声网 Aogra 自研的编解码器 SOLO，已向所有音视频、WebRTC 开发者开源。本系列源码解读将讲解底层核心技术，并分享如何集成到自己的 WebRTC 应用中。本文为此系列的第一篇。本文作者：赵晓涵，声网 Agora 音频算法工程师。
SOLO 在 Silk 的基础上扩展了带宽扩展模块，用来分别处理低频信息（0-8kHz 采样部分）和高频信息（8-16kHz 采样部分），在编码端，两者使用两套耦合的分析编码系统进行码流生成。在解码端，利用低频信号和高频信息，SOLO 可以解码出宽带信号。SOLO 使用带宽扩展主要有两个原因，首先，带宽扩展可以让更多的码率分配到更重要的低频部分，提升编码效率；第二个原因是带宽扩展可以减少进入到信号分析模块的采样点数，从而减少信号分析部分的复杂度（之前需要分析全部的信号，现在只需要分析低频部分）。在减少了原有复杂度的前提下，SOLO 才能够在低频部分额外增加较多计算以选取最佳的多描述编码状态（详细内容可见下一篇源码解析），让编解码音质达到预期。
编码端
SOLO 编码端的大部分操作都是在下述函数中完成的：
SKP_int32 AGR_Sate_encode_process(SATEEncCtl*sateCtl, /* I/O SATE Encoder state */const SKP_int16 *vin, /* I input signal */NovaBits*bits, /* I bitstream operator */void*skctrl,void*hbctrl, SKP_int16 *nBytesOut /* I encoded bits */)
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首先，输入的 16kHz 采样率的语音帧会先进入到一个正交镜像滤波器组（QMF）里进行频带的划分：
void AGR_Sate_qmf_decomp(constspx_word16_t*xx, /* I Input signal */constspx_word16_t*aa, /* I Qmf coefficients */spx_word16_t*y1, /* O Output low band signal */spx_word16_t*y2, /* O Output high band signal */ SKP_int32 N, /* I frame size */ SKP_int32 M, /* I Qmf order */spx_word16_t*mem, /* I/O Qmf state */ SKP_int8 *stack)
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该函数的输出的是两个时域帧，分别包含低频信息和高频信息。低频信息和高频信息会在后续分别进行处理，其中，低频信息会通过函数 SKP_Silk_SDK_Encode 进行分析和编码，这部分内容我们会在下一期 SOLO 代码解析里进行详细解读。
SKP_int SKP_Silk_SDK_Encode(void*encState, /* I/O: State */const SKP_SILK_SDK_EncControlStruct *encControl, /* I: Control structure */const SKP_int16 *samplesIn, /* I: Input samples */ SKP_int nSamplesIn, /* I: Number of samples */ SKP_uint8 *outData, /* O: Encoded output */ SKP_int16 *nBytesOut /* I/O: I: Max bytes O:out bytes */)
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高频信息的编码以线性滤波分析为基础，同时为了减少码率，部分依赖于低频信号的残差信息，因此在进行高频信息编码之前，需要通过下述函数提取低频编码信息中的残差信息：
SKP_int SKP_Silk_SDK_Get_Encoder_Residue( void*encState,SKP_int32 *r )
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高频信息的分析和编码在函数 AGR_Bwe_encode_frame_FLP 中进行：
SKP_int32 AGR_Bwe_encode_frame_FLP( AGR_Sate_HB_encoder_control_FLP *hbEncCtrl, AGR_Sate_encoder_hb_state_FLP *psHBEnc,NovaBits*bits, /* I bitstream operator */ SKP_float *high, SKP_int32 *residue, SKP_int16 *nBytesOut /* I/O: Number of bytes in outData (input: Max bytes) */)
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首先高频信息通过 AGR_Sate_find_HB_LPC_FLP 进行分析得到自身的 8 阶 LPC 系数，并将其转化为编码误差较小的 LSP 系数：
SKP_int32 AGR_Sate_find_HB_LPC_FLP( AGR_Sate_encoder_hb_state_FLP *psEnc, /* I/O Encoder state FLP */ AGR_Sate_HB_encoder_control_FLP *hbEncCtrl, /* I/O HB Encoder control FLP */ SKP_int32 hb_subfr_length, /* I subframe length */ SKP_int32 hb_lpc_order, /* I high band lpc order */ SKP_int32 first /* I */)
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随后通过 AGR_Sate_lsp_quant_highband 进行双码本量化：
SKP_int32 AGR_Sate_lsp_quant_highband( SKP_float *lsp, /* I/O lsp coefficients */ SKP_int32 order /* I lpc order */)
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量化后，编码器会将 LSP 系数转化为 1 个 index 来表示：
idx1 = lsp_weight_quant(qlsp, quant_weight1, AGR_Sate_highband_lsp_cdbk1, HB_LSP_CB1, order);idx2 = lsp_weight_quant(qlsp, quant_weight2, AGR_Sate_highband_lsp_cdbk2, HB_LSP_CB2, order);idx = (idx2<<8)+idx1;
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随后，该帧被分为 4 个子帧，计算各个子帧的残差信号，并计算其对应窄带残差信号子帧的增益，共计 4 个，使用单码本量化。量化后的 LSP index 和 gain 使用下述函数写入独立码流。
void AGR_Sate_bits_pack(NovaBits*bits, int data, int nbBits)
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其中，LSP index 使用 12 bits 编码，每个子帧 gain 使用 5 bits 编码，所以高频信息的码流共计 12+4*5=32 bits，即 4 bytes，该段码流位于窄带码流之后，和窄带码流中的第二组多描述码流绑定在一起组包。
解码端
解码器可以看做编码器的镜像，解码器收到码流后，首先会通过下述函数解码得到 0-8kHz 采样率的低频信息，这部分也会在下一期 SOLO 代码解析里进行详细解读。
SKP_int SKP_Silk_SDK_Decode(void* decState, /* I/O: State */ SKP_SILK_SDK_DecControlStruct* decControl, /* I/O: Control structure */ SKP_int lostFlag, /* I: 0: no loss, 1 loss */const SKP_uint8 *inData, /* I: Encoded input vector */const SKP_int16 nBytesIn[], /* I: Number of input Bytes */ SKP_int16 *samplesOut, /* O: Decoded output */ SKP_int16 *nSamplesOut /* I/O: Number of samples */)
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随后，解码器通过下述函数得到低频残差信息以用来解码 8-16kHz 的高频信息。
SKP_int SKP_Silk_SDK_Get_Decoder_Residue(void*decState, SKP_int32 *r)
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同时，解码器会使用以下函数来进行高频信息的解码。
SKP_int32 AGR_Bwe_decode_frame_FLP( AGR_Sate_HB_decoder_control_FLP *hbDecCtrl, AGR_Sate_decoder_hb_state_FLP *psHBDec,NovaBits*bits, /* I bitstream operator */ SKP_float *OutHigh, SKP_int32 *residue_Q10, SKP_int32 lostflag /* I lost falg */)
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该函数内的处理整体上可以分成两种 case，第一种是没有正常接收到包含高频信息的多描述码流，这种情况下会复用上一帧解码出的 LSP index 和子帧增益；如果正常接收到了包含高频信息的多描述码流，则会从 4 bytes 的高频信息中解码、反量化出所需的 LPC 滤波器系数和 4 个子帧增益。
恢复高频信号使用的残差信号是乘上子帧增益后的低频残差信号。使用高频残差再加上高频 LPC 系数，通过以下函数就可以解码得到高频信号。
void AGR_Sate_LPC_synthesizer( SKP_float *output, /* O output signal */ SKP_float *ipexc, /* I excitation signal */ SKP_float *sLPC, /* I/O state vector */ SKP_float *a_tmp, /* I filter coefficients */ SKP_int32 LPC_order, /* I filter order */ SKP_int32 subfr_length /* I signal length */)
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随后，低频信息和高频信息会进入到以下函数中，进行高低频的合成，函数输出的是 16kHz 采样率的宽带信号。
void AGR_Sate_qmf_synth(constspx_word16_t*x1, /* I Low band signal */constspx_word16_t*x2, /* I High band signal */constspx_word16_t*a, /* I Qmf coefficients */spx_word16_t*y, /* O Synthesised signal */ SKP_int32 N, /* I Signal size */ SKP_int32 M, /* I Qmf order */spx_word16_t*mem1, /* I/O Qmf low band state */spx_word16_t*mem2, /* I/O Qmf high band state */ SKP_int8 *stack)
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至此，解码端就完成了将窄带信号扩展成宽带信号的操作。
本文转载自 声网 Agora 公众号。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/maJjXYCzmcqyXWToIB1N_g
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