基于偽隨機(jī)算法的有線電視加解擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小龍，胡 兵，劉希軍

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)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(fèi)困難、私拉亂接、缺少防非法信號(hào)插播的功能是當(dāng)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(chǎng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(hào)不加擾，只是通過導(dǎo)頻控制入戶開關(guān)來實(shí)現(xiàn)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(duì)以上問題，基于偽隨機(jī)線性疊加算法，提出了一種較為經(jīng)濟(jì)和安全性較高的射頻加解擾系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及偽隨機(jī)加解擾原理

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

為了使加擾系統(tǒng)有更好的安全性，需要比較復(fù)雜的加擾算法。兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，加擾機(jī)通過內(nèi)部高性價(jià)比的微處理器，利用偽隨機(jī)線性疊加算法產(chǎn)生多組碼字組合的加擾脈沖對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行加擾。計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)通過RS－232通信接口向加擾機(jī)發(fā)送尋址控制命令，控制命令經(jīng)導(dǎo)頻調(diào)制后與已加擾的射頻信號(hào)相混合經(jīng)HFC網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至解擾機(jī)。解擾機(jī)根據(jù)接收到的解密數(shù)據(jù)信息和收費(fèi)管理的尋址授權(quán)信息，對(duì)加擾電視信號(hào)進(jìn)行授權(quán)解擾，還原被加擾的射頻電視信號(hào)。

圖1 有線電視加解擾系統(tǒng)框圖

隨機(jī)數(shù)總是按照某一算法來產(chǎn)生，而線性疊加法是一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、隨機(jī)性好的偽隨機(jī)算法。算法為［3－4］

式中:A為奇乘數(shù)，C為奇常數(shù)，通常取為1。seed0為自定義種子數(shù)，seed1為計(jì)算結(jié)果。

將每次計(jì)算的結(jié)果seed1賦值給seed0進(jìn)行遞歸運(yùn)算。這樣當(dāng)seed0為奇數(shù)時(shí)，seed1為偶數(shù)，seed0為偶數(shù)時(shí)，seed1為奇數(shù)。因此所算結(jié)果會(huì)在奇數(shù)和偶數(shù)之間變化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的偽隨機(jī)。

偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生及加擾步驟為:

1)在微處理器ROM中開辟1 kbyte大小的隨機(jī)數(shù)表，并將其分成4個(gè)大小為256 byte的子表。分別為Table1，Table2，Table3和Table4。Table1隨機(jī)數(shù)表如表1所示。

表1 Table1隨機(jī)數(shù)表

2)設(shè)定乘數(shù)A為1 664 525［3］(10進(jìn)制)，確定4個(gè)表的計(jì)算式，分別為

式中:X1，X2，X3，X4為0 ～255 的種子數(shù)，可自定義。根據(jù)式(2)～(5)，可以得到4 個(gè)地址 A1，A2，A3，A4。如設(shè)定種子X1=50，可以通過式(2)計(jì)算出A1=5。同樣可以通過設(shè)定X2，X3，X4計(jì)算得到其他3個(gè)值。

3)利用步驟2)所得到的4 個(gè)地址A1，A2，A3，A4，分別在表Table1，Table2，Table3，Table4中讀取數(shù)據(jù)。如用步驟2)中的A1=5可以取得隨機(jī)數(shù)0xB1，同樣可通過A2，A3，A4得到其他3個(gè)隨機(jī)數(shù)。

4)將取出的隨機(jī)數(shù)據(jù)送至加擾電路加擾，同時(shí)將產(chǎn)生此隨機(jī)數(shù)的地址發(fā)送出去，用于讀取解擾機(jī)的偽隨機(jī)表。

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

加擾機(jī)和解擾機(jī)擁有相同的偽隨機(jī)表。解擾機(jī)根據(jù)接收到的隨機(jī)數(shù)表地址信息和授權(quán)尋址控制信息，讀取解擾機(jī)中的偽隨機(jī)表，用于解擾。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 加擾機(jī)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)加擾機(jī)電路原理框圖如圖2所示。分為微處理單元、加擾單元、數(shù)據(jù)調(diào)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(jià)比較高的STC15F204E微處理器作為主控制器，該處理器內(nèi)部集成2 kbyte的E2PROM，其中1 kbyte用于存放偽隨機(jī)表，另外1 kbyte用于存放加擾機(jī)狀態(tài)碼。RS－232通信單元實(shí)現(xiàn)微處理器與管理計(jì)算機(jī)的通信功能。

圖2 加擾機(jī)電路原理框圖

微處理器通過線性疊加算法讀取E2PROM內(nèi)部偽隨機(jī)表，產(chǎn)生多組偽隨機(jī)脈沖碼控制加擾網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字開關(guān)擾亂射頻信號(hào)的頻譜特性，達(dá)到加擾的目的。同時(shí)為了補(bǔ)償加擾電路的接入損耗需要將信號(hào)進(jìn)行放大，加擾帶寬為47～750 MHz，加擾深度可以調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方式，保證了加擾深度和解擾深度的一致性。數(shù)據(jù)調(diào)制單元的導(dǎo)頻頻率應(yīng)選擇整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的空閑頻率，本文是用離散器件通過壓控LC振蕩器產(chǎn)生110 MHz的頻率，MB501做預(yù)分頻器，選用Motolola公司的MC145152P做鑒相器構(gòu)成鎖相環(huán)，確保頻率的穩(wěn)定度，解擾控制數(shù)據(jù)流信息通過調(diào)制電路調(diào)制到110 MHz導(dǎo)頻上傳送出去。

2.2 解擾機(jī)硬件設(shè)計(jì)

解擾機(jī)系統(tǒng)框圖如圖3所示，由解調(diào)單元、微處理單元、感應(yīng)單元和解擾單元4部分構(gòu)成。

圖3 解擾機(jī)電路顯示目錄理框圖

以STC15F104E微處理器作為解擾機(jī)的主控制器，該微處理器最高指令處理時(shí)間可達(dá)到30 ns一條指令，能與前端加擾機(jī)實(shí)現(xiàn)很好的匹配。內(nèi)部1 kbyte E2PROM用于存儲(chǔ)解擾機(jī)ID碼和解擾機(jī)狀態(tài)碼，外擴(kuò)E2PROM用于存儲(chǔ)偽隨機(jī)數(shù)表。被加擾的電視信號(hào)送入解擾機(jī)后，將信號(hào)分兩路。一路經(jīng)解調(diào)單元解調(diào)出偽隨機(jī)碼表地址和控制信息，然后送入微處理單元。一路到解擾網(wǎng)絡(luò)等待微處理器送出解擾脈沖。微處理器根據(jù)收到的隨機(jī)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(shí)現(xiàn)解擾。由于線路的傳輸會(huì)造成加解擾的不同步，如圖4所示，可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)延時(shí)電路消除Δ t的時(shí)差，達(dá)到加解擾的同步。解擾電路設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)解擾深度調(diào)節(jié)和前端相互匹配。感應(yīng)單元的設(shè)計(jì)能有效防止解擾機(jī)輸出解擾信號(hào)以后再串接。當(dāng)解擾機(jī)狀態(tài)為開通的情況下，只有解擾機(jī)感應(yīng)到電視信號(hào)以后解擾機(jī)程序才會(huì)讀取隨機(jī)表，輸出解擾碼。

圖4 解擾示意圖

3 加擾機(jī)及解擾機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 加擾機(jī)軟件設(shè)計(jì)

加擾機(jī)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(jī)通過串口接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，可將加擾機(jī)設(shè)置為直通或者加擾狀態(tài)。若收到的數(shù)據(jù)為加擾命令，則主程序利用線性疊加算法通過隨機(jī)表產(chǎn)生加擾脈沖。若為直通則不進(jìn)行加擾。

圖5 加擾機(jī)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(jī)算法產(chǎn)生多種碼字組合的數(shù)碼加擾脈沖。用于解密用的偽隨機(jī)碼不以明文傳輸，在線路中傳輸?shù)闹皇莻坞S機(jī)碼地址。解擾機(jī)中存放著和加擾機(jī)相同的4張偽隨機(jī)表，通過偽隨機(jī)碼地址在解擾機(jī)中找出偽隨機(jī)碼用于解擾。

串口通信模塊主要完成對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)送來的控制命令進(jìn)行接收，按照事先約定好的控制協(xié)議加擾機(jī)軟件要對(duì)命令進(jìn)行處理，判斷是否啟動(dòng)加擾，保存計(jì)算機(jī)命令以便加擾機(jī)把命令打包到一幀數(shù)據(jù)中。

3.2 解擾機(jī)軟件設(shè)計(jì)

解擾機(jī)程序通過系統(tǒng)初始化對(duì)解擾機(jī)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行讀取以及設(shè)置I/O口等，在沒有收到改變狀態(tài)命令時(shí)，解擾機(jī)就按照當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行程序。程序流程如圖7所示。

圖7 解擾機(jī)程序流程圖

數(shù)據(jù)接收模塊按照事先約定好的協(xié)議對(duì)前端發(fā)送來的數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行解析，判斷控制命令的類型，ID號(hào)是否和本機(jī)相匹配，當(dāng)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(jìn)E2PROM保存起來。如果本機(jī)已授權(quán)且檢測(cè)到有感應(yīng)時(shí)將通過接收到的偽隨機(jī)數(shù)地址讀取偽隨機(jī)表輸出偽隨機(jī)解擾脈沖，否則將不予解擾。

4 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理軟件是用來控制和管理各個(gè)解擾機(jī)的操作平臺(tái)，是加解擾收費(fèi)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(jì)、檔案管理、用戶控制、系統(tǒng)設(shè)置4大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)。用戶收視狀態(tài)統(tǒng)計(jì)可統(tǒng)計(jì)出加擾用戶、開通用戶以及相對(duì)于全體用戶的比例。收費(fèi)統(tǒng)計(jì)可以根據(jù)多種條件，查詢收費(fèi)情況，可將各種報(bào)表和信息打印輸出。

2)檔案管理。通過檔案管理可實(shí)現(xiàn)各個(gè)解擾機(jī)的入網(wǎng)注冊(cè)，設(shè)置入網(wǎng)用戶收費(fèi)方式等。同時(shí)可靈活調(diào)整入網(wǎng)用戶信息，并將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)需要可隨時(shí)通過數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)查看用戶信息和修改用戶信息，如退網(wǎng)注銷、換號(hào)登記等。

3)解擾機(jī)控制。解擾機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)解擾機(jī)的各種控制功能，如設(shè)置自動(dòng)控制、啟動(dòng)自動(dòng)控制以及調(diào)整加擾機(jī)工作方式等。開關(guān)感應(yīng)可以啟動(dòng)和關(guān)閉解擾機(jī)對(duì)電視機(jī)的感應(yīng)。通過自動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)對(duì)解擾機(jī)的自動(dòng)控制，自動(dòng)控制設(shè)置的精度可達(dá)到1 min。

4)系統(tǒng)設(shè)置。串口設(shè)置主要選定串行輸出端口號(hào)，設(shè)置波特率，操作員權(quán)限設(shè)置可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同操作員分配不同的權(quán)限，以免非法操作。可有效保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。操作日志記錄了管理員進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行的操作，防止操作員違規(guī)操作。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)不對(duì)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)備份和恢復(fù)功能可以恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)為上一次備份數(shù)據(jù)庫(kù)［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(fèi)管理系統(tǒng)(截圖)

5 小結(jié)

本加解擾系統(tǒng)在性價(jià)比較高的STC15F204E微處理器上采用偽隨機(jī)線性疊加法實(shí)現(xiàn)了射頻加解擾技術(shù)，提高了系統(tǒng)的安全性，射頻加擾沒有改變圖像結(jié)構(gòu)，解擾效果好對(duì)圖像信號(hào)基本無損傷。47～750 MHz帶寬設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)有線電視全頻段加擾，通過解擾機(jī)感應(yīng)電路的設(shè)計(jì)有效防止了解擾機(jī)輸出再串接的現(xiàn)象發(fā)生。通過前端管理系統(tǒng)的ID碼尋址管理技術(shù)能夠?qū)γ恳粋€(gè)解擾機(jī)實(shí)現(xiàn)管理和控制。由于整個(gè)系統(tǒng)采用射頻加解擾的方式，對(duì)于線路上非法插入的信號(hào)經(jīng)解擾機(jī)輸出后將被加擾輸出，能有效避免非法信號(hào)的插入，此系統(tǒng)在許多地區(qū)已得到成功應(yīng)用。

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