e917f5a50cec8a93186aefd2a7d881ccf0955cf9
[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 + 4];
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) - 1;
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, max = 0;
286     int64_t scale;
287     int i;
288
289
290     for (i = 0; i < length; i++)
291         max = FFMAX(max, FFABS(vector[i]));
292
293     max   = FFMIN(max, 0x7FFF);
294     bits  = normalize_bits(max, 15);
295     scale = (bits == 15) ? 0x7FFF : (1 << bits);
296
297     for (i = 0; i < length; i++)
298         vector[i] = av_clipl_int32(vector[i] * scale << 1) >> 4;
299
300     return bits - 3;
301 }
302
303 /**
304  * Perform inverse quantization of LSP frequencies.
305  *
306  * @param cur_lsp    the current LSP vector
307  * @param prev_lsp   the previous LSP vector
308  * @param lsp_index  VQ indices
309  * @param bad_frame  bad frame flag
310  */
311 static void inverse_quant(int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp,
312                           uint8_t *lsp_index, int bad_frame)
313 {
314     int min_dist, pred;
315     int i, j, temp, stable;
316
317     /* Check for frame erasure */
318     if (!bad_frame) {
319         min_dist     = 0x100;
320         pred         = 12288;
321     } else {
322         min_dist     = 0x200;
323         pred         = 23552;
324         lsp_index[0] = lsp_index[1] = lsp_index[2] = 0;
325     }
326
327     /* Get the VQ table entry corresponding to the transmitted index */
328     cur_lsp[0] = lsp_band0[lsp_index[0]][0];
329     cur_lsp[1] = lsp_band0[lsp_index[0]][1];
330     cur_lsp[2] = lsp_band0[lsp_index[0]][2];
331     cur_lsp[3] = lsp_band1[lsp_index[1]][0];
332     cur_lsp[4] = lsp_band1[lsp_index[1]][1];
333     cur_lsp[5] = lsp_band1[lsp_index[1]][2];
334     cur_lsp[6] = lsp_band2[lsp_index[2]][0];
335     cur_lsp[7] = lsp_band2[lsp_index[2]][1];
336     cur_lsp[8] = lsp_band2[lsp_index[2]][2];
337     cur_lsp[9] = lsp_band2[lsp_index[2]][3];
338
339     /* Add predicted vector & DC component to the previously quantized vector */
340     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
341         temp        = ((prev_lsp[i] - dc_lsp[i]) * pred + (1 << 14)) >> 15;
342         cur_lsp[i] += dc_lsp[i] + temp;
343     }
344
345     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
346         cur_lsp[0]             = FFMAX(cur_lsp[0],  0x180);
347         cur_lsp[LPC_ORDER - 1] = FFMIN(cur_lsp[LPC_ORDER - 1], 0x7e00);
348
349         /* Stability check */
350         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
351             temp = min_dist + cur_lsp[j - 1] - cur_lsp[j];
352             if (temp > 0) {
353                 temp >>= 1;
354                 cur_lsp[j - 1] -= temp;
355                 cur_lsp[j]     += temp;
356             }
357         }
358         stable = 1;
359         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
360             temp = cur_lsp[j - 1] + min_dist - cur_lsp[j] - 4;
361             if (temp > 0) {
362                 stable = 0;
363                 break;
364             }
365         }
366         if (stable)
367             break;
368     }
369     if (!stable)
370         memcpy(cur_lsp, prev_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*cur_lsp));
371 }
372
373 /**
374  * Bitexact implementation of 2ab scaled by 1/2^16.
375  *
376  * @param a 32 bit multiplicand
377  * @param b 16 bit multiplier
378  */
379 #define MULL2(a, b) \
380         ((((a) >> 16) * (b) << 1) + (((a) & 0xffff) * (b) >> 15))
381
382 /**
383  * Convert LSP frequencies to LPC coefficients.
384  *
385  * @param lpc buffer for LPC coefficients
386  */
387 static void lsp2lpc(int16_t *lpc)
388 {
389     int f1[LPC_ORDER / 2 + 1];
390     int f2[LPC_ORDER / 2 + 1];
391     int i, j;
392
393     /* Calculate negative cosine */
394     for (j = 0; j < LPC_ORDER; j++) {
395         int index     = lpc[j] >> 7;
396         int offset    = lpc[j] & 0x7f;
397         int64_t temp1 = cos_tab[index] << 16;
398         int temp2     = (cos_tab[index + 1] - cos_tab[index]) *
399                           ((offset << 8) + 0x80) << 1;
400
401         lpc[j] = -(av_clipl_int32(((temp1 + temp2) << 1) + (1 << 15)) >> 16);
402     }
403
404     /*
405      * Compute sum and difference polynomial coefficients
406      * (bitexact alternative to lsp2poly() in lsp.c)
407      */
408     /* Initialize with values in Q28 */
409     f1[0] = 1 << 28;
410     f1[1] = (lpc[0] << 14) + (lpc[2] << 14);
411     f1[2] = lpc[0] * lpc[2] + (2 << 28);
412
413     f2[0] = 1 << 28;
414     f2[1] = (lpc[1] << 14) + (lpc[3] << 14);
415     f2[2] = lpc[1] * lpc[3] + (2 << 28);
416
417     /*
418      * Calculate and scale the coefficients by 1/2 in
419      * each iteration for a final scaling factor of Q25
420      */
421     for (i = 2; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
422         f1[i + 1] = f1[i - 1] + MULL2(f1[i], lpc[2 * i]);
423         f2[i + 1] = f2[i - 1] + MULL2(f2[i], lpc[2 * i + 1]);
424
425         for (j = i; j >= 2; j--) {
426             f1[j] = MULL2(f1[j - 1], lpc[2 * i]) +
427                     (f1[j] >> 1) + (f1[j - 2] >> 1);
428             f2[j] = MULL2(f2[j - 1], lpc[2 * i + 1]) +
429                     (f2[j] >> 1) + (f2[j - 2] >> 1);
430         }
431
432         f1[0] >>= 1;
433         f2[0] >>= 1;
434         f1[1] = ((lpc[2 * i]     << 16 >> i) + f1[1]) >> 1;
435         f2[1] = ((lpc[2 * i + 1] << 16 >> i) + f2[1]) >> 1;
436     }
437
438     /* Convert polynomial coefficients to LPC coefficients */
439     for (i = 0; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
440         int64_t ff1 = f1[i + 1] + f1[i];
441         int64_t ff2 = f2[i + 1] - f2[i];
442
443         lpc[i] = av_clipl_int32(((ff1 + ff2) << 3) + (1 << 15)) >> 16;
444         lpc[LPC_ORDER - i - 1] = av_clipl_int32(((ff1 - ff2) << 3) +
445                                                 (1 << 15)) >> 16;
446     }
447 }
448
449 /**
450  * Quantize LSP frequencies by interpolation and convert them to
451  * the corresponding LPC coefficients.
452  *
453  * @param lpc      buffer for LPC coefficients
454  * @param cur_lsp  the current LSP vector
455  * @param prev_lsp the previous LSP vector
456  */
457 static void lsp_interpolate(int16_t *lpc, int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp)
458 {
459     int i;
460     int16_t *lpc_ptr = lpc;
461
462     /* cur_lsp * 0.25 + prev_lsp * 0.75 */
463     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc, cur_lsp, prev_lsp,
464                                  4096, 12288, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
465     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
466                                  8192, 8192, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
467     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + 2 * LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
468                                  12288, 4096, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
469     memcpy(lpc + 3 * LPC_ORDER, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*lpc));
470
471     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
472         lsp2lpc(lpc_ptr);
473         lpc_ptr += LPC_ORDER;
474     }
475 }
476
477 /**
478  * Generate a train of dirac functions with period as pitch lag.
479  */
480 static void gen_dirac_train(int16_t *buf, int pitch_lag)
481 {
482     int16_t vector[SUBFRAME_LEN];
483     int i, j;
484
485     memcpy(vector, buf, SUBFRAME_LEN * sizeof(*vector));
486     for (i = pitch_lag; i < SUBFRAME_LEN; i += pitch_lag) {
487         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN - i; j++)
488             buf[i + j] += vector[j];
489     }
490 }
491
492 /**
493  * Generate fixed codebook excitation vector.
494  *
495  * @param vector    decoded excitation vector
496  * @param subfrm    current subframe
497  * @param cur_rate  current bitrate
498  * @param pitch_lag closed loop pitch lag
499  * @param index     current subframe index
500  */
501 static void gen_fcb_excitation(int16_t *vector, G723_1_Subframe subfrm,
502                                enum Rate cur_rate, int pitch_lag, int index)
503 {
504     int temp, i, j;
505
506     memset(vector, 0, SUBFRAME_LEN * sizeof(*vector));
507
508     if (cur_rate == RATE_6300) {
509         if (subfrm.pulse_pos >= max_pos[index])
510             return;
511
512         /* Decode amplitudes and positions */
513         j = PULSE_MAX - pulses[index];
514         temp = subfrm.pulse_pos;
515         for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN / GRID_SIZE; i++) {
516             temp -= combinatorial_table[j][i];
517             if (temp >= 0)
518                 continue;
519             temp += combinatorial_table[j++][i];
520             if (subfrm.pulse_sign & (1 << (PULSE_MAX - j))) {
521                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
522                                         -fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
523             } else {
524                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
525                                          fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
526             }
527             if (j == PULSE_MAX)
528                 break;
529         }
530         if (subfrm.dirac_train == 1)
531             gen_dirac_train(vector, pitch_lag);
532     } else { /* 5300 bps */
533         int cb_gain  = fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
534         int cb_shift = subfrm.grid_index;
535         int cb_sign  = subfrm.pulse_sign;
536         int cb_pos   = subfrm.pulse_pos;
537         int offset, beta, lag;
538
539         for (i = 0; i < 8; i += 2) {
540             offset         = ((cb_pos & 7) << 3) + cb_shift + i;
541             vector[offset] = (cb_sign & 1) ? cb_gain : -cb_gain;
542             cb_pos  >>= 3;
543             cb_sign >>= 1;
544         }
545
546         /* Enhance harmonic components */
547         lag  = pitch_contrib[subfrm.ad_cb_gain << 1] + pitch_lag +
548                subfrm.ad_cb_lag - 1;
549         beta = pitch_contrib[(subfrm.ad_cb_gain << 1) + 1];
550
551         if (lag < SUBFRAME_LEN - 2) {
552             for (i = lag; i < SUBFRAME_LEN; i++)
553                 vector[i] += beta * vector[i - lag] >> 15;
554         }
555     }
556 }
557
558 /**
559  * Get delayed contribution from the previous excitation vector.
560  */
561 static void get_residual(int16_t *residual, int16_t *prev_excitation, int lag)
562 {
563     int offset = PITCH_MAX - PITCH_ORDER / 2 - lag;
564     int i;
565
566     residual[0] = prev_excitation[offset];
567     residual[1] = prev_excitation[offset + 1];
568
569     offset += 2;
570     for (i = 2; i < SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1; i++)
571         residual[i] = prev_excitation[offset + (i - 2) % lag];
572 }
573
574 static int dot_product(const int16_t *a, const int16_t *b, int length,
575                        int shift)
576 {
577     int i, sum = 0;
578
579     for (i = 0; i < length; i++) {
580         int64_t prod = av_clipl_int32(MUL64(a[i], b[i]) << shift);
581         sum = av_clipl_int32(sum + prod);
582     }
583     return sum;
584 }
585
586 /**
587  * Generate adaptive codebook excitation.
588  */
589 static void gen_acb_excitation(int16_t *vector, int16_t *prev_excitation,
590                                int pitch_lag, G723_1_Subframe subfrm,
591                                enum Rate cur_rate)
592 {
593     int16_t residual[SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1];
594     const int16_t *cb_ptr;
595     int lag = pitch_lag + subfrm.ad_cb_lag - 1;
596
597     int i;
598     int64_t sum;
599
600     get_residual(residual, prev_excitation, lag);
601
602     /* Select quantization table */
603     if (cur_rate == RATE_6300 && pitch_lag < SUBFRAME_LEN - 2)
604         cb_ptr = adaptive_cb_gain85;
605     else
606         cb_ptr = adaptive_cb_gain170;
607
608     /* Calculate adaptive vector */
609     cb_ptr += subfrm.ad_cb_gain * 20;
610     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
611         sum = dot_product(residual + i, cb_ptr, PITCH_ORDER, 1);
612         vector[i] = av_clipl_int32((sum << 1) + (1 << 15)) >> 16;
613     }
614 }
615
616 /**
617  * Estimate maximum auto-correlation around pitch lag.
618  *
619  * @param p         the context
620  * @param offset    offset of the excitation vector
621  * @param ccr_max   pointer to the maximum auto-correlation
622  * @param pitch_lag decoded pitch lag
623  * @param length    length of autocorrelation
624  * @param dir       forward lag(1) / backward lag(-1)
625  */
626 static int autocorr_max(G723_1_Context *p, int offset, int *ccr_max,
627                         int pitch_lag, int length, int dir)
628 {
629     int limit, ccr, lag = 0;
630     int16_t *buf = p->excitation + offset;
631     int i;
632
633     pitch_lag = FFMIN(PITCH_MAX - 3, pitch_lag);
634     if (dir > 0)
635         limit = FFMIN(FRAME_LEN + PITCH_MAX - offset - length, pitch_lag + 3);
636     else
637         limit = pitch_lag + 3;
638
639     for (i = pitch_lag - 3; i <= limit; i++) {
640         ccr = dot_product(buf, buf + dir * i, length, 1);
641
642         if (ccr > *ccr_max) {
643             *ccr_max = ccr;
644             lag = i;
645         }
646     }
647     return lag;
648 }
649
650 /**
651  * Calculate pitch postfilter optimal and scaling gains.
652  *
653  * @param lag      pitch postfilter forward/backward lag
654  * @param ppf      pitch postfilter parameters
655  * @param cur_rate current bitrate
656  * @param tgt_eng  target energy
657  * @param ccr      cross-correlation
658  * @param res_eng  residual energy
659  */
660 static void comp_ppf_gains(int lag, PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate,
661                            int tgt_eng, int ccr, int res_eng)
662 {
663     int pf_residual;     /* square of postfiltered residual */
664     int64_t temp1, temp2;
665
666     ppf->index = lag;
667
668     temp1 = tgt_eng * res_eng >> 1;
669     temp2 = ccr * ccr << 1;
670
671     if (temp2 > temp1) {
672         if (ccr >= res_eng) {
673             ppf->opt_gain = ppf_gain_weight[cur_rate];
674         } else {
675             ppf->opt_gain = (ccr << 15) / res_eng *
676                             ppf_gain_weight[cur_rate] >> 15;
677         }
678         /* pf_res^2 = tgt_eng + 2*ccr*gain + res_eng*gain^2 */
679         temp1       = (tgt_eng << 15) + (ccr * ppf->opt_gain << 1);
680         temp2       = (ppf->opt_gain * ppf->opt_gain >> 15) * res_eng;
681         pf_residual = av_clipl_int32(temp1 + temp2 + (1 << 15)) >> 16;
682
683         if (tgt_eng >= pf_residual << 1) {
684             temp1 = 0x7fff;
685         } else {
686             temp1 = (tgt_eng << 14) / pf_residual;
687         }
688
689         /* scaling_gain = sqrt(tgt_eng/pf_res^2) */
690         ppf->sc_gain = square_root(temp1 << 16);
691     } else {
692         ppf->opt_gain = 0;
693         ppf->sc_gain  = 0x7fff;
694     }
695
696     ppf->opt_gain = av_clip_int16(ppf->opt_gain * ppf->sc_gain >> 15);
697 }
698
699 /**
700  * Calculate pitch postfilter parameters.
701  *
702  * @param p         the context
703  * @param offset    offset of the excitation vector
704  * @param pitch_lag decoded pitch lag
705  * @param ppf       pitch postfilter parameters
706  * @param cur_rate  current bitrate
707  */
708 static void comp_ppf_coeff(G723_1_Context *p, int offset, int pitch_lag,
709                            PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate)
710 {
711
712     int16_t scale;
713     int i;
714     int64_t temp1, temp2;
715
716     /*
717      * 0 - target energy
718      * 1 - forward cross-correlation
719      * 2 - forward residual energy
720      * 3 - backward cross-correlation
721      * 4 - backward residual energy
722      */
723     int energy[5] = {0, 0, 0, 0, 0};
724     int16_t *buf  = p->excitation + offset;
725     int fwd_lag   = autocorr_max(p, offset, &energy[1], pitch_lag,
726                                  SUBFRAME_LEN, 1);
727     int back_lag  = autocorr_max(p, offset, &energy[3], pitch_lag,
728                                  SUBFRAME_LEN, -1);
729
730     ppf->index    = 0;
731     ppf->opt_gain = 0;
732     ppf->sc_gain  = 0x7fff;
733
734     /* Case 0, Section 3.6 */
735     if (!back_lag && !fwd_lag)
736         return;
737
738     /* Compute target energy */
739     energy[0] = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN, 1);
740
741     /* Compute forward residual energy */
742     if (fwd_lag)
743         energy[2] = dot_product(buf + fwd_lag, buf + fwd_lag,
744                                 SUBFRAME_LEN, 1);
745
746     /* Compute backward residual energy */
747     if (back_lag)
748         energy[4] = dot_product(buf - back_lag, buf - back_lag,
749                                 SUBFRAME_LEN, 1);
750
751     /* Normalize and shorten */
752     temp1 = 0;
753     for (i = 0; i < 5; i++)
754         temp1 = FFMAX(energy[i], temp1);
755
756     scale = normalize_bits(temp1, 31);
757     for (i = 0; i < 5; i++)
758         energy[i] = (energy[i] << scale) >> 16;
759
760     if (fwd_lag && !back_lag) {  /* Case 1 */
761         comp_ppf_gains(fwd_lag,  ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
762                        energy[2]);
763     } else if (!fwd_lag) {       /* Case 2 */
764         comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
765                        energy[4]);
766     } else {                     /* Case 3 */
767
768         /*
769          * Select the largest of energy[1]^2/energy[2]
770          * and energy[3]^2/energy[4]
771          */
772         temp1 = energy[4] * ((energy[1] * energy[1] + (1 << 14)) >> 15);
773         temp2 = energy[2] * ((energy[3] * energy[3] + (1 << 14)) >> 15);
774         if (temp1 >= temp2) {
775             comp_ppf_gains(fwd_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
776                            energy[2]);
777         } else {
778             comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
779                            energy[4]);
780         }
781     }
782 }
783
784 /**
785  * Classify frames as voiced/unvoiced.
786  *
787  * @param p         the context
788  * @param pitch_lag decoded pitch_lag
789  * @param exc_eng   excitation energy estimation
790  * @param scale     scaling factor of exc_eng
791  *
792  * @return residual interpolation index if voiced, 0 otherwise
793  */
794 static int comp_interp_index(G723_1_Context *p, int pitch_lag,
795                              int *exc_eng, int *scale)
796 {
797     int offset = PITCH_MAX + 2 * SUBFRAME_LEN;
798     int16_t *buf = p->excitation + offset;
799
800     int index, ccr, tgt_eng, best_eng, temp;
801
802     *scale = scale_vector(p->excitation, FRAME_LEN + PITCH_MAX);
803
804     /* Compute maximum backward cross-correlation */
805     ccr   = 0;
806     index = autocorr_max(p, offset, &ccr, pitch_lag, SUBFRAME_LEN * 2, -1);
807     ccr   = av_clipl_int32((int64_t)ccr + (1 << 15)) >> 16;
808
809     /* Compute target energy */
810     tgt_eng  = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN * 2, 1);
811     *exc_eng = av_clipl_int32((int64_t)tgt_eng + (1 << 15)) >> 16;
812
813     if (ccr <= 0)
814         return 0;
815
816     /* Compute best energy */
817     best_eng = dot_product(buf - index, buf - index,
818                            SUBFRAME_LEN * 2, 1);
819     best_eng = av_clipl_int32((int64_t)best_eng + (1 << 15)) >> 16;
820
821     temp = best_eng * *exc_eng >> 3;
822
823     if (temp < ccr * ccr)
824         return index;
825     else
826         return 0;
827 }
828
829 /**
830  * Peform residual interpolation based on frame classification.
831  *
832  * @param buf   decoded excitation vector
833  * @param out   output vector
834  * @param lag   decoded pitch lag
835  * @param gain  interpolated gain
836  * @param rseed seed for random number generator
837  */
838 static void residual_interp(int16_t *buf, int16_t *out, int lag,
839                             int gain, int *rseed)
840 {
841     int i;
842     if (lag) { /* Voiced */
843         int16_t *vector_ptr = buf + PITCH_MAX;
844         /* Attenuate */
845         for (i = 0; i < lag; i++)
846             vector_ptr[i - lag] = vector_ptr[i - lag] * 3 >> 2;
847         av_memcpy_backptr((uint8_t*)vector_ptr, lag * sizeof(*vector_ptr),
848                           FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
849         memcpy(out, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
850     } else {  /* Unvoiced */
851         for (i = 0; i < FRAME_LEN; i++) {
852             *rseed = *rseed * 521 + 259;
853             out[i] = gain * *rseed >> 15;
854         }
855         memset(buf, 0, (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(*buf));
856     }
857 }
858
859 /**
860  * Perform IIR filtering.
861  *
862  * @param fir_coef FIR coefficients
863  * @param iir_coef IIR coefficients
864  * @param src      source vector
865  * @param dest     destination vector
866  */
867 static inline void iir_filter(int16_t *fir_coef, int16_t *iir_coef,
868                               int16_t *src, int *dest)
869 {
870     int m, n;
871
872     for (m = 0; m < SUBFRAME_LEN; m++) {
873         int64_t filter = 0;
874         for (n = 1; n <= LPC_ORDER; n++) {
875             filter -= fir_coef[n - 1] * src[m - n] -
876                       iir_coef[n - 1] * (dest[m - n] >> 16);
877         }
878
879         dest[m] = av_clipl_int32((src[m] << 16) + (filter << 3) + (1 << 15));
880     }
881 }
882
883 /**
884  * Adjust gain of postfiltered signal.
885  *
886  * @param p      the context
887  * @param buf    postfiltered output vector
888  * @param energy input energy coefficient
889  */
890 static void gain_scale(G723_1_Context *p, int16_t * buf, int energy)
891 {
892     int num, denom, gain, bits1, bits2;
893     int i;
894
895     num   = energy;
896     denom = 0;
897     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
898         int64_t temp = buf[i] >> 2;
899         temp  = av_clipl_int32(MUL64(temp, temp) << 1);
900         denom = av_clipl_int32(denom + temp);
901     }
902
903     if (num && denom) {
904         bits1   = normalize_bits(num,   31);
905         bits2   = normalize_bits(denom, 31);
906         num     = num << bits1 >> 1;
907         denom <<= bits2;
908
909         bits2 = 5 + bits1 - bits2;
910         bits2 = FFMAX(0, bits2);
911
912         gain = (num >> 1) / (denom >> 16);
913         gain = square_root(gain << 16 >> bits2);
914     } else {
915         gain = 1 << 12;
916     }
917
918     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
919         p->pf_gain = ((p->pf_gain << 4) - p->pf_gain + gain + (1 << 3)) >> 4;
920         buf[i]     = av_clip_int16((buf[i] * (p->pf_gain + (p->pf_gain >> 4)) +
921                                    (1 << 10)) >> 11);
922     }
923 }
924
925 /**
926  * Perform formant filtering.
927  *
928  * @param p   the context
929  * @param lpc quantized lpc coefficients
930  * @param buf output buffer
931  */
932 static void formant_postfilter(G723_1_Context *p, int16_t *lpc, int16_t *buf)
933 {
934     int16_t filter_coef[2][LPC_ORDER], *buf_ptr;
935     int filter_signal[LPC_ORDER + FRAME_LEN], *signal_ptr;
936     int i, j, k;
937
938     memcpy(buf, p->fir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*buf));
939     memcpy(filter_signal, p->iir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*filter_signal));
940
941     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++) {
942         for (k = 0; k < LPC_ORDER; k++) {
943             filter_coef[0][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[0][k] +
944                                  (1 << 14)) >> 15;
945             filter_coef[1][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[1][k] +
946                                  (1 << 14)) >> 15;
947         }
948         iir_filter(filter_coef[0], filter_coef[1], buf + i,
949                    filter_signal + i);
950         lpc += LPC_ORDER;
951     }
952
953     memcpy(p->fir_mem, buf + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->fir_mem));
954     memcpy(p->iir_mem, filter_signal + FRAME_LEN,
955            LPC_ORDER * sizeof(*p->iir_mem));
956
957     buf_ptr    = buf + LPC_ORDER;
958     signal_ptr = filter_signal + LPC_ORDER;
959     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
960         int16_t temp_vector[SUBFRAME_LEN];
961         int16_t temp;
962         int auto_corr[2];
963         int scale, energy;
964
965         /* Normalize */
966         memcpy(temp_vector, buf_ptr, SUBFRAME_LEN * sizeof(*temp_vector));
967         scale = scale_vector(temp_vector, SUBFRAME_LEN);
968
969         /* Compute auto correlation coefficients */
970         auto_corr[0] = dot_product(temp_vector, temp_vector + 1,
971                                    SUBFRAME_LEN - 1, 1);
972         auto_corr[1] = dot_product(temp_vector, temp_vector, SUBFRAME_LEN, 1);
973
974         /* Compute reflection coefficient */
975         temp = auto_corr[1] >> 16;
976         if (temp) {
977             temp = (auto_corr[0] >> 2) / temp;
978         }
979         p->reflection_coef = ((p->reflection_coef << 2) - p->reflection_coef +
980                               temp + 2) >> 2;
981         temp = (p->reflection_coef * 0xffffc >> 3) & 0xfffc;
982
983         /* Compensation filter */
984         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
985             buf_ptr[j] = av_clipl_int32(signal_ptr[j] +
986                                         ((signal_ptr[j - 1] >> 16) *
987                                          temp << 1)) >> 16;
988         }
989
990         /* Compute normalized signal energy */
991         temp = 2 * scale + 4;
992         if (temp < 0) {
993             energy = av_clipl_int32((int64_t)auto_corr[1] << -temp);
994         } else
995             energy = auto_corr[1] >> temp;
996
997         gain_scale(p, buf_ptr, energy);
998
999         buf_ptr    += SUBFRAME_LEN;
1000         signal_ptr += SUBFRAME_LEN;
1001     }
1002 }
1003
1004 static int g723_1_decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data,
1005                                int *got_frame_ptr, AVPacket *avpkt)
1006 {
1007     G723_1_Context *p  = avctx->priv_data;
1008     const uint8_t *buf = avpkt->data;
1009     int buf_size       = avpkt->size;
1010     int dec_mode       = buf[0] & 3;
1011
1012     PPFParam ppf[SUBFRAMES];
1013     int16_t cur_lsp[LPC_ORDER];
1014     int16_t lpc[SUBFRAMES * LPC_ORDER];
1015     int16_t acb_vector[SUBFRAME_LEN];
1016     int16_t *vector_ptr;
1017     int16_t *out;
1018     int bad_frame = 0, i, j, ret;
1019
1020     if (buf_size < frame_size[dec_mode]) {
1021         if (buf_size)
1022             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1023                    "Expected %d bytes, got %d - skipping packet\n",
1024                    frame_size[dec_mode], buf_size);
1025         *got_frame_ptr = 0;
1026         return buf_size;
1027     }
1028
1029     if (unpack_bitstream(p, buf, buf_size) < 0) {
1030         bad_frame = 1;
1031         if (p->past_frame_type == ACTIVE_FRAME)
1032             p->cur_frame_type = ACTIVE_FRAME;
1033         else
1034             p->cur_frame_type = UNTRANSMITTED_FRAME;
1035     }
1036
1037     p->frame.nb_samples = FRAME_LEN;
1038     if ((ret = avctx->get_buffer(avctx, &p->frame)) < 0) {
1039          av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "get_buffer() failed\n");
1040          return ret;
1041     }
1042
1043     out = (int16_t *)p->frame.data[0];
1044
1045     if (p->cur_frame_type == ACTIVE_FRAME) {
1046         if (!bad_frame)
1047             p->erased_frames = 0;
1048         else if (p->erased_frames != 3)
1049             p->erased_frames++;
1050
1051         inverse_quant(cur_lsp, p->prev_lsp, p->lsp_index, bad_frame);
1052         lsp_interpolate(lpc, cur_lsp, p->prev_lsp);
1053
1054         /* Save the lsp_vector for the next frame */
1055         memcpy(p->prev_lsp, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*p->prev_lsp));
1056
1057         /* Generate the excitation for the frame */
1058         memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1059                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1060         vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1061         if (!p->erased_frames) {
1062             /* Update interpolation gain memory */
1063             p->interp_gain = fixed_cb_gain[(p->subframe[2].amp_index +
1064                                             p->subframe[3].amp_index) >> 1];
1065             for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
1066                 gen_fcb_excitation(vector_ptr, p->subframe[i], p->cur_rate,
1067                                    p->pitch_lag[i >> 1], i);
1068                 gen_acb_excitation(acb_vector, &p->excitation[SUBFRAME_LEN * i],
1069                                    p->pitch_lag[i >> 1], p->subframe[i],
1070                                    p->cur_rate);
1071                 /* Get the total excitation */
1072                 for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
1073                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] << 1);
1074                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] +
1075                                                   acb_vector[j]);
1076                 }
1077                 vector_ptr += SUBFRAME_LEN;
1078             }
1079
1080             vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1081
1082             /* Save the excitation */
1083             memcpy(p->audio + LPC_ORDER, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(*p->audio));
1084
1085             p->interp_index = comp_interp_index(p, p->pitch_lag[1],
1086                                                 &p->sid_gain, &p->cur_gain);
1087
1088             if (p->postfilter) {
1089                 i = PITCH_MAX;
1090                 for (j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1091                     comp_ppf_coeff(p, i, p->pitch_lag[j >> 1],
1092                                    ppf + j, p->cur_rate);
1093             }
1094
1095             /* Restore the original excitation */
1096             memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1097                    PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1098             memcpy(vector_ptr, p->audio + LPC_ORDER, FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
1099
1100             /* Peform pitch postfiltering */
1101             if (p->postfilter)
1102                 for (i = 0, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1103                     ff_acelp_weighted_vector_sum(p->audio + LPC_ORDER + i,
1104                                                  vector_ptr + i,
1105                                                  vector_ptr + i + ppf[j].index,
1106                                                  ppf[j].sc_gain,
1107                                                  ppf[j].opt_gain,
1108                                                  1 << 14, 15, SUBFRAME_LEN);
1109
1110         } else {
1111             p->interp_gain = (p->interp_gain * 3 + 2) >> 2;
1112             if (p->erased_frames == 3) {
1113                 /* Mute output */
1114                 memset(p->excitation, 0,
1115                        (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(*p->excitation));
1116                 memset(p->frame.data[0], 0,
1117                        (FRAME_LEN + LPC_ORDER) * sizeof(int16_t));
1118             } else {
1119                 /* Regenerate frame */
1120                 residual_interp(p->excitation, p->audio + LPC_ORDER, p->interp_index,
1121                                 p->interp_gain, &p->random_seed);
1122             }
1123         }
1124         /* Save the excitation for the next frame */
1125         memcpy(p->prev_excitation, p->excitation + FRAME_LEN,
1126                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1127     } else {
1128         memset(out, 0, FRAME_LEN * 2);
1129         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1130                "G.723.1: Comfort noise generation not supported yet\n");
1131
1132         *got_frame_ptr   = 1;
1133         *(AVFrame *)data = p->frame;
1134         return frame_size[dec_mode];
1135     }
1136
1137     p->past_frame_type = p->cur_frame_type;
1138
1139     memcpy(p->audio, p->synth_mem, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1140     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1141         ff_celp_lp_synthesis_filter(p->audio + i, &lpc[j * LPC_ORDER],
1142                                     p->audio + i, SUBFRAME_LEN, LPC_ORDER,
1143                                     0, 1, 1 << 12);
1144     memcpy(p->synth_mem, p->audio + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1145
1146     if (p->postfilter) {
1147         formant_postfilter(p, lpc, p->audio);
1148         memcpy(p->frame.data[0], p->audio + LPC_ORDER, FRAME_LEN * 2);
1149     } else { // if output is not postfiltered it should be scaled by 2
1150         for (i = 0; i < FRAME_LEN; i++)
1151             out[i] = av_clip_int16(p->audio[LPC_ORDER + i] << 1);
1152     }
1153
1154     *got_frame_ptr   = 1;
1155     *(AVFrame *)data = p->frame;
1156
1157     return frame_size[dec_mode];
1158 }
1159
1160 #define OFFSET(x) offsetof(G723_1_Context, x)
1161 #define AD     AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_DECODING_PARAM
1162
1163 static const AVOption options[] = {
1164     { "postfilter", "postfilter on/off", OFFSET(postfilter), AV_OPT_TYPE_INT,
1165       { 1 }, 0, 1, AD },
1166     { NULL }
1167 };
1168
1169
1170 static const AVClass g723_1dec_class = {
1171     .class_name = "G.723.1 decoder",
1172     .item_name  = av_default_item_name,
1173     .option     = options,
1174     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
1175 };
1176
1177 AVCodec ff_g723_1_decoder = {
1178     .name           = "g723_1",
1179     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1180     .id             = AV_CODEC_ID_G723_1,
1181     .priv_data_size = sizeof(G723_1_Context),
1182     .init           = g723_1_decode_init,
1183     .decode         = g723_1_decode_frame,
1184     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.723.1"),
1185     .capabilities   = CODEC_CAP_SUBFRAMES,
1186     .priv_class     = &g723_1dec_class,
1187 };