第1講-傳真技術概述與MH編碼技術

《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號碼公固話：83635093郵箱地址：jiangjgq@長期在北京電子科技學院從事傳真、電話密碼通信科研與教學工作。課程介紹“終端密碼通信”課程目前是我院通信工程系設置的一門專業(yè)選修課，是我院的機要特色課程。理論授課36學時，實驗6學時。理論授課采用開卷考試。學習要求上課聽講獨立完成作業(yè)認真做實驗評分標準期末考試占70%實驗成績占10%平時成績占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年電子科技大學出版社

2.《通信保密技術》中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會2003年國防工業(yè)出版社學習本課程的目的使用電話、傳真通信終端進行語音、圖像通信是當今人們進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現(xiàn)信息溝通、政令下達、情況報告等。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、傳真信息進行加密保護。本課程通過講解電話、傳真密碼通信技術原理并開設相關實驗，使學生學習、了解基于電話和傳真的終端密碼通信基本原理，并掌握有關關鍵技術，為學生將來在黨政部門的開展機要通信工作或者相關科研工作打下基礎。本課程的核心內容傳真通信基本原理傳真密碼通信

傳真機使用（實驗）電話密碼通信原理（第9章）傳真通信基本原理傳真技術概述（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（第7章）門衛(wèi)式傳真密碼機實現(xiàn)原理（第8章）傳真機使用傳真機功能設置與操作簡單故障排除傳真密碼通信實驗第1章傳真技術概述1.1傳真定義及原理

1.2傳真機分類1.3傳真機組成原理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（１）可記錄性

是傳送靜止圖像的“記錄通信”、“遠程復印”。（２）真跡傳送

不僅傳送圖象信息的內容，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制解調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將這些微小單元(黑或白點的面積)變換成一維的并隨時間變化的光信號．光電變換因采用光源投射在圖稿上再掃描像素點的反射亮度轉換而得，故又稱為光電變換，影像數(shù)值為二進制的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過光電變化，將這些象素轉換成相應的電信號，形成圖像原始信號，對原始信號進行處理，變成圖像數(shù)據(jù)。傳真信號的傳輸除傳真機發(fā)展初期外，利用編碼電路將圖像數(shù)據(jù)以壓縮編碼方式進行壓縮，以節(jié)省傳輸?shù)男畔⒘考皞鬏敃r間。

壓縮后的數(shù)據(jù)經調制后將數(shù)字信號轉換成模擬信號(音頻信號)再發(fā)送到電話線路上。對于接收端來說,經過解調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線路（PSTN）和專用交換網（自營專用電話網和PBX電話網絡）。公眾電話交換網絡：電話網包括長途網和市話網。我國長途網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電路作傳真通信傳真機市話交換機長話局長話局市話交換機傳真機長途載波信道電話機電話機用戶線中繼線中繼線用戶線記錄變換傳真信號由解調器送到譯碼電路并恢復成與原圖象信息一致的圖象信號，該圖象信號經過一定控制轉換成能量，如電能＼熱能等去驅動記錄頭動作。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。收信掃描把隨時間變化的一維圖象信號，按先后順序及位置進行組合后而轉換成與原稿相似的二維圖象副件?，F(xiàn)代傳真通信的技術組成光電變換技術圖像處理技術數(shù)據(jù)傳輸技術圖像打印技術機電技術計算機技術網絡技術1.2傳真機的分類按用途，傳真機一般可分為以下幾種圖像傳真機，主要用于傳送有灰度等級的圖片、照片等。氣象傳真機，主要用于與短波定頻接收機配套，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，簡稱文件傳真機。是一種利用電話通路，在任意兩個電話用戶之間進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。本課程討論的就屬于這一種傳真機。

定義：傳真機是指在公用電話網或其它相應網絡上，用來傳輸文件、報紙、相片、圖表及數(shù)據(jù)等信息的通信設備。按色彩分類,傳真機分為雙色傳真機和多色傳真機。雙色傳真機的分辨率為8dot/mm，用9600bps的速率傳送1張A4文件大約需要1分鐘。多色傳真機在發(fā)送端把彩色圖象分解成三種原色(紅、黃、藍)發(fā)送，在接收端把信號復原。隨著電信網絡的發(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現(xiàn)，很容易實現(xiàn)高速的彩色傳真通信。

如果單純按價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，再加上所能實現(xiàn)的附加功能就基本上決定了傳真機的價格。傳真機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

文件傳真機的分類國際電聯(lián)電信標準部門（ITU-T，其前身為國際電報電話咨詢委員會，CCITT

）對文件傳真機進行了分類。一類傳真機

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分鐘內傳輸一頁ISO

A4幅面文件設備。

有關標準為:ITU-T

T.2文件傳真機的分類二類傳真機

是指采用頻帶壓縮技術,

在每毫米4線的掃描密度下

使一頁ISO

A4幅面的文件經話路傳輸?shù)臅r間大約為3分鐘的設備,

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。有關標準為:ITU-T

T.3

文件傳真機的分類三類傳真機（G3FAX）

ITU-T建議，三類機需要在調制處理前采取措施，以減少圖像信號中的信息冗余度，以主掃描線密度8點/mm，副掃描線密度3.85線/mm及7.7線/mm，在1分鐘左右的時間內，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。

有關標準為:ITU-T

T.4/T.30三類傳真機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，三類機的標準掃描線長度是215mm。文件尺寸

標準尺寸為A4（210mm×297mm）三類傳真機G3基本參數(shù)水平方向分辨率

8像素/mm，標準掃描線上有1728個黑白像素。垂直方向掃描線密度

標準（standard）：

3.85線/mm；

精細（fine）：7.7線/mm；

超精細（superfine）：15.4線/mm．傳輸速率

由所用MODEM的速率決定標準速率：4800bps

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

即時記錄、存儲，提高消息傳輸?shù)膶崟r性，易于實現(xiàn)通信的自動化。價格不斷下降；技術不斷發(fā)展中。

文件傳真機的分類

四類傳真機是傳真機技術發(fā)展的新一代產品，是一種能夠在ISDN線路上傳輸?shù)奈募髡鏅C，傳輸速度比三類機更高（以64Kbps傳輸）。它一般支持并兼容三類傳真機的通信功能，經過適當?shù)恼{制處理也可用在公用電話交換網上。傳真機的技術發(fā)展比較一類機二類機三類機四類機傳送一頁A4原稿所需時間6分鐘3分鐘1分鐘3秒ITU-T

協(xié)議標準ITU-T

T.2ITU-T

T.3ITU-T

T.4ITU-T

T.6技術原理雙邊帶調制調制解調器PSTN頻帶壓縮技術調制解調器PSTN頻帶壓縮的MH/MR編碼調制解調器PSTNMMR編碼ISDN模擬傳真機模擬傳真機數(shù)字傳真機數(shù)字傳真機1.3傳真機組成原理熒光燈行存儲器緩沖存儲編譯碼器調制解調器網絡控制器放大A/D變換記錄頭控制步進電機控制主機控制部分操作顯示操作鍵盤供電部分電話機記錄頭記錄紙設原稿接紙盤CCD透鏡鏡子圖像信號數(shù)據(jù)壓縮處理外線圖1.4三類機組成框圖MODEM鍵盤、顯示器網絡控制濾波放大CPUPIOROMRAMCCD控制CCD記錄頭控制記錄頭濾波放大A/D驅動器掃描機械T電機R電機記錄機械L1L2主控制系統(tǒng)圖1.5三類機主控系統(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。傳真信號編碼技術還在不斷地發(fā)展：1、對于黑白二值圖像：1）MHC：一維改進的霍夫曼編碼，ITU-TT.4（1980年）2）MR：二維改進Read碼，ITU-TT.4（1980年）3）MRR：改進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準。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.87兩個有關連續(xù)色調靜止圖像壓縮編碼的建議，把JPEG算法引入傳真通信。2.2一維改進的霍夫曼編碼

（MHC

）預備知識單義代碼：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，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有1728個像素，一行一行出現(xiàn)的概率不同，并且都是隨機出現(xiàn)，因此概率非常難統(tǒng)計，很難及時產生霍夫曼編碼。

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

一維改進的霍夫曼編碼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)計依據(jù)而進行編碼的。

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

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

它是像素編碼比特數(shù)加上所需的填充比特數(shù)以及線終碼比特數(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間T

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

由于早期的G3傳真機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間作出了規(guī)定，標準時間是20ms。對編碼掃描線最大傳輸時間作出了規(guī)定，不超過5s。MHC的編碼方法1、黑白游程（run-lenth）分別對應不同的編碼表。2、在0~63個像素范圍內的游程，用對應的結尾碼表示。3、在64~1728個像素范圍內的游程，用一個組合基干碼緊跟一個結尾碼表示。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)行的起點都從白游程長度開始。

如實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，以此達到色調同步。5、線終碼EOL（endofline）出現(xiàn)在每一已經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)傳輸時間等于或超過收發(fā)雙方所約定的最小傳輸時間，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、轉回到控制規(guī)程碼RTC：一頁文件傳輸結束,連續(xù)發(fā)送6個線終碼。

格式：連續(xù)6個000000000001。一頁報文的開頭部分EOL數(shù)據(jù)EOL數(shù)據(jù)填充EOL>=T>=T<T階段C開始一頁報文的結尾部分數(shù)據(jù)EOLEOL填充數(shù)據(jù)EOLEOLEOLEOLEOLEOLRTC階段C結束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