
 238     fRunLoader(0),
 239     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 240           AliFMDMap::kMaxRings,
 241           AliFMDMap::kMaxSectors,
 242           AliFMDMap::kMaxStrips),
 243     fShapingTime(6)
 244 {
 245   // Normal CTOR
 246   AliFMDDebug(1, (" processed"));
 247   SetShapingTime();
 248 }
 249
 250 //____________________________________________________________________
 251 AliFMDBaseDigitizer::AliFMDBaseDigitizer(const Char_t* name,
 252                                          const Char_t* title)
 253   : AliDigitizer(name, title),
 254     fRunLoader(0),
 255     fEdep(AliFMDMap::kMaxDetectors,
 256           AliFMDMap::kMaxRings,
 257           AliFMDMap::kMaxSectors,
 258           AliFMDMap::kMaxStrips),
 259     fShapingTime(6)
 260 {
 261   // Normal CTOR
 262   AliFMDDebug(1, (" processed"));
 263   SetShapingTime();
 264 }
 265
 266 //____________________________________________________________________
 267 AliFMDBaseDigitizer::~AliFMDBaseDigitizer()
 268 {
 269   // Destructor
 270 }
 271
 272 //____________________________________________________________________
 273 Bool_t
 274 AliFMDBaseDigitizer::Init()
 275 {
 276   // Initialization
 277   AliFMDParameters::Instance()->Init();
 278   return kTRUE;
 279 }
 280
 281
 282 //____________________________________________________________________
 283 UShort_t
 284 AliFMDBaseDigitizer::MakePedestal(UShort_t,
 285                                   Char_t,
 286                                   UShort_t,
 287                                   UShort_t) const
 288 {
 289   // Make a pedestal
 290   return 0;
 291 }
 292
 293 //____________________________________________________________________
 294 void
 295 AliFMDBaseDigitizer::SumContributions(AliFMD* fmd)
 296 {
 297   // Sum energy deposited contributions from each hit in a cache
 298   // (fEdep).
 299   if (!fRunLoader)
 300     Fatal("SumContributions", "no run loader");
 301
 302   // Clear array of deposited energies
 303   fEdep.Reset();
 304
 305   // Get the FMD loader
 306   AliLoader* inFMD = fRunLoader->GetLoader("FMDLoader");
 307   // And load the hits
 308   inFMD->LoadHits("READ");
 309
 310   // Get the tree of hits
 311   TTree* hitsTree = inFMD->TreeH();
 312   if (!hitsTree)  {
 313     // Try again
 314     inFMD->LoadHits("READ");
 315     hitsTree = inFMD->TreeH();
 316   }
 317
 318   // Get the FMD branch
 319   TBranch* hitsBranch = hitsTree->GetBranch("FMD");
 320   if (hitsBranch) fmd->SetHitsAddressBranch(hitsBranch);
 321   else            AliFatal("Branch FMD hit not found");
 322
 323   // Get a list of hits from the FMD manager
 324   TClonesArray *fmdHits = fmd->Hits();
 325
 326   // Get number of entries in the tree
 327   Int_t ntracks  = Int_t(hitsTree->GetEntries());
 328
 329   AliFMDParameters* param = AliFMDParameters::Instance();
 330   Int_t read = 0;
 331   // Loop over the tracks in the
 332   for (Int_t track = 0; track < ntracks; track++)  {
 333     // Read in entry number `track'
 334     read += hitsBranch->GetEntry(track);
 335
 336     // Get the number of hits
 337     Int_t nhits = fmdHits->GetEntries ();
 338     for (Int_t hit = 0; hit < nhits; hit++) {
 339       // Get the hit number `hit'
 340       AliFMDHit* fmdHit =
 341         static_cast<AliFMDHit*>(fmdHits->UncheckedAt(hit));
 342
 343       // Extract parameters
 344       UShort_t detector = fmdHit->Detector();
 345       Char_t   ring     = fmdHit->Ring();
 346       UShort_t sector   = fmdHit->Sector();
 347       UShort_t strip    = fmdHit->Strip();
 348       Float_t  edep     = fmdHit->Edep();
 349       // UShort_t minstrip = param->GetMinStrip(detector, ring, sector, strip);
 350       // UShort_t maxstrip = param->GetMaxStrip(detector, ring, sector, strip);
 351       // Check if strip is `dead'
 352       AliFMDDebug(2, ("Hit in FMD%d%c[%2d,%3d]=%f",
 353                       detector, ring, sector, strip, edep));
 354       if (param->IsDead(detector, ring, sector, strip)) {
 355         AliFMDDebug(1, ("FMD%d%c[%2d,%3d] is marked as dead",
 356                          detector, ring, sector, strip));
 357         continue;
 358       }
 359       // Check if strip is out-side read-out range
 360       // if (strip < minstrip || strip > maxstrip) {
 361       //   AliFMDDebug(5, ("FMD%d%c[%2d,%3d] is outside range [%3d,%3d]",
 362       //                    detector,ring,sector,strip,minstrip,maxstrip));
 363       //   continue;
 364       // }
 365
 366       // Give warning in case of double hit
 367       if (fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep != 0)
 368         AliFMDDebug(5, ("Double hit in %d%c(%d,%d)",
 369                          detector, ring, sector, strip));
 370
 371       // Sum energy deposition
 372       fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep  += edep;
 373       fEdep(detector, ring, sector, strip).fN     += 1;
 374       // Add this to the energy deposited for this strip
 375     }  // hit loop
 376   } // track loop
 377   AliFMDDebug(1, ("Size of cache: %d bytes, read %d bytes",
 378                    sizeof(fEdep), read));
 379 }
 380
 381 //____________________________________________________________________
 382 void
 383 AliFMDBaseDigitizer::DigitizeHits(AliFMD* fmd) const
 384 {
 385   // For the stored energy contributions in the cache (fEdep), convert
 386   // the energy signal to ADC counts, and store the created digit in
 387   // the digits array (AliFMD::fDigits)
 388   //
 389   AliFMDGeometry* geometry = AliFMDGeometry::Instance();
 390
 391   TArrayI counts(4);
 392   for (UShort_t detector=1; detector <= 3; detector++) {
 393     AliFMDDebug(5, ("Processing hits in FMD%d", detector));
 394     // Get pointer to subdetector
 395     AliFMDDetector* det = geometry->GetDetector(detector);
 396     if (!det) continue;
 397     for (UShort_t ringi = 0; ringi <= 1; ringi++) {
 398       Char_t ring = ringi == 0 ? 'I' : 'O';
 399       AliFMDDebug(5, (" Processing hits in FMD%d%c", detector,ring));
 400       // Get pointer to Ring
 401       AliFMDRing* r = det->GetRing(ring);
 402       if (!r) continue;
 403
 404       // Get number of sectors
 405       UShort_t nSectors = UShort_t(360. / r->GetTheta());
 406       // Loop over the number of sectors
 407       for (UShort_t sector = 0; sector < nSectors; sector++) {
 408         AliFMDDebug(5, ("  Processing hits in FMD%d%c[%2d]",
 409                         detector,ring,sector));
 410         // Get number of strips
 411         UShort_t nStrips = r->GetNStrips();
 412         // Loop over the stips
 413         Float_t last = 0;
 414         for (UShort_t strip = 0; strip < nStrips; strip++) {
 415           // Reset the counter array to the invalid value -1
 416           counts.Reset(-1);
 417           // Reset the last `ADC' value when we've get to the end of a
 418           // VA1_ALICE channel.
 419           if (strip % 128 == 0) last = 0;
 420
 421           Float_t edep = fEdep(detector, ring, sector, strip).fEdep;
 422           ConvertToCount(edep, last, detector, ring, sector, strip, counts);
 423           last = edep;
 424           if (edep<=0) continue;
 425           AddDigit(fmd, detector, ring, sector, strip, edep,
 426                    UShort_t(counts[0]), Short_t(counts[1]),
 427                    Short_t(counts[2]), Short_t(counts[3]));
 428           AliFMDDebug(10, ("   Adding digit in FMD%d%c[%2d,%3d]=%d",
 429                           detector,ring,sector,strip,counts[0]));
 430 #if 0
 431           // This checks if the digit created will give the `right'
 432           // number of particles when reconstructed, using a naiive
 433           // approach.  It's here only as a quality check - nothing
 434           // else.
 435           CheckDigit(digit, fEdep(detector, ring, sector, strip).fN,
 436                      counts);
 437 #endif
 438         } // Strip
 439       } // Sector
 440     } // Ring
 441   } // Detector
 442 }
 443
 444 //____________________________________________________________________
 445 void
 446 AliFMDBaseDigitizer::ConvertToCount(Float_t   edep,
 447                                     Float_t   last,
 448                                     UShort_t  detector,
 449                                     Char_t    ring,
 450                                     UShort_t  sector,
 451                                     UShort_t  strip,
 452                                     TArrayI&  counts) const
 453 {
 454   // Convert the total energy deposited to a (set of) ADC count(s).
 455   //
 456   // This is done by
 457   //
 458   //               Energy_Deposited      ALTRO_Channel_Size
 459   //    ADC = -------------------------- ------------------- + pedestal
 460   //          Energy_Deposition_Of_1_MIP VA1_ALICE_MIP_Range
 461   //
 462   //               Energy_Deposited             fAltroChannelSize
 463   //        = --------------------------------- ----------------- + pedestal
 464   //          1.664 * Si_Thickness * Si_Density   fVA1MipRange
 465   //
 466   //
 467   //        = Energy_Deposited * ConversionFactor + pedestal
 468   //
 469   // However, this is modified by the response function of the
 470   // VA1_ALICE pre-amp. chip in case we are doing oversampling of the
 471   // VA1_ALICE output.
 472   //
 473   // In that case, we get N=fSampleRate values of the ADC, and the
 474   // `EnergyDeposited' is a function of which sample where are
 475   // calculating the ADC for
 476   //
 477   //     ADC_i = f(EnergyDeposited, i/N, Last) * ConversionFactor + pedestal
 478   //
 479   // where Last is the Energy deposited in the previous strip.
 480   //
 481   // Here, f is the shaping function of the VA1_ALICE.   This is given
 482   // by
 483   //
 484   //                    |   (E - l) * (1 - exp(-B * t) + l   if E > l
 485   //       f(E, t, l) = <
 486   //                    |   (l - E) * exp(-B * t) + E        otherwise
 487   //
 488   //
 489   //                  = E + (l - E) * ext(-B * t)
 490   //
 491   AliFMDParameters* param = AliFMDParameters::Instance();
 492   Float_t  convF          = 1./param->GetPulseGain(detector,ring,sector,strip);
 493   Int_t    ped            = MakePedestal(detector,ring,sector,strip);
 494   Int_t    maxAdc         = param->GetAltroChannelSize()-1;
 495   if (maxAdc < 0) {
 496     AliWarning(Form("Maximum ADC is %d < 0, forcing it to 1023", maxAdc));
 497     maxAdc = 1023;
 498   }
 499   UShort_t rate           = param->GetSampleRate(detector,ring,sector,strip);
 500   if (rate < 1 || rate > 4) rate = 1;
 501
 502   // In case we don't oversample, just return the end value.
 503   if (rate == 1) {
 504     Float_t    a = edep * convF + ped;
 505     if (a < 0) a = 0;
 506     counts[0]    = UShort_t(TMath::Min(a, Float_t(maxAdc)));
 507     AliFMDDebug(2, ("FMD%d%c[%2d,%3d]: converting ELoss %f to "
 508                      "ADC %4d (%f,%d)",
 509                      detector,ring,sector,strip,edep,counts[0],convF,ped));
 510     return;
 511   }
 512
 513   // Create a pedestal
 514   Float_t b = fShapingTime;
 515   for (Ssiz_t i = 0; i < rate;  i++) {
 516     Float_t t  = Float_t(i) / rate + 1./rate;
 517     Float_t s  = edep + (last - edep) * TMath::Exp(-b * t);
 518     Float_t a  = Int_t(s * convF + ped);
 519     if (a < 0) a = 0;
 520     counts[i]  = UShort_t(TMath::Min(a, Float_t(maxAdc)));
 521   }
 522 }
 523
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 528 // EOF
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