g723.1: make postfilter write directly to output buffer
[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 "g723_1_data.h"
37
38 /**
39  * G723.1 frame types
40  */
41 enum FrameType {
42     ACTIVE_FRAME,        ///< Active speech
43     SID_FRAME,           ///< Silence Insertion Descriptor frame
44     UNTRANSMITTED_FRAME
45 };
46
47 enum Rate {
48     RATE_6300,
49     RATE_5300
50 };
51
52 /**
53  * G723.1 unpacked data subframe
54  */
55 typedef struct {
56     int ad_cb_lag;     ///< adaptive codebook lag
57     int ad_cb_gain;
58     int dirac_train;
59     int pulse_sign;
60     int grid_index;
61     int amp_index;
62     int pulse_pos;
63 } G723_1_Subframe;
64
65 /**
66  * Pitch postfilter parameters
67  */
68 typedef struct {
69     int     index;    ///< postfilter backward/forward lag
70     int16_t opt_gain; ///< optimal gain
71     int16_t sc_gain;  ///< scaling gain
72 } PPFParam;
73
74 typedef struct g723_1_context {
75     AVClass *class;
76     AVFrame frame;
77
78     G723_1_Subframe subframe[4];
79     enum FrameType cur_frame_type;
80     enum FrameType past_frame_type;
81     enum Rate cur_rate;
82     uint8_t lsp_index[LSP_BANDS];
83     int pitch_lag[2];
84     int erased_frames;
85
86     int16_t prev_lsp[LPC_ORDER];
87     int16_t prev_excitation[PITCH_MAX];
88     int16_t excitation[PITCH_MAX + FRAME_LEN + 4];
89     int16_t synth_mem[LPC_ORDER];
90     int16_t fir_mem[LPC_ORDER];
91     int     iir_mem[LPC_ORDER];
92
93     int random_seed;
94     int interp_index;
95     int interp_gain;
96     int sid_gain;
97     int cur_gain;
98     int reflection_coef;
99     int pf_gain;
100     int postfilter;
101
102     int16_t audio[FRAME_LEN + LPC_ORDER];
103 } G723_1_Context;
104
105 static av_cold int g723_1_decode_init(AVCodecContext *avctx)
106 {
107     G723_1_Context *p = avctx->priv_data;
108
109     avctx->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_MONO;
110     avctx->sample_fmt     = AV_SAMPLE_FMT_S16;
111     avctx->channels       = 1;
112     avctx->sample_rate    = 8000;
113     p->pf_gain            = 1 << 12;
114
115     avcodec_get_frame_defaults(&p->frame);
116     avctx->coded_frame    = &p->frame;
117
118     memcpy(p->prev_lsp, dc_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*p->prev_lsp));
119
120     return 0;
121 }
122
123 /**
124  * Unpack the frame into parameters.
125  *
126  * @param p           the context
127  * @param buf         pointer to the input buffer
128  * @param buf_size    size of the input buffer
129  */
130 static int unpack_bitstream(G723_1_Context *p, const uint8_t *buf,
131                             int buf_size)
132 {
133     GetBitContext gb;
134     int ad_cb_len;
135     int temp, info_bits, i;
136
137     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
138
139     /* Extract frame type and rate info */
140     info_bits = get_bits(&gb, 2);
141
142     if (info_bits == 3) {
143         p->cur_frame_type = UNTRANSMITTED_FRAME;
144         return 0;
145     }
146
147     /* Extract 24 bit lsp indices, 8 bit for each band */
148     p->lsp_index[2] = get_bits(&gb, 8);
149     p->lsp_index[1] = get_bits(&gb, 8);
150     p->lsp_index[0] = get_bits(&gb, 8);
151
152     if (info_bits == 2) {
153         p->cur_frame_type = SID_FRAME;
154         p->subframe[0].amp_index = get_bits(&gb, 6);
155         return 0;
156     }
157
158     /* Extract the info common to both rates */
159     p->cur_rate       = info_bits ? RATE_5300 : RATE_6300;
160     p->cur_frame_type = ACTIVE_FRAME;
161
162     p->pitch_lag[0] = get_bits(&gb, 7);
163     if (p->pitch_lag[0] > 123)       /* test if forbidden code */
164         return -1;
165     p->pitch_lag[0] += PITCH_MIN;
166     p->subframe[1].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
167
168     p->pitch_lag[1] = get_bits(&gb, 7);
169     if (p->pitch_lag[1] > 123)
170         return -1;
171     p->pitch_lag[1] += PITCH_MIN;
172     p->subframe[3].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
173     p->subframe[0].ad_cb_lag = 1;
174     p->subframe[2].ad_cb_lag = 1;
175
176     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
177         /* Extract combined gain */
178         temp = get_bits(&gb, 12);
179         ad_cb_len = 170;
180         p->subframe[i].dirac_train = 0;
181         if (p->cur_rate == RATE_6300 && p->pitch_lag[i >> 1] < SUBFRAME_LEN - 2) {
182             p->subframe[i].dirac_train = temp >> 11;
183             temp &= 0x7FF;
184             ad_cb_len = 85;
185         }
186         p->subframe[i].ad_cb_gain = FASTDIV(temp, GAIN_LEVELS);
187         if (p->subframe[i].ad_cb_gain < ad_cb_len) {
188             p->subframe[i].amp_index = temp - p->subframe[i].ad_cb_gain *
189                                        GAIN_LEVELS;
190         } else {
191             return -1;
192         }
193     }
194
195     p->subframe[0].grid_index = get_bits(&gb, 1);
196     p->subframe[1].grid_index = get_bits(&gb, 1);
197     p->subframe[2].grid_index = get_bits(&gb, 1);
198     p->subframe[3].grid_index = get_bits(&gb, 1);
199
200     if (p->cur_rate == RATE_6300) {
201         skip_bits(&gb, 1);  /* skip reserved bit */
202
203         /* Compute pulse_pos index using the 13-bit combined position index */
204         temp = get_bits(&gb, 13);
205         p->subframe[0].pulse_pos = temp / 810;
206
207         temp -= p->subframe[0].pulse_pos * 810;
208         p->subframe[1].pulse_pos = FASTDIV(temp, 90);
209
210         temp -= p->subframe[1].pulse_pos * 90;
211         p->subframe[2].pulse_pos = FASTDIV(temp, 9);
212         p->subframe[3].pulse_pos = temp - p->subframe[2].pulse_pos * 9;
213
214         p->subframe[0].pulse_pos = (p->subframe[0].pulse_pos << 16) +
215                                    get_bits(&gb, 16);
216         p->subframe[1].pulse_pos = (p->subframe[1].pulse_pos << 14) +
217                                    get_bits(&gb, 14);
218         p->subframe[2].pulse_pos = (p->subframe[2].pulse_pos << 16) +
219                                    get_bits(&gb, 16);
220         p->subframe[3].pulse_pos = (p->subframe[3].pulse_pos << 14) +
221                                    get_bits(&gb, 14);
222
223         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
224         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
225         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
226         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
227     } else { /* 5300 bps */
228         p->subframe[0].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
229         p->subframe[1].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
230         p->subframe[2].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
231         p->subframe[3].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
232
233         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
234         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
235         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
236         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
237     }
238
239     return 0;
240 }
241
242 /**
243  * Bitexact implementation of sqrt(val/2).
244  */
245 static int16_t square_root(int val)
246 {
247     int16_t res = 0;
248     int16_t exp = 0x4000;
249     int i;
250
251     for (i = 0; i < 14; i ++) {
252         int res_exp = res + exp;
253         if (val >= res_exp * res_exp << 1)
254             res += exp;
255         exp >>= 1;
256     }
257     return res;
258 }
259
260 /**
261  * Calculate the number of left-shifts required for normalizing the input.
262  *
263  * @param num   input number
264  * @param width width of the input, 16 bits(0) / 32 bits(1)
265  */
266 static int normalize_bits(int num, int width)
267 {
268     if (!num)
269         return 0;
270     if (num == -1)
271         return width;
272     if (num < 0)
273         num = ~num;
274
275     return width - av_log2(num) - 1;
276 }
277
278 /**
279  * Scale vector contents based on the largest of their absolutes.
280  */
281 static int scale_vector(int16_t *dst, const int16_t *vector, int length)
282 {
283     int bits, max = 0;
284     int i;
285
286
287     for (i = 0; i < length; i++)
288         max |= FFABS(vector[i]);
289
290     max   = FFMIN(max, 0x7FFF);
291     bits  = normalize_bits(max, 15);
292
293     if (bits == 15)
294         for (i = 0; i < length; i++)
295             dst[i] = vector[i] * 0x7fff >> 3;
296     else
297         for (i = 0; i < length; i++)
298             dst[i] = vector[i] << bits >> 3;
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         int 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_sat_dadd32(1 << 15, temp1 + temp2) >> 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 {
576     int i, sum = 0;
577
578     for (i = 0; i < length; i++) {
579         int prod = a[i] * b[i];
580         sum = av_sat_dadd32(sum, prod);
581     }
582     return sum;
583 }
584
585 /**
586  * Generate adaptive codebook excitation.
587  */
588 static void gen_acb_excitation(int16_t *vector, int16_t *prev_excitation,
589                                int pitch_lag, G723_1_Subframe subfrm,
590                                enum Rate cur_rate)
591 {
592     int16_t residual[SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1];
593     const int16_t *cb_ptr;
594     int lag = pitch_lag + subfrm.ad_cb_lag - 1;
595
596     int i;
597     int sum;
598
599     get_residual(residual, prev_excitation, lag);
600
601     /* Select quantization table */
602     if (cur_rate == RATE_6300 && pitch_lag < SUBFRAME_LEN - 2)
603         cb_ptr = adaptive_cb_gain85;
604     else
605         cb_ptr = adaptive_cb_gain170;
606
607     /* Calculate adaptive vector */
608     cb_ptr += subfrm.ad_cb_gain * 20;
609     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
610         sum = dot_product(residual + i, cb_ptr, PITCH_ORDER);
611         vector[i] = av_sat_dadd32(1 << 15, sum) >> 16;
612     }
613 }
614
615 /**
616  * Estimate maximum auto-correlation around pitch lag.
617  *
618  * @param buf       buffer with offset applied
619  * @param offset    offset of the excitation vector
620  * @param ccr_max   pointer to the maximum auto-correlation
621  * @param pitch_lag decoded pitch lag
622  * @param length    length of autocorrelation
623  * @param dir       forward lag(1) / backward lag(-1)
624  */
625 static int autocorr_max(const int16_t *buf, int offset, int *ccr_max,
626                         int pitch_lag, int length, int dir)
627 {
628     int limit, ccr, lag = 0;
629     int i;
630
631     pitch_lag = FFMIN(PITCH_MAX - 3, pitch_lag);
632     if (dir > 0)
633         limit = FFMIN(FRAME_LEN + PITCH_MAX - offset - length, pitch_lag + 3);
634     else
635         limit = pitch_lag + 3;
636
637     for (i = pitch_lag - 3; i <= limit; i++) {
638         ccr = dot_product(buf, buf + dir * i, length);
639
640         if (ccr > *ccr_max) {
641             *ccr_max = ccr;
642             lag = i;
643         }
644     }
645     return lag;
646 }
647
648 /**
649  * Calculate pitch postfilter optimal and scaling gains.
650  *
651  * @param lag      pitch postfilter forward/backward lag
652  * @param ppf      pitch postfilter parameters
653  * @param cur_rate current bitrate
654  * @param tgt_eng  target energy
655  * @param ccr      cross-correlation
656  * @param res_eng  residual energy
657  */
658 static void comp_ppf_gains(int lag, PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate,
659                            int tgt_eng, int ccr, int res_eng)
660 {
661     int pf_residual;     /* square of postfiltered residual */
662     int temp1, temp2;
663
664     ppf->index = lag;
665
666     temp1 = tgt_eng * res_eng >> 1;
667     temp2 = ccr * ccr << 1;
668
669     if (temp2 > temp1) {
670         if (ccr >= res_eng) {
671             ppf->opt_gain = ppf_gain_weight[cur_rate];
672         } else {
673             ppf->opt_gain = (ccr << 15) / res_eng *
674                             ppf_gain_weight[cur_rate] >> 15;
675         }
676         /* pf_res^2 = tgt_eng + 2*ccr*gain + res_eng*gain^2 */
677         temp1       = (tgt_eng << 15) + (ccr * ppf->opt_gain << 1);
678         temp2       = (ppf->opt_gain * ppf->opt_gain >> 15) * res_eng;
679         pf_residual = av_sat_add32(temp1, temp2 + (1 << 15)) >> 16;
680
681         if (tgt_eng >= pf_residual << 1) {
682             temp1 = 0x7fff;
683         } else {
684             temp1 = (tgt_eng << 14) / pf_residual;
685         }
686
687         /* scaling_gain = sqrt(tgt_eng/pf_res^2) */
688         ppf->sc_gain = square_root(temp1 << 16);
689     } else {
690         ppf->opt_gain = 0;
691         ppf->sc_gain  = 0x7fff;
692     }
693
694     ppf->opt_gain = av_clip_int16(ppf->opt_gain * ppf->sc_gain >> 15);
695 }
696
697 /**
698  * Calculate pitch postfilter parameters.
699  *
700  * @param p         the context
701  * @param offset    offset of the excitation vector
702  * @param pitch_lag decoded pitch lag
703  * @param ppf       pitch postfilter parameters
704  * @param cur_rate  current bitrate
705  */
706 static void comp_ppf_coeff(G723_1_Context *p, int offset, int pitch_lag,
707                            PPFParam *ppf, enum Rate cur_rate)
708 {
709
710     int16_t scale;
711     int i;
712     int temp1, temp2;
713
714     /*
715      * 0 - target energy
716      * 1 - forward cross-correlation
717      * 2 - forward residual energy
718      * 3 - backward cross-correlation
719      * 4 - backward residual energy
720      */
721     int energy[5] = {0, 0, 0, 0, 0};
722     int16_t *buf  = p->excitation + offset;
723     int fwd_lag   = autocorr_max(buf, offset, &energy[1], pitch_lag,
724                                  SUBFRAME_LEN, 1);
725     int back_lag  = autocorr_max(buf, offset, &energy[3], pitch_lag,
726                                  SUBFRAME_LEN, -1);
727
728     ppf->index    = 0;
729     ppf->opt_gain = 0;
730     ppf->sc_gain  = 0x7fff;
731
732     /* Case 0, Section 3.6 */
733     if (!back_lag && !fwd_lag)
734         return;
735
736     /* Compute target energy */
737     energy[0] = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN);
738
739     /* Compute forward residual energy */
740     if (fwd_lag)
741         energy[2] = dot_product(buf + fwd_lag, buf + fwd_lag, SUBFRAME_LEN);
742
743     /* Compute backward residual energy */
744     if (back_lag)
745         energy[4] = dot_product(buf - back_lag, buf - back_lag, SUBFRAME_LEN);
746
747     /* Normalize and shorten */
748     temp1 = 0;
749     for (i = 0; i < 5; i++)
750         temp1 = FFMAX(energy[i], temp1);
751
752     scale = normalize_bits(temp1, 31);
753     for (i = 0; i < 5; i++)
754         energy[i] = (energy[i] << scale) >> 16;
755
756     if (fwd_lag && !back_lag) {  /* Case 1 */
757         comp_ppf_gains(fwd_lag,  ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
758                        energy[2]);
759     } else if (!fwd_lag) {       /* Case 2 */
760         comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
761                        energy[4]);
762     } else {                     /* Case 3 */
763
764         /*
765          * Select the largest of energy[1]^2/energy[2]
766          * and energy[3]^2/energy[4]
767          */
768         temp1 = energy[4] * ((energy[1] * energy[1] + (1 << 14)) >> 15);
769         temp2 = energy[2] * ((energy[3] * energy[3] + (1 << 14)) >> 15);
770         if (temp1 >= temp2) {
771             comp_ppf_gains(fwd_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
772                            energy[2]);
773         } else {
774             comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
775                            energy[4]);
776         }
777     }
778 }
779
780 /**
781  * Classify frames as voiced/unvoiced.
782  *
783  * @param p         the context
784  * @param pitch_lag decoded pitch_lag
785  * @param exc_eng   excitation energy estimation
786  * @param scale     scaling factor of exc_eng
787  *
788  * @return residual interpolation index if voiced, 0 otherwise
789  */
790 static int comp_interp_index(G723_1_Context *p, int pitch_lag,
791                              int *exc_eng, int *scale)
792 {
793     int offset = PITCH_MAX + 2 * SUBFRAME_LEN;
794     const int16_t *buf = p->excitation + offset;
795
796     int index, ccr, tgt_eng, best_eng, temp;
797
798     *scale = scale_vector(p->excitation, p->excitation, FRAME_LEN + PITCH_MAX);
799
800     /* Compute maximum backward cross-correlation */
801     ccr   = 0;
802     index = autocorr_max(buf, offset, &ccr, pitch_lag, SUBFRAME_LEN * 2, -1);
803     ccr   = av_sat_add32(ccr, 1 << 15) >> 16;
804
805     /* Compute target energy */
806     tgt_eng  = dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN * 2);
807     *exc_eng = av_sat_add32(tgt_eng, 1 << 15) >> 16;
808
809     if (ccr <= 0)
810         return 0;
811
812     /* Compute best energy */
813     best_eng = dot_product(buf - index, buf - index, SUBFRAME_LEN * 2);
814     best_eng = av_sat_add32(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         int temp = buf[i] >> 2;
894         temp *= temp;
895         denom = av_sat_dadd32(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 = (15 * 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 input buffer
926  * @param dst output buffer
927  */
928 static void formant_postfilter(G723_1_Context *p, int16_t *lpc,
929                                int16_t *buf, int16_t *dst)
930 {
931     int16_t filter_coef[2][LPC_ORDER];
932     int filter_signal[LPC_ORDER + FRAME_LEN], *signal_ptr;
933     int i, j, k;
934
935     memcpy(buf, p->fir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*buf));
936     memcpy(filter_signal, p->iir_mem, LPC_ORDER * sizeof(*filter_signal));
937
938     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++) {
939         for (k = 0; k < LPC_ORDER; k++) {
940             filter_coef[0][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[0][k] +
941                                  (1 << 14)) >> 15;
942             filter_coef[1][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[1][k] +
943                                  (1 << 14)) >> 15;
944         }
945         iir_filter(filter_coef[0], filter_coef[1], buf + i,
946                    filter_signal + i);
947         lpc += LPC_ORDER;
948     }
949
950     memcpy(p->fir_mem, buf + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->fir_mem));
951     memcpy(p->iir_mem, filter_signal + FRAME_LEN,
952            LPC_ORDER * sizeof(*p->iir_mem));
953
954     buf += LPC_ORDER;
955     signal_ptr = filter_signal + LPC_ORDER;
956     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
957         int temp;
958         int auto_corr[2];
959         int scale, energy;
960
961         /* Normalize */
962         scale = scale_vector(dst, buf, SUBFRAME_LEN);
963
964         /* Compute auto correlation coefficients */
965         auto_corr[0] = dot_product(dst, dst + 1, SUBFRAME_LEN - 1);
966         auto_corr[1] = dot_product(dst, dst,     SUBFRAME_LEN);
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 = (3 * p->reflection_coef + temp + 2) >> 2;
974         temp = -p->reflection_coef >> 1 & ~3;
975
976         /* Compensation filter */
977         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
978             dst[j] = av_sat_dadd32(signal_ptr[j],
979                                    (signal_ptr[j - 1] >> 16) * temp) >> 16;
980         }
981
982         /* Compute normalized signal energy */
983         temp = 2 * scale + 4;
984         if (temp < 0) {
985             energy = av_clipl_int32((int64_t)auto_corr[1] << -temp);
986         } else
987             energy = auto_corr[1] >> temp;
988
989         gain_scale(p, dst, energy);
990
991         buf        += SUBFRAME_LEN;
992         signal_ptr += SUBFRAME_LEN;
993         dst        += SUBFRAME_LEN;
994     }
995 }
996
997 static int g723_1_decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data,
998                                int *got_frame_ptr, AVPacket *avpkt)
999 {
1000     G723_1_Context *p  = avctx->priv_data;
1001     const uint8_t *buf = avpkt->data;
1002     int buf_size       = avpkt->size;
1003     int dec_mode       = buf[0] & 3;
1004
1005     PPFParam ppf[SUBFRAMES];
1006     int16_t cur_lsp[LPC_ORDER];
1007     int16_t lpc[SUBFRAMES * LPC_ORDER];
1008     int16_t acb_vector[SUBFRAME_LEN];
1009     int16_t *vector_ptr;
1010     int16_t *out;
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     out = (int16_t *)p->frame.data[0];
1037
1038     if (p->cur_frame_type == ACTIVE_FRAME) {
1039         if (!bad_frame)
1040             p->erased_frames = 0;
1041         else if (p->erased_frames != 3)
1042             p->erased_frames++;
1043
1044         inverse_quant(cur_lsp, p->prev_lsp, p->lsp_index, bad_frame);
1045         lsp_interpolate(lpc, cur_lsp, p->prev_lsp);
1046
1047         /* Save the lsp_vector for the next frame */
1048         memcpy(p->prev_lsp, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(*p->prev_lsp));
1049
1050         /* Generate the excitation for the frame */
1051         memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1052                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1053         vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1054         if (!p->erased_frames) {
1055             /* Update interpolation gain memory */
1056             p->interp_gain = fixed_cb_gain[(p->subframe[2].amp_index +
1057                                             p->subframe[3].amp_index) >> 1];
1058             for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
1059                 gen_fcb_excitation(vector_ptr, p->subframe[i], p->cur_rate,
1060                                    p->pitch_lag[i >> 1], i);
1061                 gen_acb_excitation(acb_vector, &p->excitation[SUBFRAME_LEN * i],
1062                                    p->pitch_lag[i >> 1], p->subframe[i],
1063                                    p->cur_rate);
1064                 /* Get the total excitation */
1065                 for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
1066                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] << 1);
1067                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] +
1068                                                   acb_vector[j]);
1069                 }
1070                 vector_ptr += SUBFRAME_LEN;
1071             }
1072
1073             vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1074
1075             /* Save the excitation */
1076             memcpy(p->audio + LPC_ORDER, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(*p->audio));
1077
1078             p->interp_index = comp_interp_index(p, p->pitch_lag[1],
1079                                                 &p->sid_gain, &p->cur_gain);
1080
1081             if (p->postfilter) {
1082                 i = PITCH_MAX;
1083                 for (j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1084                     comp_ppf_coeff(p, i, p->pitch_lag[j >> 1],
1085                                    ppf + j, p->cur_rate);
1086             }
1087
1088             /* Restore the original excitation */
1089             memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1090                    PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1091             memcpy(vector_ptr, p->audio + LPC_ORDER, FRAME_LEN * sizeof(*vector_ptr));
1092
1093             /* Peform pitch postfiltering */
1094             if (p->postfilter)
1095                 for (i = 0, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1096                     ff_acelp_weighted_vector_sum(p->audio + LPC_ORDER + i,
1097                                                  vector_ptr + i,
1098                                                  vector_ptr + i + ppf[j].index,
1099                                                  ppf[j].sc_gain,
1100                                                  ppf[j].opt_gain,
1101                                                  1 << 14, 15, SUBFRAME_LEN);
1102
1103         } else {
1104             p->interp_gain = (p->interp_gain * 3 + 2) >> 2;
1105             if (p->erased_frames == 3) {
1106                 /* Mute output */
1107                 memset(p->excitation, 0,
1108                        (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(*p->excitation));
1109                 memset(p->frame.data[0], 0,
1110                        (FRAME_LEN + LPC_ORDER) * sizeof(int16_t));
1111             } else {
1112                 /* Regenerate frame */
1113                 residual_interp(p->excitation, p->audio + LPC_ORDER, p->interp_index,
1114                                 p->interp_gain, &p->random_seed);
1115             }
1116         }
1117         /* Save the excitation for the next frame */
1118         memcpy(p->prev_excitation, p->excitation + FRAME_LEN,
1119                PITCH_MAX * sizeof(*p->excitation));
1120     } else {
1121         memset(out, 0, FRAME_LEN * 2);
1122         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1123                "G.723.1: Comfort noise generation not supported yet\n");
1124
1125         *got_frame_ptr   = 1;
1126         *(AVFrame *)data = p->frame;
1127         return frame_size[dec_mode];
1128     }
1129
1130     p->past_frame_type = p->cur_frame_type;
1131
1132     memcpy(p->audio, p->synth_mem, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1133     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1134         ff_celp_lp_synthesis_filter(p->audio + i, &lpc[j * LPC_ORDER],
1135                                     p->audio + i, SUBFRAME_LEN, LPC_ORDER,
1136                                     0, 1, 1 << 12);
1137     memcpy(p->synth_mem, p->audio + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(*p->audio));
1138
1139     if (p->postfilter) {
1140         formant_postfilter(p, lpc, p->audio, out);
1141     } else { // if output is not postfiltered it should be scaled by 2
1142         for (i = 0; i < FRAME_LEN; i++)
1143             out[i] = av_clip_int16(p->audio[LPC_ORDER + i] << 1);
1144     }
1145
1146     *got_frame_ptr   = 1;
1147     *(AVFrame *)data = p->frame;
1148
1149     return frame_size[dec_mode];
1150 }
1151
1152 #define OFFSET(x) offsetof(G723_1_Context, x)
1153 #define AD     AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_DECODING_PARAM
1154
1155 static const AVOption options[] = {
1156     { "postfilter", "postfilter on/off", OFFSET(postfilter), AV_OPT_TYPE_INT,
1157       { 1 }, 0, 1, AD },
1158     { NULL }
1159 };
1160
1161
1162 static const AVClass g723_1dec_class = {
1163     .class_name = "G.723.1 decoder",
1164     .item_name  = av_default_item_name,
1165     .option     = options,
1166     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
1167 };
1168
1169 AVCodec ff_g723_1_decoder = {
1170     .name           = "g723_1",
1171     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1172     .id             = AV_CODEC_ID_G723_1,
1173     .priv_data_size = sizeof(G723_1_Context),
1174     .init           = g723_1_decode_init,
1175     .decode         = g723_1_decode_frame,
1176     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.723.1"),
1177     .capabilities   = CODEC_CAP_SUBFRAMES,
1178     .priv_class     = &g723_1dec_class,
1179 };