張小龍，胡 兵，劉希軍

(1.西華大學電氣信息學院，四川 成都 610039;2.成都市瑞逸科技有限公司，四川 成都 610051)

0 引言

收費困難、私拉亂接、缺少防非法信號插播的功能是當前有線電視存在的主要問題。

目前有線電視主要采用以下幾種方式加擾［1－2］:1)改變行場同步脈沖方式。利用壓縮同步脈沖或者添加偽同步脈沖等方法擾亂圖像結構實現加擾，此種方式效果雖好但成本過高;2)末端集線器式。此方式前端信號不加擾，只是通過導頻控制入戶開關來實現加擾，安全性較低;3)射頻加擾。傳統(tǒng)的射頻加擾方式由于加擾方式單一，系統(tǒng)被破譯的案例已屢見不鮮。因此，針對以上問題，基于偽隨機線性疊加算法，提出了一種較為經濟和安全性較高的射頻加解擾系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結構及偽隨機加解擾原理

系統(tǒng)框圖如圖1所示，分為計算機管理系統(tǒng)和前端加擾機及終端解擾機3大部分。

為了使加擾系統(tǒng)有更好的安全性，需要比較復雜的加擾算法。兼顧經濟性和安全性，加擾機通過內部高性價比的微處理器，利用偽隨機線性疊加算法產生多組碼字組合的加擾脈沖對射頻信號進行加擾。計算機管理系統(tǒng)通過RS－232通信接口向加擾機發(fā)送尋址控制命令，控制命令經導頻調制后與已加擾的射頻信號相混合經HFC網絡發(fā)送至解擾機。解擾機根據接收到的解密數據信息和收費管理的尋址授權信息，對加擾電視信號進行授權解擾，還原被加擾的射頻電視信號。

圖1 有線電視加解擾系統(tǒng)框圖

隨機數總是按照某一算法來產生，而線性疊加法是一種實現簡單、隨機性好的偽隨機算法。算法為［3－4］

式中:A為奇乘數，C為奇常數，通常取為1。seed0為自定義種子數，seed1為計算結果。

將每次計算的結果seed1賦值給seed0進行遞歸運算。這樣當seed0為奇數時，seed1為偶數，seed0為偶數時，seed1為奇數。因此所算結果會在奇數和偶數之間變化，實現計算結果的偽隨機。

偽隨機數的產生及加擾步驟為:

1)在微處理器ROM中開辟1 kbyte大小的隨機數表，并將其分成4個大小為256 byte的子表。分別為Table1，Table2，Table3和Table4。Table1隨機數表如表1所示。

表1 Table1隨機數表

2)設定乘數A為1 664 525［3］(10進制)，確定4個表的計算式，分別為

式中:X1，X2，X3，X4為0 ～255 的種子數，可自定義。根據式(2)～(5)，可以得到4 個地址 A1，A2，A3，A4。如設定種子X1=50，可以通過式(2)計算出A1=5。同樣可以通過設定X2，X3，X4計算得到其他3個值。

3)利用步驟2)所得到的4 個地址A1，A2，A3，A4，分別在表Table1，Table2，Table3，Table4中讀取數據。如用步驟2)中的A1=5可以取得隨機數0xB1，同樣可通過A2，A3，A4得到其他3個隨機數。

4)將取出的隨機數據送至加擾電路加擾，同時將產生此隨機數的地址發(fā)送出去，用于讀取解擾機的偽隨機表。

5)將 A1，A2，A3，A4分別賦值給 X1，X2，X3，X4，返回步驟2)進行下一輪取數。

加擾機和解擾機擁有相同的偽隨機表。解擾機根據接收到的隨機數表地址信息和授權尋址控制信息，讀取解擾機中的偽隨機表，用于解擾。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 加擾機硬件設計

整個加擾機電路原理框圖如圖2所示。分為微處理單元、加擾單元、數據調制單元、液晶顯示單元和RS－232通信單元5大部分。微處理單元以性價比較高的STC15F204E微處理器作為主控制器，該處理器內部集成2 kbyte的E2PROM，其中1 kbyte用于存放偽隨機表，另外1 kbyte用于存放加擾機狀態(tài)碼。RS－232通信單元實現微處理器與管理計算機的通信功能。

圖2 加擾機電路原理框圖

微處理器通過線性疊加算法讀取E2PROM內部偽隨機表，產生多組偽隨機脈沖碼控制加擾網絡中數字開關擾亂射頻信號的頻譜特性，達到加擾的目的。同時為了補償加擾電路的接入損耗需要將信號進行放大，加擾帶寬為47～750 MHz，加擾深度可以調節(jié)的設計方式，保證了加擾深度和解擾深度的一致性。數據調制單元的導頻頻率應選擇整個網絡中的空閑頻率，本文是用離散器件通過壓控LC振蕩器產生110 MHz的頻率，MB501做預分頻器，選用Motolola公司的MC145152P做鑒相器構成鎖相環(huán)，確保頻率的穩(wěn)定度，解擾控制數據流信息通過調制電路調制到110 MHz導頻上傳送出去。

2.2 解擾機硬件設計

解擾機系統(tǒng)框圖如圖3所示，由解調單元、微處理單元、感應單元和解擾單元4部分構成。

圖3 解擾機電路顯示目錄理框圖

以STC15F104E微處理器作為解擾機的主控制器，該微處理器最高指令處理時間可達到30 ns一條指令，能與前端加擾機實現很好的匹配。內部1 kbyte E2PROM用于存儲解擾機ID碼和解擾機狀態(tài)碼，外擴E2PROM用于存儲偽隨機數表。被加擾的電視信號送入解擾機后，將信號分兩路。一路經解調單元解調出偽隨機碼表地址和控制信息，然后送入微處理單元。一路到解擾網絡等待微處理器送出解擾脈沖。微處理器根據收到的隨機表地址從外部E2PROM中讀取解擾碼，最后將解擾碼送入解擾單元實現解擾。由于線路的傳輸會造成加解擾的不同步，如圖4所示，可以通過手動調節(jié)延時電路消除Δ t的時差，達到加解擾的同步。解擾電路設計能夠實現解擾深度調節(jié)和前端相互匹配。感應單元的設計能有效防止解擾機輸出解擾信號以后再串接。當解擾機狀態(tài)為開通的情況下，只有解擾機感應到電視信號以后解擾機程序才會讀取隨機表，輸出解擾碼。

圖4 解擾示意圖

3 加擾機及解擾機軟件設計

3.1 加擾機軟件設計

加擾機的軟件包括主程序和串口中斷處理子程序2部分，程序流程如圖5和圖6所示。加擾機通過串口接收上位機發(fā)送的控制命令，可將加擾機設置為直通或者加擾狀態(tài)。若收到的數據為加擾命令，則主程序利用線性疊加算法通過隨機表產生加擾脈沖。若為直通則不進行加擾。

圖5 加擾機主程序流程圖

圖6 串口中斷流程圖

為了防止非法破解，利用線性疊加偽隨機算法產生多種碼字組合的數碼加擾脈沖。用于解密用的偽隨機碼不以明文傳輸，在線路中傳輸的只是偽隨機碼地址。解擾機中存放著和加擾機相同的4張偽隨機表，通過偽隨機碼地址在解擾機中找出偽隨機碼用于解擾。

串口通信模塊主要完成對計算機發(fā)送來的控制命令進行接收，按照事先約定好的控制協(xié)議加擾機軟件要對命令進行處理，判斷是否啟動加擾，保存計算機命令以便加擾機把命令打包到一幀數據中。

3.2 解擾機軟件設計

解擾機程序通過系統(tǒng)初始化對解擾機當前狀態(tài)進行讀取以及設置I/O口等，在沒有收到改變狀態(tài)命令時，解擾機就按照當前狀態(tài)執(zhí)行程序。程序流程如圖7所示。

圖7 解擾機程序流程圖

數據接收模塊按照事先約定好的協(xié)議對前端發(fā)送來的數據流信息進行解析，判斷控制命令的類型，ID號是否和本機相匹配，當前狀態(tài)和發(fā)送來的狀態(tài)是否一樣，如果不一樣將新狀態(tài)寫進E2PROM保存起來。如果本機已授權且檢測到有感應時將通過接收到的偽隨機數地址讀取偽隨機表輸出偽隨機解擾脈沖，否則將不予解擾。

4 系統(tǒng)管理軟件設計

系統(tǒng)管理軟件是用來控制和管理各個解擾機的操作平臺，是加解擾收費系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)管理軟件［5］主要由用戶統(tǒng)計、檔案管理、用戶控制、系統(tǒng)設置4大部分組成。系統(tǒng)結構功能如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)管理軟件功能模塊框圖

1)用戶統(tǒng)計。用戶收視狀態(tài)統(tǒng)計可統(tǒng)計出加擾用戶、開通用戶以及相對于全體用戶的比例。收費統(tǒng)計可以根據多種條件，查詢收費情況，可將各種報表和信息打印輸出。

2)檔案管理。通過檔案管理可實現各個解擾機的入網注冊，設置入網用戶收費方式等。同時可靈活調整入網用戶信息，并將數據保存至數據庫，根據需要可隨時通過數據查詢系統(tǒng)查看用戶信息和修改用戶信息，如退網注銷、換號登記等。

3)解擾機控制。解擾機控制實現對解擾機的各種控制功能，如設置自動控制、啟動自動控制以及調整加擾機工作方式等。開關感應可以啟動和關閉解擾機對電視機的感應。通過自動控制可實現管理系統(tǒng)對解擾機的自動控制，自動控制設置的精度可達到1 min。

4)系統(tǒng)設置。串口設置主要選定串行輸出端口號，設置波特率，操作員權限設置可實現對不同操作員分配不同的權限，以免非法操作?？捎行ПＷC系統(tǒng)的安全運行。操作日志記錄了管理員進入系統(tǒng)進行的操作，防止操作員違規(guī)操作。當數據庫不對時，數據庫備份和恢復功能可以恢復數據庫為上一次備份數據庫［6］。有線電視加解擾管理系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 有線電視加解擾收費管理系統(tǒng)(截圖)

5 小結

本加解擾系統(tǒng)在性價比較高的STC15F204E微處理器上采用偽隨機線性疊加法實現了射頻加解擾技術，提高了系統(tǒng)的安全性，射頻加擾沒有改變圖像結構，解擾效果好對圖像信號基本無損傷。47～750 MHz帶寬設計能夠實現有線電視全頻段加擾，通過解擾機感應電路的設計有效防止了解擾機輸出再串接的現象發(fā)生。通過前端管理系統(tǒng)的ID碼尋址管理技術能夠對每一個解擾機實現管理和控制。由于整個系統(tǒng)采用射頻加解擾的方式，對于線路上非法插入的信號經解擾機輸出后將被加擾輸出，能有效避免非法信號的插入，此系統(tǒng)在許多地區(qū)已得到成功應用。

［1］牟善祥，楊國裕.有線電視加解擾系統(tǒng)的研究［J］.電視技術，1997，21(2):6－7.

［2］王玲，丁少凡.實用有線電視加解擾系統(tǒng)［J］.電子技術應用，1999(9):56－57.

［3］KNUTH D E.The art of computer programming［M］.［S.l.］:Pearson Education，2002.

［4］CORMEN T H，LEISERSON C E，RIVEST R L，et al.Introduction to algorithms［M］.［S.l.］:MIT Press，2002.

［5］趙曦鶴，王群生，劉杰.有線電視收費管理系統(tǒng)的研究與實現［J］.中國有線電視，2005(3):303－307.

［6］蔡敏，劉海英，汪杰.Visual Basic數據庫開發(fā)工程案例［M］.北京:人民郵電出版社，2007.