Sharing of the twiddles across multiple FFTs
[opus.git] / libcelt / mdct.c
1 /* Copyright (c) 2007-2008 CSIRO
2    Copyright (c) 2007-2008 Xiph.Org Foundation
3    Written by Jean-Marc Valin */
4 /*
5    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6    modification, are permitted provided that the following conditions
7    are met:
8    
9    - Redistributions of source code must retain the above copyright
10    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11    
12    - Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
13    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
14    documentation and/or other materials provided with the distribution.
15    
16    - Neither the name of the Xiph.org Foundation nor the names of its
17    contributors may be used to endorse or promote products derived from
18    this software without specific prior written permission.
19    
20    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
21    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
22    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
23    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE FOUNDATION OR
24    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
25    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
26    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
27    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
28    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
29    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
30    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
31 */
32
33 /* This is a simple MDCT implementation that uses a N/4 complex FFT
34    to do most of the work. It should be relatively straightforward to
35    plug in pretty much and FFT here.
36    
37    This replaces the Vorbis FFT (and uses the exact same API), which 
38    was a bit too messy and that was ending up duplicating code 
39    (might as well use the same FFT everywhere).
40    
41    The algorithm is similar to (and inspired from) Fabrice Bellard's
42    MDCT implementation in FFMPEG, but has differences in signs, ordering
43    and scaling in many places. 
44 */
45
46 #ifdef HAVE_CONFIG_H
47 #include "config.h"
48 #endif
49
50 #include "mdct.h"
51 #include "kfft_double.h"
52 #include <math.h>
53 #include "os_support.h"
54 #include "mathops.h"
55 #include "stack_alloc.h"
56
57 #ifndef M_PI
58 #define M_PI 3.141592653
59 #endif
60
61 void clt_mdct_init(mdct_lookup *l,int N, int maxshift)
62 {
63    int i;
64    int N2, N4;
65    l->n = N;
66    N2 = N>>1;
67    N4 = N>>2;
68    l->kfft = celt_alloc(sizeof(kiss_fft_cfg)*(maxshift+1));
69    l->maxshift = maxshift;
70    for (i=0;i<=maxshift;i++)
71    {
72       if (i==0)
73          l->kfft[i] = cpx32_fft_alloc(N>>2>>i);
74       else
75          l->kfft[i] = cpx32_fft_alloc_twiddles(N>>2>>i, l->kfft[0]);
76 #ifndef ENABLE_TI_DSPLIB55
77       if (l->kfft[i]==NULL)
78          return;
79 #endif
80    }
81    l->trig = (kiss_twiddle_scalar*)celt_alloc((N4+1)*sizeof(kiss_twiddle_scalar));
82    if (l->trig==NULL)
83      return;
84    /* We have enough points that sine isn't necessary */
85 #if defined(FIXED_POINT)
86 #if defined(DOUBLE_PRECISION) & !defined(MIXED_PRECISION)
87    for (i=0;i<=N4;i++)
88       l->trig[i] = SAMP_MAX*cos(2*M_PI*i/N);
89 #else
90    for (i=0;i<=N4;i++)
91       l->trig[i] = TRIG_UPSCALE*celt_cos_norm(DIV32(ADD32(SHL32(EXTEND32(i),17),N2),N));
92 #endif
93 #else
94    for (i=0;i<=N4;i++)
95       l->trig[i] = cos(2*M_PI*i/N);
96 #endif
97 }
98
99 void clt_mdct_clear(mdct_lookup *l)
100 {
101    int i;
102    for (i=0;i<=l->maxshift;i++)
103       cpx32_fft_free(l->kfft[i]);
104    celt_free(l->kfft);
105    celt_free(l->trig);
106 }
107
108 void clt_mdct_forward(const mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar * restrict out, const celt_word16 *window, int overlap, int shift)
109 {
110    int i;
111    int N, N2, N4;
112    kiss_twiddle_scalar sine;
113    VARDECL(kiss_fft_scalar, f);
114    SAVE_STACK;
115    N = l->n;
116    N >>= shift;
117    N2 = N>>1;
118    N4 = N>>2;
119    ALLOC(f, N2, kiss_fft_scalar);
120    /* sin(x) ~= x here */
121 #ifdef FIXED_POINT
122    sine = TRIG_UPSCALE*(QCONST16(0.7853981f, 15)+N2)/N;
123 #else
124    sine = 2*M_PI*(.125f)/N;
125 #endif
126
127    /* Consider the input to be composed of four blocks: [a, b, c, d] */
128    /* Window, shuffle, fold */
129    {
130       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
131       const kiss_fft_scalar * restrict xp1 = in+(overlap>>1);
132       const kiss_fft_scalar * restrict xp2 = in+N2-1+(overlap>>1);
133       kiss_fft_scalar * restrict yp = out;
134       const celt_word16 * restrict wp1 = window+(overlap>>1);
135       const celt_word16 * restrict wp2 = window+(overlap>>1)-1;
136       for(i=0;i<(overlap>>2);i++)
137       {
138          /* Real part arranged as -d-cR, Imag part arranged as -b+aR*/
139          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp2, xp1[N2]) + MULT16_32_Q15(*wp1,*xp2);
140          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp1, *xp1)    - MULT16_32_Q15(*wp2, xp2[-N2]);
141          xp1+=2;
142          xp2-=2;
143          wp1+=2;
144          wp2-=2;
145       }
146       wp1 = window;
147       wp2 = window+overlap-1;
148       for(;i<N4-(overlap>>2);i++)
149       {
150          /* Real part arranged as a-bR, Imag part arranged as -c-dR */
151          *yp++ = *xp2;
152          *yp++ = *xp1;
153          xp1+=2;
154          xp2-=2;
155       }
156       for(;i<N4;i++)
157       {
158          /* Real part arranged as a-bR, Imag part arranged as -c-dR */
159          *yp++ =  -MULT16_32_Q15(*wp1, xp1[-N2]) + MULT16_32_Q15(*wp2, *xp2);
160          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp2, *xp1)     + MULT16_32_Q15(*wp1, xp2[N2]);
161          xp1+=2;
162          xp2-=2;
163          wp1+=2;
164          wp2-=2;
165       }
166    }
167    /* Pre-rotation */
168    {
169       kiss_fft_scalar * restrict yp = out;
170       kiss_fft_scalar *t = &l->trig[0];
171       for(i=0;i<N4;i++)
172       {
173          kiss_fft_scalar re, im, yr, yi;
174          re = yp[0];
175          im = yp[1];
176          yr = -S_MUL(re,t[i<<shift])  -  S_MUL(im,t[(N4-i)<<shift]);
177          yi = -S_MUL(im,t[i<<shift])  +  S_MUL(re,t[(N4-i)<<shift]);
178          /* works because the cos is nearly one */
179          *yp++ = yr + S_MUL(yi,sine);
180          *yp++ = yi - S_MUL(yr,sine);
181       }
182    }
183
184    /* N/4 complex FFT, down-scales by 4/N */
185    cpx32_fft(l->kfft[shift], out, f, N4);
186
187    /* Post-rotate */
188    {
189       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
190       const kiss_fft_scalar * restrict fp = f;
191       kiss_fft_scalar * restrict yp1 = out;
192       kiss_fft_scalar * restrict yp2 = out+N2-1;
193       kiss_fft_scalar *t = &l->trig[0];
194       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
195       for(i=0;i<N4;i++)
196       {
197          kiss_fft_scalar yr, yi;
198          yr = S_MUL(fp[1],t[(N4-i)<<shift]) + S_MUL(fp[0],t[i<<shift]);
199          yi = S_MUL(fp[0],t[(N4-i)<<shift]) - S_MUL(fp[1],t[i<<shift]);
200          /* works because the cos is nearly one */
201          *yp1 = yr - S_MUL(yi,sine);
202          *yp2 = yi + S_MUL(yr,sine);;
203          fp += 2;
204          yp1 += 2;
205          yp2 -= 2;
206       }
207    }
208    RESTORE_STACK;
209 }
210
211
212 void clt_mdct_backward(const mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar * restrict out, const celt_word16 * restrict window, int overlap, int shift)
213 {
214    int i;
215    int N, N2, N4;
216    kiss_twiddle_scalar sine;
217    VARDECL(kiss_fft_scalar, f);
218    VARDECL(kiss_fft_scalar, f2);
219    SAVE_STACK;
220    N = l->n;
221    N >>= shift;
222    N2 = N>>1;
223    N4 = N>>2;
224    ALLOC(f, N2, kiss_fft_scalar);
225    ALLOC(f2, N2, kiss_fft_scalar);
226    /* sin(x) ~= x here */
227 #ifdef FIXED_POINT
228    sine = TRIG_UPSCALE*(QCONST16(0.7853981f, 15)+N2)/N;
229 #else
230    sine = 2*M_PI*(.125f)/N;
231 #endif
232    
233    /* Pre-rotate */
234    {
235       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
236       const kiss_fft_scalar * restrict xp1 = in;
237       const kiss_fft_scalar * restrict xp2 = in+N2-1;
238       kiss_fft_scalar * restrict yp = f2;
239       kiss_fft_scalar *t = &l->trig[0];
240       for(i=0;i<N4;i++) 
241       {
242          kiss_fft_scalar yr, yi;
243          yr = -S_MUL(*xp2, t[i<<shift]) + S_MUL(*xp1,t[(N4-i)<<shift]);
244          yi =  -S_MUL(*xp2, t[(N4-i)<<shift]) - S_MUL(*xp1,t[i<<shift]);
245          /* works because the cos is nearly one */
246          *yp++ = yr - S_MUL(yi,sine);
247          *yp++ = yi + S_MUL(yr,sine);
248          xp1+=2;
249          xp2-=2;
250       }
251    }
252
253    /* Inverse N/4 complex FFT. This one should *not* downscale even in fixed-point */
254    cpx32_ifft(l->kfft[shift], f2, f, N4);
255    
256    /* Post-rotate */
257    {
258       kiss_fft_scalar * restrict fp = f;
259       kiss_fft_scalar *t = &l->trig[0];
260
261       for(i=0;i<N4;i++)
262       {
263          kiss_fft_scalar re, im, yr, yi;
264          re = fp[0];
265          im = fp[1];
266          /* We'd scale up by 2 here, but instead it's done when mixing the windows */
267          yr = S_MUL(re,t[i<<shift]) - S_MUL(im,t[(N4-i)<<shift]);
268          yi = S_MUL(im,t[i<<shift]) + S_MUL(re,t[(N4-i)<<shift]);
269          /* works because the cos is nearly one */
270          *fp++ = yr - S_MUL(yi,sine);
271          *fp++ = yi + S_MUL(yr,sine);
272       }
273    }
274    /* De-shuffle the components for the middle of the window only */
275    {
276       const kiss_fft_scalar * restrict fp1 = f;
277       const kiss_fft_scalar * restrict fp2 = f+N2-1;
278       kiss_fft_scalar * restrict yp = f2;
279       for(i = 0; i < N4; i++)
280       {
281          *yp++ =-*fp1;
282          *yp++ = *fp2;
283          fp1 += 2;
284          fp2 -= 2;
285       }
286    }
287
288    /* Mirror on both sides for TDAC */
289    {
290       kiss_fft_scalar * restrict fp1 = f2+N4-1;
291       kiss_fft_scalar * restrict xp1 = out+N2-1;
292       kiss_fft_scalar * restrict yp1 = out+N4-overlap/2;
293       const celt_word16 * restrict wp1 = window;
294       const celt_word16 * restrict wp2 = window+overlap-1;
295       for(i = 0; i< N4-overlap/2; i++)
296       {
297          *xp1 = *fp1;
298          xp1--;
299          fp1--;
300       }
301       for(; i < N4; i++)
302       {
303          kiss_fft_scalar x1;
304          x1 = *fp1--;
305          *yp1++ +=-MULT16_32_Q15(*wp1, x1);
306          *xp1-- += MULT16_32_Q15(*wp2, x1);
307          wp1++;
308          wp2--;
309       }
310    }
311    {
312       kiss_fft_scalar * restrict fp2 = f2+N4;
313       kiss_fft_scalar * restrict xp2 = out+N2;
314       kiss_fft_scalar * restrict yp2 = out+N-1-(N4-overlap/2);
315       const celt_word16 * restrict wp1 = window;
316       const celt_word16 * restrict wp2 = window+overlap-1;
317       for(i = 0; i< N4-overlap/2; i++)
318       {
319          *xp2 = *fp2;
320          xp2++;
321          fp2++;
322       }
323       for(; i < N4; i++)
324       {
325          kiss_fft_scalar x2;
326          x2 = *fp2++;
327          *yp2--  = MULT16_32_Q15(*wp1, x2);
328          *xp2++  = MULT16_32_Q15(*wp2, x2);
329          wp1++;
330          wp2--;
331       }
332    }
333    RESTORE_STACK;
334 }
335
336