传真通信基础

传真通信基础

1.1 传真通信的基本概念

“传真”是facsimile的译名，本意是“按原稿进行摹写、复制”。传真是指把记录在纸上的文字，图表等图像通过扫描传输出去，再在接收端的记录纸上重现与发送端相同或相似图像的通信手段。其主要特点是可以处理任意的图形和具有可记录性。也就是说：传真通信实际上是一种传送静止图像的“记录通信”。

传真通信具有真迹传送的性质，它的特点是保留发送信息的具体形式。特别适用于需要传送签名或盖章的文书、合同、发布文件等，具有法律效力。

传真通信的基本过程是：对图像进行扫描、处理，通过调制解调器进行调制、解调和合成的过程。对发送端而言是将图像按一定的密度、分水平和垂直两个方向进行分解，分解的微小基本单元称之为像素。利用光电转换技术把分解后的像素按一定的次序转换成电信号，将图像电信号经过AD转换、二值化、编码、调制等处理过程，再送入通信网或其他通信线路传输出去，传送到接收端。接收端将这些经译码恢复的信号送到记录部件，记录出发端一致的文件、图表等信息。

传真通信所涉及的技术领域有：光电互换技术、信号处理技术、图像处理技术、信源编码技术、密码技术、调制解调技术、信号传输技术、网络技术、步进电机技术、电源技术和精密机械技术。

1.2 传真通信发展

传真通信的发展至今经历了一类机、二类机、三类机、四类机四个发展阶段。传真通信已应用于各行各业，如今成为已不可或缺的办公设备。从业务范围来看，可传送新闻图片、报纸样张、气象预报、公文等资料。应用最多的是真迹传真，也称之为文件传真，包括亲笔文件、统计图表等。

一类机、二类机、三类机和四类机的划分，主要从传输一页A4文件所需的时间，及采用的频带节省措施来划分的。一类机通常称之为六分钟机或低速机，二类机称为三分钟机或中速机，三类机称为一分钟机或高速机。至于说四类机传输条件不同，主要用于公用数据网（PDN），速度更快。而按照传真图像信号的传输方式来分，可分为模拟传真通信和数字传真通信。

传真机分类原理图

随着互联网的发展，利用日趋成熟的互联网技术进行传真成为研究的方向。目前在ISDN 和Internet上均开放了传真通信业务。自从ITU-T SG8在1998年3月的会议上确定了与此有关的三个建议，即网络传真业务指南F.185、传真通信协议T.37和T.38以来，网络传真通信业务已经有了较大的发展，将继续想深度和广度延伸。

传真通信的发展趋势如下：

1）采用网络化传输技术

随着计算机网络、广播电视网络和通信网络的融合，网络IP化将是一个重要的发展趋势。因此网络传真通信将是今后的发展趋势。

2）采用多媒体传输技术

ITU-T在建议T.39中规定了ASVF、DSVF和MSVF三种技术方案。随着网络技术的发展，MSVF技术将得到更快的发展和应用。

3）采用移动传真通信技术

移动传真技术不依赖有线方式，极大的扩展了应用的环境，尤其在军方或特殊领域，具有较广阔的前景。

4）采用新的压缩技术

JBIG压缩编码是比较新的传真数据压缩技术。该编码算法是ITU-T SG8二值图像专家组制定的二值图像压缩编码的国际标准，由建议T.82、T.85给出了具体的规定。它比建议T.4、T.6中给出的编码压缩比高，尤其对抖动图像更是如此。

JBIG2编码是JBIG向国际电联提交的建议草案T.88，是第一个对二值图像进行有损压缩编码的实用性国际标准。

JPEG2000彩色静止图像编码。JPEG-2000所涉及的领域不仅包括具有潜能的新压缩算法，还包括多种灵活的压缩结构和格式，可应用于文件成像、传真、遥感图像、视频画面等领域。

1.3 线路传输知识

传真通信线路可分为有线信道和无线信道。

有线信道如公用电话交换网，企业内部专用的传真通信线路以及短距离的传真通信专线；载波电话电路、IP信道等

无线信道有：移动信道（GSM、CDMA等），短波通信链路；微波通信链路；卫星通信链路。

不管是有线链路还是无线链路，在窄带通路上传输数字化的传真信号是不可能的，若在模拟窄带通路上直接传输数字信号，会产生失真、甚至畸变、接收差错。当前，利用电话网开放传真通信业务可采用如下形式：

1）将传真机直接作为通信网的终端设备，将其通过用户线接于公用电话交换网络，采用线路交换方式，这样就可在接入电话网额任意两台传真机之间进行传真通信。

2）向用户提供电话网中固定接续的专线作为传输通路（称之为租用电路），用户可利用租用电路进行图文信息传输。

1.4 编码与译码

在传真通信中，对传真图像信号进行数据压缩，是传真通信技术中最重要的技术之一。该编码属于无失真的信源编码，用得最多的是变长码。其特点是：信源的消息与码字之间的关系是一对一的，因而可准确无误地再现，在编、译码过程中并未损失任何信息，故称之为信息保持型的压缩方法。

MH码

最早采用的是一维改进的霍夫曼编码。其优点是编码效率高，容易扩展等。

一维改进的霍夫曼码是CCITT向各国推荐的一维偏码方案。就传真三类机而言，对应于A4幅面的原稿。在216mm扫描线长度内有1728个像素。由传真信号的游程长度概率统计可知，一行与一行出现的概率不同，一页文件与一页文件出现的概率也不同，对于每一套文件都要建立一个对照表。另外．在扫描过程中，黑白像素都是随机的，因而很难及时产生霍夫曼码。完全采用霍夫曼编码就需建立大量的对照表和转换码表，这是很不经济的，实际上也是无法实现的。于是出现了一维改进的霍夫曼码方案，这个方案是根据CCITT规定的以8个样张为概率统计依据而进行编码的。实践证明，一维改进的霍夫曼码具有编码效率高(据统计，平均编码效率86.9%)、差错灵敏度小和易于扩展等优点。

一维改进的霍夫曼码，有结尾码和组合基于码两种码宇．按CCITT建议T.4规定在215±1%mm长的扫描线上有1728像素，各个不同的游程长度只用一个结尾码或用一个组合基干码，后面跟一个结尾码来表示，由于黑、白游程统计结果差别很大，因而建立了两套对照表，即黑、白游程采用不同的码字．在0-63个像素范围内，每个游程长度各用一个结尾码表示：在64-1728个像素范围内，每个游程长度各用一个组合基干码，后面紧跟一个结尾码字来代替。当组合基干码表示的长度等于或小于需要表示的游程长度时应在组合基于码后面用一个表示游程长度为零的结尾码，或紧跟一个等于需要表示的游程长度与用组合基干码表示的游程长度之差的结尾码字表示，这一编码原则，说明了每一个游程长度码字是以结尾码表示的。例如游程长度等于64、128、192时，其编码除用表示游程长度为54、128、192的组合基于码字表示外，还应在各自的组合基于码后面紧跟一个表示游程长度为零的结尾码才说该游程编码终了。如白游程长度为65时，其游程长度为64+1，它的代码为11011000111。

数据行（编码行）由一系列可变长度的码字组成，都是以黑、白游程长度交替出现的过程。为保证收、发片机保持颜色同步，T.4建议规定在数据行的起点，都从白游程长度开始。若在实际编码中从黑游程长度开始时，则先送一个白游程长度为零的码宇．以此达到色调同步。

MR码

MR码是日本KDD公司创立的一种二维编码方式，即相对地址编码。它不仅要考虑正在进行编码的这一扫描行上的像素分布，还考虑其相邻扫描线上的像素分布。具体是，一次编码时至少考虑两条扫描线：一条是正在编码的扫描线；一条是其上面一线，该行实际上已编订码字并传输，但该行的数据序列游程分布情况仍存储下来供本行编码时参考，也称之为参考扫描线。

应该指出，由于每一页的第一扫描线无参考扫描线，因此MR编码规定每页第一扫描行采用MH编码。而为了限制误码扩散，把扫描线分为每K线为一组，每组的第一线采用MH 编码，第二线及后续扫描线用二维编码。

MMR码

MMR码是T.6规定的用于四类传真机的传真编码方案。该方案采用二维逐线编码方法，即在当前正在编码的扫描线上每一迁移像元的位置，是根据位于正在编码的扫描线上，或位于参考扫描线（即与正在编码的扫描线紧靠着的上一条扫描线）上的相应参考像素的位置来编码的。正在编码的扫描线在编完码后，它就成为下一编码扫描线的参考扫描线。

该编码方案与T.4中规定的MR码中的二维编码方案相同。但为了进一步提高压缩比，

该编码做了一些改进。

1.5 传真通信规程

文件传真在公用电话交换网上的传输控制规程，ITU在T.30中已有明确建议。现将这些规定的内容简要叙述如下。

1. 传真通信的传输过程可分为五个独立而又衔接的阶段。如下图所示。

图传真通信的传输过程

1）呼叫建立阶段（阶段A）

传真通信过程的呼叫建立采用电话的呼叫建立方式，在建立之后，将电话线路从电话机切换到传真机。呼叫建立方法有人工呼叫和自动呼叫建立两种。

2）报文前过程（阶段B）

报文前过程即传输报文前的信息交换过程。在这个过程中，传真设备（包括发送机和接收机）进行传输报文前的准备工作。这些准备工作主要包括传真机功能的鉴别和选择、传送模式的选定、相位的核对、发送线路的测试，以及获得可以接收报文的证实信号等。经过这一阶段，传真机完成“对话”，可以转入阶段C，进行报文传送操作。

3）报文中过程及报文传输（阶段C）

传真通信过程的第三阶段进行报文的传输。在此阶段，为了保证报文传输的正常进行，在传送报文的同时必须按照一定的规程进行某些控制。因此，阶段C又可分为：报文中过程，该过程被安排在与报文传输的同一段时间内并控制该过程的全部信号。例如，报文中的同步信号、差错检测和纠正、线路的检测信号等；报文传输发送或接收传真报文。

4）报文后过程（阶段D）

报文后过程是报文传输后的信息交换过程。该阶段主要是用于确认文件接收的情况，其内容包括报文结束信号、接收证实信号、多页信号、传真过程结束信号灯。传真机在报文传输之后，由发送机发送报文结束信号和过程结束信号，而接收机则发送报文证实信号。若进行多页文件发送则可以用重复该过程的方法来传送。

5) 呼叫释放（阶段E）

呼叫释放是传真通信过程中的最后阶段。呼叫释放可用人工操作或自动操作来实现。在此过程中，传真终端设备将断开线路。呼叫释放通常在传输过程的最后阶段进行，但有下列情况之一时，传真终端设备也将自动释放线路。

a. 超过时限：当传真终端设备在规定的时限范围内，没有收到传真过程中规定的信号，设备将自动释放线路。

b. 过程命令终端：操作人员可用发送一个过程中断命令的方法来中断传真过程。

1.6 网络传真通信

随着Internet的迅速发展,IP技术与传统电信技术的融合步伐进一步加快，并形成了一系列新技术，其典型的有IP电话技术,IP传真技术等。IP传真是将原电话网上传送的传真引入到IP网上进行传输，既可实现传统的传真功能又便于开发新的功能，又因为IP传真业务成本相对很低且传真机现有用户数量巨大所以说IP传真业务是一项具有相当市场竞争力的业务。

从传输方式上看IP传真可分为存储转发方式和实时方式，两种方式都需要传真网关作为PSTN和IP网之间的网络转换接口。ITU-T T.37建议规定了存储转发方式的工作模式，存储转发传真网关又称为转发服务器，其通信时首先由发送传真机呼叫发送服务器，并将全部传真报文传送给发送端服务器；发送端服务器通过IP网，以IP报文格式向接收端服务器发送报文：最后由接收端服务器暂存，经过或长或短一段时间后，呼叫接收传真机并将数据传送至接收传真机。存储转发方式能实现广播发送方式，基本上不存在网络时延和信息丢包问题但不能完成实时通信与传统的传真业务有明显区别。实时传真方式即利用IP网络进行实时的传真通信，也就是说在发送和接收传真时，双方传真机实时进行对话、交换各种传真信令和传真报文，是真正的端到端的通信方式。实时传真网关转发信令和报文，但它对传真终端几乎是透明的，这些都与传统的实时传真相符合，所以说，实时IP传真比存储转发IP传真更具有实用价值，当然，其技术要求也更高。1998年6月,ITU-T T.38建议(Internet上的G3传真实时通信规程）规定了IP网上实时传输传真文件的技术标准，从而使实时IP传真的

实现有了统一模式，有利于其应用和推广。

实时IP传真

由于IP网络与PSTN有诸多特性上的差异，使得传统的G3传真业务不能直接加载到IP 网络上，所以，ITU-T T.38建议提出了通过IP网络实现实时的G3传真的应用模型，并详细规定了通过IP网络连接的传真网关和／或网络传真设备OAF)间的信令与数据交换。实时1P 传真应用模型如下图所示。

这个模型表明实时IP传真的三种接入方式：

（1）普通G3传真终端通过PSTN接入网关。一个连接在发送网关上的传统的G3传真终端，通过IP网络将传真信令发送至目标地点的接收网关，接收网关立即建立PSTN呼叫，呼叫到目标G3传真终端上。一旦PSTN呼叫在两端建立起来，两台G3传真终端实际上被虚拟连接起来。所有的标准T. 30会话建立和性能协商直接在两台传真终端间进行。TCF(Training check)可在本地的传真网关里间接生成并发送给对端的G3传真终端，也可经传真网关间所建立的虚拟连接通道在G3传真终端间直接传输。

（2）网络传真设备(IAF)直接接入IP网。该设备自身具备传真协议T.30与实时IP传真协议T.38建议之间的协议与信令转换功能。传真信息的收发可在IAF和与IP传真网关相连的G3传真终端之间进行，也可以两个IAF之间进行。

从图中可以看出，实时IP传真网关是实时IP传真通信的关键设备，它实际上是一种转换装置，具有传真与IP两种通信功能，可将各种传真信息转换为IP数据包或做逆转换。发送网关接收来自于主叫发送端的G3传真终端的T.30消息流，根据实时IP传真协议T.38建议的规定进行处理，并使用相应的封包传送这些T.30消息；接收网关通过IP网络收到来自于发送网关的封包，并将其还原为T.30消息流，直接传送给被叫接收端的G3传真终端。所以，全部T.30建议的操作是直接在主叫发送端的G3传真终端和被叫接收端的G3传真终端

之间进行的而不是在网关和G3传真终端之间进行的．例如,ECM (Error Correction Mode纠错模式）中的纠错是在发送G3传真终端和接收G3传真终端之间完成的。

IP实时传真网关的传输层协议有TCP和UDP两种.T. 38协议对这两种协议的使用都有规定。在制定具体实现方案中，选择的标准是所选协议是否符合低丢包率和低时延。

TCP协议采用反馈重发机制，以此保证通信以最大速率进行，并保证通信带宽与网络负荷的平衡．T. 30实时传真通信所要求的最大带宽相对较低且固定，其环路时延一般小于3s，这些都与TCP协议的技术着眼点不同。

与TCP协议不同,UDP无反馈重发机制，具有较好的实时性．这符合实时IP传真的要求但UDP协议不保证数据的正确传送，必须附加纠错机制在T. 38协议中，规定了基于UDP协议的IP传真协议包(IFP)的封装形式，即UDPTL协议。UDPTL包由UDPTL头和UDPTL有效载荷两部分组成，其中UDPTL头的内容是UDP报文顺序号和其它与冗余数据相关的信息。报文顺序号唯一，若报文不按顺序到达，接收网关可依据此号重新编排包序，每个UDPTL的有效载荷部分包括一个或多个IFP包，IFP包的具体封装形式在T. 38建议中有详细说明。载荷部分的第一个IFP包称为“主要”IFP包，承载实时传真数据。其后为用于纠错和丢包恢复的“次要”IFP包．承载纠错数据。

1.7 传真机的扫描与记录

在图像的传输过程中，图像的分解与合成是一个重要的环节。图像的分解与合成是一对相反的过程，是图像传输的开始和最后处理。图像的分解与合成是用扫描完成的。传真采用逐行扫描的方法，即将图像在垂直方向上分解成逐行排列的扫描线，图像信号拾取时，以一行为单位从左到右逐个拾取对应扫描线上的像素信号，每扫描拾取一线后，由传动机构带动原稿换一行，再继续进行拾取。图像记录时，也以上述方式合成和换行。

图像信号的扫描，是指用光电变换器件将光学图像像素转变为相应的电信号的过程。

现行的三类传真机普遍采用电荷耦合光敏器件（CCD）和密触图像传感器（CIS）进行图像扫描分解。

在传真的接收端将图像电信号转换合成为光学图像的过程称为图像信号的记录。记录是传真的关键技术之一，记录的方式有很多种，常用的有感热记录、静电成像记录以及激光打印技术。

感热记录方式是利用感热记录头进行记录的。发热电阻体是其中最重要的部分。感热记录头通常由几十个记录单元组成，每个记录单元里一般包含几十个发热器材，每个发热器材对应一条扫描线中的一个像素，因此每毫米有8个发热器件。

感热记录纸是在普通纸的基层上涂有一层几微米厚的白色感热生色层，其中黑点为无色染料，白圈为特殊生色剂，为了使它能有效地附着在纸上，在它们周围的空隙里填充有粘合剂。感热生色一经加热，生色剂立即溶化，使它溶进无色染料中，引起化学反应生成颜色。

由于感热记录纸是受热后材料熔融引起化学反应而呈现颜色，如果温度过高，新的合成物质被分解，颜色又会消失。另外，这种物质在光的长时间作用下，也会自行分解。所以，感热记录信息不能长久保存。

激光打印控制是极精密复杂的系统。主要由打印控制器，激光扫描单元，记录主电机及齿轮传动链，高压控制单元，定影单元，感光鼓及记录纸位置传感器等构成。

图2.1激光打印的基本过程

激光打印可以划分为主充电、曝光、显影、转印、分离、定影及清洗七个过程。首先由主充电装置在感光鼓表面充上静电，感光鼓在记录主电机的带动下旋转，当充有静电的感光鼓表面旋转到激光扫描位置时，需要的打印的线数据对激光进行调制，控制激光二极管的关

闭与导通，调制后的激光束经过高速旋转的多棱镜的反射，经过柱形棱镜聚焦，经过透镜校正后，扫描到感光鼓表面，由于感光鼓是一个光敏器件，有受光导通的特性。当激光束以点阵形式扫射到感光鼓上时，被扫描的点因曝光而导通，电荷由导电基对地迅速释放。没有曝光的点仍然维持原有电荷，这样在感光鼓表面就形成了一幅电位差潜像（静电潜像）；感光鼓继续旋转，当到达显影机构下面时，显影辊上被充有相反的静电，在摩擦的作用下，使碳粉也带有相反的静电，感光鼓表面没有被激光照射的地方仍然带高静电，由于有较高的电势差，碳粉就被吸到感光鼓表面；而被激光照射的地方电位降低，与碳粉之间电势差小，碳粉就不会吸到感光鼓表面，这样就在感光鼓上把图像显现出来；感光鼓继续旋转，同时，在齿轮链的传动下，记录纸也在传送，当到达转印辊下面时，转印辊被充上高的极性相反的静电，使记录纸也带上极性相反的静电，感光鼓表面的碳粉在静电的吸引下，被转移到记录纸上；在纸张张力及分离针的作用下，使记录纸与感光鼓分离；记录纸继续运动，到达定影单元下面，在高热和高压的作用下使碳粉固化到记录纸上；而感光鼓继续旋转，到达清洗机构下面，清洗掉感光鼓表面的剩余碳粉及剩余静电。然后，开始下一循环过程。

激光打印原理示意图1