Cleaned up vocoder mode...
[speexdsp.git] / libspeex / nb_celp.c
1 /* Copyright (C) 2002 Jean-Marc Valin 
2    File: speex.c
3
4    This library is free software; you can redistribute it and/or
5    modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
6    License as published by the Free Software Foundation; either
7    version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
8    
9    This library is distributed in the hope that it will be useful,
10    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
12    Lesser General Public License for more details.
13    
14    You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
15    License along with this library; if not, write to the Free Software
16    Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
17 */
18
19 #include <stdlib.h>
20 #include <stdio.h>
21 #include <math.h>
22 #include "nb_celp.h"
23 #include "lpc.h"
24 #include "lsp.h"
25 #include "ltp.h"
26 #include "quant_lsp.h"
27 #include "cb_search.h"
28 #include "filters.h"
29 #include "stack_alloc.h"
30 #include "vq.h"
31 #include "speex_bits.h"
32 #include "vbr.h"
33 #include "misc.h"
34
35 extern int training_weight;
36 #ifndef M_PI
37 #define M_PI           3.14159265358979323846  /* pi */
38 #endif
39
40 #define SUBMODE(x) st->submodes[st->submodeID]->x
41
42 float exc_gain_quant_scal3[8]={-2.794750, -1.810660, -1.169850, -0.848119, -0.587190, -0.329818, -0.063266, 0.282826};
43
44 float exc_gain_quant_scal1[2]={-0.35, 0.05};
45  
46
47 #define sqr(x) ((x)*(x))
48 #define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
49
50 void *nb_encoder_init(SpeexMode *m)
51 {
52    EncState *st;
53    SpeexNBMode *mode;
54    int i;
55
56    mode=m->mode;
57    st = speex_alloc(sizeof(EncState));
58    st->mode=m;
59    /* Codec parameters, should eventually have several "modes"*/
60    st->frameSize = mode->frameSize;
61    st->windowSize = st->frameSize*3/2;
62    st->nbSubframes=mode->frameSize/mode->subframeSize;
63    st->subframeSize=mode->subframeSize;
64    st->lpcSize = mode->lpcSize;
65    st->bufSize = mode->bufSize;
66    st->gamma1=mode->gamma1;
67    st->gamma2=mode->gamma2;
68    st->min_pitch=mode->pitchStart;
69    st->max_pitch=mode->pitchEnd;
70    st->lag_factor=mode->lag_factor;
71    st->lpc_floor = mode->lpc_floor;
72    st->preemph = mode->preemph;
73   
74    st->submodes=mode->submodes;
75    st->submodeID=mode->defaultSubmode;
76    st->pre_mem=0;
77    st->pre_mem2=0;
78
79    /* Allocating input buffer */
80    st->inBuf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
81    st->frame = st->inBuf + st->bufSize - st->windowSize;
82    /* Allocating excitation buffer */
83    st->excBuf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
84    st->exc = st->excBuf + st->bufSize - st->windowSize;
85    st->swBuf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
86    st->sw = st->swBuf + st->bufSize - st->windowSize;
87
88    st->exc2Buf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
89    st->exc2 = st->exc2Buf + st->bufSize - st->windowSize;
90
91    /* Asymetric "pseudo-Hamming" window */
92    {
93       int part1, part2;
94       part1 = st->subframeSize*7/2;
95       part2 = st->subframeSize*5/2;
96       st->window = speex_alloc(st->windowSize*sizeof(float));
97       for (i=0;i<part1;i++)
98          st->window[i]=.54-.46*cos(M_PI*i/part1);
99       for (i=0;i<part2;i++)
100          st->window[part1+i]=.54+.46*cos(M_PI*i/part2);
101    }
102    /* Create the window for autocorrelation (lag-windowing) */
103    st->lagWindow = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
104    for (i=0;i<st->lpcSize+1;i++)
105       st->lagWindow[i]=exp(-.5*sqr(2*M_PI*st->lag_factor*i));
106
107    st->autocorr = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
108
109    st->stack = speex_alloc(20000*sizeof(float));
110
111    st->buf2 = speex_alloc(st->windowSize*sizeof(float));
112
113    st->lpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
114    st->interp_lpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
115    st->interp_qlpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
116    st->bw_lpc1 = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
117    st->bw_lpc2 = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
118
119    st->lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
120    st->qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
121    st->old_lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
122    st->old_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
123    st->interp_lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
124    st->interp_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
125    st->rc = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
126    st->first = 1;
127
128    st->mem_sp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
129    st->mem_sw = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
130
131    st->pi_gain = speex_alloc(st->nbSubframes*sizeof(float));
132
133    st->pitch = speex_alloc(st->nbSubframes*sizeof(int));
134
135    if (1) {
136       st->vbr = speex_alloc(sizeof(VBRState));
137       vbr_init(st->vbr);
138       st->vbr_quality = 8;
139       st->vbr_enabled = 0;
140    } else {
141       st->vbr = 0;
142    }
143    st->complexity=2;
144
145    return st;
146 }
147
148 void nb_encoder_destroy(void *state)
149 {
150    EncState *st=state;
151    /* Free all allocated memory */
152    speex_free(st->inBuf);
153    speex_free(st->excBuf);
154    speex_free(st->swBuf);
155    speex_free(st->exc2Buf);
156    speex_free(st->stack);
157
158    speex_free(st->window);
159    speex_free(st->buf2);
160    speex_free(st->lpc);
161    speex_free(st->interp_lpc);
162    speex_free(st->interp_qlpc);
163    
164    speex_free(st->bw_lpc1);
165    speex_free(st->bw_lpc2);
166    speex_free(st->autocorr);
167    speex_free(st->lagWindow);
168    speex_free(st->lsp);
169    speex_free(st->qlsp);
170    speex_free(st->old_lsp);
171    speex_free(st->interp_lsp);
172    speex_free(st->old_qlsp);
173    speex_free(st->interp_qlsp);
174    speex_free(st->rc);
175
176    speex_free(st->mem_sp);
177    speex_free(st->mem_sw);
178    speex_free(st->pi_gain);
179    speex_free(st->pitch);
180
181    vbr_destroy(st->vbr);
182    speex_free(st->vbr);
183
184    /*Free state memory... should be last*/
185    speex_free(st);
186 }
187
188 void nb_encode(void *state, float *in, SpeexBits *bits)
189 {
190    EncState *st;
191    int i, sub, roots;
192    float error;
193    int ol_pitch;
194    float ol_pitch_coef;
195    float ol_gain;
196    float delta_qual=0;
197
198    st=state;
199    
200    /* Copy new data in input buffer */
201    speex_move(st->inBuf, st->inBuf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
202    st->inBuf[st->bufSize-st->frameSize] = in[0] - st->preemph*st->pre_mem;
203    for (i=1;i<st->frameSize;i++)
204       st->inBuf[st->bufSize-st->frameSize+i] = in[i] - st->preemph*in[i-1];
205    st->pre_mem = in[st->frameSize-1];
206
207    speex_move(st->exc2Buf, st->exc2Buf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
208    speex_move(st->excBuf, st->excBuf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
209    speex_move(st->swBuf, st->swBuf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
210
211
212
213    /* Window for analysis */
214    for (i=0;i<st->windowSize;i++)
215       st->buf2[i] = st->frame[i] * st->window[i];
216
217    /* Compute auto-correlation */
218    autocorr(st->buf2, st->autocorr, st->lpcSize+1, st->windowSize);
219
220    st->autocorr[0] += 10;        /* prevents NANs */
221    st->autocorr[0] *= st->lpc_floor; /* Noise floor in auto-correlation domain */
222    /* Lag windowing: equivalent to filtering in the power-spectrum domain */
223    for (i=0;i<st->lpcSize+1;i++)
224       st->autocorr[i] *= st->lagWindow[i];
225
226    /* Levinson-Durbin */
227    error = wld(st->lpc+1, st->autocorr, st->rc, st->lpcSize);
228    st->lpc[0]=1;
229
230    /* LPC to LSPs (x-domain) transform */
231    roots=lpc_to_lsp (st->lpc, st->lpcSize, st->lsp, 6, 0.002, st->stack);
232    if (roots!=st->lpcSize)
233    {
234       fprintf (stderr, "roots!=st->lpcSize (found only %d roots)\n", roots);
235       exit(1);
236    }
237
238    /* x-domain to angle domain*/
239    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
240       st->lsp[i] = acos(st->lsp[i]);
241    /*print_vec(st->lsp, 10, "LSP:");*/
242    /* LSP Quantization */
243    if (st->first)
244    {
245       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
246          st->old_lsp[i] = st->lsp[i];
247    }
248
249
250    /* Whole frame analysis (open-loop estimation of pitch and excitation gain) */
251    {
252       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
253          st->interp_lsp[i] = .5*st->old_lsp[i] + .5*st->lsp[i];
254
255       lsp_enforce_margin(st->interp_lsp, st->lpcSize, .002);
256
257       /* Compute interpolated LPCs (unquantized) for whole frame*/
258       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
259          st->interp_lsp[i] = cos(st->interp_lsp[i]);
260       lsp_to_lpc(st->interp_lsp, st->interp_lpc, st->lpcSize,st->stack);
261
262       bw_lpc(st->gamma1, st->interp_lpc, st->bw_lpc1, st->lpcSize);
263       bw_lpc(st->gamma2, st->interp_lpc, st->bw_lpc2, st->lpcSize);
264
265       residue(st->frame, st->bw_lpc1, st->exc, st->frameSize, st->lpcSize);
266       syn_filt(st->exc, st->bw_lpc2, st->sw, st->frameSize, st->lpcSize);
267       
268       /*Open-loop pitch*/
269       {
270          int nol_pitch[4];
271          float nol_pitch_coef[4];
272          open_loop_nbest_pitch(st->sw, st->min_pitch, st->max_pitch, st->frameSize, 
273                                nol_pitch, nol_pitch_coef, 4, st->stack);
274          ol_pitch=nol_pitch[0];
275          ol_pitch_coef = nol_pitch_coef[0];
276          /*Try to remove pitch multiples*/
277          for (i=1;i<4;i++)
278          {
279             if ((nol_pitch_coef[i] > .85*ol_pitch_coef) && 
280                 (fabs(2*nol_pitch[i]-ol_pitch)<=2 || fabs(3*nol_pitch[i]-ol_pitch)<=4 || 
281                  fabs(4*nol_pitch[i]-ol_pitch)<=6 || fabs(5*nol_pitch[i]-ol_pitch)<=8))
282             {
283                /*ol_pitch_coef=nol_pitch_coef[i];*/
284                ol_pitch = nol_pitch[i];
285             }
286          }
287          /*printf ("ol_pitch: %d %f\n", ol_pitch, ol_pitch_coef);*/
288       }
289       /*Compute "real" excitation*/
290       residue(st->frame, st->interp_lpc, st->exc, st->frameSize, st->lpcSize);
291
292       /* Compute open-loop excitation gain */
293       ol_gain=0;
294       for (i=0;i<st->frameSize;i++)
295          ol_gain += st->exc[i]*st->exc[i];
296       
297       ol_gain=sqrt(1+ol_gain/st->frameSize);
298    }
299
300    /*Experimental VBR stuff*/
301    if (st->vbr)
302    {
303       delta_qual = vbr_analysis(st->vbr, in, st->frameSize, ol_pitch, ol_pitch_coef);
304       if (delta_qual<0)
305          delta_qual*=.1*(3+st->vbr_quality);
306       if (st->vbr_enabled) 
307       {
308          int qual = (int)floor(st->vbr_quality+delta_qual+.5);
309          if (qual<0)
310             qual=0;
311          if (qual>10)
312             qual=10;
313          speex_encoder_ctl(state, SPEEX_SET_QUALITY, &qual);
314       }
315    }
316    /*printf ("VBR quality = %f\n", vbr_qual);*/
317
318    /* First, transmit a zero for narrowband */
319    speex_bits_pack(bits, 0, 1);
320
321    /* Transmit the sub-mode we use for this frame */
322    speex_bits_pack(bits, st->submodeID, NB_SUBMODE_BITS);
323
324
325    /* If null mode (no transmission), just set a couple things to zero*/
326    if (st->submodes[st->submodeID] == NULL)
327    {
328       for (i=0;i<st->frameSize;i++)
329          st->exc[i]=st->exc2[i]=st->sw[i]=0;
330
331       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
332          st->mem_sw[i]=0;
333       st->first=1;
334
335       /* Final signal synthesis from excitation */
336       syn_filt_mem(st->exc, st->interp_qlpc, st->frame, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
337
338       in[0] = st->frame[0] + st->preemph*st->pre_mem2;
339       for (i=1;i<st->frameSize;i++)
340          in[i]=st->frame[i] + st->preemph*in[i-1];
341       st->pre_mem2=in[st->frameSize-1];
342
343       return;
344
345    }
346
347    /*Quantize LSPs*/
348 #if 1 /*0 for unquantized*/
349    SUBMODE(lsp_quant)(st->lsp, st->qlsp, st->lpcSize, bits);
350 #else
351    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
352      st->qlsp[i]=st->lsp[i];
353 #endif
354
355    /*If we use low bit-rate pitch mode, transmit open-loop pitch*/
356    if (SUBMODE(lbr_pitch)!=-1)
357    {
358       speex_bits_pack(bits, ol_pitch-st->min_pitch, 7);
359    } 
360    
361    if (SUBMODE(forced_pitch_gain))
362    {
363       int quant;
364       quant = (int)floor(.5+15*ol_pitch_coef);
365       if (quant>15)
366          quant=0;
367       if (quant<0)
368          quant=0;
369       speex_bits_pack(bits, quant, 4);
370       ol_pitch_coef=0.066667*quant;
371    }
372    
373    
374    /*Quantize and transmit open-loop excitation gain*/
375    {
376       int qe = (int)(floor(3.5*log(ol_gain)));
377       if (qe<0)
378          qe=0;
379       if (qe>31)
380          qe=31;
381       ol_gain = exp(qe/3.5);
382       speex_bits_pack(bits, qe, 5);
383    }
384
385    /* Special case for first frame */
386    if (st->first)
387    {
388       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
389          st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
390    }
391
392    /* Loop on sub-frames */
393    for (sub=0;sub<st->nbSubframes;sub++)
394    {
395       float esig, enoise, snr, tmp;
396       int   offset;
397       float *sp, *sw, *res, *exc, *target, *mem, *exc2;
398       int pitch;
399
400       /* Offset relative to start of frame */
401       offset = st->subframeSize*sub;
402       /* Original signal */
403       sp=st->frame+offset;
404       /* Excitation */
405       exc=st->exc+offset;
406       /* Weighted signal */
407       sw=st->sw+offset;
408
409       exc2=st->exc2+offset;
410
411       /* Filter response */
412       res = PUSH(st->stack, st->subframeSize);
413       /* Target signal */
414       target = PUSH(st->stack, st->subframeSize);
415       mem = PUSH(st->stack, st->lpcSize);
416
417       /* LSP interpolation (quantized and unquantized) */
418       tmp = (1.0 + sub)/st->nbSubframes;
419       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
420          st->interp_lsp[i] = (1-tmp)*st->old_lsp[i] + tmp*st->lsp[i];
421       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
422          st->interp_qlsp[i] = (1-tmp)*st->old_qlsp[i] + tmp*st->qlsp[i];
423
424       /* Make sure the filters are stable */
425       lsp_enforce_margin(st->interp_lsp, st->lpcSize, .002);
426       lsp_enforce_margin(st->interp_qlsp, st->lpcSize, .002);
427
428       /* Compute interpolated LPCs (quantized and unquantized) */
429       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
430          st->interp_lsp[i] = cos(st->interp_lsp[i]);
431       lsp_to_lpc(st->interp_lsp, st->interp_lpc, st->lpcSize,st->stack);
432
433       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
434          st->interp_qlsp[i] = cos(st->interp_qlsp[i]);
435       lsp_to_lpc(st->interp_qlsp, st->interp_qlpc, st->lpcSize, st->stack);
436
437       /* Compute analysis filter gain at w=pi (for use in SB-CELP) */
438       tmp=1;
439       st->pi_gain[sub]=0;
440       for (i=0;i<=st->lpcSize;i++)
441       {
442          st->pi_gain[sub] += tmp*st->interp_qlpc[i];
443          tmp = -tmp;
444       }
445      
446
447       /* Compute bandwidth-expanded (unquantized) LPCs for perceptual weighting */
448       bw_lpc(st->gamma1, st->interp_lpc, st->bw_lpc1, st->lpcSize);
449       if (st->gamma2>=0)
450          bw_lpc(st->gamma2, st->interp_lpc, st->bw_lpc2, st->lpcSize);
451       else
452       {
453          st->bw_lpc2[0]=1;
454          st->bw_lpc2[1]=-st->preemph;
455          for (i=2;i<=st->lpcSize;i++)
456             st->bw_lpc2[i]=0;
457       }
458
459       /* Reset excitation */
460       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
461          exc[i]=0;
462       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
463          exc2[i]=0;
464
465       /* Compute zero response of A(z/g1) / ( A(z/g2) * A(z) ) */
466       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
467          mem[i]=st->mem_sp[i];
468       syn_filt_mem(exc, st->interp_qlpc, exc, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
469       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
470          mem[i]=st->mem_sp[i];
471       residue_mem(exc, st->bw_lpc1, res, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
472       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
473          mem[i]=st->mem_sw[i];
474       syn_filt_mem(res, st->bw_lpc2, res, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
475
476       /* Compute weighted signal */
477       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
478          mem[i]=st->mem_sp[i];
479       residue_mem(sp, st->bw_lpc1, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
480       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
481          mem[i]=st->mem_sw[i];
482       syn_filt_mem(sw, st->bw_lpc2, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
483       
484       esig=0;
485       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
486          esig+=sw[i]*sw[i];
487       
488       /* Compute target signal */
489       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
490          target[i]=sw[i]-res[i];
491
492       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
493          exc[i]=exc2[i]=0;
494
495       /* If we have a long-term predictor (not all sub-modes have one) */
496       if (SUBMODE(ltp_quant))
497       {
498          int pit_min, pit_max;
499          /* Long-term prediction */
500          if (SUBMODE(lbr_pitch) != -1)
501          {
502             /* Low bit-rate pitch handling */
503             int margin;
504             margin = SUBMODE(lbr_pitch);
505             if (margin)
506             {
507                if (ol_pitch < st->min_pitch+margin-1)
508                   ol_pitch=st->min_pitch+margin-1;
509                if (ol_pitch > st->max_pitch-margin)
510                   ol_pitch=st->max_pitch-margin;
511                pit_min = ol_pitch-margin+1;
512                pit_max = ol_pitch+margin;
513             } else {
514                pit_min=pit_max=ol_pitch;
515             }
516          } else {
517             pit_min = st->min_pitch;
518             pit_max = st->max_pitch;
519          }
520
521          pitch = SUBMODE(ltp_quant)(target, sw, st->interp_qlpc, st->bw_lpc1, st->bw_lpc2,
522                                     exc, SUBMODE(ltp_params), pit_min, pit_max, ol_pitch_coef,
523                                     st->lpcSize, st->subframeSize, bits, st->stack, 
524                                     exc2, st->complexity);
525
526          /*printf ("cl_pitch: %d\n", pitch);*/
527          st->pitch[sub]=pitch;
528       } else {
529          fprintf (stderr, "No pitch prediction, what's wrong\n");
530       }
531
532       /* Update target for adaptive codebook contribution */
533       residue_zero(exc, st->bw_lpc1, res, st->subframeSize, st->lpcSize);
534       syn_filt_zero(res, st->interp_qlpc, res, st->subframeSize, st->lpcSize);
535       syn_filt_zero(res, st->bw_lpc2, res, st->subframeSize, st->lpcSize);
536       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
537         target[i]-=res[i];
538
539       /* Compute noise energy and SNR */
540       enoise=0;
541       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
542          enoise += target[i]*target[i];
543       snr = 10*log10((esig+1)/(enoise+1));
544       /*st->pitch[sub]=(int)snr;*/
545 #ifdef DEBUG
546       printf ("pitch SNR = %f\n", snr);
547 #endif
548
549
550       /* Quantization of innovation */
551       {
552          float *innov;
553          float ener=0, ener_1;
554          innov=PUSH(st->stack, st->subframeSize);
555          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
556             innov[i]=0;
557          syn_filt_zero(target, st->bw_lpc1, res, st->subframeSize, st->lpcSize);
558          residue_zero(res, st->interp_qlpc, st->buf2, st->subframeSize, st->lpcSize);
559          residue_zero(st->buf2, st->bw_lpc2, st->buf2, st->subframeSize, st->lpcSize);
560          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
561             ener+=st->buf2[i]*st->buf2[i];
562          ener=sqrt(.1+ener/st->subframeSize);
563
564          
565          ener /= ol_gain;
566
567          if (0)
568             printf ("ener: %f %f %f\n", ener, ol_gain, ol_pitch_coef);
569
570          if (SUBMODE(have_subframe_gain)) 
571          {
572             int qe;
573             ener=log(ener);
574             if (SUBMODE(have_subframe_gain)==3)
575             {
576                qe = vq_index(&ener, exc_gain_quant_scal3, 1, 8);
577                speex_bits_pack(bits, qe, 3);
578                ener=exc_gain_quant_scal3[qe];
579             } else {
580                qe = vq_index(&ener, exc_gain_quant_scal1, 1, 2);
581                speex_bits_pack(bits, qe, 1);
582                ener=exc_gain_quant_scal1[qe];               
583             }
584             ener=exp(ener);
585             /*printf ("encode gain: %d %f\n", qe, ener);*/
586          } else {
587             ener=1;
588          }
589
590          ener*=ol_gain;
591          /*printf ("transmit gain: %f\n", ener);*/
592          ener_1 = 1/ener;
593
594          if (0) {
595             int start=rand()%35;
596             printf ("norm_exc: ");
597             for (i=start;i<start+5;i++)
598                printf ("%f ", ener_1*st->buf2[i]);
599             printf ("\n");
600          }
601          
602          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
603             target[i]*=ener_1;
604          
605          if (SUBMODE(innovation_quant))
606          {
607             /* Normal quantization */
608             SUBMODE(innovation_quant)(target, st->interp_qlpc, st->bw_lpc1, st->bw_lpc2, 
609                                       SUBMODE(innovation_params), st->lpcSize, st->subframeSize, 
610                                       innov, bits, st->stack, st->complexity);
611             
612             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
613                exc[i] += innov[i]*ener;
614          } else {
615             fprintf(stderr, "No fixed codebook\n");
616          }
617          POP(st->stack);
618          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
619             target[i]*=ener;
620
621       }
622
623       /* Compute weighted noise energy and SNR */
624       enoise=0;
625       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
626          enoise += target[i]*target[i];
627       snr = 10*log10((esig+1)/(enoise+1));
628 #ifdef DEBUG
629       printf ("seg SNR = %f\n", snr);
630 #endif
631
632       /*Keep the previous memory*/
633       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
634          mem[i]=st->mem_sp[i];
635       /* Final signal synthesis from excitation */
636       syn_filt_mem(exc, st->interp_qlpc, sp, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
637
638       /* Compute weighted signal again, from synthesized speech (not sure it's the right thing) */
639       residue_mem(sp, st->bw_lpc1, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
640       syn_filt_mem(sw, st->bw_lpc2, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sw);
641
642       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
643          exc2[i]=exc[i];
644
645       POP(st->stack);
646       POP(st->stack);
647       POP(st->stack);
648    }
649
650    /* Store the LSPs for interpolation in the next frame */
651    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
652       st->old_lsp[i] = st->lsp[i];
653    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
654       st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
655
656    /* The next frame will not be the first (Duh!) */
657    st->first = 0;
658
659    /* Replace input by synthesized speech */
660    in[0] = st->frame[0] + st->preemph*st->pre_mem2;
661    for (i=1;i<st->frameSize;i++)
662      in[i]=st->frame[i] + st->preemph*in[i-1];
663    st->pre_mem2=in[st->frameSize-1];
664
665 }
666
667
668 void *nb_decoder_init(SpeexMode *m)
669 {
670    DecState *st;
671    SpeexNBMode *mode;
672    int i;
673
674    mode=m->mode;
675    st = speex_alloc(sizeof(DecState));
676    st->mode=m;
677
678    st->first=1;
679    /* Codec parameters, should eventually have several "modes"*/
680    st->frameSize = mode->frameSize;
681    st->windowSize = st->frameSize*3/2;
682    st->nbSubframes=mode->frameSize/mode->subframeSize;
683    st->subframeSize=mode->subframeSize;
684    st->lpcSize = mode->lpcSize;
685    st->bufSize = mode->bufSize;
686    st->gamma1=mode->gamma1;
687    st->gamma2=mode->gamma2;
688    st->min_pitch=mode->pitchStart;
689    st->max_pitch=mode->pitchEnd;
690    st->preemph = mode->preemph;
691
692    st->submodes=mode->submodes;
693    st->submodeID=mode->defaultSubmode;
694
695    st->pre_mem=0;
696    st->lpc_enh_enabled=0;
697
698    st->stack = speex_alloc(20000*sizeof(float));
699
700    st->inBuf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
701    st->frame = st->inBuf + st->bufSize - st->windowSize;
702    st->excBuf = speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
703    st->exc = st->excBuf + st->bufSize - st->windowSize;
704    for (i=0;i<st->bufSize;i++)
705       st->inBuf[i]=0;
706    for (i=0;i<st->bufSize;i++)
707       st->excBuf[i]=0;
708
709    st->interp_qlpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
710    st->qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
711    st->old_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
712    st->interp_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
713    st->mem_sp = speex_alloc(5*st->lpcSize*sizeof(float));
714
715    st->pi_gain = speex_alloc(st->nbSubframes*sizeof(float));
716    st->last_pitch = 40;
717    st->count_lost=0;
718    return st;
719 }
720
721 void nb_decoder_destroy(void *state)
722 {
723    DecState *st;
724    st=state;
725    speex_free(st->inBuf);
726    speex_free(st->excBuf);
727    speex_free(st->interp_qlpc);
728    speex_free(st->qlsp);
729    speex_free(st->old_qlsp);
730    speex_free(st->interp_qlsp);
731    speex_free(st->stack);
732    speex_free(st->mem_sp);
733    speex_free(st->pi_gain);
734    
735    speex_free(state);
736 }
737
738 void nb_decode(void *state, SpeexBits *bits, float *out, int lost)
739 {
740    DecState *st;
741    int i, sub;
742    int pitch;
743    float pitch_gain[3];
744    float ol_gain;
745    int ol_pitch=0;
746    float ol_pitch_coef=0;
747    int best_pitch=40;
748    float best_pitch_gain=-1;
749    int wideband;
750
751    st=state;
752
753    wideband = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 1);
754    if (wideband)
755    {
756       int submode;
757       int advance;
758       submode = speex_bits_unpack_unsigned(bits, SB_SUBMODE_BITS);
759       advance = sb_wb_mode.submodes[submode]->bits_per_frame - (SB_SUBMODE_BITS+1);
760       speex_bits_advance(bits, advance);
761       wideband = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 1);
762       if (wideband)
763       {
764          fprintf (stderr, "Corrupted stream\n");
765       }
766    }
767
768    /* Get the sub-mode that was used */
769    st->submodeID = speex_bits_unpack_unsigned(bits, NB_SUBMODE_BITS);
770
771    /* Shift all buffers by one frame */
772    speex_move(st->inBuf, st->inBuf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
773    speex_move(st->excBuf, st->excBuf+st->frameSize, (st->bufSize-st->frameSize)*sizeof(float));
774
775    /* If null mode (no transmission), just set a couple things to zero*/
776    if (st->submodes[st->submodeID] == NULL)
777    {
778       for (i=0;i<st->frameSize;i++)
779          st->exc[i]=0;
780       st->first=1;
781       
782       /* Final signal synthesis from excitation */
783       syn_filt_mem(st->exc, st->interp_qlpc, st->frame, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
784
785       out[0] = st->frame[0] + st->preemph*st->pre_mem;
786       for (i=1;i<st->frameSize;i++)
787          out[i]=st->frame[i] + st->preemph*out[i-1];
788       st->pre_mem=out[st->frameSize-1];
789       st->count_lost=0;
790       return;
791    }
792
793    /* Unquantize LSPs */
794    SUBMODE(lsp_unquant)(st->qlsp, st->lpcSize, bits);
795
796    /* Handle first frame and lost-packet case */
797    if (st->first || st->count_lost)
798    {
799       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
800          st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
801    }
802
803    /* Get open-loop pitch estimation for low bit-rate pitch coding */
804    if (SUBMODE(lbr_pitch)!=-1)
805    {
806       ol_pitch = st->min_pitch+speex_bits_unpack_unsigned(bits, 7);
807    } 
808    
809    if (SUBMODE(forced_pitch_gain))
810    {
811       int quant;
812       quant = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 4);
813       ol_pitch_coef=0.066667*quant;
814       /*fprintf (stderr, "unquant pitch coef: %f\n", ol_pitch_coef);*/
815    }
816    
817    /* Get global excitation gain */
818    {
819       int qe;
820       qe = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 5);
821       ol_gain = exp(qe/3.5);
822       /*printf ("decode_ol_gain: %f\n", ol_gain);*/
823    }
824
825    /*Loop on subframes */
826    for (sub=0;sub<st->nbSubframes;sub++)
827    {
828       int offset;
829       float *sp, *exc, tmp;
830       float *num, *den;
831       /* Offset relative to start of frame */
832       offset = st->subframeSize*sub;
833       /* Original signal */
834       sp=st->frame+offset;
835       /* Excitation */
836       exc=st->exc+offset;
837       /* Excitation after post-filter*/
838
839       /* LSP interpolation (quantized and unquantized) */
840       tmp = (1.0 + sub)/st->nbSubframes;
841       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
842          st->interp_qlsp[i] = (1-tmp)*st->old_qlsp[i] + tmp*st->qlsp[i];
843
844       lsp_enforce_margin(st->interp_qlsp, st->lpcSize, .002);
845
846
847       /* Compute interpolated LPCs (unquantized) */
848       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
849          st->interp_qlsp[i] = cos(st->interp_qlsp[i]);
850       lsp_to_lpc(st->interp_qlsp, st->interp_qlpc, st->lpcSize, st->stack);
851
852       num=PUSH(st->stack, ((st->lpcSize<<1)+1));
853       den=PUSH(st->stack, ((st->lpcSize<<1)+1));
854       if (st->lpc_enh_enabled)
855       {
856          enh_lpc(st->interp_qlpc, st->lpcSize, num, den, 
857                  SUBMODE(lpc_enh_k1), SUBMODE(lpc_enh_k2), st->stack);
858       } else {
859          enh_lpc(st->interp_qlpc, st->lpcSize, num, den, 
860                  SUBMODE(lpc_enh_k2), SUBMODE(lpc_enh_k2), st->stack);
861       }
862       /* Compute analysis filter at w=pi */
863       tmp=1;
864       st->pi_gain[sub]=0;
865       for (i=0;i<=st->lpcSize;i++)
866       {
867          st->pi_gain[sub] += tmp*st->interp_qlpc[i];
868          tmp = -tmp;
869       }
870
871       /* Reset excitation */
872       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
873          exc[i]=0;
874
875       /*Adaptive codebook contribution*/
876       if (SUBMODE(ltp_unquant))
877       {
878          int pit_min, pit_max;
879          if (SUBMODE(lbr_pitch) != -1)
880          {
881             int margin;
882             margin = SUBMODE(lbr_pitch);
883             if (margin)
884             {
885                if (ol_pitch < st->min_pitch+margin-1)
886                   ol_pitch=st->min_pitch+margin-1;
887                if (ol_pitch > st->max_pitch-margin)
888                   ol_pitch=st->max_pitch-margin;
889                pit_min = ol_pitch-margin+1;
890                pit_max = ol_pitch+margin;
891             } else {
892                pit_min=pit_max=ol_pitch;
893             }
894          } else {
895             pit_min = st->min_pitch;
896             pit_max = st->max_pitch;
897          }
898
899          SUBMODE(ltp_unquant)(exc, pit_min, pit_max, ol_pitch_coef, SUBMODE(ltp_params), 
900                               st->subframeSize, &pitch, &pitch_gain[0], bits, st->stack, 0);
901          
902          
903          if (!lost)
904          {
905             /* If the frame was not lost... */
906             tmp = fabs(pitch_gain[0])+fabs(pitch_gain[1])+fabs(pitch_gain[2]);
907             tmp = fabs(pitch_gain[0]+pitch_gain[1]+pitch_gain[2]);
908             if (tmp>best_pitch_gain)
909             {
910                best_pitch = pitch;
911                while (best_pitch+pitch<st->max_pitch)
912                {
913                   best_pitch+=pitch;
914                }
915                best_pitch_gain = tmp*.9;
916                if (best_pitch_gain>.85)
917                   best_pitch_gain=.85;
918             }
919          } else {
920             /* What to do with pitch if we lost the frame */
921             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
922                exc[i]=0;
923             /*printf ("best_pitch: %d %f\n", st->last_pitch, st->last_pitch_gain);*/
924             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
925                exc[i]=st->last_pitch_gain*exc[i-st->last_pitch];
926          }
927       } else {
928          fprintf (stderr, "No pitch prediction, what's wrong\n");
929       }
930       
931       /* Unquantize the innovation */
932       {
933          int q_energy;
934          float ener;
935          float *innov;
936          
937          innov = PUSH(st->stack, st->subframeSize);
938          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
939             innov[i]=0;
940
941          if (SUBMODE(have_subframe_gain)==3)
942          {
943             q_energy = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 3);
944             ener = ol_gain*exp(exc_gain_quant_scal3[q_energy]);
945          } else if (SUBMODE(have_subframe_gain)==1)
946          {
947             q_energy = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 1);
948             ener = ol_gain*exp(exc_gain_quant_scal1[q_energy]);
949          } else {
950             ener = ol_gain;
951          }
952          
953          /*printf ("unquant_energy: %d %f\n", q_energy, ener);*/
954          
955          if (SUBMODE(innovation_unquant))
956          {
957             /*Fixed codebook contribution*/
958             SUBMODE(innovation_unquant)(innov, SUBMODE(innovation_params), st->subframeSize, bits, st->stack);
959          } else {
960             fprintf(stderr, "No fixed codebook\n");
961          }
962
963          if (st->count_lost)
964             ener*=pow(.8,st->count_lost);
965
966          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
967             exc[i]+=ener*innov[i];
968
969          POP(st->stack);
970       }
971
972       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
973          sp[i]=exc[i];
974
975       if (st->lpc_enh_enabled && SUBMODE(comb_gain>0))
976          comb_filter(exc, sp, st->interp_qlpc, st->lpcSize, st->subframeSize,
977                               pitch, pitch_gain, .5);
978       pole_zero_mem(sp, num, den, sp, st->subframeSize, (st->lpcSize<<1), 
979                     st->mem_sp+st->lpcSize, st->stack);
980       syn_filt_mem(sp, st->interp_qlpc, sp, st->subframeSize, st->lpcSize, 
981         st->mem_sp);
982       
983       POP(st->stack);
984       POP(st->stack);
985    }
986    
987    /*Copy output signal*/
988    out[0] = st->frame[0] + st->preemph*st->pre_mem;
989    for (i=1;i<st->frameSize;i++)
990      out[i]=st->frame[i] + st->preemph*out[i-1];
991    st->pre_mem=out[st->frameSize-1];
992
993
994    /* Store the LSPs for interpolation in the next frame */
995    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
996       st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
997
998    /* The next frame will not be the first (Duh!) */
999    st->first = 0;
1000    if (!lost)
1001       st->count_lost=0;
1002    else
1003       st->count_lost++;
1004    if (!lost)
1005    {
1006       st->last_pitch = best_pitch;
1007       st->last_pitch_gain = best_pitch_gain;
1008    }
1009 }
1010
1011 void nb_encoder_ctl(void *state, int request, void *ptr)
1012 {
1013    EncState *st;
1014    st=state;     
1015    switch(request)
1016    {
1017    case SPEEX_GET_FRAME_SIZE:
1018       (*(int*)ptr) = st->frameSize;
1019       break;
1020    case SPEEX_SET_MODE:
1021       st->submodeID = (*(int*)ptr);
1022       break;
1023    case SPEEX_GET_MODE:
1024       (*(int*)ptr) = st->submodeID;
1025       break;
1026    case SPEEX_SET_VBR:
1027       st->vbr_enabled = (*(int*)ptr);
1028       break;
1029    case SPEEX_GET_VBR:
1030       (*(int*)ptr) = st->vbr_enabled;
1031       break;
1032    case SPEEX_SET_VBR_QUALITY:
1033       st->vbr_quality = (*(int*)ptr);
1034       break;
1035    case SPEEX_GET_VBR_QUALITY:
1036       (*(int*)ptr) = st->vbr_quality;
1037       break;
1038    case SPEEX_SET_QUALITY:
1039       {
1040          int quality = (*(int*)ptr);
1041          if (quality<=0)
1042             st->submodeID = 0;
1043          else if (quality<=1)
1044             st->submodeID = 1;
1045          else if (quality<=2)
1046             st->submodeID = 2;
1047          else if (quality<=4)
1048             st->submodeID = 3;
1049          else if (quality<=6)
1050             st->submodeID = 4;
1051          else if (quality<=8)
1052             st->submodeID = 5;
1053          else if (quality<=10)
1054             st->submodeID = 6;
1055          else
1056             fprintf(stderr, "Unknown nb_ctl quality: %d\n", quality);
1057       }
1058       break;
1059    case SPEEX_SET_COMPLEXITY:
1060       st->complexity = (*(int*)ptr);
1061       break;
1062    case SPEEX_GET_COMPLEXITY:
1063       (*(int*)ptr) = st->complexity;
1064       break;
1065    case SPEEX_GET_BITRATE:
1066       if (st->submodes[st->submodeID])
1067          (*(int*)ptr) = 50*SUBMODE(bits_per_frame);
1068       else
1069          (*(int*)ptr) = 50*(NB_SUBMODE_BITS+1);
1070       break;
1071    default:
1072       fprintf(stderr, "Unknown nb_ctl request: %d\n", request);
1073    }
1074 }
1075
1076 void nb_decoder_ctl(void *state, int request, void *ptr)
1077 {
1078    DecState *st;
1079    st=state;
1080    switch(request)
1081    {
1082    case SPEEX_SET_ENH:
1083       st->lpc_enh_enabled = *((int*)ptr);
1084       break;
1085    case SPEEX_GET_ENH:
1086       *((int*)ptr) = st->lpc_enh_enabled;
1087       break;
1088    case SPEEX_GET_FRAME_SIZE:
1089       (*(int*)ptr) = st->frameSize;
1090       break;
1091    case SPEEX_GET_BITRATE:
1092       if (st->submodes[st->submodeID])
1093          (*(int*)ptr) = 50*SUBMODE(bits_per_frame);
1094       else
1095          (*(int*)ptr) = 50*(NB_SUBMODE_BITS+1);
1096       break;
1097    default:
1098       fprintf(stderr, "Unknown nb_ctl request: %d\n", request);
1099    }
1100 }