g723.1: use get_bits1()
[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 FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg 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  * FFmpeg 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 FFmpeg; 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 #include "avcodec.h"
29 #define ALT_BITSTREAM_READER_LE
30 #include "get_bits.h"
31 #include "acelp_vectors.h"
32 #include "celp_filters.h"
33 #include "celp_math.h"
34 #include "lsp.h"
35 #include "libavutil/lzo.h"
36 #include "g723_1_data.h"
37
38 typedef struct g723_1_context {
39     G723_1_Subframe subframe[4];
40     FrameType cur_frame_type;
41     FrameType past_frame_type;
42     Rate cur_rate;
43     uint8_t lsp_index[LSP_BANDS];
44     int pitch_lag[2];
45     int erased_frames;
46
47     int16_t prev_lsp[LPC_ORDER];
48     int16_t prev_excitation[PITCH_MAX];
49     int16_t excitation[PITCH_MAX + FRAME_LEN];
50     int16_t synth_mem[LPC_ORDER];
51     int16_t fir_mem[LPC_ORDER];
52     int     iir_mem[LPC_ORDER];
53
54     int random_seed;
55     int interp_index;
56     int interp_gain;
57     int sid_gain;
58     int cur_gain;
59     int reflection_coef;
60     int pf_gain;                 ///< formant postfilter
61                                  ///< gain scaling unit memory
62 } G723_1_Context;
63
64 static av_cold int g723_1_decode_init(AVCodecContext *avctx)
65 {
66     G723_1_Context *p  = avctx->priv_data;
67
68     avctx->sample_fmt  = SAMPLE_FMT_S16;
69     p->pf_gain         = 1 << 12;
70     memcpy(p->prev_lsp, dc_lsp, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
71
72     return 0;
73 }
74
75 /**
76  * Unpack the frame into parameters.
77  *
78  * @param p           the context
79  * @param buf         pointer to the input buffer
80  * @param buf_size    size of the input buffer
81  */
82 static int unpack_bitstream(G723_1_Context *p, const uint8_t *buf,
83                             int buf_size)
84 {
85     GetBitContext gb;
86     int ad_cb_len;
87     int temp, info_bits, i;
88
89     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
90
91     /* Extract frame type and rate info */
92     info_bits = get_bits(&gb, 2);
93
94     if (info_bits == 3) {
95         p->cur_frame_type = UntransmittedFrame;
96         return 0;
97     }
98
99     /* Extract 24 bit lsp indices, 8 bit for each band */
100     p->lsp_index[2] = get_bits(&gb, 8);
101     p->lsp_index[1] = get_bits(&gb, 8);
102     p->lsp_index[0] = get_bits(&gb, 8);
103
104     if (info_bits == 2) {
105         p->cur_frame_type = SIDFrame;
106         p->subframe[0].amp_index = get_bits(&gb, 6);
107         return 0;
108     }
109
110     /* Extract the info common to both rates */
111     p->cur_rate       = info_bits ? Rate5k3 : Rate6k3;
112     p->cur_frame_type = ActiveFrame;
113
114     p->pitch_lag[0] = get_bits(&gb, 7);
115     if (p->pitch_lag[0] > 123)       /* test if forbidden code */
116         return -1;
117     p->pitch_lag[0] += PITCH_MIN;
118     p->subframe[1].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
119
120     p->pitch_lag[1] = get_bits(&gb, 7);
121     if (p->pitch_lag[1] > 123)
122         return -1;
123     p->pitch_lag[1] += PITCH_MIN;
124     p->subframe[3].ad_cb_lag = get_bits(&gb, 2);
125     p->subframe[0].ad_cb_lag = 1;
126     p->subframe[2].ad_cb_lag = 1;
127
128     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
129         /* Extract combined gain */
130         temp = get_bits(&gb, 12);
131         ad_cb_len = 170;
132         p->subframe[i].dirac_train = 0;
133         if (p->cur_rate == Rate6k3 && p->pitch_lag[i >> 1] < SUBFRAME_LEN - 2) {
134             p->subframe[i].dirac_train = temp >> 11;
135             temp &= 0x7ff;
136             ad_cb_len = 85;
137         }
138         p->subframe[i].ad_cb_gain = FASTDIV(temp, GAIN_LEVELS);
139         if (p->subframe[i].ad_cb_gain < ad_cb_len) {
140             p->subframe[i].amp_index = temp - p->subframe[i].ad_cb_gain *
141                                        GAIN_LEVELS;
142         } else {
143             return -1;
144         }
145     }
146
147     p->subframe[0].grid_index = get_bits1(&gb);
148     p->subframe[1].grid_index = get_bits1(&gb);
149     p->subframe[2].grid_index = get_bits1(&gb);
150     p->subframe[3].grid_index = get_bits1(&gb);
151
152     if (p->cur_rate == Rate6k3) {
153         skip_bits(&gb, 1);  /* skip reserved bit */
154
155         /* Compute pulse_pos index using the 13-bit combined position index */
156         temp = get_bits(&gb, 13);
157         p->subframe[0].pulse_pos = temp / 810;
158
159         temp -= p->subframe[0].pulse_pos * 810;
160         p->subframe[1].pulse_pos = FASTDIV(temp, 90);
161
162         temp -= p->subframe[1].pulse_pos * 90;
163         p->subframe[2].pulse_pos = FASTDIV(temp, 9);
164         p->subframe[3].pulse_pos = temp - p->subframe[2].pulse_pos * 9;
165
166         p->subframe[0].pulse_pos = (p->subframe[0].pulse_pos << 16) +
167                                    get_bits(&gb, 16);
168         p->subframe[1].pulse_pos = (p->subframe[1].pulse_pos << 14) +
169                                    get_bits(&gb, 14);
170         p->subframe[2].pulse_pos = (p->subframe[2].pulse_pos << 16) +
171                                    get_bits(&gb, 16);
172         p->subframe[3].pulse_pos = (p->subframe[3].pulse_pos << 14) +
173                                    get_bits(&gb, 14);
174
175         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
176         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
177         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 6);
178         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 5);
179     } else { /* Rate5k3 */
180         p->subframe[0].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
181         p->subframe[1].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
182         p->subframe[2].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
183         p->subframe[3].pulse_pos  = get_bits(&gb, 12);
184
185         p->subframe[0].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
186         p->subframe[1].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
187         p->subframe[2].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
188         p->subframe[3].pulse_sign = get_bits(&gb, 4);
189     }
190
191     return 0;
192 }
193
194 /**
195  * Bitexact implementation of sqrt(val/2).
196  */
197 static int16_t square_root(int val)
198 {
199     int16_t res = 0;
200     int16_t exp = 0x4000;
201     int i;
202
203     for (i = 0; i < 14; i ++) {
204         int res_exp = res + exp;
205         if (val >= res_exp * res_exp << 1)
206             res += exp;
207         exp >>= 1;
208     }
209     return res;
210 }
211
212 /**
213  * Calculate the number of left-shifts required for normalizing the input.
214  *
215  * @param num   input number
216  * @param width width of the input, 16 bits(0) / 32 bits(1)
217  */
218 static int normalize_bits(int num, int width)
219 {
220     int i = 0;
221     int bits = (width) ? 31 : 15;
222     int limit = 1 << (bits - 1);
223
224     if (num) {
225         if (num == -1)
226             return bits;
227         if (num < 0)
228             num = ~num;
229         for (i = 0; num < limit; i++)
230             num <<= 1;
231     }
232     return i;
233 }
234
235 /**
236  * Scale vector contents based on the largest of their absolutes.
237  */
238 static int scale_vector(int16_t *vector, int length)
239 {
240     int bits, scale, max = 0;
241     int i;
242
243     const int16_t shift_table[16] = {
244         0x0001, 0x0002, 0x0004, 0x0008, 0x0010, 0x0020, 0x0040, 0x0080,
245         0x0100, 0x0200, 0x0400, 0x0800, 0x1000, 0x2000, 0x4000, 0x7fff
246     };
247
248     for (i = 0; i < length; i++)
249         max = FFMAX(max, FFABS(vector[i]));
250
251     bits  = normalize_bits(max, 0);
252     scale = shift_table[bits];
253
254     for (i = 0; i < length; i++)
255         vector[i] = (int16_t)(av_clipl_int32(vector[i] * scale << 1) >> 4);
256
257     return bits - 3;
258 }
259
260 /**
261  * Perform inverse quantization of LSP frequencies.
262  *
263  * @param cur_lsp    the current LSP vector
264  * @param prev_lsp   the previous LSP vector
265  * @param lsp_index  VQ indices
266  * @param bad_frame  bad frame flag
267  */
268 static void inverse_quant(int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp,
269                           uint8_t *lsp_index, int bad_frame)
270 {
271     int min_dist, pred;
272     int i, j, temp, stable;
273
274     /* Check for frame erasure */
275     if (!bad_frame) {
276         min_dist     = 0x100;
277         pred         = 12288;
278     } else {
279         min_dist     = 0x200;
280         pred         = 23552;
281         lsp_index[0] = lsp_index[1] = lsp_index[2] = 0;
282     }
283
284     /* Get the VQ table entry corresponding to the transmitted index */
285     cur_lsp[0] = lsp_band0[lsp_index[0]][0];
286     cur_lsp[1] = lsp_band0[lsp_index[0]][1];
287     cur_lsp[2] = lsp_band0[lsp_index[0]][2];
288     cur_lsp[3] = lsp_band1[lsp_index[1]][0];
289     cur_lsp[4] = lsp_band1[lsp_index[1]][1];
290     cur_lsp[5] = lsp_band1[lsp_index[1]][2];
291     cur_lsp[6] = lsp_band2[lsp_index[2]][0];
292     cur_lsp[7] = lsp_band2[lsp_index[2]][1];
293     cur_lsp[8] = lsp_band2[lsp_index[2]][2];
294     cur_lsp[9] = lsp_band2[lsp_index[2]][3];
295
296     /* Add predicted vector & DC component to the previously quantized vector */
297     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
298         temp        = ((prev_lsp[i] - dc_lsp[i]) * pred + (1 << 14)) >> 15;
299         cur_lsp[i] += dc_lsp[i] + temp;
300     }
301
302     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
303         cur_lsp[0]             = FFMAX(cur_lsp[0],  0x180);
304         cur_lsp[LPC_ORDER - 1] = FFMIN(cur_lsp[LPC_ORDER - 1], 0x7e00);
305
306         /* Stability check */
307         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
308             temp = min_dist + cur_lsp[j - 1] - cur_lsp[j];
309             if (temp > 0) {
310                 temp >>= 1;
311                 cur_lsp[j - 1] -= temp;
312                 cur_lsp[j]     += temp;
313             }
314         }
315         stable = 1;
316         for (j = 1; j < LPC_ORDER; j++) {
317             temp = cur_lsp[j - 1] + min_dist - cur_lsp[j] - 4;
318             if (temp > 0) {
319                 stable = 0;
320                 break;
321             }
322         }
323         if (stable)
324             break;
325     }
326     if (!stable)
327         memcpy(cur_lsp, prev_lsp, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
328 }
329
330 /**
331  * Bitexact implementation of 2ab scaled by 1/2^16.
332  *
333  * @param a 32 bit multiplicand
334  * @param b 16 bit multiplier
335  */
336 #define MULL2(a, b) \
337         ((((a) >> 16) * (b) << 1) + (((a) & 0xffff) * (b) >> 15))
338
339 /**
340  * Convert LSP frequencies to LPC coefficients.
341  *
342  * @param lpc buffer for LPC coefficients
343  */
344 static void lsp2lpc(int16_t *lpc)
345 {
346     int f1[LPC_ORDER / 2 + 1];
347     int f2[LPC_ORDER / 2 + 1];
348     int i, j;
349
350     /* Calculate negative cosine */
351     for (j = 0; j < LPC_ORDER; j++) {
352         int index     = lpc[j] >> 7;
353         int offset    = lpc[j] & 0x7f;
354         int64_t temp1 = cos_tab[index] << 16;
355         int temp2     = (cos_tab[index + 1] - cos_tab[index]) *
356                           ((offset << 8) + 0x80) << 1;
357
358         lpc[j] = -(av_clipl_int32(((temp1 + temp2) << 1) + (1 << 15)) >> 16);
359     }
360
361     /*
362      * Compute sum and difference polynomial coefficients
363      * (bitexact alternative to lsp2poly() in lsp.c)
364      */
365     /* Initialize with values in Q28 */
366     f1[0] = 1 << 28;
367     f1[1] = (lpc[0] << 14) + (lpc[2] << 14);
368     f1[2] = lpc[0] * lpc[2] + (2 << 28);
369
370     f2[0] = 1 << 28;
371     f2[1] = (lpc[1] << 14) + (lpc[3] << 14);
372     f2[2] = lpc[1] * lpc[3] + (2 << 28);
373
374     /*
375      * Calculate and scale the coefficients by 1/2 in
376      * each iteration for a final scaling factor of Q25
377      */
378     for (i = 2; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
379         f1[i + 1] = f1[i - 1] + MULL2(f1[i], lpc[2 * i]);
380         f2[i + 1] = f2[i - 1] + MULL2(f2[i], lpc[2 * i + 1]);
381
382         for (j = i; j >= 2; j--) {
383             f1[j] = MULL2(f1[j - 1], lpc[2 * i]) +
384                     (f1[j] >> 1) + (f1[j - 2] >> 1);
385             f2[j] = MULL2(f2[j - 1], lpc[2 * i + 1]) +
386                     (f2[j] >> 1) + (f2[j - 2] >> 1);
387         }
388
389         f1[0] >>= 1;
390         f2[0] >>= 1;
391         f1[1] = ((lpc[2 * i]     << 16 >> i) + f1[1]) >> 1;
392         f2[1] = ((lpc[2 * i + 1] << 16 >> i) + f2[1]) >> 1;
393     }
394
395     /* Convert polynomial coefficients to LPC coefficients */
396     for (i = 0; i < LPC_ORDER / 2; i++) {
397         int64_t ff1 = f1[i + 1] + f1[i];
398         int64_t ff2 = f2[i + 1] - f2[i];
399
400         lpc[i] = av_clipl_int32(((ff1 + ff2) << 3) + (1 << 15)) >> 16;
401         lpc[LPC_ORDER - i - 1] = av_clipl_int32(((ff1 - ff2) << 3) +
402                                                 (1 << 15)) >> 16;
403     }
404 }
405
406 /**
407  * Quantize LSP frequencies by interpolation and convert them to
408  * the corresponding LPC coefficients.
409  *
410  * @param lpc      buffer for LPC coefficients
411  * @param cur_lsp  the current LSP vector
412  * @param prev_lsp the previous LSP vector
413  */
414 static void lsp_interpolate(int16_t *lpc, int16_t *cur_lsp, int16_t *prev_lsp)
415 {
416     int i;
417     int16_t *lpc_ptr = lpc;
418
419     /* cur_lsp * 0.25 + prev_lsp * 0.75 */
420     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc, cur_lsp, prev_lsp,
421                                  4096, 12288, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
422     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
423                                  8192, 8192, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
424     ff_acelp_weighted_vector_sum(lpc + 2 * LPC_ORDER, cur_lsp, prev_lsp,
425                                  12288, 4096, 1 << 13, 14, LPC_ORDER);
426     memcpy(lpc + 3 * LPC_ORDER, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
427
428     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
429         lsp2lpc(lpc_ptr);
430         lpc_ptr += LPC_ORDER;
431     }
432 }
433
434 /**
435  * Generate a train of dirac functions with period as pitch lag.
436  */
437 static void gen_dirac_train(int16_t *buf, int pitch_lag)
438 {
439     int16_t vector[SUBFRAME_LEN];
440     int i, j;
441
442     memcpy(vector, buf, SUBFRAME_LEN * sizeof(int16_t));
443     for (i = pitch_lag; i < SUBFRAME_LEN; i += pitch_lag) {
444         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN - i; j++)
445             buf[i + j] += vector[j];
446     }
447 }
448
449 /**
450  * Generate fixed codebook excitation vector.
451  *
452  * @param vector    decoded excitation vector
453  * @param subfrm    current subframe
454  * @param cur_rate  current bitrate
455  * @param pitch_lag closed loop pitch lag
456  * @param index     current subframe index
457  */
458 static void gen_fcb_excitation(int16_t *vector, G723_1_Subframe subfrm,
459                                Rate cur_rate, int pitch_lag, int index)
460 {
461     int temp, i, j;
462
463     memset(vector, 0, SUBFRAME_LEN * sizeof(int16_t));
464
465     if (cur_rate == Rate6k3) {
466         if (subfrm.pulse_pos >= max_pos[index])
467             return;
468
469         /* Decode amplitudes and positions */
470         j = PULSE_MAX - pulses[index];
471         temp = subfrm.pulse_pos;
472         for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN / GRID_SIZE; i++) {
473             temp -= combinatorial_table[j][i];
474             if (temp >= 0)
475                 continue;
476             temp += combinatorial_table[j++][i];
477             if (subfrm.pulse_sign & (1 << (PULSE_MAX - j))) {
478                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
479                                         -fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
480             } else {
481                 vector[subfrm.grid_index + GRID_SIZE * i] =
482                                          fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
483             }
484             if (j == PULSE_MAX)
485                 break;
486         }
487         if (subfrm.dirac_train == 1)
488             gen_dirac_train(vector, pitch_lag);
489     } else { /* Rate5k3 */
490         int cb_gain  = fixed_cb_gain[subfrm.amp_index];
491         int cb_shift = subfrm.grid_index;
492         int cb_sign  = subfrm.pulse_sign;
493         int cb_pos   = subfrm.pulse_pos;
494         int offset, beta, lag;
495
496         for (i = 0; i < 8; i += 2) {
497             offset         = ((cb_pos & 7) << 3) + cb_shift + i;
498             vector[offset] = (cb_sign & 1) ? cb_gain : -cb_gain;
499             cb_pos  >>= 3;
500             cb_sign >>= 1;
501         }
502
503         /* Enhance harmonic components */
504         lag  = pitch_contrib[subfrm.ad_cb_gain << 1] + pitch_lag +
505                subfrm.ad_cb_lag - 1;
506         beta = pitch_contrib[(subfrm.ad_cb_gain << 1) + 1];
507
508         if (lag < SUBFRAME_LEN - 2) {
509             for (i = lag; i < SUBFRAME_LEN; i++)
510                 vector[i] += beta * vector[i - lag] >> 15;
511         }
512     }
513 }
514
515 /**
516  * Get delayed contribution from the previous excitation vector.
517  */
518 static void get_residual(int16_t *residual, int16_t *prev_excitation, int lag)
519 {
520     int offset = PITCH_MAX - PITCH_ORDER / 2 - lag;
521     int i;
522
523     residual[0] = prev_excitation[offset];
524     residual[1] = prev_excitation[offset + 1];
525
526     offset += 2;
527     for (i = 2; i < SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1; i++)
528         residual[i] = prev_excitation[offset + (i - 2) % lag];
529 }
530
531 /**
532  * Generate adaptive codebook excitation.
533  */
534 static void gen_acb_excitation(int16_t *vector, int16_t *prev_excitation,
535                                int pitch_lag, G723_1_Subframe subfrm,
536                                Rate cur_rate)
537 {
538     int16_t residual[SUBFRAME_LEN + PITCH_ORDER - 1];
539     const int16_t *cb_ptr;
540     int lag = pitch_lag + subfrm.ad_cb_lag - 1;
541
542     int i;
543     int64_t sum;
544
545     get_residual(residual, prev_excitation, lag);
546
547     /* Select quantization table */
548     if (cur_rate == Rate6k3 && pitch_lag < SUBFRAME_LEN - 2) {
549         cb_ptr = adaptive_cb_gain85;
550     } else
551         cb_ptr = adaptive_cb_gain170;
552
553     /* Calculate adaptive vector */
554     cb_ptr += subfrm.ad_cb_gain * 20;
555     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
556         sum = ff_dot_product(residual + i, cb_ptr, PITCH_ORDER)<<1;
557         vector[i] = av_clipl_int32((sum << 1) + (1 << 15)) >> 16;
558     }
559 }
560
561 /**
562  * Estimate maximum auto-correlation around pitch lag.
563  *
564  * @param p         the context
565  * @param offset    offset of the excitation vector
566  * @param ccr_max   pointer to the maximum auto-correlation
567  * @param pitch_lag decoded pitch lag
568  * @param length    length of autocorrelation
569  * @param dir       forward lag(1) / backward lag(-1)
570  */
571 static int autocorr_max(G723_1_Context *p, int offset, int *ccr_max,
572                         int pitch_lag, int length, int dir)
573 {
574     int limit, ccr, lag = 0;
575     int16_t *buf = p->excitation + offset;
576     int i;
577
578     pitch_lag = FFMIN(PITCH_MAX - 3, pitch_lag);
579     limit     = FFMIN(FRAME_LEN + PITCH_MAX - offset - length, pitch_lag + 3);
580
581     for (i = pitch_lag - 3; i <= limit; i++) {
582         ccr = ff_dot_product(buf, buf + dir * i, length)<<1;
583
584         if (ccr > *ccr_max) {
585             *ccr_max = ccr;
586             lag = i;
587         }
588     }
589     return lag;
590 }
591
592 /**
593  * Calculate pitch postfilter optimal and scaling gains.
594  *
595  * @param lag      pitch postfilter forward/backward lag
596  * @param ppf      pitch postfilter parameters
597  * @param cur_rate current bitrate
598  * @param tgt_eng  target energy
599  * @param ccr      cross-correlation
600  * @param res_eng  residual energy
601  */
602 static void comp_ppf_gains(int lag, PPFParam *ppf, Rate cur_rate,
603                            int tgt_eng, int ccr, int res_eng)
604 {
605     int pf_residual;     /* square of postfiltered residual */
606     int64_t temp1, temp2;
607
608     ppf->index = lag;
609
610     temp1 = tgt_eng * res_eng >> 1;
611     temp2 = ccr * ccr << 1;
612
613     if (temp2 > temp1) {
614         if (ccr >= res_eng) {
615             ppf->opt_gain = ppf_gain_weight[cur_rate];
616         } else {
617             ppf->opt_gain = (ccr << 15) / res_eng *
618                             ppf_gain_weight[cur_rate] >> 15;
619         }
620         /* pf_res^2 = tgt_eng + 2*ccr*gain + res_eng*gain^2 */
621         temp1       = (tgt_eng << 15) + (ccr * ppf->opt_gain << 1);
622         temp2       = (ppf->opt_gain * ppf->opt_gain >> 15) * res_eng;
623         pf_residual = av_clipl_int32(temp1 + temp2 + (1 << 15)) >> 16;
624
625         if (tgt_eng >= pf_residual << 1) {
626             temp1 = 0x7fff;
627         } else {
628             temp1 = (tgt_eng << 14) / pf_residual;
629         }
630
631         /* scaling_gain = sqrt(tgt_eng/pf_res^2) */
632         ppf->sc_gain = square_root(temp1 << 16);
633     } else {
634         ppf->opt_gain = 0;
635         ppf->sc_gain  = 0x7fff;
636     }
637
638     ppf->opt_gain = av_clip_int16(ppf->opt_gain * ppf->sc_gain >> 15);
639 }
640
641 /**
642  * Calculate pitch postfilter parameters.
643  *
644  * @param p         the context
645  * @param offset    offset of the excitation vector
646  * @param pitch_lag decoded pitch lag
647  * @param ppf       pitch postfilter parameters
648  * @param cur_rate  current bitrate
649  */
650 static void comp_ppf_coeff(G723_1_Context *p, int offset, int pitch_lag,
651                            PPFParam *ppf, Rate cur_rate)
652 {
653
654     int16_t scale;
655     int i;
656     int64_t temp1, temp2;
657
658     /*
659      * 0 - target energy
660      * 1 - forward cross-correlation
661      * 2 - forward residual energy
662      * 3 - backward cross-correlation
663      * 4 - backward residual energy
664      */
665     int energy[5] = {0, 0, 0, 0, 0};
666     int16_t *buf  = p->excitation + offset;
667     int fwd_lag   = autocorr_max(p, offset, &energy[1], pitch_lag,
668                                  SUBFRAME_LEN, 1);
669     int back_lag  = autocorr_max(p, offset, &energy[3], pitch_lag,
670                                  SUBFRAME_LEN, -1);
671
672     ppf->index    = 0;
673     ppf->opt_gain = 0;
674     ppf->sc_gain  = 0x7fff;
675
676     /* Case 0, Section 3.6 */
677     if (!back_lag && !fwd_lag)
678         return;
679
680     /* Compute target energy */
681     energy[0] = ff_dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN)<<1;
682
683     /* Compute forward residual energy */
684     if (fwd_lag)
685         energy[2] = ff_dot_product(buf + fwd_lag, buf + fwd_lag,
686                                    SUBFRAME_LEN)<<1;
687
688     /* Compute backward residual energy */
689     if (back_lag)
690         energy[4] = ff_dot_product(buf - back_lag, buf - back_lag,
691                                    SUBFRAME_LEN)<<1;
692
693     /* Normalize and shorten */
694     temp1 = 0;
695     for (i = 0; i < 5; i++)
696         temp1 = FFMAX(energy[i], temp1);
697
698     scale = normalize_bits(temp1, 1);
699     for (i = 0; i < 5; i++)
700         energy[i] = av_clipl_int32(energy[i] << scale) >> 16;
701
702     if (fwd_lag && !back_lag) {  /* Case 1 */
703         comp_ppf_gains(fwd_lag,  ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
704                        energy[2]);
705     } else if (!fwd_lag) {       /* Case 2 */
706         comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
707                        energy[4]);
708     } else {                     /* Case 3 */
709
710         /*
711          * Select the largest of energy[1]^2/energy[2]
712          * and energy[3]^2/energy[4]
713          */
714         temp1 = energy[4] * ((energy[1] * energy[1] + (1 << 14)) >> 15);
715         temp2 = energy[2] * ((energy[3] * energy[3] + (1 << 14)) >> 15);
716         if (temp1 >= temp2) {
717             comp_ppf_gains(fwd_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[1],
718                            energy[2]);
719         } else {
720             comp_ppf_gains(-back_lag, ppf, cur_rate, energy[0], energy[3],
721                            energy[4]);
722         }
723     }
724 }
725
726 /**
727  * Classify frames as voiced/unvoiced.
728  *
729  * @param p         the context
730  * @param pitch_lag decoded pitch_lag
731  * @param exc_eng   excitation energy estimation
732  * @param scale     scaling factor of exc_eng
733  *
734  * @return residual interpolation index if voiced, 0 otherwise
735  */
736 static int comp_interp_index(G723_1_Context *p, int pitch_lag,
737                              int *exc_eng, int *scale)
738 {
739     int offset = PITCH_MAX + 2 * SUBFRAME_LEN;
740     int16_t *buf = p->excitation + offset;
741
742     int index, ccr, tgt_eng, best_eng, temp;
743
744     *scale = scale_vector(p->excitation, FRAME_LEN + PITCH_MAX);
745
746     /* Compute maximum backward cross-correlation */
747     ccr   = 0;
748     index = autocorr_max(p, offset, &ccr, pitch_lag, SUBFRAME_LEN * 2, -1);
749     ccr   = av_clipl_int32((int64_t)ccr + (1 << 15)) >> 16;
750
751     /* Compute target energy */
752     tgt_eng  = ff_dot_product(buf, buf, SUBFRAME_LEN * 2)<<1;
753     *exc_eng = av_clipl_int32(tgt_eng + (1 << 15)) >> 16;
754
755     if (ccr <= 0)
756         return 0;
757
758     /* Compute best energy */
759     best_eng = ff_dot_product(buf - index, buf - index,
760                               SUBFRAME_LEN * 2)<<1;
761     best_eng = av_clipl_int32((int64_t)best_eng + (1 << 15)) >> 16;
762
763     temp = best_eng * *exc_eng >> 3;
764
765     if (temp < ccr * ccr) {
766         return index;
767     } else
768         return 0;
769 }
770
771 /**
772  * Peform residual interpolation based on frame classification.
773  *
774  * @param buf   decoded excitation vector
775  * @param out   output vector
776  * @param lag   decoded pitch lag
777  * @param gain  interpolated gain
778  * @param rseed seed for random number generator
779  */
780 static void residual_interp(int16_t *buf, int16_t *out, int lag,
781                             int gain, int *rseed)
782 {
783     int i;
784     if (lag) { /* Voiced */
785         int16_t *vector_ptr = buf + PITCH_MAX;
786         /* Attenuate */
787         for (i = 0; i < lag; i++)
788             vector_ptr[i - lag] = vector_ptr[i - lag] * 3 >> 2;
789         av_memcpy_backptr((uint8_t*)vector_ptr, lag * sizeof(int16_t),
790                           FRAME_LEN * sizeof(int16_t));
791         memcpy(out, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(int16_t));
792     } else {  /* Unvoiced */
793         for (i = 0; i < FRAME_LEN; i++) {
794             *rseed = *rseed * 521 + 259;
795             out[i] = gain * *rseed >> 15;
796         }
797         memset(buf, 0, (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(int16_t));
798     }
799 }
800
801 /**
802  * Perform IIR filtering.
803  *
804  * @param fir_coef FIR coefficients
805  * @param iir_coef IIR coefficients
806  * @param src      source vector
807  * @param dest     destination vector
808  * @param width    width of the output, 16 bits(0) / 32 bits(1)
809  */
810 #define iir_filter(fir_coef, iir_coef, src, dest, width)\
811 {\
812     int m, n;\
813     int res_shift = 16 & ~-(width);\
814     int in_shift  = 16 - res_shift;\
815 \
816     for (m = 0; m < SUBFRAME_LEN; m++) {\
817         int64_t filter = 0;\
818         for (n = 1; n <= LPC_ORDER; n++) {\
819             filter -= (fir_coef)[n - 1] * (src)[m - n] -\
820                       (iir_coef)[n - 1] * ((dest)[m - n] >> in_shift);\
821         }\
822 \
823         (dest)[m] = av_clipl_int32(((src)[m] << 16) + (filter << 3) +\
824                                    (1 << 15)) >> res_shift;\
825     }\
826 }
827
828 /**
829  * Adjust gain of postfiltered signal.
830  *
831  * @param p      the context
832  * @param buf    postfiltered output vector
833  * @param energy input energy coefficient
834  */
835 static void gain_scale(G723_1_Context *p, int16_t * buf, int energy)
836 {
837     int num, denom, gain, bits1, bits2;
838     int i;
839
840     num   = energy;
841     denom = 0;
842     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
843         int64_t temp = buf[i] >> 2;
844         temp  = av_clipl_int32(MUL64(temp, temp) << 1);
845         denom = av_clipl_int32(denom + temp);
846     }
847
848     if (num && denom) {
849         bits1   = normalize_bits(num, 1);
850         bits2   = normalize_bits(denom, 1);
851         num     = num << bits1 >> 1;
852         denom <<= bits2;
853
854         bits2 = 5 + bits1 - bits2;
855         bits2 = FFMAX(0, bits2);
856
857         gain = (num >> 1) / (denom >> 16);
858         gain = square_root(gain << 16 >> bits2);
859     } else {
860         gain = 1 << 12;
861     }
862
863     for (i = 0; i < SUBFRAME_LEN; i++) {
864         p->pf_gain = ((p->pf_gain << 4) - p->pf_gain + gain + (1 << 3)) >> 4;
865         buf[i]     = av_clip_int16((buf[i] * (p->pf_gain + (p->pf_gain >> 4)) +
866                                    (1 << 10)) >> 11);
867     }
868 }
869
870 /**
871  * Perform formant filtering.
872  *
873  * @param p   the context
874  * @param lpc quantized lpc coefficients
875  * @param buf output buffer
876  */
877 static void formant_postfilter(G723_1_Context *p, int16_t *lpc, int16_t *buf)
878 {
879     int16_t filter_coef[2][LPC_ORDER], *buf_ptr;
880     int filter_signal[LPC_ORDER + FRAME_LEN], *signal_ptr;
881     int i, j, k;
882
883     memcpy(buf, p->fir_mem, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
884     memcpy(filter_signal, p->iir_mem, LPC_ORDER * sizeof(int));
885
886     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++) {
887         for (k = 0; k < LPC_ORDER; k++) {
888             filter_coef[0][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[0][k] +
889                                  (1 << 14)) >> 15;
890             filter_coef[1][k] = (-lpc[k] * postfilter_tbl[1][k] +
891                                  (1 << 14)) >> 15;
892         }
893         iir_filter(filter_coef[0], filter_coef[1], buf + i,
894                    filter_signal + i, 1);
895     }
896
897     memcpy(p->fir_mem, buf + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
898     memcpy(p->iir_mem, filter_signal + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(int));
899
900     buf_ptr    = buf + LPC_ORDER;
901     signal_ptr = filter_signal + LPC_ORDER;
902     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
903         int16_t temp_vector[SUBFRAME_LEN];
904         int16_t temp;
905         int auto_corr[2];
906         int scale, energy;
907
908         /* Normalize */
909         memcpy(temp_vector, buf_ptr, SUBFRAME_LEN * sizeof(int16_t));
910         scale = scale_vector(temp_vector, SUBFRAME_LEN);
911
912         /* Compute auto correlation coefficients */
913         auto_corr[0] = ff_dot_product(temp_vector, temp_vector + 1,
914                                       SUBFRAME_LEN - 1)<<1;
915         auto_corr[1] = ff_dot_product(temp_vector, temp_vector,
916                                       SUBFRAME_LEN)<<1;
917
918         /* Compute reflection coefficient */
919         temp = auto_corr[1] >> 16;
920         if (temp) {
921             temp = (auto_corr[0] >> 2) / temp;
922         }
923         p->reflection_coef = ((p->reflection_coef << 2) - p->reflection_coef +
924                               temp + 2) >> 2;
925         temp = (p->reflection_coef * 0xffffc >> 3) & 0xfffc;
926
927         /* Compensation filter */
928         for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
929             buf_ptr[j] = av_clipl_int32(signal_ptr[j] +
930                                         ((signal_ptr[j - 1] >> 16) *
931                                          temp << 1)) >> 16;
932         }
933
934         /* Compute normalized signal energy */
935         temp = 2 * scale + 4;
936         if (temp < 0) {
937             energy = av_clipl_int32((int64_t)auto_corr[1] << -temp);
938         } else
939             energy = auto_corr[1] >> temp;
940
941         gain_scale(p, buf_ptr, energy);
942
943         buf_ptr    += SUBFRAME_LEN;
944         signal_ptr += SUBFRAME_LEN;
945     }
946 }
947
948 static int g723_1_decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data,
949                                int *data_size, AVPacket *avpkt)
950 {
951     G723_1_Context *p  = avctx->priv_data;
952     const uint8_t *buf = avpkt->data;
953     int buf_size       = avpkt->size;
954     int16_t *out       = data;
955     int dec_mode       = buf[0] & 3;
956
957     PPFParam ppf[SUBFRAMES];
958     int16_t cur_lsp[LPC_ORDER];
959     int16_t lpc[SUBFRAMES * LPC_ORDER];
960     int16_t acb_vector[SUBFRAME_LEN];
961     int16_t *vector_ptr;
962     int bad_frame = 0, i, j;
963
964     if (!buf_size || buf_size < frame_size[dec_mode]) {
965         *data_size = 0;
966         return buf_size;
967     }
968
969     if (unpack_bitstream(p, buf, buf_size) < 0) {
970         bad_frame         = 1;
971         p->cur_frame_type = p->past_frame_type == ActiveFrame ?
972                             ActiveFrame : UntransmittedFrame;
973     }
974
975     *data_size = FRAME_LEN * sizeof(int16_t);
976     if(p->cur_frame_type == ActiveFrame) {
977         if (!bad_frame) {
978             p->erased_frames = 0;
979         } else if(p->erased_frames != 3)
980             p->erased_frames++;
981
982         inverse_quant(cur_lsp, p->prev_lsp, p->lsp_index, bad_frame);
983         lsp_interpolate(lpc, cur_lsp, p->prev_lsp);
984
985         /* Save the lsp_vector for the next frame */
986         memcpy(p->prev_lsp, cur_lsp, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
987
988         /* Generate the excitation for the frame */
989         memcpy(p->excitation, p->prev_excitation, PITCH_MAX * sizeof(int16_t));
990         vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
991         if (!p->erased_frames) {
992             /* Update interpolation gain memory */
993             p->interp_gain = fixed_cb_gain[(p->subframe[2].amp_index +
994                                             p->subframe[3].amp_index) >> 1];
995             for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++) {
996                 gen_fcb_excitation(vector_ptr, p->subframe[i], p->cur_rate,
997                                    p->pitch_lag[i >> 1], i);
998                 gen_acb_excitation(acb_vector, &p->excitation[SUBFRAME_LEN * i],
999                                    p->pitch_lag[i >> 1], p->subframe[i],
1000                                    p->cur_rate);
1001                 /* Get the total excitation */
1002                 for (j = 0; j < SUBFRAME_LEN; j++) {
1003                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] << 1);
1004                     vector_ptr[j] = av_clip_int16(vector_ptr[j] +
1005                                                   acb_vector[j]);
1006                 }
1007                 vector_ptr += SUBFRAME_LEN;
1008             }
1009
1010             vector_ptr = p->excitation + PITCH_MAX;
1011
1012             /* Save the excitation */
1013             memcpy(out, vector_ptr, FRAME_LEN * sizeof(int16_t));
1014
1015             p->interp_index = comp_interp_index(p, p->pitch_lag[1],
1016                                                 &p->sid_gain, &p->cur_gain);
1017
1018             for (i = PITCH_MAX, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1019                 comp_ppf_coeff(p, i, p->pitch_lag[j >> 1],
1020                                ppf + j, p->cur_rate);
1021
1022             /* Restore the original excitation */
1023             memcpy(p->excitation, p->prev_excitation,
1024                    PITCH_MAX * sizeof(int16_t));
1025             memcpy(vector_ptr, out, FRAME_LEN * sizeof(int16_t));
1026
1027             /* Peform pitch postfiltering */
1028             for (i = 0, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1029                 ff_acelp_weighted_vector_sum(out + LPC_ORDER + i, vector_ptr + i,
1030                                              vector_ptr + i + ppf[j].index,
1031                                              ppf[j].sc_gain, ppf[j].opt_gain,
1032                                              1 << 14, 15, SUBFRAME_LEN);
1033         } else {
1034             p->interp_gain = (p->interp_gain * 3 + 2) >> 2;
1035             if (p->erased_frames == 3) {
1036                 /* Mute output */
1037                 memset(p->excitation, 0,
1038                        (FRAME_LEN + PITCH_MAX) * sizeof(int16_t));
1039                 memset(out, 0, (FRAME_LEN + LPC_ORDER) * sizeof(int16_t));
1040             } else {
1041                 /* Regenerate frame */
1042                 residual_interp(p->excitation, out + LPC_ORDER, p->interp_index,
1043                                 p->interp_gain, &p->random_seed);
1044             }
1045         }
1046         /* Save the excitation for the next frame */
1047         memcpy(p->prev_excitation, p->excitation + FRAME_LEN,
1048                PITCH_MAX * sizeof(int16_t));
1049     } else {
1050         memset(out, 0, *data_size);
1051         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
1052                "G.723.1: Comfort noise generation not supported yet\n");
1053         return frame_size[dec_mode];
1054     }
1055
1056     p->past_frame_type = p->cur_frame_type;
1057
1058     memcpy(out, p->synth_mem, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
1059     for (i = LPC_ORDER, j = 0; j < SUBFRAMES; i += SUBFRAME_LEN, j++)
1060         ff_celp_lp_synthesis_filter(out + i, &lpc[j * LPC_ORDER],
1061                                     out + i, SUBFRAME_LEN, LPC_ORDER,
1062                                     0, 1, 1 << 12);
1063     memcpy(p->synth_mem, out + FRAME_LEN, LPC_ORDER * sizeof(int16_t));
1064
1065     formant_postfilter(p, lpc, out);
1066
1067     memmove(out, out + LPC_ORDER, *data_size);
1068
1069     return frame_size[dec_mode];
1070 }
1071
1072 AVCodec ff_g723_1_decoder = {
1073     .name           = "g723_1",
1074     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1075     .id             = CODEC_ID_G723_1,
1076     .priv_data_size = sizeof(G723_1_Context),
1077     .init           = g723_1_decode_init,
1078     .decode         = g723_1_decode_frame,
1079     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.723.1"),
1080     .capabilities   = CODEC_CAP_SUBFRAMES,
1081 };