第1讲-传真技术概述与MH编码技术

1、终端密码通信第1讲主讲：蒋桂秋自我介绍授课教师：蒋桂秋所在部门：信息安全研究所手机号码公固话：83635093邮箱地址： 长期在北京电子科技学院从事传真、电话密长期在北京电子科技学院从事传真、电话密码通信科研与教学工作。码通信科研与教学工作。课程介绍 “终端密码通信”课程目前是我院通信工程系设置的一门专业选修课，是我院的机要特色课程。理论授课36学时，实验6学时。 理论授课采用开卷考试。学习要求 上课听讲上课听讲 独立完成作业独立完成作业 认真做实验认真做实验评分标准 期末考试占70% 实验成绩占10% 平时成绩占20%(作业,考勤)教材介绍 教材： 终端密码通信 本

2、院自编讲义（蒋桂秋、谢静主编） 参考书： 1.数字传真通信 刘立柱编 2000年 电子科技大学出版社 2.通信保密技术 中国人民解放军总装备部军事训 练教材编辑工作委员会 2003年 国防工业出版社 学习本课程的目的 使用电话、传真通信终端进行语音、图像通信是当今人们进行信息交流的主要手段之一。 长期以来，我国党政部门使用电话和传真通信实现信息沟通、政令下达、情况报告等。 为确保在电话、传真通信中国家秘密信息的安全，必须对电话、传真信息进行加密保护。 本课程通过讲解电话、传真密码通信技术原理并开设相关实验，使学生学习、了解基于电话和传真的终端密码通信基本原理，并掌握有关关键技术，为学生将来在党

3、政部门的开展机要通信工作或者相关科研工作打下基础。本课程的核心内容 传真通信基本原理 传真密码通信 传真机使用（实验） 电话密码通信原理（第9章）传真通信基本原理 传真技术概述（第1章） 传真信号编码（第2章） 传真通信控制规程（第3章） 传真数据传输（第4章）传真密码通信 传真密码通信技术（第7章） 门卫式传真密码机实现原理（第8章）传真机使用 传真机功能设置与操作 简单故障排除 传真密码通信实验第1章 传真技术概述1.1 传真定义及原理 1.2 传真机分类1.3 传真机组成原理1.1.1 传真定义传真是在发送端把记录纸上的文字、图表、图形等图像通过扫描、分解，变换成电信号，再对表示图像的电

4、信号进行处理、传送，在接收端的记录纸上重现与发送端相同或相似图像的一种通信手段。 1.1 传真定义与原理传真通信的特点（）可记录性是传送静止图像的“记录通信”、“远程复印”。（）真迹传送不仅传送图象信息的内容，而且可以保留其具体形式。1.1.2 传真通信基本原理原稿原稿发送发送扫描扫描光电光电变变换换传输传输信道信道调制调制解调解调记录记录变换变换收信收信扫描扫描收信收信记录记录传真通信三要素传真通信三要素图象发送扫描图象发送扫描电话线路电话线路接收记录扫描接收记录扫描同步同步同步同步发送扫描 发送扫描,就是把原稿二维图象信息按照一定密度,在水平和垂直两个方向分解成微小单元(像素),并按照一定

5、的先后顺序将这些微小单元(黑或白点的面积)变换成一维的并随时间变化的光信号光电变换 因采用光源投射在图稿上再扫描像素点的反射亮度转换而得，故又称为光电变换，影像数值为二进制的1或0，并以扫描线排列。 逐行扫描，分解成许多微小象素后再经过光电变化，将这些象素转换成相应的电信号，形成图像原始信号，对原始信号进行处理，变成图像数据。传真信号的传输 除传真机发展初期外，利用编码电路将图像数据以压缩编码方式进行压缩，以节省传输的信息量及传输时间。 压缩后的数据经调制后将数字信号转换成模拟信号(音频信号)再发送到电话线路上。 对于接收端来说,经过解调后的传真信号送到译码处理电路。传真通信线路公众电话交换网

6、线路（PSTN）和专用交换网（自营专用电话网和PBX电话网络）。公众电话交换网络：电话网包括长途网长途网和市话网。市话网。我国长途网的四级汇接制国际局国际局省间中心省间中心省中心省中心地区中心地区中心县中心县中心利用电话交换网电路作传真通信传真机传真机市话市话交换机交换机长话局长话局长话局长话局市话市话交换机交换机传真机传真机长途载波信道长途载波信道电话机电话机电话机电话机用户线用户线中继线中继线中继线中继线用户线用户线记录变换传真信号由解调器送到译码电路并恢复成与原图象信息一致的图象信号，该图象信号经过一定控制转换成能量，如电能热能等去驱动记录头动作。也就是说，将表示一行扫描线扫描信息的二进

7、制值1或0的数字资料送到打印装置，以黑白色墨显像于记录纸上，等同于原稿扫描线同尺度及解析度。收信扫描 把随时间变化的一维图象信号，按先后顺序及位置进行组合后而转换成与原稿相似的二维图象副件。现代传真通信的技术组成1.光电变换技术光电变换技术2.图像处理技术图像处理技术3.数据传输技术数据传输技术4.图像打印技术图像打印技术5.机电技术机电技术6.计算机技术计算机技术7.网络技术网络技术1.2 传真机的分类按用途，传真机一般可分为以下几种图像传真机，主要用于传送有灰度等级的图片、照片等。 气象传真机，主要用于与短波定频接收机配套，利用无线广播和气象卫星来发送和接收气象资料。话路文件传真机，简称文

8、件传真机。是一种利用电话通路，在任意两个电话用户之间进行文字资料和图象的传送，是目前使用范围最广，用量最大的传真机。本课程讨论的就属于这一种传真机。 定定 义义按色彩分类,传真机分为双色传真机和多色传真机。 双色传真机的分辨率为8dot/mm，用9600bps的速率传送1张A4文件大约需要1分钟。 多色传真机在发送端把彩色图象分解成三种原色(红、黄、蓝)发送，在接收端把信号复原。随着电信网络的发展如ISDN的建立和用户传输线路的宽带化及彩色编码的实现，很容易实现高速的彩色传真通信。 如果单纯按价格高低来分类可分为： 高、中、低档 采用的扫描方式与记录幅面的大小，再加上所能实现的附加功能就基本上

9、决定了传真机的价格。传真机按采用的扫描方式可分为：电荷耦合扫描(CCD扫描)和接触式图像扫描(CIS扫描)。传真机按记录方式可分为：热敏纸、普通纸喷墨普通纸色带普通纸激光普通纸 文件传真机的分类国际电联电信标准部门（ITU-T，其前身为国际电报电话咨询委员会，CCITT ） 对文件传真机进行了分类。一类传真机 是指采ITU-T制, 对传输信号无任何频带压缩措施, 适于在电话电路上以每毫米4线的扫描密度在6分钟内传输一页ISO A4幅面文件设备。有关标准为:ITU-T T.2文件传真机的分类二类传真机 是指采用频带压缩技术, 在每毫米4线的扫描密度下 使一页ISO A4幅面的文件经话路传输的时间

10、大约为3分钟的设备, 频带压缩方法可以用编码和(或)残余边带的方式, 但不采用减少多余度的文件信号处理。 有关标准为:ITU-T T.3文件传真机的分类三类传真机（G3 FAX） ITU-T建议，三类机需要在调制处理前采取措施，以减少图像信号中的信息冗余度，以主扫描线密度8点/mm，副扫描线密度3.85线/mm及7.7线/mm，在1分钟左右的时间内，以传输速率9600bps，能在一个话路上传送一页ISOA4幅面的典型打字文件。 有关标准为:ITU-T T.4/T.30三类传真机G3基本参数扫描轨迹 采用平面扫描方式，其扫描方向是从左到右，且随后的扫描线紧接在前一扫描线之下，再从左到右。扫描线长

11、度 按ITU-T规定，三类机的标准扫描线长度是215mm。文件尺寸 标准尺寸为A4（210mm297mm）三类传真机G3基本参数水平方向分辨率 8像素/mm，标准扫描线上有1728个黑白像素。垂直方向扫描线密度标准（standard）： 3.85线/ mm； 精细（fine）： 7.7线/ mm； 超精细（superfine）：15.4线/ mm传输速率由所用MODEM的速率决定 标准速率：4800bps 其它速率：2400bps/7200bps/9600bps/11400bps等目前最高速：目前最高速：33600bps 目前三类机（G3 FAX）仍是传真通信中主要机种，市场需求量最大，主要因

12、素有： 操作简单，无需专业培训；安装简单，电话线路普及广泛；速度快，话路上传送一页A4幅面标准文件，少于1分钟，甚至数秒；适应办公要求，可传输文字、图象、照片等； 即时记录、存储，提高消息传输的实时性，易于实现通信的自动化。价格不断下降；技术不断发展中。 文件传真机的分类 四类传真机是传真机技术发展的新一代产品，是一种能够在ISDN线路上传输的文件传真机，传输速度比三类机更高（以64Kbps传输）。它一般支持并兼容三类传真机的通信功能，经过适当的调制处理也可用在公用电话交换网上。传真机的技术发展比较一类机二类机三类机四类机传送一页A4原稿所需时间6分钟3分钟1分钟3秒ITU-T 协议标准ITU

13、-T T.2ITU-T T.3ITU-T T.4 ITU-T T.6技术原理双边带调制 调制解调器PSTN频带压缩技术调制解调器PSTN频带压缩的MH/MR编码调制解调器PSTNMMR编码ISDN模拟传真机模拟传真机数字传真机数字传真机1.3 传真机组成原理荧光灯行存储器缓冲存储编译码器调制解调器网络控制器放大A/D变换记录头控制步进电机控制主机控制部分操作显示操作键盘供 电 部分电话机记录头记录纸设原稿接纸盘CCD透镜镜子图像信号数据压缩处理外线图1.4 三类机组成框图MODEM键盘、显示器网络控制滤波放大CPUPIOROMRAMCCD控制CCD记录头控制记录头滤波放大A/D驱动器扫描机械T

14、电机R电机记录机械L1L2主控制系统图1.5 三类机主控系统第二章第二章 传真信号编码传真信号编码2.1 概述概述 传真信号编码属于传真信号编码属于信源编码信源编码，其目的在于，其目的在于压缩压缩表征图像信表征图像信息的数据量，以便于息的数据量，以便于快速传输快速传输。 传真信号编码技术还在不断地发展：传真信号编码技术还在不断地发展：1、对于黑白二值图像：、对于黑白二值图像：1）MHC：一维改进的霍夫曼编码，：一维改进的霍夫曼编码，ITU-T T.4（1980年）年）2）MR： 二维改进二维改进Read码，码，ITU-T T.4 （1980年）年）3）MRR： 改进改进MR码，码，ITU-T

15、T.6（1984年）年）4）JBIG：面向灰度图像。：面向灰度图像。1988年成立的年成立的“联合二值图像专家组联合二值图像专家组”（JBIG）提出了一个正式建议（）提出了一个正式建议（ISO/IEC CD 11544），作为二），作为二值传真图像压缩编码的标准。值传真图像压缩编码的标准。T.82、T.85建议给出了具体的规定，建议给出了具体的规定，比比T.4、T.6建议给出的编码压缩比高建议给出的编码压缩比高 。2、对于彩色图像：、对于彩色图像：JPEG，1997年年10月，月，ITU-T通过了通过了T.86和和T.87两个有关连续色调静止图像压缩编码的建议，把两个有关连续色调静止图像压缩编

16、码的建议，把JPEG算法引入算法引入传真通信。传真通信。2.2一维改进的霍夫曼编码一维改进的霍夫曼编码（MHC ）预备知识预备知识单义代码：单义代码：一有限长的码序列只能唯一地一有限长的码序列只能唯一地分割成一个个码字。分割成一个个码字。 例如：例如： W = 0,10,11是单义代码是单义代码 W = 0,10,100,111不是单义代码不是单义代码非续长代码：非续长代码：任意一个码字都不是另一个任意一个码字都不是另一个码字的续长，即码字的续长，即不能在一个码字后添加一不能在一个码字后添加一些码元构成另一个码字些码元构成另一个码字。 非续长代码都是单义的。非续长代码都是单义的。最佳编码最佳编

17、码 所谓所谓最佳编码最佳编码是根据给定的消是根据给定的消息概率，编成一不等长的二元非续息概率，编成一不等长的二元非续长代码，长代码，消息概率大，编成的代码消息概率大，编成的代码短；消息概率小，编成的代码长。短；消息概率小，编成的代码长。而且码长变化越小时，编码性能越而且码长变化越小时，编码性能越优。优。霍夫曼编码霍夫曼编码霍夫曼编码就是最佳编码，霍夫曼编码就是最佳编码，例例: 消息：消息： A B C D E F G H 码长：码长： 1 3 3 4 4 4 5 5 概率：概率：0.4 0.18 0.1 0.1 0.07 0.06 0.05 0.04 编码后的平均码长：编码后的平均码长：L =

18、 10.4+3 (0.18+0.1) +4 (0.1+0.07+0.06)+5 (0.05+0.04) = 2.61 码元熵码元熵 H = 0.978，编码效率，编码效率 = 97.8%霍夫曼编码在传真文件编码中的困难霍夫曼编码在传真文件编码中的困难 传真文件一条扫描线长度内有传真文件一条扫描线长度内有1728个个像素，一行一行出现的概率不同，并且都像素，一行一行出现的概率不同，并且都是随机出现，因此是随机出现，因此概率非常难统计，很难概率非常难统计，很难及时产生霍夫曼编码及时产生霍夫曼编码。 如果完全采用霍夫曼编码就如果完全采用霍夫曼编码就需要建立需要建立大量的对照表和转换码表，这样很不经济

19、，大量的对照表和转换码表，这样很不经济，也无法实现。也无法实现。 一维改进的霍夫曼编码一维改进的霍夫曼编码MHC是是ITU向向各国推荐使用的一维编码方案。该方案是各国推荐使用的一维编码方案。该方案是根据根据ITU规定的规定的8个样张为概率统计依据个样张为概率统计依据而而进行编码的。进行编码的。 实践证明：实践证明：MHC具有具有编码效率高编码效率高（平（平均编码效率是均编码效率是86.9%），），差错灵敏度小差错灵敏度小,易易于扩展于扩展等等优点。优点。1、全编码扫描线、全编码扫描线 一扫描线的像素序列经编码后，用它所包括一扫描线的像素序列经编码后，用它所包括的的黑白持续长度所对应的码字黑白持

20、续长度所对应的码字及及必要的控制码必要的控制码字的总比特数字的总比特数来表示，这就称为全编码扫描线来表示，这就称为全编码扫描线 。 它是像素它是像素编码比特数编码比特数加上加上所需的填充比特数所需的填充比特数以及以及线终码比特数线终码比特数的的总和总和。几个基本概念几个基本概念2、 全编码扫描线的传输时间全编码扫描线的传输时间T 传送一条编码扫描线的编码数据所需要传送一条编码扫描线的编码数据所需要的时间。的时间。 T7.7，T3.85，T15.4 由于早期的由于早期的G3传真机一般没有大容量缓传真机一般没有大容量缓存能力，为了匹配收存能力，为了匹配收/发方的记录发方的记录/扫描速度，扫描速度，

21、对编码扫描线对编码扫描线最小传输时间最小传输时间作出了规定，作出了规定，标标准时间是准时间是20ms。 对编码扫描线对编码扫描线最大传输时间最大传输时间作出了规定，作出了规定，不超过不超过5s。MHC的编码方法的编码方法1、黑白游程（、黑白游程（run-lenth）分别对应不同的编）分别对应不同的编码表。码表。2、在、在063个像素范围内的游程，用对应的结个像素范围内的游程，用对应的结尾码表示。尾码表示。3、在、在641728个像素范围内的游程，用一个组个像素范围内的游程，用一个组合基干码紧跟一个结尾码表示。合基干码紧跟一个结尾码表示。 例如：例如：128 = 128 + 0 129 = 12

22、8 + 1 1718 = 1664 + 54MHC的编码方法的编码方法4、 为保证收发双方保持颜色同步，为保证收发双方保持颜色同步，数据行的起点都数据行的起点都从从白游程长度开始白游程长度开始。 如实际编码中从黑游程开始，则要先送一个白游如实际编码中从黑游程开始，则要先送一个白游程长度为程长度为0的码字，以此达到色调同步。的码字，以此达到色调同步。5、 线终码线终码EOL（end of line）出现在出现在每一已经编码每一已经编码的扫描线之后的扫描线之后及在及在每一页的第一条扫描线数据之前，每一页的第一条扫描线数据之前，以此在出现阵发性差错后能重新建立同步。以此在出现阵发性差错后能重新建立同

23、步。 EOL格式：格式：000000000001，即，即11个个“0”后跟一后跟一个个“1”。MHC的编码方法的编码方法6、填充码、填充码FILL：为了保证每个编码行的数据传：为了保证每个编码行的数据传输时间等于或超过收发双方所约定的最小传输输时间等于或超过收发双方所约定的最小传输时间，用发送填充码的办法在一条扫描线数据时间，用发送填充码的办法在一条扫描线数据与线终码之间插入与线终码之间插入可变长度的可变长度的“0”串串。7、转回到控制规程码、转回到控制规程码RTC：一页文件传输结束：一页文件传输结束,连续发送连续发送6个线终码。个线终码。 格式：格式： 连续连续6个个000000000001

24、。一页报文的开头部分一页报文的开头部分EOL数据数据EOL数据数据填充填充EOL=T=TT阶段阶段C开始开始一页报文的结尾部分一页报文的结尾部分数据数据EOLEOL填充填充数据数据 EOL EOL EOL EOL EOL EOLRTC阶段阶段C结束结束MHCMHC编码举例编码举例1 1786黑黑555白白255黑黑55白白 9黑黑 68白白768黑黑+18黑黑0000001001100+0000001000512白白+43白白01100101+00101100192黑黑+63黑黑000011001001+00000110011155白白010110009黑黑00010064白白+4白白11011+10110白白00110101EOL000000000001MHC编码举例编码举例2假设下面三行扫描线分别是一页传真文件的第一假设下面三