x86: proresdsp: improve SIGNEXTEND macro comments
[ffmpeg.git] / libavcodec / g723_1.c
1 /*
2  * G.723.1 compatible decoder
3  * Copyright (c) 2006 Benjamin Larsson
4  * Copyright (c) 2010 Mohamed Naufal Basheer
5  *
6  * This file is part of Libav.
7  *
8  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 /**
24  * @file
25  * G.723.1 compatible decoder
26  */
27
28 #define BITSTREAM_READER_LE
29 #include "libavutil/audioconvert.h"
30 #include "libavutil/lzo.h"
31 #include "libavutil/opt.h"
32 #include "avcodec.h"
33 #include "get_bits.h"
34 #include "acelp_vectors.h"
35 #include "celp_filters.h"
36 #include "celp_math.h"
37 #include "lsp.h"
38 #include "g723_1_data.h"
39
40 /**
41  * G723.1 frame types
42  */
43 enum FrameType {
44     ACTIVE_FRAME,        ///< Active speech
45     SID_FRAME,           ///< Silence Insertion Descriptor frame
46     UNTRANSMITTED_FRAME
47 };
48
49 enum Rate {
50     RATE_6300,
51     RATE_5300
52 };
53
54 /**
55  * G723.1 unpacked data subframe
56  */
57 typedef struct {
58     int ad_cb_lag;     ///< adaptive codebook lag
59     int ad_cb_gain;
60     int dirac_train;
61     int pulse_sign;
62     int grid_index;
63     int amp_index;
64     int pulse_pos;
65 } G723_1_Subframe;
66
67 /**
68  * Pitch postfilter parameters
69  */
70 typedef struct {
71     int     index;    ///< postfilter backward/forward lag
72     int16_t opt_gain; ///< optimal gain
73     int16_t sc_gain;  ///< scaling gain
74 } PPFParam;
75
76 typedef struct g723_1_context {
77     AVClass *class;
78     AVFrame frame;
79
80     G723_1_Subframe subframe[4];
81     enum FrameType cur_frame_type;
82     enum FrameType past_frame_type;
83     enum Rate cur_rate;
84     uint8_t lsp_index[LSP_BANDS];
85     int pitch_lag[2];
86     int erased_frames;
87
88     int16_t prev_lsp[LPC_ORDER];
89     int16_t prev_excitation[PITCH_MAX];
90     int16_t excitation[PITCH_MAX + FRAME_LEN];
91     int16_t synth_mem[LPC_ORDER];
92     int16_t fir_mem[LPC_ORDER];
93     int     iir_mem[LPC_ORDER];
94
95     int random_seed;
96     int interp_index;
97     int interp_gain;
98     int sid_gain;
99     int cur_gain;
100     int reflection_coef;
101     int pf_gain;
102     int postfilter;
103
104     int16_t audio[FRAME_LEN + LPC_ORDER];
105 } G723_1_Context;
106
107 static av_cold int g723_1_decode_init(AVCodecContext *avctx)
108 {
109     G723_1_Context *p = avctx->priv_data;
110
111     avctx->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_MONO;
112     avctx->sample_fmt     = AV_SAMPLE_FMT_S16;
113     avctx->channels       = 1;
114     avctx->sample_rate    = 8000;
115     p->pf_gain            = 1 << 12;
116
117     avcodec_get_frame_defaults(&p->frame);
118     avctx->coded_frame    = &p->frame;
119
120     memcpy(p->prev_lsp, dc_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*p->prev_lsp));
121
122     return 0;
123 }
124
125 /**
126  * Unpack the frame into parameters.
127  *
128  * @param p           the context
129  * @param buf         pointer to the input buffer
130  * @param buf_size    size of the input buffer
131  */
132 static int unpack_bitstream(G723_1_Context *p, const uint8_t *buf,
133                             int buf_size)
134 {
135     GetBitContext gb;
136     int ad_cb_len;
137     int temp, info_bits, i;
138
139     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
140
141     /* Extract frame type and rate info */
142     info_bits = get_bits(&gb, 2);
143
144     if (info_bits == 3) {
145         p->cur_frame_type = UNTRANSMITTED_FRAME;
146         return 0;
147     }
148
149     /* Extract 24 bit lsp indices, 8 bit for each band */
150     p->lsp_index[2] = get_bits(&gb, 8);
151     p->lsp_index[1] = get_bits(&gb, 8);
152     p->lsp_index[0] = get_bits(&gb, 8);
153
154     if (info_bits == 2) {
155         p->cur_frame_type = SID_FRAME;
156         p->subframe[0].amp_index = get_bits(&gb, 6);
157         return 0;
158     }
159
160     /* Extract the info common to both rates */
161     p->cur_rate       = info_bits ? RATE_5300 : RATE_6300;
162     p->cur_frame_type = ACTIVE_FRAME;
163
164     p->pitch_lag[0] = get_bits(&gb, 7);
165     if (p->pitch_lag[0] > 123)       /* test if forbidden code */
166         return -1;
167     p->pitch_lag[0] += PITCH_MIN;
168     p->subframe[1].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
169
170     p->pitch_lag[1] = get_bits(&gb, 7);
171     if (p->pitch_lag[1] > 123)
172         return -1;
173     p->pitch_lag[1] += PITCH_MIN;
174     p->subframe[3].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
175     p->subframe[0].ad_cb_lag = 1;
176     p->subframe[2].ad_cb_lag = 1;
177
178     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
179         /* Extract combined gain */
180         temp = get_bits(&gb, 12);
181         ad_cb_len = 170;
182         p->subframe[i].dirac_train = 0;
183         if (p->cur_rate == RATE_6300 && p->pitch_lag[i >> 1] < SUBFRAME_LEN - 2) {
184             p->subframe[i].dirac_train = temp >> 11;
185             temp &= 0x7FF;
186             ad_cb_len = 85;
187         }
188         p->subframe[i].ad_cb_gain = FASTDIV(temp, GAIN_LEVELS);
189         if (p->subframe[i].ad_cb_gain < ad_cb_len) {
190             p->subframe[i].amp_index = temp - p->subframe[i].ad_cb_gain *
191                                        GAIN_LEVELS;
192         } else {
193             return -1;
194         }
195     }
196
197     p->subframe[0].grid_index = get_bits(&gb, 1);
198     p->subframe[1].grid_index = get_bits(&gb, 1);
199     p->subframe[2].grid_index = get_bits(&gb, 1);
200     p->subframe[3].grid_index = get_bits(&gb, 1);
201
202     if (p->cur_rate == RATE_6300) {
203         skip_bits(&gb, 1);  /* skip reserved bit */
204
205         /* Compute pulse_pos index using the 13-bit combined position index */
206         temp = get_bits(&gb, 13);
207         p->subframe[0].pulse_pos = temp / 810;
208
209         temp -= p->subframe[0].pulse_pos * 810;
210         p->subframe[1].pulse_pos = FASTDIV(temp, 90);
211
212         temp -= p->subframe[1].pulse_pos * 90;
213         p->subframe[2].pulse_pos = FASTDIV(temp, 9);
214         p->subframe[3].pulse_pos = temp - p->subframe[2].pulse_pos * 9;
215
216         p->subframe[0].pulse_pos = (p->subframe[0].pulse_pos << 16) +
217                                    get_bits(&gb, 16);
218         p->subframe[1].pulse_pos = (p->subframe[1].pulse_pos << 14) +
219                                    get_bits(&gb, 14);
220         p->subframe[2].pulse_pos = (p->subframe[2].pulse_pos << 16) +
221                                    get_bits(&gb, 16);
222         p->subframe[3].pulse_pos = (p->subframe[3].pulse_pos << 14) +
223                                    get_bits(&gb, 14);
224
225         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
226         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
227         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
228         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
229     } else { /* 5300 bps */
230         p->subframe[0].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
231         p->subframe[1].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
232         p->subframe[2].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
233         p->subframe[3].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
234
235         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
236         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
237         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
238         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
239     }
240
241     return 0;
242 }
243
244 /**
245  * Bitexact implementation of sqrt(val/2).
246  */
247 static int16_t square_root(int val)
248 {
249     int16_t res = 0;
250     int16_t exp = 0x4000;
251     int i;
252
253     for (i = 0; i < 14; i ++) {
254         int res_exp = res + exp;
255         if (val >= res_exp * res_exp << 1)
256             res += exp;
257         exp >>= 1;
258     }
259     return res;
260 }
261
262 /**
263  * Calculate the number of left-shifts required for normalizing the input.
264  *
265  * @param num   input number
266  * @param width width of the input, 16 bits(0) / 32 bits(1)
267  */
268 static int normalize_bits(int num, int width)
269 {
270     if (!num)
271         return 0;
272     if (num == -1)
273         return width;
274     if (num < 0)
275         num = ~num;
276
277     return width - av_log2(num);
278 }
279
280 /**
281  * Scale vector contents based on the largest of their absolutes.
282  */
283 static int scale_vector(int16_t *vector, int length)
284 {
285     int bits, scale, max = 0;
286     int i;
287
288
289     for (i = 0; i < length; i++)
290         max = FFMAX(max, FFABS(vector[i]));
291
292     bits  = normalize_bits(max, 15);
293     scale = (bits == 15) ? 0x7FFF : (1 << bits);
294
295     for (i = 0; i < length; i++)
296         vector[i] = (vector[i] * scale) >> 4;
297
298     return bits - 3;
299 }
300
301 /**
302  * Perform inverse quantization of LSP frequencies.
303  *
304  * @param cur_lsp    the current LSP vector
305  * @param prev_lsp   the previous LSP vector
306  * @param lsp_index  VQ indices
307  * @param bad_frame  bad frame flag
308  */
309 static void inverse_quant(int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp,
310                           uint8_t *lsp_index, int bad_frame)
311 {
312     int min_dist, pred;
313     int i, j, temp, stable;
314
315     /* Check for frame erasure */
316     if (!bad_frame) {
317         min_dist     = 0x100;
318         pred         = 12288;
319     } else {
320         min_dist     = 0x200;
321         pred         = 23552;
322         lsp_index[0] = lsp_index[1] = lsp_index[2] = 0;
323     }
324
325     /* Get the VQ table entry corresponding to the transmitted index */
326     cur_lsp[0] = lsp_band0[lsp_index[0]][0];
327     cur_lsp[1] = lsp_band0[lsp_index[0]][1];
328     cur_lsp[2] = lsp_band0[lsp_index[0]][2];
329     cur_lsp[3] = lsp_band1[lsp_index[1]][0];
330     cur_lsp[4] = lsp_band1[lsp_index[1]][1];
331     cur_lsp[5] = lsp_band1[lsp_index[1]][2];
332     cur_lsp[6] = lsp_band2[lsp_index[2]][0];
333     cur_lsp[7] = lsp_band2[lsp_index[2]][1];
334     cur_lsp[8] = lsp_band2[lsp_index[2]][2];
335     cur_lsp[9] = lsp_band2[lsp_index[2]][3];
336
337     /* Add predicted vector & DC component to the previously quantized vector */
338     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
339         temp        = ((prev_lsp[i] - dc_lsp[i]) * pred + (1 << 14)) >> 15;
340         cur_lsp[i] += dc_lsp[i] + temp;
341     }
342
343     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
344         cur_lsp[0]             = FFMAX(cur_lsp[0],  0x180);
345         cur_lsp[LPC_ORDER - 1] = FFMIN(cur_lsp[LPC_ORDER - 1], 0x7e00);
346
347         /* Stability check */
348         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
349             temp = min_dist + cur_lsp[j - 1] - cur_lsp[j];
350             if (temp > 0) {
351                 temp >>= 1;
352                 cur_lsp[j - 1] -= temp;
353                 cur_lsp[j]     += temp;
354             }
355         }
356         stable = 1;
357         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
358             temp = cur_lsp[j - 1] + min_dist - cur_lsp[j] - 4;
359             if (temp > 0) {
360                 stable = 0;
361                 break;
362             }
363         }
364         if (stable)
365             break;
366     }
367     if (!stable)
368         memcpy(cur_lsp, prev_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*cur_lsp));
369 }
370
371 /**
372  * Bitexact implementation of 2ab scaled by 1/2^16.
373  *
374  * @param a 32 bit multiplicand
375  * @param b 16 bit multiplier
376  */
377 #define MULL2(a, b) \
378         ((((a) >> 16) * (b) << 1) + (((a) & 0xffff) * (b) >> 15))
379
380 /**
381  * Convert LSP frequencies to LPC coefficients.
382  *
383  * @param lpc buffer for LPC coefficients
384  */
385 static void lsp2lpc(int16_t *lpc)
386 {
387     int f1[LPC_ORDER / 2 + 1];
388     int f2[LPC_ORDER / 2 + 1];
389     int i, j;
390
391     /* Calculate negative cosine */
392     for (j = 0; j < LPC_ORDER; j++) {
393         int index     = lpc[j] >> 7;
394         int offset    = lpc[j] & 0x7f;
395         int64_t temp1 = cos_tab[index] << 16;
396         int temp2     = (cos_tab[index + 1] - cos_tab[index]) *
397                           ((offset << 8) + 0x80) << 1;
398
399         lpc[j] = -(av_clipl_int32(((temp1 + temp2) << 1) + (1 << 15)) >> 16);
400     }
401
402     /*
403      * Compute sum and difference polynomial coefficients
404      * (bitexact alternative to lsp2poly() in lsp.c)
405      */
406     /* Initialize with values in Q28 */
407     f1[0] = 1 << 28;
408     f1[1] = (lpc[0] << 14) + (lpc[2] << 14);
409     f1[2] = lpc[0] * lpc[2] + (2 << 28);
410
411     f2[0] = 1 << 28;
412     f2[1] = (lpc[1] << 14) + (lpc[3] << 14);
413     f2[2] = lpc[1] * lpc[3] + (2 << 28);
414
415     /*
416      * Calculate and scale the coefficients by 1/2 in
417      * each iteration for a final scaling factor of Q25
418      */
419     for (i = 2; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
420         f1[i + 1] = f1[i - 1] + MULL2(f1[i], lpc[2 * i]);
421         f2[i + 1] = f2[i - 1] + MULL2(f2[i], lpc[2 * i + 1]);
422
423         for (j = i; j >= 2; j--) {
424             f1[j] = MULL2(f1[j - 1], lpc[2 * i]) +
425                     (f1[j] >> 1) + (f1[j - 2] >> 1);
426             f2[j] = MULL2(f2[j - 1], lpc[2 * i + 1]) +
427                     (f2[j] >> 1) + (f2[j - 2] >> 1);
428         }
429
430         f1[0] >>= 1;
431         f2[0] >>= 1;
432         f1[1] = ((lpc[2 * i]     << 16 >> i) + f1[1]) >> 1;
433         f2[1] = ((lpc[2 * i + 1] << 16 >> i) + f2[1]) >> 1;
434     }
435
436     /* Convert polynomial coefficients to LPC coefficients */
437     for (i = 0; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
438         int64_t ff1 = f1[i + 1] + f1[i];
439         int64_t ff2 = f2[i + 1] - f2[i];
440
441         lpc[i] = av_clipl_int32(((ff1 + ff2) << 3) + (1 << 15)) >> 16;
442         lpc[LPC_ORDER - i - 1] = av_clipl_int32(((ff1 - ff2) << 3) +
443                                                 (1 << 15)) >> 16;
444     }
445 }
446
447 /**
448  * Quantize LSP frequencies by interpolation and convert them to
449  * the corresponding LPC coefficients.
450  *
451  * @param lpc      buffer for LPC coefficients
452  * @param cur_lsp  the current LSP vector
453  * @param prev_lsp the previous LSP vector
454  */
455 static void lsp_interpolate(int16_t *lpc, int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp)
456 {
457     int i;
458     int16_t *lpc_ptr = lpc;
459
460     /* cur_lsp * 0.25 + prev_lsp * 0.75 */
461     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc, cur_lsp, prev_lsp,
462                                  4096, 12288, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
463     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
464                                  8192, 8192, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
465     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + 2 * LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
466                                  12288, 4096, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
467     memcpy(lpc + 3 * LPC_ORDER, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*lpc));
468
469     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
470         lsp2lpc(lpc_ptr);
471         lpc_ptr += LPC_ORDER;
472     }
473 }
474
475 /**
476  * Generate a train of dirac functions with period as pitch lag.
477  */
478 static void gen_dirac_train(int16_t *buf, int pitch_lag)
479 {
480     int16_t vector[SUBFRAME_LEN];
481     int i, j;
482
483     memcpy(vector, buf, SUBFRAME_LEN * sizeof(*vector));
484     for (i = pitch_lag; i < SUBFRAME_LEN; i += pitch_lag) {
485         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN - i; j++)
486             buf[i + j] += vector[j];
487     }
488 }
489
490 /**
491  * Generate fixed codebook excitation vector.
492  *
493  * @param vector    decoded excitation vector
494  * @param subfrm    current subframe
495  * @param cur_rate  current bitrate
496  * @param pitch_lag closed loop pitch lag
497  * @param index     current subframe index
498  */
499 static void gen_fcb_excitation(int16_t *vector, G723_1_Subframe subfrm,
500                                enum Rate cur_rate, int pitch_lag, int index)
501 {
502     int temp, i, j;
503
504     memset(vector, 0, SUBFRAME_LEN * sizeof(*vector));
505
506     if (cur_rate == RATE_6300) {
507         if (subfrm.pulse_pos >= max_pos[index])
508             return;
509
510         /* Decode amplitudes and positions */
511         j = PULSE_MAX - pulses[index];
512         temp = subfrm.pulse_pos;
513         for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN / GRID_SIZE; i++) {
514             temp -= combinatorial_table[j][i];
515             if (temp >= 0)
516                 continue;
517             temp += combinatorial_table[j++][i];
518             if (subfrm.pulse_sign & (1 << (PULSE_MAX - j))) {
519                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
520                                         -fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
521             } else {
522                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
523                                          fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
524             }
525             if (j == PULSE_MAX)
526                 break;
527         }
528         if (subfrm.dirac_train == 1)
529             gen_dirac_train(vector, pitch_lag);
530     } else { /* 5300 bps */
531         int cb_gain  = fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
532         int cb_shift = subfrm.grid_index;
533         int cb_sign  = subfrm.pulse_sign;
534         int cb_pos   = subfrm.pulse_pos;
535         int offset, beta, lag;
536
537         for (i = 0; i < 8; i += 2) {
538             offset         = ((cb_pos & 7) << 3) + cb_shift + i;
539             vector[offset] = (cb_sign & 1) ? cb_gain : -cb_gain;
540             cb_pos  >>= 3;
541             cb_sign >>= 1;
542         }
543
544         /* Enhance harmonic components */
545         lag  = pitch_contrib[subfrm.ad_cb_gain << 1] + pitch_lag +
546                subfrm.ad_cb_lag - 1;
547         beta = pitch_contrib[(subfrm.ad_cb_gain << 1) + 1];
548
549         if (lag < SUBFRAME_LEN - 2) {
550             for (i = lag; i < SUBFRAME_LEN; i++)
551                 vector[i] += beta * vector[i - lag] >> 15;
552         }
553     }
554 }
555
556 /**
557  * Get delayed contribution from the previous excitation vector.
558  */
559 static void get_residual(int16_t *residual, int16_t *prev_excitation, int lag)
560 {
561     int offset = PITCH_MAX - PITCH_ORDER / 2 - lag;
562     int i;
563
564     residual[0] = prev_excitation[offset];
565     residual[1] = prev_excitation[offset + 1];
566
567     offset += 2;
568     for (i = 2; i < SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1; i++)
569         residual[i] = prev_excitation[offset + (i - 2) % lag];
570 }
571
572 static int dot_product(const int16_t *a, const int16_t *b, int length,
573                        int shift)
574 {
575     int i, sum = 0;
576
577     for (i = 0; i < length; i++) {
578         int64_t prod = av_clipl_int32(MUL64(a[i], b[i]) << shift);
579         sum = av_clipl_int32(sum + prod);
580     }
581     return sum;
582 }
583
584 /**
585  * Generate adaptive codebook excitation.
586  */
587 static void gen_acb_excitation(int16_t *vector, int16_t *prev_excitation,
588                                int pitch_lag, G723_1_Subframe subfrm,
589                                enum Rate cur_rate)
590 {
591     int16_t residual[SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1];
592     const int16_t *cb_ptr;
593     int lag = pitch_lag + subfrm.ad_cb_lag - 1;
594
595     int i;
596     int64_t sum;
597
598     get_residual(residual, prev_excitation, lag);
599
600     /* Select quantization table */
601     if (cur_rate == RATE_6300 && pitch_lag < SUBFRAME_LEN - 2)
602         cb_ptr = adaptive_cb_gain85;
603     else
604         cb_ptr = adaptive_cb_gain170;
605
606     /* Calculate adaptive vector */
607     cb_ptr += subfrm.ad_cb_gain * 20;
608     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
609         sum = dot_product(residual + i, cb_ptr, PITCH_ORDER, 1);
610         vector[i] = av_clipl_int32((sum << 1) + (1 << 15)) >> 16;
611     }
612 }
613
614 /**
615  * Estimate maximum auto-correlation around pitch lag.
616  *
617  * @param p         the context
618  * @param offset    offset of the excitation vector
619  * @param ccr_max   pointer to the maximum auto-correlation
620  * @param pitch_lag decoded pitch lag
621  * @param length    length of autocorrelation
622  * @param dir       forward lag(1) / backward lag(-1)
623  */
624 static int autocorr_max(G723_1_Context *p, int offset, int *ccr_max,
625                         int pitch_lag, int length, int dir)
626 {
627     int limit, ccr, lag = 0;
628     int16_t *buf = p->excitation + offset;
629     int i;
630
631     pitch_lag = FFMIN(PITCH_MAX - 3, pitch_lag);
632     limit     = FFMIN(FRAME_LEN + PITCH_MAX - offset - length, pitch_lag + 3);
633
634     for (i = pitch_lag - 3; i <= limit; i++) {
635         ccr = dot_product(buf, buf + dir * i, length, 1);
636
637         if (ccr > *ccr_max) {
638             *ccr_max = ccr;
639             lag = i;
640         }
641     }
642     return lag;
643 }
644
645 /**
646  * Calculate pitch postfilter optimal and scaling gains.
647  *
648  * @param lag      pitch postfilter forward/backward lag
649  * @param ppf      pitch postfilter parameters
650  * @param cur_rate current bitrate
651  * @param tgt_eng  target energy
652  * @param ccr      cross-correlation
653  * @param res_eng  residual energy
654  */
655 static void comp_ppf_gains(int lag, PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate,
656                            int tgt_eng, int ccr, int res_eng)
657 {
658     int pf_residual;     /* square of postfiltered residual */
659     int64_t temp1, temp2;
660
661     ppf->index = lag;
662
663     temp1 = tgt_eng * res_eng >> 1;
664     temp2 = ccr * ccr << 1;
665
666     if (temp2 > temp1) {
667         if (ccr >= res_eng) {
668             ppf->opt_gain = ppf_gain_weight[cur_rate];
669         } else {
670             ppf->opt_gain = (ccr << 15) / res_eng *
671                             ppf_gain_weight[cur_rate] >> 15;
672         }
673         /* pf_res^2 = tgt_eng + 2*ccr*gain + res_eng*gain^2 */
674         temp1       = (tgt_eng << 15) + (ccr * ppf->opt_gain << 1);
675         temp2       = (ppf->opt_gain * ppf->opt_gain >> 15) * res_eng;
676         pf_residual = av_clipl_int32(temp1 + temp2 + (1 << 15)) >> 16;
677
678         if (tgt_eng >= pf_residual << 1) {
679             temp1 = 0x7fff;
680         } else {
681             temp1 = (tgt_eng << 14) / pf_residual;
682         }
683
684         /* scaling_gain = sqrt(tgt_eng/pf_res^2) */
685         ppf->sc_gain = square_root(temp1 << 16);
686     } else {
687         ppf->opt_gain = 0;
688         ppf->sc_gain  = 0x7fff;
689     }
690
691     ppf->opt_gain = av_clip_int16(ppf->opt_gain * ppf->sc_gain >> 15);
692 }
693
694 /**
695  * Calculate pitch postfilter parameters.
696  *
697  * @param p         the context
698  * @param offset    offset of the excitation vector
699  * @param pitch_lag decoded pitch lag
700  * @param ppf       pitch postfilter parameters
701  * @param cur_rate  current bitrate
702  */
703 static void comp_ppf_coeff(G723_1_Context *p, int offset, int pitch_lag,
704                            PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate)
705 {
706
707     int16_t scale;
708     int i;
709     int64_t temp1, temp2;
710
711     /*
712      * 0 - target energy
713      * 1 - forward cross-correlation
714      * 2 - forward residual energy
715      * 3 - backward cross-correlation
716      * 4 - backward residual energy
717      */
718     int energy[5] = {0, 0, 0, 0, 0};
719     int16_t *buf  = p->excitation + offset;
720     int fwd_lag   = autocorr_max(p, offset, &energy[1], pitch_lag,
721                                  SUBFRAME_LEN, 1);
722     int back_lag  = autocorr_max(p, offset, &energy[3], pitch_lag,
723                                  SUBFRAME_LEN, -1);
724
725     ppf->index    = 0;
726     ppf->opt_gain = 0;
727     ppf->sc_gain  = 0x7fff;
728
729     /* Case 0, Section 3.6 */
730     if (!back_lag && !fwd_lag)
731         return;
732
733     /* Compute target energy */
734     energy[0] = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN, 1);
735
736     /* Compute forward residual energy */
737     if (fwd_lag)
738         energy[2] = dot_product(buf + fwd_lag, buf + fwd_lag,
739                                 SUBFRAME_LEN, 1);
740
741     /* Compute backward residual energy */
742     if (back_lag)
743         energy[4] = dot_product(buf - back_lag, buf - back_lag,
744                                 SUBFRAME_LEN, 1);
745
746     /* Normalize and shorten */
747     temp1 = 0;
748     for (i = 0; i < 5; i++)
749         temp1 = FFMAX(energy[i], temp1);
750
751     scale = normalize_bits(temp1, 31);
752     for (i = 0; i < 5; i++)
753         energy[i] = (energy[i] << scale) >> 16;
754
755     if (fwd_lag && !back_lag) {  /* Case 1 */
756         comp_ppf_gains(fwd_lag,  ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
757                        energy[2]);
758     } else if (!fwd_lag) {       /* Case 2 */
759         comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
760                        energy[4]);
761     } else {                     /* Case 3 */
762
763         /*
764          * Select the largest of energy[1]^2/energy[2]
765          * and energy[3]^2/energy[4]
766          */
767         temp1 = energy[4] * ((energy[1] * energy[1] + (1 << 14)) >> 15);
768         temp2 = energy[2] * ((energy[3] * energy[3] + (1 << 14)) >> 15);
769         if (temp1 >= temp2) {
770             comp_ppf_gains(fwd_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
771                            energy[2]);
772         } else {
773             comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
774                            energy[4]);
775         }
776     }
777 }
778
779 /**
780  * Classify frames as voiced/unvoiced.
781  *
782  * @param p         the context
783  * @param pitch_lag decoded pitch_lag
784  * @param exc_eng   excitation energy estimation
785  * @param scale     scaling factor of exc_eng
786  *
787  * @return residual interpolation index if voiced, 0 otherwise
788  */
789 static int comp_interp_index(G723_1_Context *p, int pitch_lag,
790                              int *exc_eng, int *scale)
791 {
792     int offset = PITCH_MAX + 2 * SUBFRAME_LEN;
793     int16_t *buf = p->excitation + offset;
794
795     int index, ccr, tgt_eng, best_eng, temp;
796
797     *scale = scale_vector(p->excitation, FRAME_LEN + PITCH_MAX);
798
799     /* Compute maximum backward cross-correlation */
800     ccr   = 0;
801     index = autocorr_max(p, offset, &ccr, pitch_lag, SUBFRAME_LEN * 2, -1);
802     ccr   = av_clipl_int32((int64_t)ccr + (1 << 15)) >> 16;
803
804     /* Compute target energy */
805     tgt_eng  = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN * 2, 1);
806     *exc_eng = av_clipl_int32((int64_t)tgt_eng + (1 << 15)) >> 16;
807
808     if (ccr <= 0)
809         return 0;
810
811     /* Compute best energy */
812     best_eng = dot_product(buf - index, buf - index,
813                            SUBFRAME_LEN * 2, 1);
814     best_eng = av_clipl_int32((int64_t)best_eng + (1 << 15)) >> 16;
815
816     temp = best_eng * *exc_eng >> 3;
817
818     if (temp < ccr * ccr)
819         return index;
820     else
821         return 0;
822 }
823
824 /**
825  * Peform residual interpolation based on frame classification.
826  *
827  * @param buf   decoded excitation vector
828  * @param out   output vector
829  * @param lag   decoded pitch lag
830  * @param gain  interpolated gain
831  * @param rseed seed for random number generator
832  */
833 static void residual_interp(int16_t *buf, int16_t *out, int lag,
834                             int gain, int *rseed)
835 {
836     int i;
837     if (lag) { /* Voiced */
838         int16_t *vector_ptr = buf + PITCH_MAX;
839         /* Attenuate */
840         for (i = 0; i < lag; i++)
841             vector_ptr[i - lag] = vector_ptr[i - lag] * 3 >> 2;
842         av_memcpy_backptr((uint8_t*)vector_ptr, lag * sizeof(*vector_ptr),
843                           FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
844         memcpy(out, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
845     } else {  /* Unvoiced */
846         for (i = 0; i < FRAME_LEN; i++) {
847             *rseed = *rseed * 521 + 259;
848             out[i] = gain * *rseed >> 15;
849         }
850         memset(buf, 0, (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(*buf));
851     }
852 }
853
854 /**
855  * Perform IIR filtering.
856  *
857  * @param fir_coef FIR coefficients
858  * @param iir_coef IIR coefficients
859  * @param src      source vector
860  * @param dest     destination vector
861  */
862 static inline void iir_filter(int16_t *fir_coef, int16_t *iir_coef,
863                               int16_t *src, int *dest)
864 {
865     int m, n;
866
867     for (m = 0; m < SUBFRAME_LEN; m++) {
868         int64_t filter = 0;
869         for (n = 1; n <= LPC_ORDER; n++) {
870             filter -= fir_coef[n - 1] * src[m - n] -
871                       iir_coef[n - 1] * (dest[m - n] >> 16);
872         }
873
874         dest[m] = av_clipl_int32((src[m] << 16) + (filter << 3) + (1 << 15));
875     }
876 }
877
878 /**
879  * Adjust gain of postfiltered signal.
880  *
881  * @param p      the context
882  * @param buf    postfiltered output vector
883  * @param energy input energy coefficient
884  */
885 static void gain_scale(G723_1_Context *p, int16_t * buf, int energy)
886 {
887     int num, denom, gain, bits1, bits2;
888     int i;
889
890     num   = energy;
891     denom = 0;
892     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
893         int64_t temp = buf[i] >> 2;
894         temp  = av_clipl_int32(MUL64(temp, temp) << 1);
895         denom = av_clipl_int32(denom + temp);
896     }
897
898     if (num && denom) {
899         bits1   = normalize_bits(num,   31);
900         bits2   = normalize_bits(denom, 31);
901         num     = num << bits1 >> 1;
902         denom <<= bits2;
903
904         bits2 = 5 + bits1 - bits2;
905         bits2 = FFMAX(0, bits2);
906
907         gain = (num >> 1) / (denom >> 16);
908         gain = square_root(gain << 16 >> bits2);
909     } else {
910         gain = 1 << 12;
911     }
912
913     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
914         p->pf_gain = ((p->pf_gain << 4) - p->pf_gain + gain + (1 << 3)) >> 4;
915         buf[i]     = av_clip_int16((buf[i] * (p->pf_gain + (p->pf_gain >> 4)) +
916                                    (1 << 10)) >> 11);
917     }
918 }
919
920 /**
921  * Perform formant filtering.
922  *
923  * @param p   the context
924  * @param lpc quantized lpc coefficients
925  * @param buf output buffer
926  */
927 static void formant_postfilter(G723_1_Context *p, int16_t *lpc, int16_t *buf)
928 {
929     int16_t filter_coef[2][LPC_ORDER], *buf_ptr;
930     int filter_signal[LPC_ORDER + FRAME_LEN], *signal_ptr;
931     int i, j, k;
932
933     memcpy(buf, p->fir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*buf));
934     memcpy(filter_signal, p->iir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*filter_signal));
935
936     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++) {
937         for (k = 0; k < LPC_ORDER; k++) {
938             filter_coef[0][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[0][k] +
939                                  (1 << 14)) >> 15;
940             filter_coef[1][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[1][k] +
941                                  (1 << 14)) >> 15;
942         }
943         iir_filter(filter_coef[0], filter_coef[1], buf + i,
944                    filter_signal + i);
945     }
946
947     memcpy(p->fir_mem, buf + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->fir_mem));
948     memcpy(p->iir_mem, filter_signal + FRAME_LEN,
949            LPC_ORDER * sizeof(*p->iir_mem));
950
951     buf_ptr    = buf + LPC_ORDER;
952     signal_ptr = filter_signal + LPC_ORDER;
953     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
954         int16_t temp_vector[SUBFRAME_LEN];
955         int16_t temp;
956         int auto_corr[2];
957         int scale, energy;
958
959         /* Normalize */
960         memcpy(temp_vector, buf_ptr, SUBFRAME_LEN * sizeof(*temp_vector));
961         scale = scale_vector(temp_vector, SUBFRAME_LEN);
962
963         /* Compute auto correlation coefficients */
964         auto_corr[0] = dot_product(temp_vector, temp_vector + 1,
965                                    SUBFRAME_LEN - 1, 1);
966         auto_corr[1] = dot_product(temp_vector, temp_vector, SUBFRAME_LEN, 1);
967
968         /* Compute reflection coefficient */
969         temp = auto_corr[1] >> 16;
970         if (temp) {
971             temp = (auto_corr[0] >> 2) / temp;
972         }
973         p->reflection_coef = ((p->reflection_coef << 2) - p->reflection_coef +
974                               temp + 2) >> 2;
975         temp = (p->reflection_coef * 0xffffc >> 3) & 0xfffc;
976
977         /* Compensation filter */
978         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
979             buf_ptr[j] = av_clipl_int32(signal_ptr[j] +
980                                         ((signal_ptr[j - 1] >> 16) *
981                                          temp << 1)) >> 16;
982         }
983
984         /* Compute normalized signal energy */
985         temp = 2 * scale + 4;
986         if (temp < 0) {
987             energy = av_clipl_int32((int64_t)auto_corr[1] << -temp);
988         } else
989             energy = auto_corr[1] >> temp;
990
991         gain_scale(p, buf_ptr, energy);
992
993         buf_ptr    += SUBFRAME_LEN;
994         signal_ptr += SUBFRAME_LEN;
995     }
996 }
997
998 static int g723_1_decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data,
999                                int *got_frame_ptr, AVPacket *avpkt)
1000 {
1001     G723_1_Context *p  = avctx->priv_data;
1002     const uint8_t *buf = avpkt->data;
1003     int buf_size       = avpkt->size;
1004     int dec_mode       = buf[0] & 3;
1005
1006     PPFParam ppf[SUBFRAMES];
1007     int16_t cur_lsp[LPC_ORDER];
1008     int16_t lpc[SUBFRAMES * LPC_ORDER];
1009     int16_t acb_vector[SUBFRAME_LEN];
1010     int16_t *vector_ptr;
1011     int bad_frame = 0, i, j, ret;
1012
1013     if (buf_size < frame_size[dec_mode]) {
1014         if (buf_size)
1015             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1016                    "Expected %d bytes, got %d - skipping packet\n",
1017                    frame_size[dec_mode], buf_size);
1018         *got_frame_ptr = 0;
1019         return buf_size;
1020     }
1021
1022     if (unpack_bitstream(p, buf, buf_size) < 0) {
1023         bad_frame = 1;
1024         if (p->past_frame_type == ACTIVE_FRAME)
1025             p->cur_frame_type = ACTIVE_FRAME;
1026         else
1027             p->cur_frame_type = UNTRANSMITTED_FRAME;
1028     }
1029
1030     p->frame.nb_samples = FRAME_LEN;
1031     if ((ret = avctx->get_buffer(avctx, &p->frame)) < 0) {
1032          av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "get_buffer() failed\n");
1033          return ret;
1034     }
1035
1036     if (p->cur_frame_type == ACTIVE_FRAME) {
1037         if (!bad_frame)
1038             p->erased_frames = 0;
1039         else if (p->erased_frames != 3)
1040             p->erased_frames++;
1041
1042         inverse_quant(cur_lsp, p->prev_lsp, p->lsp_index, bad_frame);
1043         lsp_interpolate(lpc, cur_lsp, p->prev_lsp);
1044
1045         /* Save the lsp_vector for the next frame */
1046         memcpy(p->prev_lsp, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*p->prev_lsp));
1047
1048         /* Generate the excitation for the frame */
1049         memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1050                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1051         vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1052         if (!p->erased_frames) {
1053             /* Update interpolation gain memory */
1054             p->interp_gain = fixed_cb_gain[(p->subframe[2].amp_index +
1055                                             p->subframe[3].amp_index) >> 1];
1056             for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
1057                 gen_fcb_excitation(vector_ptr, p->subframe[i], p->cur_rate,
1058                                    p->pitch_lag[i >> 1], i);
1059                 gen_acb_excitation(acb_vector, &p->excitation[SUBFRAME_LEN * i],
1060                                    p->pitch_lag[i >> 1], p->subframe[i],
1061                                    p->cur_rate);
1062                 /* Get the total excitation */
1063                 for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
1064                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] << 1);
1065                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] +
1066                                                   acb_vector[j]);
1067                 }
1068                 vector_ptr += SUBFRAME_LEN;
1069             }
1070
1071             vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1072
1073             /* Save the excitation */
1074             memcpy(p->audio, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(*p->audio));
1075
1076             p->interp_index = comp_interp_index(p, p->pitch_lag[1],
1077                                                 &p->sid_gain, &p->cur_gain);
1078
1079             if (p->postfilter) {
1080                 i = PITCH_MAX;
1081                 for (j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1082                     comp_ppf_coeff(p, i, p->pitch_lag[j >> 1],
1083                                    ppf + j, p->cur_rate);
1084             }
1085
1086             /* Restore the original excitation */
1087             memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1088                    PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1089             memcpy(vector_ptr, p->audio, FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
1090
1091             /* Peform pitch postfiltering */
1092             if (p->postfilter)
1093                 for (i = 0, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1094                     ff_acelp_weighted_vector_sum(p->audio + LPC_ORDER + i,
1095                                                  vector_ptr + i,
1096                                                  vector_ptr + i + ppf[j].index,
1097                                                  ppf[j].sc_gain,
1098                                                  ppf[j].opt_gain,
1099                                                  1 << 14, 15, SUBFRAME_LEN);
1100
1101         } else {
1102             p->interp_gain = (p->interp_gain * 3 + 2) >> 2;
1103             if (p->erased_frames == 3) {
1104                 /* Mute output */
1105                 memset(p->excitation, 0,
1106                        (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(*p->excitation));
1107                 memset(p->frame.data[0], 0,
1108                        (FRAME_LEN + LPC_ORDER) * sizeof(int16_t));
1109             } else {
1110                 /* Regenerate frame */
1111                 residual_interp(p->excitation, p->audio + LPC_ORDER, p->interp_index,
1112                                 p->interp_gain, &p->random_seed);
1113             }
1114         }
1115         /* Save the excitation for the next frame */
1116         memcpy(p->prev_excitation, p->excitation + FRAME_LEN,
1117                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1118     } else {
1119         memset(p->frame.data[0], 0, FRAME_LEN * 2);
1120         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1121                "G.723.1: Comfort noise generation not supported yet\n");
1122
1123         *got_frame_ptr   = 1;
1124         *(AVFrame *)data = p->frame;
1125         return frame_size[dec_mode];
1126     }
1127
1128     p->past_frame_type = p->cur_frame_type;
1129
1130     memcpy(p->audio, p->synth_mem, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1131     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1132         ff_celp_lp_synthesis_filter(p->audio + i, &lpc[j * LPC_ORDER],
1133                                     p->audio + i, SUBFRAME_LEN, LPC_ORDER,
1134                                     0, 1, 1 << 12);
1135     memcpy(p->synth_mem, p->audio + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1136
1137     if (p->postfilter)
1138         formant_postfilter(p, lpc, p->audio);
1139
1140     memcpy(p->frame.data[0], p->audio + LPC_ORDER, FRAME_LEN * 2);
1141
1142     *got_frame_ptr   = 1;
1143     *(AVFrame *)data = p->frame;
1144
1145     return frame_size[dec_mode];
1146 }
1147
1148 #define OFFSET(x) offsetof(G723_1_Context, x)
1149 #define AD     AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_DECODING_PARAM
1150
1151 static const AVOption options[] = {
1152     { "postfilter", "postfilter on/off", OFFSET(postfilter), AV_OPT_TYPE_INT,
1153       { 1 }, 0, 1, AD },
1154     { NULL }
1155 };
1156
1157
1158 static const AVClass g723_1dec_class = {
1159     .class_name = "G.723.1 decoder",
1160     .item_name  = av_default_item_name,
1161     .option     = options,
1162     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
1163 };
1164
1165 AVCodec ff_g723_1_decoder = {
1166     .name           = "g723_1",
1167     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1168     .id             = CODEC_ID_G723_1,
1169     .priv_data_size = sizeof(G723_1_Context),
1170     .init           = g723_1_decode_init,
1171     .decode         = g723_1_decode_frame,
1172     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.723.1"),
1173     .capabilities   = CODEC_CAP_SUBFRAMES,
1174     .priv_class     = &g723_1dec_class,
1175 };