برنامج الترميز 2

Codec 2 هو برنامج ترميز صوتي منخفض معدل البت ( ترميز الكلام ) خالٍ من براءات الاختراع ومفتوح المصدر . ^{[ 1 ]} يضغط Codec 2 الكلام باستخدام الترميز الجيبي ، وهي طريقة متخصصة في الكلام البشري . وقد تم بنجاح إنشاء معدلات بت تتراوح بين 3200 و450  بت/ثانية. صُمم Codec 2 للاستخدام في أجهزة الراديو للهواة وتطبيقات الصوت الأخرى التي تتطلب ضغطًا عاليًا.

تم تطوير برنامج الترميز بواسطة ديفيد جرانت رو، بدعم وتعاون من باحثين آخرين (مثل جان مارك فالين من أوبوس ). ^{[ 2 ]}

يتكون برنامج الترميز 2 من أوضاع ترميز بمعدلات 3200، 2400، 1600، 1400، 1300، 1200، 700، و450 بت/ثانية. وهو يتفوق على معظم برامج ترميز الكلام  الأخرى ذات معدل البت المنخفض . فعلى سبيل المثال، يستخدم نصف عرض النطاق الترددي لتقنية الإثارة متعددة النطاقات المتقدمة لترميز الكلام بجودة مماثلة. يستخدم برنامج ترميز الكلام هذا صوتًا مُعَمَّمًا بتقنية PCM بمعدل 16 بت ، ويُخرج بايتات رقمية مُجمَّعة. عند إرسال بايتات رقمية مُجمَّعة، يُخرج صوتًا مُعَمَّمًا بتقنية PCM. معدل أخذ عينات الصوت ثابت عند 8 كيلوهرتز. 

التطبيق المرجعي مفتوح المصدر ومتاح مجانًا في مستودع GitHub . ^{[ 3 ]} يُنشر الكود المصدري بموجب شروط الإصدار 2.1 من رخصة جنو العمومية الصغرى (LGPL). ^{[ 4 ]} تمت برمجته بلغة C ، ويتطلب الكود المصدري الحالي عمليات حسابية بفاصلة عائمة ، على الرغم من أن الخوارزمية نفسها لا تتطلب ذلك. تتضمن حزمة البرامج المرجعية أيضًا مودمًا رقميًا للصوت بتقنية تقسيم التردد، وواجهة مستخدم رسومية مبنية على WxWidgets . تم تطوير البرنامج على نظام Linux ، ويتوفر إصدار لنظام Microsoft Windows تم إنشاؤه باستخدام Cygwin، بالإضافة إلى إصدار لنظام Apple MacOS .

تم عرض برنامج الترميز في العديد من المؤتمرات وحصل على جائزة الابتكار التقني لعام 2012 من ARRL ، ^{[ 5 ]} وجائزة أفضل عرض تقديمي في مؤتمر لينكس أستراليا. ^{[ 6 ]}

داخلياً، تعمل خوارزميات ترميز الصوت البارامتري على  إطارات PCM مدتها 10 مللي ثانية باستخدام نموذج للصوت البشري. ويتم تصنيف كل مقطع صوتي من هذه المقاطع على أنه مجهور (حرف علة) أو مهموس (حرف ساكن).

يستخدم برنامج الترميز 2 ترميزًا جيبيًا لنمذجة الكلام، وهو مشابهٌ لبرامج الترميز متعددة النطاقات . يعتمد الترميز الجيبي على انتظام (دورية) نمط ترددات النغمات التوافقية وطبقات من الموجات الجيبية التوافقية. يُعاد إنتاج الصوت المنطوق من خلال نمذجة الكلام كمجموع موجات جيبية مترابطة توافقيًا ذات سعات مستقلة تُسمى أزواج الطيف الخطي (LSP)، فوق تردد أساسي محدد لصوت المتحدث (درجة الصوت). يتم ترميز درجة الصوت (المكممة) وسعة (طاقة) التوافقيات ، ويتم تبادلها مع أزواج الطيف الخطي عبر القناة بتنسيق رقمي. تمثل معاملات أزواج الطيف الخطي نموذج الترميز التنبؤي الخطي (LPC) في مجال التردد، وتُتيح تكميمًا قويًا وفعالًا لمعاملات LPC. ^{[ 7 ]}

تُخزَّن البيانات الرقمية في شكل حقول بتية مُجمَّعة معًا. ويمكن ترميز هذه الحقول البتية اختياريًا باستخدام ترميز غراي قبل تجميعها. قد يكون ترميز غراي مفيدًا عند إرسال البيانات الخام، ولكن عادةً ما يقوم التطبيق بفصل الحقول البتية مباشرةً. تُشكِّل الحقول البتية مختلف المعلمات التي يتم تخزينها أو تبادلها (مثل درجة الصوت، والطاقة، وقيم منطقية خاصة بالصوت، وبروتوكولات تبادل اللغة، إلخ).

على سبيل المثال، في الوضع 3200، يتم  تحويل 20 مللي ثانية من الصوت إلى 64  بت. وبالتالي،  يتم إخراج 64 بت كل 20  مللي ثانية (50 مرة في الثانية)، بمعدل بيانات أدنى يبلغ 3200 بت/ثانية. تُرسل  هذه الـ 64 بت على شكل 8 بايتات إلى التطبيق، الذي يقوم بفك تشفير حقول البتات، أو إرسال البايتات عبر قناة بيانات.  

مثال آخر هو الوضع 1300، الذي يُرسل إليه 40  مللي ثانية من الصوت، ويُخرج 52  بت كل 40  مللي ثانية (25 مرة في الثانية)، بمعدل أدنى يبلغ 1300 بت/ثانية. تُرسل  هذه البتات الـ 52 على شكل 7 بايتات إلى التطبيق أو قناة البيانات.  

يُستخدم برنامج الترميز 2 حاليًا في العديد من أجهزة الراديو وأنظمة الراديو المعرفة بالبرمجيات:

• FreeDV ^{[ 8 ]}
• سلسلة FlexRadio 6000 ^{[ 9 ]}
• SM1000 ^{[ 10 ]}
• كويسك ^{[ 11 ]}
• مشروع M17 ^{[ 12 ]}
• راديو DTC Sentry Mesh 6161 MANET ^{[ 13 ]}

تم دمج Codec 2 أيضًا في FreeSWITCH وهناك تصحيح متاح للدعم في Asterisk .

كان هناك جهاز إعادة إرسال صوتي رقمي من نوع FM-to-Codec2 في مدار أرضي على القمر الصناعي اللاسلكي للهواة LilacSat -1 (رمز النداء ON02CN، كوكبة QB50 )، والذي تم إطلاقه ونشره لاحقًا من محطة الفضاء الدولية في عام 2017. ^{[ 14 ]}

سعى بروس بيرنز، الداعم البارز للبرمجيات الحرة وهاوي الراديو، إلى إنشاء برنامج ترميز صوتي مجاني يعمل بسرعة أقل من 5 كيلوبت/ثانية. ولأن بيرنز لم يكن لديه الخبرة اللازمة، تواصل مع جان مارك فالين عام 2008، الذي عرّفه بدوره على المطور الرئيسي ديفيد غرانت رو، الذي عمل مع فالين في مشروع Speex عدة مرات. كان رو نفسه هاوي راديو ( رمز نداء الراديو الخاص به VK5DGR) ولديه خبرة في إنشاء واستخدام برامج ترميز الصوت وخوارزميات معالجة الإشارات الصوتية الأخرى. حصل على درجة الدكتوراه في ترميز الكلام في التسعينيات، وشارك في تطوير أحد أوائل أنظمة الاتصالات الهاتفية عبر الأقمار الصناعية ( Mobilesat ). 

وافق على المهمة وأعلن قراره بالعمل على صيغة معينة في 21 أغسطس 2009. وقد استند في ذلك إلى البحث والنتائج التي توصل إليها في أطروحته للدكتوراه. ^{[ 15 ] [ 16 ]} يعود النموذج الجيبي الأساسي إلى تطويرات روبرت ج. مكولي وتوماس ف. كواتيري (مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في لينكولن) منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي.

في أغسطس 2010، نشر ديفيد رو الإصدار 0.1 ألفا. ^{[ 17 ]} تم إصدار الإصدار 0.2 في نهاية عام 2011، والذي قدم وضعًا بسرعة 1400  بت/ثانية وتحسينات كبيرة في التكميم.

في يناير 2012، في مؤتمر linux.conf.au ، ساعد جان مارك فالين في تحسين تكميم أزواج الطيف الخطي، وهو أمر أقل دراية به رو. ^{[ 18 ]} بعد عدة تغييرات على أوضاع معدل البت المتاحة في شتاء وربيع 2011/2012،  أصبحت أوضاع 2400 و1400 و1200 بت/ثانية متاحة بعد مايو من ذلك العام.

 تم الانتهاء من Codec 2 700C، وهو وضع جديد بمعدل بت يبلغ 700 بت/ثانية، في أوائل عام 2017. ^{[ 19 ]}

في يوليو 2018، تم عرض نمط تجريبي بسرعة 450  بت/ثانية، والذي طُوّر كجزء من أطروحة ماجستير في جامعة إرلانغن-نورنبيرغ. ومن خلال التدريب الذكي لتقنية التكميم المتجهي، أمكن خفض معدل البيانات بشكل أكبر استنادًا إلى مبدأ نمط 700C. ^{[ 20 ]}

• الموقع الرسمي
• FreeDV