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[opus.git] / silk / silk_PLC.c
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26 ***********************************************************************/
27
28 #ifdef HAVE_CONFIG_H
29 #include "config.h"
30 #endif
31
32 #include "silk_main.h"
33 #include "silk_PLC.h"
34
35 #define NB_ATT 2
36 static const opus_int16 HARM_ATT_Q15[NB_ATT]              = { 32440, 31130 }; /* 0.99, 0.95 */
37 static const opus_int16 PLC_RAND_ATTENUATE_V_Q15[NB_ATT]  = { 31130, 26214 }; /* 0.95, 0.8 */
38 static const opus_int16 PLC_RAND_ATTENUATE_UV_Q15[NB_ATT] = { 32440, 29491 }; /* 0.99, 0.9 */
39
40 void silk_PLC_Reset(
41     silk_decoder_state      *psDec              /* I/O Decoder state        */
42 )
43 {
44     psDec->sPLC.pitchL_Q8 = SKP_RSHIFT( psDec->frame_length, 1 );
45 }
46
47 void silk_PLC(
48     silk_decoder_state          *psDec,             /* I Decoder state          */
49     silk_decoder_control        *psDecCtrl,         /* I Decoder control        */
50     opus_int16                   frame[],            /* O Concealed signal       */
51     opus_int                     length,             /* I length of residual     */
52     opus_int                     lost                /* I Loss flag              */
53 )
54 {
55     /* PLC control function */
56     if( psDec->fs_kHz != psDec->sPLC.fs_kHz ) {
57         silk_PLC_Reset( psDec );
58         psDec->sPLC.fs_kHz = psDec->fs_kHz;
59     }
60
61     if( lost ) {
62         /****************************/
63         /* Generate Signal          */
64         /****************************/
65         silk_PLC_conceal( psDec, psDecCtrl, frame, length );
66
67         psDec->lossCnt++;
68     } else {
69         /****************************/
70         /* Update state             */
71         /****************************/
72         silk_PLC_update( psDec, psDecCtrl, frame, length );
73     }
74 }
75
76 /**************************************************/
77 /* Update state of PLC                            */
78 /**************************************************/
79 void silk_PLC_update(
80     silk_decoder_state          *psDec,             /* (I/O) Decoder state          */
81     silk_decoder_control        *psDecCtrl,         /* (I/O) Decoder control        */
82     opus_int16                   frame[],
83     opus_int                     length
84 )
85 {
86     opus_int32 LTP_Gain_Q14, temp_LTP_Gain_Q14;
87     opus_int   i, j;
88     silk_PLC_struct *psPLC;
89
90     psPLC = &psDec->sPLC;
91
92     /* Update parameters used in case of packet loss */
93     psDec->prevSignalType = psDec->indices.signalType;
94     LTP_Gain_Q14 = 0;
95     if( psDec->indices.signalType == TYPE_VOICED ) {
96         /* Find the parameters for the last subframe which contains a pitch pulse */
97         for( j = 0; j * psDec->subfr_length < psDecCtrl->pitchL[ psDec->nb_subfr - 1 ]; j++ ) {
98             if( j == psDec->nb_subfr ){
99                 break;
100             }
101             temp_LTP_Gain_Q14 = 0;
102             for( i = 0; i < LTP_ORDER; i++ ) {
103                 temp_LTP_Gain_Q14 += psDecCtrl->LTPCoef_Q14[ ( psDec->nb_subfr - 1 - j ) * LTP_ORDER  + i ];
104             }
105             if( temp_LTP_Gain_Q14 > LTP_Gain_Q14 ) {
106                 LTP_Gain_Q14 = temp_LTP_Gain_Q14;
107                 SKP_memcpy( psPLC->LTPCoef_Q14,
108                     &psDecCtrl->LTPCoef_Q14[ SKP_SMULBB( psDec->nb_subfr - 1 - j, LTP_ORDER ) ],
109                     LTP_ORDER * sizeof( opus_int16 ) );
110
111                 psPLC->pitchL_Q8 = SKP_LSHIFT( psDecCtrl->pitchL[ psDec->nb_subfr - 1 - j ], 8 );
112             }
113         }
114
115 #if USE_SINGLE_TAP
116         SKP_memset( psPLC->LTPCoef_Q14, 0, LTP_ORDER * sizeof( opus_int16 ) );
117         psPLC->LTPCoef_Q14[ LTP_ORDER / 2 ] = LTP_Gain_Q14;
118 #endif
119
120         /* Limit LT coefs */
121         if( LTP_Gain_Q14 < V_PITCH_GAIN_START_MIN_Q14 ) {
122             opus_int   scale_Q10;
123             opus_int32 tmp;
124
125             tmp = SKP_LSHIFT( V_PITCH_GAIN_START_MIN_Q14, 10 );
126             scale_Q10 = SKP_DIV32( tmp, SKP_max( LTP_Gain_Q14, 1 ) );
127             for( i = 0; i < LTP_ORDER; i++ ) {
128                 psPLC->LTPCoef_Q14[ i ] = SKP_RSHIFT( SKP_SMULBB( psPLC->LTPCoef_Q14[ i ], scale_Q10 ), 10 );
129             }
130         } else if( LTP_Gain_Q14 > V_PITCH_GAIN_START_MAX_Q14 ) {
131             opus_int   scale_Q14;
132             opus_int32 tmp;
133
134             tmp = SKP_LSHIFT( V_PITCH_GAIN_START_MAX_Q14, 14 );
135             scale_Q14 = SKP_DIV32( tmp, SKP_max( LTP_Gain_Q14, 1 ) );
136             for( i = 0; i < LTP_ORDER; i++ ) {
137                 psPLC->LTPCoef_Q14[ i ] = SKP_RSHIFT( SKP_SMULBB( psPLC->LTPCoef_Q14[ i ], scale_Q14 ), 14 );
138             }
139         }
140     } else {
141         psPLC->pitchL_Q8 = SKP_LSHIFT( SKP_SMULBB( psDec->fs_kHz, 18 ), 8 );
142         SKP_memset( psPLC->LTPCoef_Q14, 0, LTP_ORDER * sizeof( opus_int16 ));
143     }
144
145     /* Save LPC coeficients */
146     SKP_memcpy( psPLC->prevLPC_Q12, psDecCtrl->PredCoef_Q12[ 1 ], psDec->LPC_order * sizeof( opus_int16 ) );
147     psPLC->prevLTP_scale_Q14 = psDecCtrl->LTP_scale_Q14;
148
149     /* Save Gains */
150     SKP_memcpy( psPLC->prevGain_Q16, psDecCtrl->Gains_Q16, psDec->nb_subfr * sizeof( opus_int32 ) );
151 }
152
153 void silk_PLC_conceal(
154     silk_decoder_state          *psDec,             /* I/O Decoder state */
155     silk_decoder_control        *psDecCtrl,         /* I/O Decoder control */
156     opus_int16                   frame[],            /* O concealed signal */
157     opus_int                     length              /* I length of residual */
158 )
159 {
160     opus_int   i, j, k;
161     opus_int16 *B_Q14, exc_buf[ MAX_FRAME_LENGTH ], *exc_buf_ptr;
162     opus_int16 rand_scale_Q14, A_Q12_tmp[ MAX_LPC_ORDER ];
163     opus_int32 rand_seed, harm_Gain_Q15, rand_Gain_Q15;
164     opus_int   lag, idx, sLTP_buf_idx, shift1, shift2;
165     opus_int32 energy1, energy2, *rand_ptr, *pred_lag_ptr;
166     opus_int32 sig_Q10[ MAX_FRAME_LENGTH ], *sig_Q10_ptr, LPC_exc_Q10, LPC_pred_Q10,  LTP_pred_Q14;
167     silk_PLC_struct *psPLC;
168     psPLC = &psDec->sPLC;
169
170     /* Update LTP buffer */
171     SKP_memmove( psDec->sLTP_Q16, &psDec->sLTP_Q16[ psDec->frame_length ], psDec->ltp_mem_length * sizeof( opus_int32 ) );
172
173     /* LPC concealment. Apply BWE to previous LPC */
174     silk_bwexpander( psPLC->prevLPC_Q12, psDec->LPC_order, SILK_FIX_CONST( BWE_COEF, 16 ) );
175
176     /* Find random noise component */
177     /* Scale previous excitation signal */
178     exc_buf_ptr = exc_buf;
179     /* FIXME: JMV: Is this the right fix? */
180     for (i=0;i<MAX_FRAME_LENGTH;i++)
181         exc_buf[i] = 0;
182     for( k = ( psDec->nb_subfr >> 1 ); k < psDec->nb_subfr; k++ ) {
183         for( i = 0; i < psDec->subfr_length; i++ ) {
184             exc_buf_ptr[ i ] = ( opus_int16 )SKP_RSHIFT(
185                 SKP_SMULWW( psDec->exc_Q10[ i + k * psDec->subfr_length ], psPLC->prevGain_Q16[ k ] ), 10 );
186         }
187         exc_buf_ptr += psDec->subfr_length;
188     }
189     /* Find the subframe with lowest energy of the last two and use that as random noise generator */
190     silk_sum_sqr_shift( &energy1, &shift1, exc_buf,                         psDec->subfr_length );
191     silk_sum_sqr_shift( &energy2, &shift2, &exc_buf[ psDec->subfr_length ], psDec->subfr_length );
192
193     if( SKP_RSHIFT( energy1, shift2 ) < SKP_RSHIFT( energy2, shift1 ) ) {
194         /* First sub-frame has lowest energy */
195         rand_ptr = &psDec->exc_Q10[ SKP_max_int( 0, 3 * psDec->subfr_length - RAND_BUF_SIZE ) ];
196     } else {
197         /* Second sub-frame has lowest energy */
198         rand_ptr = &psDec->exc_Q10[ SKP_max_int( 0, psDec->frame_length - RAND_BUF_SIZE ) ];
199     }
200
201     /* Setup Gain to random noise component */
202     B_Q14          = psPLC->LTPCoef_Q14;
203     rand_scale_Q14 = psPLC->randScale_Q14;
204
205     /* Setup attenuation gains */
206     harm_Gain_Q15 = HARM_ATT_Q15[ SKP_min_int( NB_ATT - 1, psDec->lossCnt ) ];
207     if( psDec->prevSignalType == TYPE_VOICED ) {
208         rand_Gain_Q15 = PLC_RAND_ATTENUATE_V_Q15[  SKP_min_int( NB_ATT - 1, psDec->lossCnt ) ];
209     } else {
210         rand_Gain_Q15 = PLC_RAND_ATTENUATE_UV_Q15[ SKP_min_int( NB_ATT - 1, psDec->lossCnt ) ];
211     }
212
213     /* First Lost frame */
214     if( psDec->lossCnt == 0 ) {
215         rand_scale_Q14 = 1 << 14;
216
217         /* Reduce random noise Gain for voiced frames */
218         if( psDec->prevSignalType == TYPE_VOICED ) {
219             for( i = 0; i < LTP_ORDER; i++ ) {
220                 rand_scale_Q14 -= B_Q14[ i ];
221             }
222             rand_scale_Q14 = SKP_max_16( 3277, rand_scale_Q14 ); /* 0.2 */
223             rand_scale_Q14 = ( opus_int16 )SKP_RSHIFT( SKP_SMULBB( rand_scale_Q14, psPLC->prevLTP_scale_Q14 ), 14 );
224         } else {
225             /* Reduce random noise for unvoiced frames with high LPC gain */
226             opus_int32 invGain_Q30, down_scale_Q30;
227
228             silk_LPC_inverse_pred_gain( &invGain_Q30, psPLC->prevLPC_Q12, psDec->LPC_order );
229
230             down_scale_Q30 = SKP_min_32( SKP_RSHIFT( 1 << 30, LOG2_INV_LPC_GAIN_HIGH_THRES ), invGain_Q30 );
231             down_scale_Q30 = SKP_max_32( SKP_RSHIFT( 1 << 30, LOG2_INV_LPC_GAIN_LOW_THRES ), down_scale_Q30 );
232             down_scale_Q30 = SKP_LSHIFT( down_scale_Q30, LOG2_INV_LPC_GAIN_HIGH_THRES );
233
234             rand_Gain_Q15 = SKP_RSHIFT( SKP_SMULWB( down_scale_Q30, rand_Gain_Q15 ), 14 );
235         }
236     }
237
238     rand_seed    = psPLC->rand_seed;
239     lag          = SKP_RSHIFT_ROUND( psPLC->pitchL_Q8, 8 );
240     sLTP_buf_idx = psDec->ltp_mem_length;
241
242     /***************************/
243     /* LTP synthesis filtering */
244     /***************************/
245     sig_Q10_ptr = sig_Q10;
246     for( k = 0; k < psDec->nb_subfr; k++ ) {
247         /* Setup pointer */
248         pred_lag_ptr = &psDec->sLTP_Q16[ sLTP_buf_idx - lag + LTP_ORDER / 2 ];
249         for( i = 0; i < psDec->subfr_length; i++ ) {
250             rand_seed = SKP_RAND( rand_seed );
251             idx = SKP_RSHIFT( rand_seed, 25 ) & RAND_BUF_MASK;
252
253             /* Unrolled loop */
254             LTP_pred_Q14 = SKP_SMULWB(               pred_lag_ptr[  0 ], B_Q14[ 0 ] );
255             LTP_pred_Q14 = SKP_SMLAWB( LTP_pred_Q14, pred_lag_ptr[ -1 ], B_Q14[ 1 ] );
256             LTP_pred_Q14 = SKP_SMLAWB( LTP_pred_Q14, pred_lag_ptr[ -2 ], B_Q14[ 2 ] );
257             LTP_pred_Q14 = SKP_SMLAWB( LTP_pred_Q14, pred_lag_ptr[ -3 ], B_Q14[ 3 ] );
258             LTP_pred_Q14 = SKP_SMLAWB( LTP_pred_Q14, pred_lag_ptr[ -4 ], B_Q14[ 4 ] );
259             pred_lag_ptr++;
260
261             /* Generate LPC residual */
262             LPC_exc_Q10 = SKP_LSHIFT( SKP_SMULWB( rand_ptr[ idx ], rand_scale_Q14 ), 2 ); /* Random noise part */
263             LPC_exc_Q10 = SKP_ADD32( LPC_exc_Q10, SKP_RSHIFT_ROUND( LTP_pred_Q14, 4 ) );  /* Harmonic part */
264
265             /* Update states */
266             psDec->sLTP_Q16[ sLTP_buf_idx ] = SKP_LSHIFT( LPC_exc_Q10, 6 );
267             sLTP_buf_idx++;
268
269             /* Save LPC residual */
270             sig_Q10_ptr[ i ] = LPC_exc_Q10;
271         }
272         sig_Q10_ptr += psDec->subfr_length;
273         /* Gradually reduce LTP gain */
274         for( j = 0; j < LTP_ORDER; j++ ) {
275             B_Q14[ j ] = SKP_RSHIFT( SKP_SMULBB( harm_Gain_Q15, B_Q14[ j ] ), 15 );
276         }
277         /* Gradually reduce excitation gain */
278         rand_scale_Q14 = SKP_RSHIFT( SKP_SMULBB( rand_scale_Q14, rand_Gain_Q15 ), 15 );
279
280         /* Slowly increase pitch lag */
281         psPLC->pitchL_Q8 += SKP_SMULWB( psPLC->pitchL_Q8, PITCH_DRIFT_FAC_Q16 );
282         psPLC->pitchL_Q8 = SKP_min_32( psPLC->pitchL_Q8, SKP_LSHIFT( SKP_SMULBB( MAX_PITCH_LAG_MS, psDec->fs_kHz ), 8 ) );
283         lag = SKP_RSHIFT_ROUND( psPLC->pitchL_Q8, 8 );
284     }
285
286     /***************************/
287     /* LPC synthesis filtering */
288     /***************************/
289     sig_Q10_ptr = sig_Q10;
290     /* Preload LPC coeficients to array on stack. Gives small performance gain */
291     SKP_memcpy( A_Q12_tmp, psPLC->prevLPC_Q12, psDec->LPC_order * sizeof( opus_int16 ) );
292     SKP_assert( psDec->LPC_order >= 10 ); /* check that unrolling works */
293     for( k = 0; k < psDec->nb_subfr; k++ ) {
294         for( i = 0; i < psDec->subfr_length; i++ ){
295             /* partly unrolled */
296             LPC_pred_Q10 = SKP_SMULWB(               psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  1 ], A_Q12_tmp[ 0 ] );
297             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  2 ], A_Q12_tmp[ 1 ] );
298             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  3 ], A_Q12_tmp[ 2 ] );
299             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  4 ], A_Q12_tmp[ 3 ] );
300             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  5 ], A_Q12_tmp[ 4 ] );
301             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  6 ], A_Q12_tmp[ 5 ] );
302             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  7 ], A_Q12_tmp[ 6 ] );
303             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  8 ], A_Q12_tmp[ 7 ] );
304             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i -  9 ], A_Q12_tmp[ 8 ] );
305             LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i - 10 ], A_Q12_tmp[ 9 ] );
306
307             for( j = 10; j < psDec->LPC_order; j++ ) {
308                 LPC_pred_Q10 = SKP_SMLAWB( LPC_pred_Q10, psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i - j - 1 ], A_Q12_tmp[ j ] );
309             }
310
311             /* Add prediction to LPC residual */
312             sig_Q10_ptr[ i ] = SKP_ADD32( sig_Q10_ptr[ i ], LPC_pred_Q10 );
313
314             /* Update states */
315             psDec->sLPC_Q14[ MAX_LPC_ORDER + i ] = SKP_LSHIFT( sig_Q10_ptr[ i ], 4 );
316         }
317         sig_Q10_ptr += psDec->subfr_length;
318         /* Update LPC filter state */
319         SKP_memcpy( psDec->sLPC_Q14, &psDec->sLPC_Q14[ psDec->subfr_length ], MAX_LPC_ORDER * sizeof( opus_int32 ) );
320     }
321
322     /* Scale with Gain */
323     for( i = 0; i < psDec->frame_length; i++ ) {
324         frame[ i ] = ( opus_int16 )SKP_SAT16( SKP_RSHIFT_ROUND( SKP_SMULWW( sig_Q10[ i ], psPLC->prevGain_Q16[ psDec->nb_subfr - 1 ] ), 10 ) );
325     }
326
327     /**************************************/
328     /* Update states                      */
329     /**************************************/
330     psPLC->rand_seed     = rand_seed;
331     psPLC->randScale_Q14 = rand_scale_Q14;
332     for( i = 0; i < MAX_NB_SUBFR; i++ ) {
333         psDecCtrl->pitchL[ i ] = lag;
334     }
335 }
336
337 /* Glues concealed frames with new good recieved frames             */
338 void silk_PLC_glue_frames(
339     silk_decoder_state          *psDec,             /* I/O decoder state    */
340     silk_decoder_control        *psDecCtrl,         /* I/O Decoder control  */
341     opus_int16                   frame[],            /* I/O signal           */
342     opus_int                     length              /* I length of residual */
343 )
344 {
345     opus_int   i, energy_shift;
346     opus_int32 energy;
347     silk_PLC_struct *psPLC;
348     psPLC = &psDec->sPLC;
349
350     if( psDec->lossCnt ) {
351         /* Calculate energy in concealed residual */
352         silk_sum_sqr_shift( &psPLC->conc_energy, &psPLC->conc_energy_shift, frame, length );
353
354         psPLC->last_frame_lost = 1;
355     } else {
356         if( psDec->sPLC.last_frame_lost ) {
357             /* Calculate residual in decoded signal if last frame was lost */
358             silk_sum_sqr_shift( &energy, &energy_shift, frame, length );
359
360             /* Normalize energies */
361             if( energy_shift > psPLC->conc_energy_shift ) {
362                 psPLC->conc_energy = SKP_RSHIFT( psPLC->conc_energy, energy_shift - psPLC->conc_energy_shift );
363             } else if( energy_shift < psPLC->conc_energy_shift ) {
364                 energy = SKP_RSHIFT( energy, psPLC->conc_energy_shift - energy_shift );
365             }
366
367             /* Fade in the energy difference */
368             if( energy > psPLC->conc_energy ) {
369                 opus_int32 frac_Q24, LZ;
370                 opus_int32 gain_Q16, slope_Q16;
371
372                 LZ = silk_CLZ32( psPLC->conc_energy );
373                 LZ = LZ - 1;
374                 psPLC->conc_energy = SKP_LSHIFT( psPLC->conc_energy, LZ );
375                 energy = SKP_RSHIFT( energy, SKP_max_32( 24 - LZ, 0 ) );
376
377                 frac_Q24 = SKP_DIV32( psPLC->conc_energy, SKP_max( energy, 1 ) );
378
379                 gain_Q16 = SKP_LSHIFT( silk_SQRT_APPROX( frac_Q24 ), 4 );
380                 slope_Q16 = SKP_DIV32_16( ( 1 << 16 ) - gain_Q16, length );
381                 /* Make slope 4x steeper to avoid missing onsets after DTX */
382                 slope_Q16 = SKP_LSHIFT( slope_Q16, 2 );
383
384                 for( i = 0; i < length; i++ ) {
385                     frame[ i ] = SKP_SMULWB( gain_Q16, frame[ i ] );
386                     gain_Q16 += slope_Q16;
387                     if( gain_Q16 > 1 << 16 ) {
388                         break;
389                     }
390                 }
391             }
392         }
393         psPLC->last_frame_lost = 0;
394     }
395 }