Changed wideband quality mode to adapt to better high-band spectral folding
[speexdsp.git] / libspeex / sb_celp.c
1 /* Copyright (C) 2002 Jean-Marc Valin 
2    File: sb_celp.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
20 #include <stdlib.h>
21 #include <math.h>
22 #include <stdio.h>
23 #include "nb_celp.h"
24 #include "sb_celp.h"
25 #include "stdlib.h"
26 #include "filters.h"
27 #include "lpc.h"
28 #include "lsp.h"
29 #include "stack_alloc.h"
30 #include "cb_search.h"
31 #include "quant_lsp.h"
32 #include "vq.h"
33 #include "ltp.h"
34 #include "misc.h"
35
36 #ifndef M_PI
37 #define M_PI           3.14159265358979323846  /* pi */
38 #endif
39
40 #define sqr(x) ((x)*(x))
41
42 #define SUBMODE(x) st->submodes[st->submodeID]->x
43
44
45 #define QMF_ORDER 64
46 static float h0[64] = {
47    3.596189e-05, -0.0001123515,
48    -0.0001104587, 0.0002790277,
49    0.0002298438, -0.0005953563,
50    -0.0003823631, 0.00113826,
51    0.0005308539, -0.001986177,
52    -0.0006243724, 0.003235877,
53    0.0005743159, -0.004989147,
54    -0.0002584767, 0.007367171,
55    -0.0004857935, -0.01050689,
56    0.001894714, 0.01459396,
57    -0.004313674, -0.01994365,
58    0.00828756, 0.02716055,
59    -0.01485397, -0.03764973,
60    0.026447, 0.05543245,
61    -0.05095487, -0.09779096,
62    0.1382363, 0.4600981,
63    0.4600981, 0.1382363,
64    -0.09779096, -0.05095487,
65    0.05543245, 0.026447,
66    -0.03764973, -0.01485397,
67    0.02716055, 0.00828756,
68    -0.01994365, -0.004313674,
69    0.01459396, 0.001894714,
70    -0.01050689, -0.0004857935,
71    0.007367171, -0.0002584767,
72    -0.004989147, 0.0005743159,
73    0.003235877, -0.0006243724,
74    -0.001986177, 0.0005308539,
75    0.00113826, -0.0003823631,
76    -0.0005953563, 0.0002298438,
77    0.0002790277, -0.0001104587,
78    -0.0001123515, 3.596189e-05
79 };
80
81 static float h1[64] = {
82    3.596189e-05, 0.0001123515,
83    -0.0001104587, -0.0002790277,
84    0.0002298438, 0.0005953563,
85    -0.0003823631, -0.00113826,
86    0.0005308539, 0.001986177,
87    -0.0006243724, -0.003235877,
88    0.0005743159, 0.004989147,
89    -0.0002584767, -0.007367171,
90    -0.0004857935, 0.01050689,
91    0.001894714, -0.01459396,
92    -0.004313674, 0.01994365,
93    0.00828756, -0.02716055,
94    -0.01485397, 0.03764973,
95    0.026447, -0.05543245,
96    -0.05095487, 0.09779096,
97    0.1382363, -0.4600981,
98    0.4600981, -0.1382363,
99    -0.09779096, 0.05095487,
100    0.05543245, -0.026447,
101    -0.03764973, 0.01485397,
102    0.02716055, -0.00828756,
103    -0.01994365, 0.004313674,
104    0.01459396, -0.001894714,
105    -0.01050689, 0.0004857935,
106    0.007367171, 0.0002584767,
107    -0.004989147, -0.0005743159,
108    0.003235877, 0.0006243724,
109    -0.001986177, -0.0005308539,
110    0.00113826, 0.0003823631,
111    -0.0005953563, -0.0002298438,
112    0.0002790277, 0.0001104587,
113    -0.0001123515, -3.596189e-05
114 };
115
116 void *sb_encoder_init(SpeexMode *m)
117 {
118    int i;
119    SBEncState *st;
120    SpeexSBMode *mode;
121
122    st = speex_alloc(sizeof(SBEncState));
123    st->mode = m;
124    mode = m->mode;
125
126    st->st_low = nb_encoder_init(mode->nb_mode);
127    st->full_frame_size = 2*mode->frameSize;
128    st->frame_size = mode->frameSize;
129    st->subframeSize = mode->subframeSize;
130    st->nbSubframes = mode->frameSize/mode->subframeSize;
131    st->windowSize = st->frame_size*3/2;
132    st->lpcSize=mode->lpcSize;
133    st->bufSize=mode->bufSize;
134
135    st->submodes=mode->submodes;
136    st->submodeID=mode->defaultSubmode;
137    {
138       int mod=6;
139       speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_MODE, &mod);
140    }
141
142    st->lag_factor = mode->lag_factor;
143    st->lpc_floor = mode->lpc_floor;
144    st->gamma1=mode->gamma1;
145    st->gamma2=mode->gamma2;
146    st->first=1;
147    st->stack = speex_alloc(10000*sizeof(float));
148
149    st->x0=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
150    st->x1=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
151    st->x0d=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
152    st->x1d=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
153    st->high=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
154    st->y0=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
155    st->y1=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
156
157    st->h0_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
158    st->h1_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
159    st->g0_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
160    st->g1_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
161
162    st->buf=speex_alloc(st->windowSize*sizeof(float));
163    st->excBuf=speex_alloc(st->bufSize*sizeof(float));
164    st->exc = st->excBuf + st->bufSize - st->windowSize;
165    /*st->exc=st->excBuf+st->frame_size;*/
166
167    st->res=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
168    st->sw=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
169    st->target=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
170    /*Asymetric "pseudo-Hamming" window*/
171    {
172       int part1, part2;
173       part1 = st->subframeSize*7/2;
174       part2 = st->subframeSize*5/2;
175       st->window = speex_alloc(st->windowSize*sizeof(float));
176       for (i=0;i<part1;i++)
177          st->window[i]=.54-.46*cos(M_PI*i/part1);
178       for (i=0;i<part2;i++)
179          st->window[part1+i]=.54+.46*cos(M_PI*i/part2);
180    }
181
182    st->lagWindow = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
183    for (i=0;i<st->lpcSize+1;i++)
184       st->lagWindow[i]=exp(-.5*sqr(2*M_PI*st->lag_factor*i));
185
186    st->rc = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
187    st->autocorr = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
188    st->lpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
189    st->bw_lpc1 = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
190    st->bw_lpc2 = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
191    st->lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
192    st->qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
193    st->old_lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
194    st->old_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
195    st->interp_lsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
196    st->interp_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
197    st->interp_lpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
198    st->interp_qlpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
199
200    st->mem_sp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
201    st->mem_sp2 = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
202    st->mem_sw = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
203    st->complexity=2;
204
205    return st;
206 }
207
208 void sb_encoder_destroy(void *state)
209 {
210    SBEncState *st=state;
211
212    nb_encoder_destroy(st->st_low);
213    speex_free(st->x0);
214    speex_free(st->x0d);
215    speex_free(st->x1);
216    speex_free(st->x1d);
217    speex_free(st->high);
218    speex_free(st->y0);
219    speex_free(st->y1);
220    speex_free(st->h0_mem);
221    speex_free(st->h1_mem);
222    speex_free(st->g0_mem);
223    speex_free(st->g1_mem);
224    
225    speex_free(st->buf);
226    speex_free(st->window);
227    speex_free(st->excBuf);
228    speex_free(st->sw);
229    speex_free(st->res);
230    speex_free(st->target);
231    speex_free(st->lagWindow);
232    speex_free(st->rc);
233    speex_free(st->autocorr);
234    speex_free(st->lpc);
235    speex_free(st->bw_lpc1);
236    speex_free(st->bw_lpc2);
237    speex_free(st->lsp);
238    speex_free(st->qlsp);
239    speex_free(st->old_lsp);
240    speex_free(st->old_qlsp);
241    speex_free(st->interp_lsp);
242    speex_free(st->interp_qlsp);
243    speex_free(st->interp_lpc);
244    speex_free(st->interp_qlpc);
245
246    speex_free(st->mem_sp);
247    speex_free(st->mem_sp2);
248    speex_free(st->mem_sw);
249
250    speex_free(st->stack);
251
252    speex_free(st);
253 }
254
255
256 void sb_encode(void *state, float *in, SpeexBits *bits)
257 {
258    SBEncState *st;
259    int i, roots, sub;
260
261    st = state;
262
263    /* Compute the two sub-bands by filtering with h0 and h1*/
264    fir_mem(in, h0, st->x0, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->h0_mem);
265    fir_mem(in, h1, st->x1, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->h1_mem);
266    /* Down-sample x0 and x1 */
267    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
268    {
269       st->x0d[i]=st->x0[i<<1];
270       st->x1d[i]=st->x1[i<<1];
271    }
272    /* Encode the narrowband part*/
273    nb_encode(st->st_low, st->x0d, bits);
274
275    speex_bits_pack(bits, 1, 1);
276    speex_bits_pack(bits, st->submodeID, SB_SUBMODE_BITS);
277
278    /* High-band buffering / sync with low band */
279 #if 0
280    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
281    {
282       /*st->excBuf[i]=st->exc[i];*/
283       st->high[i]=st->high[st->frame_size+i];
284       st->high[st->frame_size+i]=st->x1d[i];
285    }
286 #else
287    for (i=0;i<st->windowSize-st->frame_size;i++)
288       st->high[i] = st->high[st->frame_size+i];
289    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
290       st->high[st->windowSize-st->frame_size+i]=st->x1d[i];
291 #endif
292
293    speex_move(st->excBuf, st->excBuf+st->frame_size, (st->bufSize-st->frame_size)*sizeof(float));
294
295    /* Start encoding the high-band */
296
297    for (i=0;i<st->windowSize;i++)
298       st->buf[i] = st->high[i] * st->window[i];
299
300    /* Compute auto-correlation */
301    autocorr(st->buf, st->autocorr, st->lpcSize+1, st->windowSize);
302
303    st->autocorr[0] += 1;        /* prevents NANs */
304    st->autocorr[0] *= st->lpc_floor; /* Noise floor in auto-correlation domain */
305    /* Lag windowing: equivalent to filtering in the power-spectrum domain */
306    for (i=0;i<st->lpcSize+1;i++)
307       st->autocorr[i] *= st->lagWindow[i];
308
309    /* Levinson-Durbin */
310    wld(st->lpc+1, st->autocorr, st->rc, st->lpcSize);
311    st->lpc[0]=1;
312
313    /* LPC to LSPs (x-domain) transform */
314    roots=lpc_to_lsp (st->lpc, st->lpcSize, st->lsp, 6, 0.002, st->stack);
315    if (roots!=st->lpcSize)
316    {
317       fprintf (stderr, "roots!=st->lpcSize (found only %d roots)\n", roots);
318       exit(1);
319    }
320
321    /* x-domain to angle domain*/
322    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
323       st->lsp[i] = acos(st->lsp[i]);
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->frame_size;i++)
329          st->exc[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->high, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
337
338 #ifndef RELEASE
339       /* Up-sample coded low-band and high-band*/
340       for (i=0;i<st->frame_size;i++)
341       {
342          st->x0[(i<<1)]=st->x0d[i];
343          st->x1[(i<<1)]=st->high[i];
344          st->x0[(i<<1)+1]=0;
345          st->x1[(i<<1)+1]=0;
346       }
347       /* Reconstruct the original */
348       fir_mem(st->x0, h0, st->y0, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g0_mem);
349       fir_mem(st->x1, h1, st->y1, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g1_mem);
350       for (i=0;i<st->full_frame_size;i++)
351          in[i]=2*(st->y0[i]-st->y1[i]);
352 #endif
353
354       return;
355
356    }
357
358
359    /* LSP quantization */
360    SUBMODE(lsp_quant)(st->lsp, st->qlsp, st->lpcSize, bits);
361    
362    /*printf ("high_lsp:");
363    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
364       printf (" %f", st->lsp[i]);
365       printf ("\n");*/
366    /*for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
367      st->qlsp[i]=st->lsp[i];*/
368    
369
370    if (st->first)
371    {
372       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
373          st->old_lsp[i] = st->lsp[i];
374       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
375          st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
376    }
377    
378    for (sub=0;sub<st->nbSubframes;sub++)
379    {
380       float *exc, *sp, *mem, *res, *target, *sw, tmp, filter_ratio;
381       int offset;
382       float rl, rh, eh=0, el=0;
383       int fold;
384
385       offset = st->subframeSize*sub;
386       sp=st->high+offset;
387       exc=st->excBuf+offset;
388       res=st->res+offset;
389       target=st->target+offset;
390       sw=st->sw+offset;
391
392       mem=PUSH(st->stack, st->lpcSize);
393       
394       /* LSP interpolation (quantized and unquantized) */
395       tmp = (1.0 + sub)/st->nbSubframes;
396       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
397          st->interp_lsp[i] = (1-tmp)*st->old_lsp[i] + tmp*st->lsp[i];
398       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
399          st->interp_qlsp[i] = (1-tmp)*st->old_qlsp[i] + tmp*st->qlsp[i];
400       
401       /* Compute interpolated LPCs (quantized and unquantized) */
402       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
403          st->interp_lsp[i] = cos(st->interp_lsp[i]);
404       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
405          st->interp_qlsp[i] = cos(st->interp_qlsp[i]);
406
407       lsp_enforce_margin(st->interp_lsp, st->lpcSize, .002);
408       lsp_enforce_margin(st->interp_qlsp, st->lpcSize, .002);
409
410       lsp_to_lpc(st->interp_lsp, st->interp_lpc, st->lpcSize,st->stack);
411       lsp_to_lpc(st->interp_qlsp, st->interp_qlpc, st->lpcSize, st->stack);
412
413       bw_lpc(st->gamma1, st->interp_lpc, st->bw_lpc1, st->lpcSize);
414       bw_lpc(st->gamma2, st->interp_lpc, st->bw_lpc2, st->lpcSize);
415
416       /* Compute mid-band (4000 Hz for wideband) response of low-band and high-band
417          filters */
418       rl=rh=0;
419       tmp=1;
420       for (i=0;i<=st->lpcSize;i++)
421       {
422          rh += tmp*st->interp_qlpc[i];
423          tmp = -tmp;
424       }
425       rl = ((EncState*)st->st_low)->pi_gain[sub];
426       rl=1/(fabs(rl)+.01);
427       rh=1/(fabs(rh)+.01);
428       /* Compute ratio, will help predict the gain */
429       filter_ratio=fabs(.01+rh)/(.01+fabs(rl));
430
431       fold = filter_ratio<5;
432       /*printf ("filter_ratio %f\n", filter_ratio);*/
433       fold=0;
434
435       /* Compute "real excitation" */
436       residue_mem(sp, st->interp_qlpc, exc, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp2);
437       /* Compute energy of low-band and high-band excitation */
438       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
439          eh+=sqr(exc[i]);
440
441       if (!SUBMODE(innovation_quant)) {/* 1 for spectral folding excitation, 0 for stochastic */
442          float g;
443          /*speex_bits_pack(bits, 1, 1);*/
444          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
445             el+=sqr(((EncState*)st->st_low)->innov[offset+i]);
446
447          /* Gain to use if we want to use the low-band excitation for high-band */
448          g=eh/(.01+el);
449          g=sqrt(g);
450
451          g *= filter_ratio;
452          /* Gain quantization */
453          {
454             int quant = (int) floor(.5 + 27 + 8.0 * log((g+.0001)));
455             if (quant<0)
456                quant=0;
457             if (quant>31)
458                quant=31;
459             speex_bits_pack(bits, quant, 5);
460             g= .1*exp(quant/9.4);
461          }
462          /*printf ("folding gain: %f\n", g);*/
463          g /= filter_ratio;
464
465       } else {
466          float gc, scale, scale_1;
467          float *innov;
468
469          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
470             el+=sqr(((EncState*)st->st_low)->exc[offset+i]);
471          /*speex_bits_pack(bits, 0, 1);*/
472          innov = PUSH(st->stack, st->subframeSize);
473
474
475          gc = sqrt(1+eh)*filter_ratio/sqrt((1+el)*st->subframeSize);
476          {
477             int qgc = (int)floor(.5+3.7*(log(gc)+2));
478             if (qgc<0)
479                qgc=0;
480             if (qgc>15)
481                qgc=15;
482             speex_bits_pack(bits, qgc, 4);
483             gc = exp((1/3.7)*qgc-2);
484          }
485
486          scale = gc*sqrt(1+el)/filter_ratio;
487          scale_1 = 1/scale;
488          if (0 && rand()%5==0)
489          {
490             float sc = 1/sqrt(.1+eh/st->subframeSize);
491             if (rand()&1)
492                sc=-sc;
493             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
494             {
495                float tmp=exc[i]*sc;
496                if (i%8==0)
497                   printf ("\nhexc");
498                printf (" %f", tmp);
499             }
500          }
501
502          /* Reset excitation */
503          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
504             exc[i]=0;
505          
506          /* Compute zero response (ringing) of A(z/g1) / ( A(z/g2) * Aq(z) ) */
507          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
508             mem[i]=st->mem_sp[i];
509          syn_filt_mem(exc, st->interp_qlpc, exc, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
510          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
511             mem[i]=st->mem_sp[i];
512          residue_mem(exc, st->bw_lpc1, res, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
513          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
514             mem[i]=st->mem_sw[i];
515          syn_filt_mem(res, st->bw_lpc2, res, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
516          
517          /* Compute weighted signal */
518          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
519             mem[i]=st->mem_sp[i];
520          residue_mem(sp, st->bw_lpc1, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
521          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
522             mem[i]=st->mem_sw[i];
523          syn_filt_mem(sw, st->bw_lpc2, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
524          
525          /* Compute target signal */
526          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
527             target[i]=sw[i]-res[i];
528
529          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
530            exc[i]=0;
531
532
533          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
534             target[i]*=scale_1;
535          
536          /* Reset excitation */
537          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
538             innov[i]=0;
539
540          /*print_vec(target, st->subframeSize, "\ntarget");*/
541          SUBMODE(innovation_quant)(target, st->interp_qlpc, st->bw_lpc1, st->bw_lpc2, 
542                                 SUBMODE(innovation_params), st->lpcSize, st->subframeSize, 
543                                 innov, bits, st->stack, st->complexity);
544          /*print_vec(target, st->subframeSize, "after");*/
545
546          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
547             exc[i] += innov[i]*scale;
548
549          if (0) {
550             float en=0;
551             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
552                en+=exc[i]*exc[i];
553             en=sqrt(eh/(1+en));
554             for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
555                exc[i]*=en;
556             printf ("correction high: %f\n", en);
557          }
558
559          POP(st->stack);
560       }
561 #if 1
562          /*Keep the previous memory*/
563          for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
564             mem[i]=st->mem_sp[i];
565          /* Final signal synthesis from excitation */
566          syn_filt_mem(exc, st->interp_qlpc, sp, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
567          
568          /* Compute weighted signal again, from synthesized speech (not sure it's the right thing) */
569          residue_mem(sp, st->bw_lpc1, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, mem);
570          syn_filt_mem(sw, st->bw_lpc2, sw, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sw);
571 #endif
572       
573       
574       POP(st->stack);
575    }
576
577
578 #ifndef RELEASE
579    /* Up-sample coded low-band and high-band*/
580    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
581    {
582       st->x0[(i<<1)]=st->x0d[i];
583       st->x1[(i<<1)]=st->high[i];
584       st->x0[(i<<1)+1]=0;
585       st->x1[(i<<1)+1]=0;
586    }
587    /* Reconstruct the original */
588    fir_mem(st->x0, h0, st->y0, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g0_mem);
589    fir_mem(st->x1, h1, st->y1, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g1_mem);
590    for (i=0;i<st->full_frame_size;i++)
591       in[i]=2*(st->y0[i]-st->y1[i]);
592 #endif
593    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
594       st->old_lsp[i] = st->lsp[i];
595    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
596       st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
597
598    st->first=0;
599 }
600
601
602
603
604
605 void *sb_decoder_init(SpeexMode *m)
606 {
607    SBDecState *st;
608    SpeexSBMode *mode;
609    st = speex_alloc(sizeof(SBDecState));
610    st->mode = m;
611    mode=m->mode;
612
613    st->st_low = nb_decoder_init(mode->nb_mode);
614    st->full_frame_size = 2*mode->frameSize;
615    st->frame_size = mode->frameSize;
616    st->subframeSize = 40;
617    st->nbSubframes = 4;
618    st->lpcSize=8;
619
620    st->submodes=mode->submodes;
621    st->submodeID=mode->defaultSubmode;
622
623    st->first=1;
624    st->stack = speex_alloc(10000*sizeof(float));
625
626    st->x0=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
627    st->x1=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
628    st->x0d=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
629    st->x1d=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
630    st->high=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
631    st->y0=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
632    st->y1=speex_alloc(st->full_frame_size*sizeof(float));
633
634    st->h0_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
635    st->h1_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
636    st->g0_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
637    st->g1_mem=speex_alloc(QMF_ORDER*sizeof(float));
638
639    st->exc=speex_alloc(st->frame_size*sizeof(float));
640
641    st->qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
642    st->old_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
643    st->interp_qlsp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
644    st->interp_qlpc = speex_alloc((st->lpcSize+1)*sizeof(float));
645
646    st->mem_sp = speex_alloc(st->lpcSize*sizeof(float));
647
648    return st;
649 }
650
651 void sb_decoder_destroy(void *state)
652 {
653    SBDecState *st;
654    st = state;
655    nb_decoder_destroy(st->st_low);
656    speex_free(st->x0);
657    speex_free(st->x0d);
658    speex_free(st->x1);
659    speex_free(st->x1d);
660    speex_free(st->high);
661    speex_free(st->y0);
662    speex_free(st->y1);
663    speex_free(st->h0_mem);
664    speex_free(st->h1_mem);
665    speex_free(st->g0_mem);
666    speex_free(st->g1_mem);
667    
668    speex_free(st->exc);
669    speex_free(st->qlsp);
670    speex_free(st->old_qlsp);
671    speex_free(st->interp_qlsp);
672    speex_free(st->interp_qlpc);
673
674    speex_free(st->mem_sp);
675
676    speex_free(st->stack);
677
678    speex_free(state);
679 }
680
681
682 void sb_decode(void *state, SpeexBits *bits, float *out, int lost)
683 {
684    int i, sub;
685    SBDecState *st;
686    int wideband;
687
688    st = state;
689    /* Decode the low-band */
690    nb_decode(st->st_low, bits, st->x0d, lost);
691
692    /*Check "wideband bit"*/
693    wideband = speex_bits_peek(bits);
694    if (wideband)
695    {
696       /*Regular wideband frame, read the submode*/
697       wideband = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 1);
698       st->submodeID = speex_bits_unpack_unsigned(bits, SB_SUBMODE_BITS);
699    } else
700    {
701       /*Was a narrowband frame, set "null submode"*/
702       st->submodeID = 0;
703    }
704
705    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
706       st->exc[i]=0;
707
708    /* If null mode (no transmission), just set a couple things to zero*/
709    if (st->submodes[st->submodeID] == NULL)
710    {
711       for (i=0;i<st->frame_size;i++)
712          st->exc[i]=0;
713
714       st->first=1;
715
716       /* Final signal synthesis from excitation */
717       syn_filt_mem(st->exc, st->interp_qlpc, st->high, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
718
719       /* Up-sample coded low-band and high-band*/
720       for (i=0;i<st->frame_size;i++)
721       {
722          st->x0[(i<<1)]=st->x0d[i];
723          st->x1[(i<<1)]=st->high[i];
724          st->x0[(i<<1)+1]=0;
725          st->x1[(i<<1)+1]=0;
726       }
727       /* Reconstruct the original */
728       fir_mem(st->x0, h0, st->y0, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g0_mem);
729       fir_mem(st->x1, h1, st->y1, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g1_mem);
730       for (i=0;i<st->full_frame_size;i++)
731          out[i]=2*(st->y0[i]-st->y1[i]);
732
733       return;
734
735    }
736
737
738    SUBMODE(lsp_unquant)(st->qlsp, st->lpcSize, bits);
739    
740    if (st->first)
741    {
742       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
743          st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
744    }
745    
746    for (sub=0;sub<st->nbSubframes;sub++)
747    {
748       float *exc, *sp, tmp, filter_ratio, el=0;
749       int offset;
750       
751       offset = st->subframeSize*sub;
752       sp=st->high+offset;
753       exc=st->exc+offset;
754       
755       /* LSP interpolation */
756       tmp = (1.0 + sub)/st->nbSubframes;
757       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
758          st->interp_qlsp[i] = (1-tmp)*st->old_qlsp[i] + tmp*st->qlsp[i];
759
760       /* LSPs to x-domain */
761       for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
762          st->interp_qlsp[i] = cos(st->interp_qlsp[i]);
763
764       lsp_enforce_margin(st->interp_qlsp, st->lpcSize, .002);
765
766       /* LSP to LPC */
767       lsp_to_lpc(st->interp_qlsp, st->interp_qlpc, st->lpcSize, st->stack);
768
769       /* Calculate reponse ratio between the low and high filter in the middle
770          of the band (4000 Hz) */
771       {
772          float rl=0, rh=0;
773          tmp=1;
774          for (i=0;i<=st->lpcSize;i++)
775          {
776             rh += tmp*st->interp_qlpc[i];
777             tmp = -tmp;
778          }
779          rl = ((DecState*)st->st_low)->pi_gain[sub];
780          rl=1/(fabs(rl)+.01);
781          rh=1/(fabs(rh)+.01);
782          filter_ratio=fabs(.01+rh)/(.01+fabs(rl));
783       }
784       
785       for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
786          exc[i]=0;
787       if (!SUBMODE(innovation_unquant))
788       {
789          float g;
790          int quant;
791
792          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
793             el+=sqr(((DecState*)st->st_low)->innov[offset+i]);
794          quant = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 5);
795          g= exp(((float)quant-27)/8.0);
796          
797          /*printf ("unquant folding gain: %f\n", g);*/
798          g /= filter_ratio;
799          
800          /* High-band excitation using the low-band excitation and a gain */
801          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
802             exc[i]=.8*g*((DecState*)st->st_low)->innov[offset+i];
803       } else {
804          float gc, scale;
805          int qgc = speex_bits_unpack_unsigned(bits, 4);
806          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
807             el+=sqr(((DecState*)st->st_low)->exc[offset+i]);
808
809
810          gc = exp((1/3.7)*qgc-2);
811
812          scale = gc*sqrt(1+el)/filter_ratio;
813
814
815          SUBMODE(innovation_unquant)(exc, SUBMODE(innovation_params), st->subframeSize, 
816                                 bits, st->stack);
817          for (i=0;i<st->subframeSize;i++)
818             exc[i]*=scale;
819       }
820       syn_filt_mem(exc, st->interp_qlpc, sp, st->subframeSize, st->lpcSize, st->mem_sp);
821
822    }
823
824    /* Up-sample coded low-band and high-band*/
825    for (i=0;i<st->frame_size;i++)
826    {
827       st->x0[(i<<1)]=st->x0d[i];
828       st->x1[(i<<1)]=st->high[i];
829       st->x0[(i<<1)+1]=0;
830       st->x1[(i<<1)+1]=0;
831    }
832    /* Reconstruct the original */
833    fir_mem(st->x0, h0, st->y0, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g0_mem);
834    fir_mem(st->x1, h1, st->y1, st->full_frame_size, QMF_ORDER, st->g1_mem);
835    for (i=0;i<st->full_frame_size;i++)
836       out[i]=2*(st->y0[i]-st->y1[i]);
837
838
839    for (i=0;i<st->lpcSize;i++)
840       st->old_qlsp[i] = st->qlsp[i];
841
842    st->first=0;
843
844 }
845
846
847 void sb_encoder_ctl(void *state, int request, void *ptr)
848 {
849    SBEncState *st;
850    st=state;
851    switch(request)
852    {
853    case SPEEX_GET_FRAME_SIZE:
854       (*(int*)ptr) = st->full_frame_size;
855       break;
856    case SPEEX_SET_HIGH_MODE:
857       st->submodeID = (*(int*)ptr);
858       break;
859    case SPEEX_SET_LOW_MODE:
860       speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_MODE, ptr);
861       break;
862    case SPEEX_SET_VBR:
863       speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_VBR, ptr);
864       break;
865    case SPEEX_SET_VBR_QUALITY:
866       {
867          int qual = (*(int*)ptr)+1;
868          if (qual>10)
869             qual=10;
870          speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_VBR_QUALITY, &qual);
871          speex_encoder_ctl(state, SPEEX_SET_QUALITY, ptr);
872          break;
873       }
874    case SPEEX_SET_QUALITY:
875       {
876          int nb_mode;
877          int quality = (*(int*)ptr);
878          switch (quality)
879          {
880          case 0:
881             nb_mode=0;
882             st->submodeID = 0;
883             break;
884          case 1:
885             nb_mode=1;
886             st->submodeID = 1;
887             break;
888          case 2:
889             nb_mode=2;
890             st->submodeID = 1;
891             break;
892          case 3:
893             nb_mode=3;
894             st->submodeID = 1;
895             break;
896          case 4:
897             nb_mode=4;
898             st->submodeID = 1;
899             break;
900          case 5:
901             nb_mode=5;
902             st->submodeID = 1;
903             break;
904          case 6:
905             nb_mode=5;
906             st->submodeID = 2;
907             break;
908          case 7:
909             nb_mode=6;
910             st->submodeID = 2;
911             break;
912          case 8:
913          case 9:
914          case 10:
915             nb_mode=6;
916             st->submodeID = 3;
917             break;
918          default:
919             fprintf(stderr, "Unknown sb_ctl quality: %d\n", quality);
920          }
921          speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_MODE, &nb_mode);
922       }
923       break;
924    case SPEEX_SET_COMPLEXITY:
925       speex_encoder_ctl(st->st_low, SPEEX_SET_COMPLEXITY, ptr);
926       st->complexity = (*(int*)ptr);
927       break;
928    case SPEEX_GET_COMPLEXITY:
929       (*(int*)ptr) = st->complexity;
930       break;
931    case SPEEX_GET_BITRATE:
932       speex_encoder_ctl(st->st_low, request, ptr);
933       if (st->submodes[st->submodeID])
934          (*(int*)ptr) += 50*SUBMODE(bits_per_frame);
935       else
936          (*(int*)ptr) += 50*(SB_SUBMODE_BITS+1);
937       break;
938    default:
939       fprintf(stderr, "Unknown nb_ctl request: %d\n", request);
940    }
941
942 }
943
944 void sb_decoder_ctl(void *state, int request, void *ptr)
945 {
946    SBDecState *st;
947    st=state;
948    switch(request)
949    {
950    case SPEEX_GET_FRAME_SIZE:
951       (*(int*)ptr) = st->full_frame_size;
952       break;
953    case SPEEX_SET_ENH:
954       speex_decoder_ctl(st->st_low, request, ptr);
955       break;
956    case SPEEX_GET_BITRATE:
957       speex_decoder_ctl(st->st_low, request, ptr);
958       if (st->submodes[st->submodeID])
959          (*(int*)ptr) += 50*SUBMODE(bits_per_frame);
960       else
961          (*(int*)ptr) += 50*(SB_SUBMODE_BITS+1);
962       break;
963    default:
964       fprintf(stderr, "Unknown sb_ctl request: %d\n", request);
965    }
966
967 }