第1講-傳真技術(shù)概述與MH編碼技術(shù)

《終端密碼通信》第1講主講：蔣桂秋

自我介紹授課教師：蔣桂秋所在部門：信息安全研究所手機(jī)號碼公固話：83635093郵箱地址：jiangjgq@長期在北京電子科技學(xué)院從事傳真、電話密碼通信科研與教學(xué)工作。課程介紹“終端密碼通信”課程目前是我院通信工程系設(shè)置的一門專業(yè)選修課，是我院的機(jī)要特色課程。理論授課36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)。理論授課采用開卷考試。學(xué)習(xí)要求上課聽講獨(dú)立完成作業(yè)認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)評分標(biāo)準(zhǔn)期末考試占70%實(shí)驗(yàn)成績占10%平時(shí)成績占20%(作業(yè),考勤)教材介紹教材：

《終端密碼通信》

本院自編講義（蔣桂秋、謝靜主編）參考書：

1.《數(shù)字傳真通信》

劉立柱編

2000年電子科技大學(xué)出版社

2.《通信保密技術(shù)》中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會2003年國防工業(yè)出版社學(xué)習(xí)本課程的目的使用電話、傳真通信終端進(jìn)行語音、圖像通信是當(dāng)今人們進(jìn)行信息交流的主要手段之一。

長期以來，我國黨政部門使用電話和傳真通信實(shí)現(xiàn)信息溝通、政令下達(dá)、情況報(bào)告等。為確保在電話、傳真通信中國家秘密信息的安全，必須對電話、傳真信息進(jìn)行加密保護(hù)。本課程通過講解電話、傳真密碼通信技術(shù)原理并開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)、了解基于電話和傳真的終端密碼通信基本原理，并掌握有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為學(xué)生將來在黨政部門的開展機(jī)要通信工作或者相關(guān)科研工作打下基礎(chǔ)。本課程的核心內(nèi)容傳真通信基本原理傳真密碼通信

傳真機(jī)使用（實(shí)驗(yàn)）電話密碼通信原理（第9章）傳真通信基本原理傳真技術(shù)概述（第1章）傳真信號編碼（第2章）傳真通信控制規(guī)程（第3章）傳真數(shù)據(jù)傳輸（第4章）傳真密碼通信傳真密碼通信技術(shù)（第7章）門衛(wèi)式傳真密碼機(jī)實(shí)現(xiàn)原理（第8章）傳真機(jī)使用傳真機(jī)功能設(shè)置與操作簡單故障排除傳真密碼通信實(shí)驗(yàn)第1章傳真技術(shù)概述1.1傳真定義及原理

1.2傳真機(jī)分類1.3傳真機(jī)組成原理1.1.1傳真定義傳真是在發(fā)送端把記錄紙上的文字、圖表、圖形等圖像通過掃描、分解，變換成電信號，再對表示圖像的電信號進(jìn)行處理、傳送，在接收端的記錄紙上重現(xiàn)與發(fā)送端相同或相似圖像的一種通信手段。1.1傳真定義與原理傳真通信的特點(diǎn)（１）可記錄性

是傳送靜止圖像的“記錄通信”、“遠(yuǎn)程復(fù)印”。（２）真跡傳送

不僅傳送圖象信息的內(nèi)容，而且可以保留其具體形式。1.1.2傳真通信基本原理原稿發(fā)送掃描光電變換傳輸信道調(diào)制解調(diào)記錄變換收信掃描收信記錄傳真通信三要素圖象發(fā)送掃描電話線路接收記錄掃描同步同步發(fā)送掃描發(fā)送掃描,就是把原稿二維圖象信息按照一定密度,在水平和垂直兩個方向分解成微小單元(像素),并按照一定的先后順序?qū)⑦@些微小單元(黑或白點(diǎn)的面積)變換成一維的并隨時(shí)間變化的光信號．光電變換因采用光源投射在圖稿上再掃描像素點(diǎn)的反射亮度轉(zhuǎn)換而得，故又稱為光電變換，影像數(shù)值為二進(jìn)制的1或0，并以掃描線排列。逐行掃描，分解成許多微小象素后再經(jīng)過光電變化，將這些象素轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，形成圖像原始信號，對原始信號進(jìn)行處理，變成圖像數(shù)據(jù)。傳真信號的傳輸除傳真機(jī)發(fā)展初期外，利用編碼電路將圖像數(shù)據(jù)以壓縮編碼方式進(jìn)行壓縮，以節(jié)省傳輸?shù)男畔⒘考皞鬏敃r(shí)間。

壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號(音頻信號)再發(fā)送到電話線路上。對于接收端來說,經(jīng)過解調(diào)后的傳真信號送到譯碼處理電路。傳真通信線路公眾電話交換網(wǎng)線路（PSTN）和專用交換網(wǎng)（自營專用電話網(wǎng)和PBX電話網(wǎng)絡(luò)）。公眾電話交換網(wǎng)絡(luò)：電話網(wǎng)包括長途網(wǎng)和市話網(wǎng)。我國長途網(wǎng)的四級匯接制國際局省間中心省中心地區(qū)中心縣中心利用電話交換網(wǎng)電路作傳真通信傳真機(jī)市話交換機(jī)長話局長話局市話交換機(jī)傳真機(jī)長途載波信道電話機(jī)電話機(jī)用戶線中繼線中繼線用戶線記錄變換傳真信號由解調(diào)器送到譯碼電路并恢復(fù)成與原圖象信息一致的圖象信號，該圖象信號經(jīng)過一定控制轉(zhuǎn)換成能量，如電能＼熱能等去驅(qū)動記錄頭動作。也就是說，將表示一行掃描線掃描信息的二進(jìn)制值1或0的數(shù)字資料送到打印裝置，以黑白色墨顯像于記錄紙上，等同于原稿掃描線同尺度及解析度。收信掃描把隨時(shí)間變化的一維圖象信號，按先后順序及位置進(jìn)行組合后而轉(zhuǎn)換成與原稿相似的二維圖象副件。現(xiàn)代傳真通信的技術(shù)組成光電變換技術(shù)圖像處理技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)圖像打印技術(shù)機(jī)電技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.2傳真機(jī)的分類按用途，傳真機(jī)一般可分為以下幾種圖像傳真機(jī)，主要用于傳送有灰度等級的圖片、照片等。氣象傳真機(jī)，主要用于與短波定頻接收機(jī)配套，利用無線廣播和氣象衛(wèi)星來發(fā)送和接收氣象資料。話路文件傳真機(jī)，簡稱文件傳真機(jī)。是一種利用電話通路，在任意兩個電話用戶之間進(jìn)行文字資料和圖象的傳送，是目前使用范圍最廣，用量最大的傳真機(jī)。本課程討論的就屬于這一種傳真機(jī)。

定義：傳真機(jī)是指在公用電話網(wǎng)或其它相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上，用來傳輸文件、報(bào)紙、相片、圖表及數(shù)據(jù)等信息的通信設(shè)備。按色彩分類,傳真機(jī)分為雙色傳真機(jī)和多色傳真機(jī)。雙色傳真機(jī)的分辨率為8dot/mm，用9600bps的速率傳送1張A4文件大約需要1分鐘。多色傳真機(jī)在發(fā)送端把彩色圖象分解成三種原色(紅、黃、藍(lán))發(fā)送，在接收端把信號復(fù)原。隨著電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展如ISDN的建立和用戶傳輸線路的寬帶化及彩色編碼的實(shí)現(xiàn)，很容易實(shí)現(xiàn)高速的彩色傳真通信。

如果單純按價(jià)格高低來分類可分為：高、中、低檔采用的掃描方式與記錄幅面的大小，再加上所能實(shí)現(xiàn)的附加功能就基本上決定了傳真機(jī)的價(jià)格。傳真機(jī)按采用的掃描方式可分為：電荷耦合掃描(CCD掃描)和接觸式圖像掃描(CIS掃描)。傳真機(jī)按記錄方式可分為：熱敏紙、普通紙噴墨普通紙色帶普通紙激光普通紙

文件傳真機(jī)的分類國際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)部門（ITU-T，其前身為國際電報(bào)電話咨詢委員會，CCITT

）對文件傳真機(jī)進(jìn)行了分類。一類傳真機(jī)

是指采ITU-T制,

對傳輸信號無任何頻帶壓縮措施,

適于在電話電路上以每毫米4線的掃描密度在6分鐘內(nèi)傳輸一頁ISO

A4幅面文件設(shè)備。

有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為:ITU-T

T.2文件傳真機(jī)的分類二類傳真機(jī)

是指采用頻帶壓縮技術(shù),

在每毫米4線的掃描密度下

使一頁ISO

A4幅面的文件經(jīng)話路傳輸?shù)臅r(shí)間大約為3分鐘的設(shè)備,

頻帶壓縮方法可以用編碼和(或)殘余邊帶的方式,

但不采用減少多余度的文件信號處理。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為:ITU-T

T.3

文件傳真機(jī)的分類三類傳真機(jī)（G3FAX）

ITU-T建議，三類機(jī)需要在調(diào)制處理前采取措施，以減少圖像信號中的信息冗余度，以主掃描線密度8點(diǎn)/mm，副掃描線密度3.85線/mm及7.7線/mm，在1分鐘左右的時(shí)間內(nèi)，以傳輸速率9600bps，能在一個話路上傳送一頁ISOA4幅面的典型打字文件。

有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為:ITU-T

T.4/T.30三類傳真機(jī)G3基本參數(shù)掃描軌跡采用平面掃描方式，其掃描方向是從左到右，且隨后的掃描線緊接在前一掃描線之下，再從左到右。掃描線長度按ITU-T規(guī)定，三類機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)掃描線長度是215mm。文件尺寸

標(biāo)準(zhǔn)尺寸為A4（210mm×297mm）三類傳真機(jī)G3基本參數(shù)水平方向分辨率

8像素/mm，標(biāo)準(zhǔn)掃描線上有1728個黑白像素。垂直方向掃描線密度

標(biāo)準(zhǔn)（standard）：

3.85線/mm；

精細(xì)（fine）：7.7線/mm；

超精細(xì)（superfine）：15.4線/mm．傳輸速率

由所用MODEM的速率決定標(biāo)準(zhǔn)速率：4800bps

其它速率：2400bps/7200bps/9600bps/11400bps等目前最高速：33600bps目前三類機(jī)（G3FAX）仍是傳真通信中主要機(jī)種，市場需求量最大，主要因素有：操作簡單，無需專業(yè)培訓(xùn)；安裝簡單，電話線路普及廣泛；速度快，話路上傳送一頁A4幅面標(biāo)準(zhǔn)文件，少于1分鐘，甚至數(shù)秒；適應(yīng)辦公要求，可傳輸文字、圖象、照片等；

即時(shí)記錄、存儲，提高消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，易于實(shí)現(xiàn)通信的自動化。價(jià)格不斷下降；技術(shù)不斷發(fā)展中。

文件傳真機(jī)的分類

四類傳真機(jī)是傳真機(jī)技術(shù)發(fā)展的新一代產(chǎn)品，是一種能夠在ISDN線路上傳輸?shù)奈募髡鏅C(jī)，傳輸速度比三類機(jī)更高（以64Kbps傳輸）。它一般支持并兼容三類傳真機(jī)的通信功能，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制處理也可用在公用電話交換網(wǎng)上。傳真機(jī)的技術(shù)發(fā)展比較一類機(jī)二類機(jī)三類機(jī)四類機(jī)傳送一頁A4原稿所需時(shí)間6分鐘3分鐘1分鐘3秒ITU-T

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)ITU-T

T.2ITU-T

T.3ITU-T

T.4ITU-T

T.6技術(shù)原理雙邊帶調(diào)制調(diào)制解調(diào)器PSTN頻帶壓縮技術(shù)調(diào)制解調(diào)器PSTN頻帶壓縮的MH/MR編碼調(diào)制解調(diào)器PSTNMMR編碼ISDN模擬傳真機(jī)模擬傳真機(jī)數(shù)字傳真機(jī)數(shù)字傳真機(jī)1.3傳真機(jī)組成原理熒光燈行存儲器緩沖存儲編譯碼器調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)控制器放大A/D變換記錄頭控制步進(jìn)電機(jī)控制主機(jī)控制部分操作顯示操作鍵盤供電部分電話機(jī)記錄頭記錄紙?jiān)O(shè)原稿接紙盤CCD透鏡鏡子圖像信號數(shù)據(jù)壓縮處理外線圖1.4三類機(jī)組成框圖MODEM鍵盤、顯示器網(wǎng)絡(luò)控制濾波放大CPUPIOROMRAMCCD控制CCD記錄頭控制記錄頭濾波放大A/D驅(qū)動器掃描機(jī)械T電機(jī)R電機(jī)記錄機(jī)械L1L2主控制系統(tǒng)圖1.5三類機(jī)主控系統(tǒng)第二章傳真信號編碼2.1概述傳真信號編碼屬于信源編碼，其目的在于壓縮表征圖像信息的數(shù)據(jù)量，以便于快速傳輸。傳真信號編碼技術(shù)還在不斷地發(fā)展：1、對于黑白二值圖像：1）MHC：一維改進(jìn)的霍夫曼編碼，ITU-TT.4（1980年）2）MR：二維改進(jìn)Read碼，ITU-TT.4（1980年）3）MRR：改進(jìn)MR碼，ITU-TT.6（1984年）4）JBIG：面向灰度圖像。1988年成立的“聯(lián)合二值圖像專家組”（JBIG）提出了一個正式建議（ISO/IECCD11544），作為二值傳真圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)。T.82、T.85建議給出了具體的規(guī)定，比T.4、T.6建議給出的編碼壓縮比高。2、對于彩色圖像：JPEG，1997年10月，ITU-T通過了T.86和T.87兩個有關(guān)連續(xù)色調(diào)靜止圖像壓縮編碼的建議，把JPEG算法引入傳真通信。2.2一維改進(jìn)的霍夫曼編碼

（MHC

）預(yù)備知識單義代碼：一有限長的碼序列只能唯一地分割成一個個碼字。例如：W={0,10,11}是單義代碼

W={0,10,100,111}不是單義代碼非續(xù)長代碼：任意一個碼字都不是另一個碼字的續(xù)長，即不能在一個碼字后添加一些碼元構(gòu)成另一個碼字。非續(xù)長代碼都是單義的。最佳編碼

所謂最佳編碼是根據(jù)給定的消息概率，編成一不等長的二元非續(xù)長代碼，消息概率大，編成的代碼短；消息概率小，編成的代碼長。而且碼長變化越小時(shí)，編碼性能越優(yōu)?；舴蚵幋a霍夫曼編碼就是最佳編碼，例:

消息：ABCDEFGH

碼長：13344455

概率：0.10.070.060.050.04

編碼后的平均碼長：L=1×0.4+3×(0.18+0.1)+4×(0.1+0.07+0.06)+5×(0.05+0.04)=2.61

碼元熵H=0.978，編碼效率=97.8%霍夫曼編碼在傳真文件編碼中的困難

傳真文件一條掃描線長度內(nèi)有1728個像素，一行一行出現(xiàn)的概率不同，并且都是隨機(jī)出現(xiàn)，因此概率非常難統(tǒng)計(jì)，很難及時(shí)產(chǎn)生霍夫曼編碼。

如果完全采用霍夫曼編碼就需要建立大量的對照表和轉(zhuǎn)換碼表，這樣很不經(jīng)濟(jì)，也無法實(shí)現(xiàn)。

一維改進(jìn)的霍夫曼編碼MHC是ITU向各國推薦使用的一維編碼方案。該方案是根據(jù)ITU規(guī)定的8個樣張為概率統(tǒng)計(jì)依據(jù)而進(jìn)行編碼的。

實(shí)踐證明：MHC具有編碼效率高（平均編碼效率是86.9%），差錯靈敏度小,易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。1、全編碼掃描線

一掃描線的像素序列經(jīng)編碼后，用它所包括的黑白持續(xù)長度所對應(yīng)的碼字及必要的控制碼字的總比特?cái)?shù)來表示，這就稱為全編碼掃描線。

它是像素編碼比特?cái)?shù)加上所需的填充比特?cái)?shù)以及線終碼比特?cái)?shù)的總和。幾個基本概念幾個基本概念2、

全編碼掃描線的傳輸時(shí)間T

傳送一條編碼掃描線的編碼數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。T7.7，T3.85，T15.4

由于早期的G3傳真機(jī)一般沒有大容量緩存能力，為了匹配收/發(fā)方的記錄/掃描速度，對編碼掃描線最小傳輸時(shí)間作出了規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是20ms。對編碼掃描線最大傳輸時(shí)間作出了規(guī)定，不超過5s。MHC的編碼方法1、黑白游程（run-lenth）分別對應(yīng)不同的編碼表。2、在0~63個像素范圍內(nèi)的游程，用對應(yīng)的結(jié)尾碼表示。3、在64~1728個像素范圍內(nèi)的游程，用一個組合基干碼緊跟一個結(jié)尾碼表示。例如：128=128+0129=128+11718=1664+54MHC的編碼方法4、為保證收發(fā)雙方保持顏色同步，數(shù)據(jù)行的起點(diǎn)都從白游程長度開始。

如實(shí)際編碼中從黑游程開始，則要先送一個白游程長度為0的碼字，以此達(dá)到色調(diào)同步。5、線終碼EOL（endofline）出現(xiàn)在每一已經(jīng)編碼的掃描線之后及在每一頁的第一條掃描線數(shù)據(jù)之前，以此在出現(xiàn)陣發(fā)性差錯后能重新建立同步。

EOL格式：000000000001，即11個“0”后跟一個“1”。MHC的編碼方法6、填充碼FILL：為了保證每個編碼行的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間等于或超過收發(fā)雙方所約定的最小傳輸時(shí)間，用發(fā)送填充碼的辦法在一條掃描線數(shù)據(jù)與線終碼之間插入可變長度的“0”串。7、轉(zhuǎn)回到控制規(guī)程碼RTC：一頁文件傳輸結(jié)束,連續(xù)發(fā)送6個線終碼。

格式：連續(xù)6個000000000001。一頁報(bào)文的開頭部分EOL數(shù)據(jù)EOL數(shù)據(jù)填充EOL>=T>=T<T階段C開始一頁報(bào)文的結(jié)尾部分?jǐn)?shù)據(jù)EOLEOL填充數(shù)據(jù)EOLEOLEOLEOLEOLEOLRTC階段C結(jié)束MHC編碼舉例1786黑555白255黑55白9黑68白768黑+18黑0000001001100+0000001000512白+43白01100101+00101100192黑+63黑000011001001+00000110011155白010110009黑00010064白+4白11011+10110白00110101EOL00000000