一种基于PCM数字信号的传真控制协议软件检测方案* 1

唐　文，王志华，马　俊，雷　宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)



一种基于PCM数字信号的传真控制协议软件检测方案* 1

唐文，王志华，马俊，雷宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

摘要：为了在模拟电话线路上检测G3传真通信，参照软件无线电技术思路，可利用软、硬件相结合的方案。硬件负责从接口上采集PCM数据，软件负责处理PCM话音数据如对PCM数据进行上采样、V.21FSK解码、HDLC帧解析，提取出传真控制协议报文，根据传真控制协议判断当前电话线路上是否正在进行传真通信。而且根据软件所在处理器的处理能力，可实现一路或多路PCM数据处理和信号处理灵敏度可调。该方案可以利用嵌入式处理器的处理性能，实现多路基于PCM话音数据的传真监测，降低硬件实施成本，在硬件平台实现国产化方向具有重要的意义。

关键词：传真控制检测;PCM;V.21;HDLC; FSK;滤波器

0引言

传真通信作为一种重要的数据通信业务，在电信网应用广泛。为了在实际的线路中间设备上监测传真业务，需要对PCM话音数据进行传真控制协议交互内容进行检测。在普通电话网上开展的G3类传真通信协议一般包括两种：基于V.21FSK调制标准的传真控制协议和V.34传真数据协议。当中间设备检测当前电话呼叫的业务类型是否是话音或者传真时，只需检测业务数据中是否有V.21传真控制协议报文。为了降低硬件成本、便于灵活部署，可采用软硬结合的办法，硬件负责采集PCM数据，软件负责处理PCM数据，对PCM数据进行上采样、FSK解码、HDLC帧解析，提取出传真控制协议报文。根据软件所在处理器的处理能力，可实现一路或多路PCM数据处理。

通过文献检索，FSK信号解调硬件实现方法有相干解调、非相干解调[1-2]，使用模拟低通滤波器对FSK信号进行分频检测。或者基于硬件芯片的DFT变换算法对FSK调制使用的频率进行检测[3]。本文根据软件无线电的实现思想，采用软件在PCM数字信号上实现传真控制协议的FSK检测技术，提出一个较好的检测方案，利用嵌入式处理器日益强大的处理性能，软件实现的灵活性和灵敏度可调的优点，对原始采样PCM数据进行处理，从中检测出传真控制协议数据。

1G3类传真过程介绍

根据ITU-TT.30[4]规定，典型的G3 类传真过程如图1所示：

A阶段：呼叫建立。

B阶段：前消息处理过程，识别并选择必须的设备，主要完成能力协商和线路训练，主要是速率、编码和纠错方面的协商。

图1　传真过程

C阶段：消息传输过程，包括相位调整和同步，传输过程格式以及指定信号都与T4[4]建议一致。

D阶段：后消息过程，包括结束消息和证实，以及多文件传输过程，完成证实多页还是单页文件传输，以及报文结束，传真结束信号的发送接收。

E阶段：呼叫释放过程。

在传真过程阶段，所有的控制信号除了单音信号、训练序列，其他的控制信号都采用HDLC帧进行传输。HDLC信息字段的长度是可变的，它包含了用于两个传真终端之间控制和报文互换的指定信息。在T.30建议书中信息字段被划分为两部分，传真控制字段(FCF)和传真信息字段(FIF)，如图2所示。

图2　HDLC帧结构

V.21标准是一种传输速率为300b/s的会话协议，用简单的输入/输出设备和轻松的操作就能到达数据传输功能的会话协议。用于传真HDLC信息包交换阶段，即DIS/DCS/CFR/PPS/PPR…这些握手信息的传输。传真业务流程的监测就是对使用V.21调制解调标准调制的数据进行检测，提取出HDLC传真控制命令帧。

2数字信号处理原理介绍

从PCM数据中检测出FSK调制信号，需要运用数字信号处理过程实现对PCM信号的低通滤波，分离出V.21使用的两个频率信号：1 650Hz和1 850Hz正弦波。为了降低软硬件之间接口交互数据量，话音数据的硬件PCM通用采样率为8kHz。软件在处理PCM数据之前，需要做采样率转换，将采样率提升为40kHz，能够提高V.21调制信号的识别精度。出于算法简单、软件运算量可控的考虑，该低通滤波器设计成FIR数字滤波器。

FIR数字滤波器在保证幅度特性满足要求的条件下，能够提供严格的线性相位特性，计算量可控，可用于低通滤波器设计[5]。FIR数字滤波器输入输出关系可用下面的差分方程描述：

(1)

对应的系统函数为：

(2)

因此H(z)是的N-1次多项式，在z平面上有N-1个零极点，且在原点有N-1个重极点。FIR滤波器设计的任务就是选择有限长度的h(k)，使传输函数满足技术指标：即幅度特性和线性相位。

3检测方案设计与实现

3.1低通滤波器设计

为了实现PCM数据的采样率转换，需要用到数字信号处理中的插值与抽取滤波技术[5]。在原始采样数据之间增加D-1个零值，再通过低通滤波器，可实现输出采样率为原始采样率的D倍，为插值滤波。每I个原始采样点取出一个采样点，再通过低通滤波器，为抽取滤波，输出的采样率为原始采样率的1/I倍。根据滤波器的输入输出关系的差分方程，滤波器的设计任务是寻找合适的h(n)序列即滤波器系数，使输出信号的采样值便于通过软件计算得到。

滤波器的系数使用MATLAB工具辅助设计[6]。在MATLAB的命令行下运行filterbuilder命令，弹出滤波器设计的图形界面，选择lowpass，进入低通滤波器设计的界面如图3所示。

图3　滤波器系数设计窗口

按图设定好滤波器的参数后，点击apply，然后点击viewfilterresponse，弹出显示该滤波器各种特征的图形界面如图4所示。

图4　滤波器系数设计幅度响应

如果选择滤波器的类型为单一速率，插值滤波输出的信号幅度将变小；选择插值器，插值滤波输出的信号幅度不变。输入信号必须是完成插值0后的序列。通过低通滤波器输出信号产生群延时，在延时若干个样本时间后，输出信号才有效。在本方案中，滤波器的类型为单一速率。下面设计了两种滤波器。这两种滤波器区别在于阻带衰减系数不一样；阻带衰减的程度越大，滤波器系数越多，软件滤波的运算开销就越大。

原始PCM数字信号采样率为8kHz，输出采样率为40kHz，信号的通带频率为1 950Hz，截止频率4kHz，通道衰减1dB，阻带衰减60dB，滤波器算法为Equiripple，设计出的滤波器系数如下(45个)：

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数字信号采样率为8kHz，输出采样率为40kHz，信号的通带频率为1 950Hz，截止频率4kHz，通道衰减1dB，阻带衰减55dB，滤波器算法为Equiripple，设计出的滤波器系数如下(37个)：

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过零点检测设计

本方案在PCM数据中检测出1 650Hz和1 850Hz的正弦波信号时，采用了过零点检测算法。

过零点检测法[7-8]的基本思想是: 单位符号时间内信号经过零点的次数，可以用来衡量频率的高低，故检出数字调频信号的过零点数即可得到相应的载波频率值，根据已知的载波频率确定基带信号0或1。

图5　FSK解调框

具体FSK信号的解调框图[9]如图5 所示。假设已调FSK信号是经过数模转换后的方波信号。控制信号作为同步信号，启动系统的解调工作。由于要计算调制信号一个周期内的过零点次数，所以时钟计数器用来计算调制信号的周期，如果时钟频率与FSK调制信号频率fclk∶fnrz=1∶11，那么表示每11 个CLK时钟周期发送一个FSK调制信号，即当时钟计数器从0递增到10时，一个调制信号传输结束。计数器对一个周期内已调FSK信号上升沿或下降沿的个数( 即过零点的个数) 进行计数。判决器作用主要是在调制信号的一个周期内，对计数器m的值进行判决。判决门限值根据调制信号和基带信号的频率的比值决定。如果一个FSK调制信号码元中有8个周期的载波f1或者有4个周期的载波f2，则判决门限值x可以选择x=8也可以选择x=4。通过判决器就可以恢复出原始的基带信号。判决器的门限可以选6或者7，使得解调器有一定的容错能力，能更好的解调出基带信号。

3.3PCM传真协议检测流程设计

两个终端设备进入传真通信时，设备硬件将按8kHz采样的PCM话音数据按256字节/帧的频率以中断的方式交给处理器软件。软件每次收到一帧PCM数据时，先进行插值滤波器计算，将8kHz的PCM数据转换成40kHz的PCM数据。然后按FSK调制的符号速率计算出每个符号所需要的PCM样本数a，统计出每a个样本PCM数据中，FSK信号上升沿的数量b，判断b与待解调的FSK两个载波频率对应的调制信号的周期数门限，确定是否是两个载波频率中的一个。如果满足载波频率的周期门限，则输出相应载波频率对应的0或1。输出的0或1比特流按每字节8bit转成字节流进行存储。HDLC成帧模块按照标准HDLC数据封装格式对该字节流进行搜索、定位，解析出HDLC协议帧。传真协议模块对每个HDLC协议帧进一步解析，分析出当前PCM流中包含的传真控制命令。如图6所示。

图6　传真控制协议检测流程

3.4方案运行结果

通过借助硬件平台采集传真通信过程中发送或接收的PCM编码数据保存为文件，编写计算机算法仿真程序，对保存的PCM数据文件进行处理，其中分别使用上述两组滤波器系数进行对比，输出解析后的传真控制协议命令二进制文件，对上述方案的软件可行性和正确性进行了验证。原始PCM数据波形图和解析后的协议命令内容参见图7、图8、图9、图10。使用上述两组滤波器系数均能正确的检测出传真控制协议数据，在嵌入式处理器平台上，优先使用了系数数目较少的滤波器系数，减少嵌入式处理器软件运算量，提高在嵌入式处理器上可实现性。

图7　传真发送端发送的PCM数据波形

图8　传真接收端发送的PCM数据波形

图7波形图中，信号幅度较平稳的、幅度相对较低的波形部分为V.21传真控制协议报文，幅度相对较高的波形部分为传真数据报文。

图8波形图中，信号幅度较高的波形部分为V.21传真控制协议报文，幅度相对较低的波形为训练序列。

图9　传真发送端发送数据解析出的控制协议报文

图10　传真接收端发送数据解析出的控制协议报文

对比协议文件内容和传真控制协议标准[4]，该次传真发送端发送的传真控制协议命令如图9所示，具体如下：

(1)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xc4, 0x00, 0x00, 0x6a…为NSS报文，表示非标准设备建立，是对NSF报文的响应。

(2)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xf4为EOP报文，表示传真页结束。

(3)0x7e, 0xff, 0xc8, 0xdf, 0x00, 0x00为DCN报文，表示传真通信结束。

传真接收端发送的传真控制协议命令如图10所示，具体如下：

(1)0x7e, 0xff, 0xc0, 0x04, 0x00, 0x00为NSF报文，表示进行非标准设备能力协商，即非T系列的用户专用能力。

(2)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x01, 0x00, 0x72…为DIS报文，标识被叫的ITU-T的标准能力。

(3)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x21, 0x57为CFR报文，表示可接收确认，报文前过程已经完成，可以开始报文传输。

(4)0x7e, 0xff, 0xc8, 0x31, 0x45为MCF报文，表示多页报文确认。

此次传真过程，发送端与接收端传真控制报文交互流程如图11所示。

图11　传真控制报文交互流程示意

4结语

根据计算机算法仿真的结果，验证该检测方案切实可行，并且该方案已在某嵌入式设备国产芯片单片机中实现，能够准确的判断出当前的通信是否是传真以及传真进行的控制阶段。但在移植到嵌入式设备过程中，对PCM数据进行上采样滤波时，涉及到数字信号处理数学运算，计算开销大，必须对实现算法进行优化。

该方案的意义在于可以通过软件的方式，借助处理器的日益强大的处理能力，实现多路并发的模拟话机传真过程监测；参照软件无线电的设计思路，通过软件快速实现其他FSK调制标准的调制解调功能，降低硬件成本，减少对进口接口芯片的依赖，在国产自主化方面具有重要意义。

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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

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)05-0644-05

作者简介：

唐文(1977—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为通信网络，窄带数据通信；

王志华(1970—)，男，工程硕士，工程师，主要研究方向为网络安全；

马俊(1983—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为通信网络；

雷宇(1989—)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为硬件设计与FPGA编程。