一種基于PCM數(shù)字信號(hào)的傳真控制協(xié)議軟件檢測(cè)方案* 1

唐　文，王志華，馬　俊，雷　宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

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一種基于PCM數(shù)字信號(hào)的傳真控制協(xié)議軟件檢測(cè)方案* 1

唐文，王志華，馬俊，雷宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

摘要：為了在模擬電話線路上檢測(cè)G3傳真通信，參照軟件無(wú)線電技術(shù)思路，可利用軟、硬件相結(jié)合的方案。硬件負(fù)責(zé)從接口上采集PCM數(shù)據(jù)，軟件負(fù)責(zé)處理PCM話音數(shù)據(jù)如對(duì)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行上采樣、V.21FSK解碼、HDLC幀解析，提取出傳真控制協(xié)議報(bào)文，根據(jù)傳真控制協(xié)議判斷當(dāng)前電話線路上是否正在進(jìn)行傳真通信。而且根據(jù)軟件所在處理器的處理能力，可實(shí)現(xiàn)一路或多路PCM數(shù)據(jù)處理和信號(hào)處理靈敏度可調(diào)。該方案可以利用嵌入式處理器的處理性能，實(shí)現(xiàn)多路基于PCM話音數(shù)據(jù)的傳真監(jiān)測(cè)，降低硬件實(shí)施成本，在硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化方向具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：傳真控制檢測(cè);PCM;V.21;HDLC; FSK;濾波器

0引言

傳真通信作為一種重要的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在電信網(wǎng)應(yīng)用廣泛。為了在實(shí)際的線路中間設(shè)備上監(jiān)測(cè)傳真業(yè)務(wù)，需要對(duì)PCM話音數(shù)據(jù)進(jìn)行傳真控制協(xié)議交互內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)。在普通電話網(wǎng)上開展的G3類傳真通信協(xié)議一般包括兩種：基于V.21FSK調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的傳真控制協(xié)議和V.34傳真數(shù)據(jù)協(xié)議。當(dāng)中間設(shè)備檢測(cè)當(dāng)前電話呼叫的業(yè)務(wù)類型是否是話音或者傳真時(shí)，只需檢測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中是否有V.21傳真控制協(xié)議報(bào)文。為了降低硬件成本、便于靈活部署，可采用軟硬結(jié)合的辦法，硬件負(fù)責(zé)采集PCM數(shù)據(jù)，軟件負(fù)責(zé)處理PCM數(shù)據(jù)，對(duì)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行上采樣、FSK解碼、HDLC幀解析，提取出傳真控制協(xié)議報(bào)文。根據(jù)軟件所在處理器的處理能力，可實(shí)現(xiàn)一路或多路PCM數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索，F(xiàn)SK信號(hào)解調(diào)硬件實(shí)現(xiàn)方法有相干解調(diào)、非相干解調(diào)[1-2]，使用模擬低通濾波器對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行分頻檢測(cè)?；蛘呋谟布酒腄FT變換算法對(duì)FSK調(diào)制使用的頻率進(jìn)行檢測(cè)[3]。本文根據(jù)軟件無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)思想，采用軟件在PCM數(shù)字信號(hào)上實(shí)現(xiàn)傳真控制協(xié)議的FSK檢測(cè)技術(shù)，提出一個(gè)較好的檢測(cè)方案，利用嵌入式處理器日益強(qiáng)大的處理性能，軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性和靈敏度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)原始采樣PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中檢測(cè)出傳真控制協(xié)議數(shù)據(jù)。

1G3類傳真過(guò)程介紹

根據(jù)ITU-TT.30[4]規(guī)定，典型的G3 類傳真過(guò)程如圖1所示：

A階段：呼叫建立。

B階段：前消息處理過(guò)程，識(shí)別并選擇必須的設(shè)備，主要完成能力協(xié)商和線路訓(xùn)練，主要是速率、編碼和糾錯(cuò)方面的協(xié)商。

圖1　傳真過(guò)程

C階段：消息傳輸過(guò)程，包括相位調(diào)整和同步，傳輸過(guò)程格式以及指定信號(hào)都與T4[4]建議一致。

D階段：后消息過(guò)程，包括結(jié)束消息和證實(shí)，以及多文件傳輸過(guò)程，完成證實(shí)多頁(yè)還是單頁(yè)文件傳輸，以及報(bào)文結(jié)束，傳真結(jié)束信號(hào)的發(fā)送接收。

E階段：呼叫釋放過(guò)程。

在傳真過(guò)程階段，所有的控制信號(hào)除了單音信號(hào)、訓(xùn)練序列，其他的控制信號(hào)都采用HDLC幀進(jìn)行傳輸。HDLC信息字段的長(zhǎng)度是可變的，它包含了用于兩個(gè)傳真終端之間控制和報(bào)文互換的指定信息。在T.30建議書中信息字段被劃分為兩部分，傳真控制字段(FCF)和傳真信息字段(FIF)，如圖2所示。

圖2　HDLC幀結(jié)構(gòu)

V.21標(biāo)準(zhǔn)是一種傳輸速率為300b/s的會(huì)話協(xié)議，用簡(jiǎn)單的輸入/輸出設(shè)備和輕松的操作就能到達(dá)數(shù)據(jù)傳輸功能的會(huì)話協(xié)議。用于傳真HDLC信息包交換階段，即DIS/DCS/CFR/PPS/PPR…這些握手信息的傳輸。傳真業(yè)務(wù)流程的監(jiān)測(cè)就是對(duì)使用V.21調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，提取出HDLC傳真控制命令幀。

2數(shù)字信號(hào)處理原理介紹

從PCM數(shù)據(jù)中檢測(cè)出FSK調(diào)制信號(hào)，需要運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM信號(hào)的低通濾波，分離出V.21使用的兩個(gè)頻率信號(hào)：1 650Hz和1 850Hz正弦波。為了降低軟硬件之間接口交互數(shù)據(jù)量，話音數(shù)據(jù)的硬件PCM通用采樣率為8kHz。軟件在處理PCM數(shù)據(jù)之前，需要做采樣率轉(zhuǎn)換，將采樣率提升為40kHz，能夠提高V.21調(diào)制信號(hào)的識(shí)別精度。出于算法簡(jiǎn)單、軟件運(yùn)算量可控的考慮，該低通濾波器設(shè)計(jì)成FIR數(shù)字濾波器。

FIR數(shù)字濾波器在保證幅度特性滿足要求的條件下，能夠提供嚴(yán)格的線性相位特性，計(jì)算量可控，可用于低通濾波器設(shè)計(jì)[5]。FIR數(shù)字濾波器輸入輸出關(guān)系可用下面的差分方程描述：

(1)

對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)為：

(2)

因此H(z)是的N-1次多項(xiàng)式，在z平面上有N-1個(gè)零極點(diǎn)，且在原點(diǎn)有N-1個(gè)重極點(diǎn)。FIR濾波器設(shè)計(jì)的任務(wù)就是選擇有限長(zhǎng)度的h(k)，使傳輸函數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)：即幅度特性和線性相位。

3檢測(cè)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1低通濾波器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)的采樣率轉(zhuǎn)換，需要用到數(shù)字信號(hào)處理中的插值與抽取濾波技術(shù)[5]。在原始采樣數(shù)據(jù)之間增加D-1個(gè)零值，再通過(guò)低通濾波器，可實(shí)現(xiàn)輸出采樣率為原始采樣率的D倍，為插值濾波。每I個(gè)原始采樣點(diǎn)取出一個(gè)采樣點(diǎn)，再通過(guò)低通濾波器，為抽取濾波，輸出的采樣率為原始采樣率的1/I倍。根據(jù)濾波器的輸入輸出關(guān)系的差分方程，濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是尋找合適的h(n)序列即濾波器系數(shù)，使輸出信號(hào)的采樣值便于通過(guò)軟件計(jì)算得到。

濾波器的系數(shù)使用MATLAB工具輔助設(shè)計(jì)[6]。在MATLAB的命令行下運(yùn)行filterbuilder命令，彈出濾波器設(shè)計(jì)的圖形界面，選擇lowpass，進(jìn)入低通濾波器設(shè)計(jì)的界面如圖3所示。

圖3　濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)窗口

按圖設(shè)定好濾波器的參數(shù)后，點(diǎn)擊apply，然后點(diǎn)擊viewfilterresponse，彈出顯示該濾波器各種特征的圖形界面如圖4所示。

圖4　濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)幅度響應(yīng)

如果選擇濾波器的類型為單一速率，插值濾波輸出的信號(hào)幅度將變小；選擇插值器，插值濾波輸出的信號(hào)幅度不變。輸入信號(hào)必須是完成插值0后的序列。通過(guò)低通濾波器輸出信號(hào)產(chǎn)生群延時(shí)，在延時(shí)若干個(gè)樣本時(shí)間后，輸出信號(hào)才有效。在本方案中，濾波器的類型為單一速率。下面設(shè)計(jì)了兩種濾波器。這兩種濾波器區(qū)別在于阻帶衰減系數(shù)不一樣；阻帶衰減的程度越大，濾波器系數(shù)越多，軟件濾波的運(yùn)算開銷就越大。

原始PCM數(shù)字信號(hào)采樣率為8kHz，輸出采樣率為40kHz，信號(hào)的通帶頻率為1 950Hz，截止頻率4kHz，通道衰減1dB，阻帶衰減60dB，濾波器算法為Equiripple，設(shè)計(jì)出的濾波器系數(shù)如下(45個(gè))：

186,291,443,561,582,437,72,-534,-1343,-2253,-3095,-3651,-3681,-2974,-1387,1111,4413,8271,12319,16120,19232,21272,21982,21272,19232,16120,12319,8271,4413,1111,-1387,-2974,-3681,-3651,-3095,-2253,-1343,-534,72,437,582,561,443,291,186

原始PCM數(shù)字信號(hào)采樣率為8kHz，輸出采樣率為40kHz，信號(hào)的通帶頻率為1 950Hz，截止頻率4kHz，通道衰減1dB，阻帶衰減55dB，濾波器算法為Equiripple，設(shè)計(jì)出的濾波器系數(shù)如下(37個(gè))：

41, -26, -86, -187, -323, -477, -618, -707, -699, -551, -235, 258, 909,1670, 2470, 3224, 3842, 4247, 4389, 4247,3842,3224, 2470,1670, 909, 258,-235, -551, -699, -707, -618, -477, -323, -187, -86, -26, 41

3.2過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)設(shè)計(jì)

本方案在PCM數(shù)據(jù)中檢測(cè)出1 650Hz和1 850Hz的正弦波信號(hào)時(shí)，采用了過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)算法。

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法[7-8]的基本思想是: 單位符號(hào)時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)，可以用來(lái)衡量頻率的高低，故檢出數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)數(shù)即可得到相應(yīng)的載波頻率值，根據(jù)已知的載波頻率確定基帶信號(hào)0或1。

圖5　FSK解調(diào)框

具體FSK信號(hào)的解調(diào)框圖[9]如圖5 所示。假設(shè)已調(diào)FSK信號(hào)是經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后的方波信號(hào)。控制信號(hào)作為同步信號(hào)，啟動(dòng)系統(tǒng)的解調(diào)工作。由于要計(jì)算調(diào)制信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的過(guò)零點(diǎn)次數(shù)，所以時(shí)鐘計(jì)數(shù)器用來(lái)計(jì)算調(diào)制信號(hào)的周期，如果時(shí)鐘頻率與FSK調(diào)制信號(hào)頻率fclk∶fnrz=1∶11，那么表示每11 個(gè)CLK時(shí)鐘周期發(fā)送一個(gè)FSK調(diào)制信號(hào)，即當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器從0遞增到10時(shí)，一個(gè)調(diào)制信號(hào)傳輸結(jié)束。計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)周期內(nèi)已調(diào)FSK信號(hào)上升沿或下降沿的個(gè)數(shù)( 即過(guò)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)) 進(jìn)行計(jì)數(shù)。判決器作用主要是在調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)計(jì)數(shù)器m的值進(jìn)行判決。判決門限值根據(jù)調(diào)制信號(hào)和基帶信號(hào)的頻率的比值決定。如果一個(gè)FSK調(diào)制信號(hào)碼元中有8個(gè)周期的載波f1或者有4個(gè)周期的載波f2，則判決門限值x可以選擇x=8也可以選擇x=4。通過(guò)判決器就可以恢復(fù)出原始的基帶信號(hào)。判決器的門限可以選6或者7，使得解調(diào)器有一定的容錯(cuò)能力，能更好的解調(diào)出基帶信號(hào)。

3.3PCM傳真協(xié)議檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

兩個(gè)終端設(shè)備進(jìn)入傳真通信時(shí)，設(shè)備硬件將按8kHz采樣的PCM話音數(shù)據(jù)按256字節(jié)/幀的頻率以中斷的方式交給處理器軟件。軟件每次收到一幀PCM數(shù)據(jù)時(shí)，先進(jìn)行插值濾波器計(jì)算，將8kHz的PCM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成40kHz的PCM數(shù)據(jù)。然后按FSK調(diào)制的符號(hào)速率計(jì)算出每個(gè)符號(hào)所需要的PCM樣本數(shù)a，統(tǒng)計(jì)出每a個(gè)樣本PCM數(shù)據(jù)中，F(xiàn)SK信號(hào)上升沿的數(shù)量b，判斷b與待解調(diào)的FSK兩個(gè)載波頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)的周期數(shù)門限，確定是否是兩個(gè)載波頻率中的一個(gè)。如果滿足載波頻率的周期門限，則輸出相應(yīng)載波頻率對(duì)應(yīng)的0或1。輸出的0或1比特流按每字節(jié)8bit轉(zhuǎn)成字節(jié)流進(jìn)行存儲(chǔ)。HDLC成幀模塊按照標(biāo)準(zhǔn)HDLC數(shù)據(jù)封裝格式對(duì)該字節(jié)流進(jìn)行搜索、定位，解析出HDLC協(xié)議幀。傳真協(xié)議模塊對(duì)每個(gè)HDLC協(xié)議幀進(jìn)一步解析，分析出當(dāng)前PCM流中包含的傳真控制命令。如圖6所示。

圖6　傳真控制協(xié)議檢測(cè)流程

3.4方案運(yùn)行結(jié)果

通過(guò)借助硬件平臺(tái)采集傳真通信過(guò)程中發(fā)送或接收的PCM編碼數(shù)據(jù)保存為文件，編寫計(jì)算機(jī)算法仿真程序，對(duì)保存的PCM數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，其中分別使用上述兩組濾波器系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，輸出解析后的傳真控制協(xié)議命令二進(jìn)制文件，對(duì)上述方案的軟件可行性和正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。原始PCM數(shù)據(jù)波形圖和解析后的協(xié)議命令內(nèi)容參見圖7、圖8、圖9、圖10。使用上述兩組濾波器系數(shù)均能正確的檢測(cè)出傳真控制協(xié)議數(shù)據(jù)，在嵌入式處理器平臺(tái)上，優(yōu)先使用了系數(shù)數(shù)目較少的濾波器系數(shù)，減少嵌入式處理器軟件運(yùn)算量，提高在嵌入式處理器上可實(shí)現(xiàn)性。

圖7　傳真發(fā)送端發(fā)送的PCM數(shù)據(jù)波形

圖8　傳真接收端發(fā)送的PCM數(shù)據(jù)波形

圖7波形圖中，信號(hào)幅度較平穩(wěn)的、幅度相對(duì)較低的波形部分為V.21傳真控制協(xié)議報(bào)文，幅度相對(duì)較高的波形部分為傳真數(shù)據(jù)報(bào)文。

圖8波形圖中，信號(hào)幅度較高的波形部分為V.21傳真控制協(xié)議報(bào)文，幅度相對(duì)較低的波形為訓(xùn)練序列。

圖9　傳真發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)解析出的控制協(xié)議報(bào)文

圖10　傳真接收端發(fā)送數(shù)據(jù)解析出的控制協(xié)議報(bào)文

對(duì)比協(xié)議文件內(nèi)容和傳真控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]，該次傳真發(fā)送端發(fā)送的傳真控制協(xié)議命令如圖9所示，具體如下：

(1)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xc4, 0x00, 0x00, 0x6a…為NSS報(bào)文，表示非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備建立，是對(duì)NSF報(bào)文的響應(yīng)。

(2)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xf4為EOP報(bào)文，表示傳真頁(yè)結(jié)束。

(3)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xdf, 0x00, 0x00為DCN報(bào)文，表示傳真通信結(jié)束。

傳真接收端發(fā)送的傳真控制協(xié)議命令如圖10所示，具體如下：

(1)0x7e, 0xff, 0xc0, 0x04, 0x00, 0x00為NSF報(bào)文，表示進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備能力協(xié)商，即非T系列的用戶專用能力。

(2)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x01, 0x00, 0x72…為DIS報(bào)文，標(biāo)識(shí)被叫的ITU-T的標(biāo)準(zhǔn)能力。

(3)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x21, 0x57為CFR報(bào)文，表示可接收確認(rèn)，報(bào)文前過(guò)程已經(jīng)完成，可以開始報(bào)文傳輸。

(4)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x31, 0x45為MCF報(bào)文，表示多頁(yè)報(bào)文確認(rèn)。

此次傳真過(guò)程，發(fā)送端與接收端傳真控制報(bào)文交互流程如圖11所示。

圖11　傳真控制報(bào)文交互流程示意

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算機(jī)算法仿真的結(jié)果，驗(yàn)證該檢測(cè)方案切實(shí)可行，并且該方案已在某嵌入式設(shè)備國(guó)產(chǎn)芯片單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確的判斷出當(dāng)前的通信是否是傳真以及傳真進(jìn)行的控制階段。但在移植到嵌入式設(shè)備過(guò)程中，對(duì)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行上采樣濾波時(shí)，涉及到數(shù)字信號(hào)處理數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算開銷大，必須對(duì)實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行優(yōu)化。

該方案的意義在于可以通過(guò)軟件的方式，借助處理器的日益強(qiáng)大的處理能力，實(shí)現(xiàn)多路并發(fā)的模擬話機(jī)傳真過(guò)程監(jiān)測(cè)；參照軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)軟件快速實(shí)現(xiàn)其他FSK調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)功能，降低硬件成本，減少對(duì)進(jìn)口接口芯片的依賴，在國(guó)產(chǎn)自主化方面具有重要意義。

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FaxControlProtocolCheckingSoftwareMethodbasedonPCMData

TANGWen,WANGZhi-hua,MAJun,LEIYu

(No.30InstituteofCETC,ChengduSichuan610041,China)

Abstract：For monitoring G3 fax communication on telephony line, and according to software wireless technology, a method in combination of software with hardware is adopted, in which the hardware is responsible to capture PCM audio data, while the software to process PCM audio data, including to implement resampling, FSK decoding, HDLC frame detection and extract fax control protocol message, and based on these, to determine whether a fax communication is carried out on the telephone line. This method can be applied to embedded processors with which one or more audio streams can be handled, thus hardware cost can be grandly decreased, and China would have the product of its own independent intellectual property rights.

Key words：G3fax check;PCM;V.21;HDLC;FSK;filter

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.025

* 收稿日期：2015-12-08；修回日期：2016-03-20Received date:2015-12-08；Revised date：2016-03-20

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)05-0644-05

作者簡(jiǎn)介：

唐文(1977—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，窄帶數(shù)據(jù)通信；

王志華(1970—)，男，工程碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全；

馬俊(1983—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)；

雷宇(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)橛布O(shè)計(jì)與FPGA編程。