基于伪随机算法的有线电视加解扰系统设计

张小龙，胡 兵，刘希军

(1.西华大学电气信息学院，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

收费困难、私拉乱接、缺少防非法信号插播的功能是当前有线电视存在的主要问题。

目前有线电视主要采用以下几种方式加扰［1－2］:1)改变行场同步脉冲方式。利用压缩同步脉冲或者添加伪同步脉冲等方法扰乱图像结构实现加扰，此种方式效果虽好但成本过高;2)末端集线器式。此方式前端信号不加扰，只是通过导频控制入户开关来实现加扰，安全性较低;3)射频加扰。传统的射频加扰方式由于加扰方式单一，系统被破译的案例已屡见不鲜。因此，针对以上问题，基于伪随机线性叠加算法，提出了一种较为经济和安全性较高的射频加解扰系统。

1 系统总体结构及伪随机加解扰原理

系统框图如图1所示，分为计算机管理系统和前端加扰机及终端解扰机3大部分。

为了使加扰系统有更好的安全性，需要比较复杂的加扰算法。兼顾经济性和安全性，加扰机通过内部高性价比的微处理器，利用伪随机线性叠加算法产生多组码字组合的加扰脉冲对射频信号进行加扰。计算机管理系统通过RS－232通信接口向加扰机发送寻址控制命令，控制命令经导频调制后与已加扰的射频信号相混合经HFC网络发送至解扰机。解扰机根据接收到的解密数据信息和收费管理的寻址授权信息，对加扰电视信号进行授权解扰，还原被加扰的射频电视信号。

图1 有线电视加解扰系统框图

随机数总是按照某一算法来产生，而线性叠加法是一种实现简单、随机性好的伪随机算法。算法为［3－4］

式中:A为奇乘数，C为奇常数，通常取为1。seed0为自定义种子数，seed1为计算结果。

将每次计算的结果seed1赋值给seed0进行递归运算。这样当seed0为奇数时，seed1为偶数，seed0为偶数时，seed1为奇数。因此所算结果会在奇数和偶数之间变化，实现计算结果的伪随机。

伪随机数的产生及加扰步骤为:

1)在微处理器ROM中开辟1 kbyte大小的随机数表，并将其分成4个大小为256 byte的子表。分别为Table1，Table2，Table3和Table4。Table1随机数表如表1所示。

表1 Table1随机数表

2)设定乘数A为1 664 525［3］(10进制)，确定4个表的计算式，分别为

式中:X1，X2，X3，X4为0 ～255 的种子数，可自定义。根据式(2)～(5)，可以得到4 个地址 A1，A2，A3，A4。如设定种子X1=50，可以通过式(2)计算出A1=5。同样可以通过设定X2，X3，X4计算得到其他3个值。

3)利用步骤2)所得到的4 个地址A1，A2，A3，A4，分别在表Table1，Table2，Table3，Table4中读取数据。如用步骤2)中的A1=5可以取得随机数0xB1，同样可通过A2，A3，A4得到其他3个随机数。

4)将取出的随机数据送至加扰电路加扰，同时将产生此随机数的地址发送出去，用于读取解扰机的伪随机表。

5)将 A1，A2，A3，A4分别赋值给 X1，X2，X3，X4，返回步骤2)进行下一轮取数。

加扰机和解扰机拥有相同的伪随机表。解扰机根据接收到的随机数表地址信息和授权寻址控制信息，读取解扰机中的伪随机表，用于解扰。

2 系统硬件电路设计

2.1 加扰机硬件设计

整个加扰机电路原理框图如图2所示。分为微处理单元、加扰单元、数据调制单元、液晶显示单元和RS－232通信单元5大部分。微处理单元以性价比较高的STC15F204E微处理器作为主控制器，该处理器内部集成2 kbyte的E2PROM，其中1 kbyte用于存放伪随机表，另外1 kbyte用于存放加扰机状态码。RS－232通信单元实现微处理器与管理计算机的通信功能。

图2 加扰机电路原理框图

微处理器通过线性叠加算法读取E2PROM内部伪随机表，产生多组伪随机脉冲码控制加扰网络中数字开关扰乱射频信号的频谱特性，达到加扰的目的。同时为了补偿加扰电路的接入损耗需要将信号进行放大，加扰带宽为47～750 MHz，加扰深度可以调节的设计方式，保证了加扰深度和解扰深度的一致性。数据调制单元的导频频率应选择整个网络中的空闲频率，本文是用离散器件通过压控LC振荡器产生110 MHz的频率，MB501做预分频器，选用Motolola公司的MC145152P做鉴相器构成锁相环，确保频率的稳定度，解扰控制数据流信息通过调制电路调制到110 MHz导频上传送出去。

2.2 解扰机硬件设计

解扰机系统框图如图3所示，由解调单元、微处理单元、感应单元和解扰单元4部分构成。

图3 解扰机电路显示目录理框图

以STC15F104E微处理器作为解扰机的主控制器，该微处理器最高指令处理时间可达到30 ns一条指令，能与前端加扰机实现很好的匹配。内部1 kbyte E2PROM用于存储解扰机ID码和解扰机状态码，外扩E2PROM用于存储伪随机数表。被加扰的电视信号送入解扰机后，将信号分两路。一路经解调单元解调出伪随机码表地址和控制信息，然后送入微处理单元。一路到解扰网络等待微处理器送出解扰脉冲。微处理器根据收到的随机表地址从外部E2PROM中读取解扰码，最后将解扰码送入解扰单元实现解扰。由于线路的传输会造成加解扰的不同步，如图4所示，可以通过手动调节延时电路消除Δ t的时差，达到加解扰的同步。解扰电路设计能够实现解扰深度调节和前端相互匹配。感应单元的设计能有效防止解扰机输出解扰信号以后再串接。当解扰机状态为开通的情况下，只有解扰机感应到电视信号以后解扰机程序才会读取随机表，输出解扰码。

图4 解扰示意图

3 加扰机及解扰机软件设计

3.1 加扰机软件设计

加扰机的软件包括主程序和串口中断处理子程序2部分，程序流程如图5和图6所示。加扰机通过串口接收上位机发送的控制命令，可将加扰机设置为直通或者加扰状态。若收到的数据为加扰命令，则主程序利用线性叠加算法通过随机表产生加扰脉冲。若为直通则不进行加扰。

图5 加扰机主程序流程图

图6 串口中断流程图

为了防止非法破解，利用线性叠加伪随机算法产生多种码字组合的数码加扰脉冲。用于解密用的伪随机码不以明文传输，在线路中传输的只是伪随机码地址。解扰机中存放着和加扰机相同的4张伪随机表，通过伪随机码地址在解扰机中找出伪随机码用于解扰。

串口通信模块主要完成对计算机发送来的控制命令进行接收，按照事先约定好的控制协议加扰机软件要对命令进行处理，判断是否启动加扰，保存计算机命令以便加扰机把命令打包到一帧数据中。

3.2 解扰机软件设计

解扰机程序通过系统初始化对解扰机当前状态进行读取以及设置I/O口等，在没有收到改变状态命令时，解扰机就按照当前状态执行程序。程序流程如图7所示。

图7 解扰机程序流程图

数据接收模块按照事先约定好的协议对前端发送来的数据流信息进行解析，判断控制命令的类型，ID号是否和本机相匹配，当前状态和发送来的状态是否一样，如果不一样将新状态写进E2PROM保存起来。如果本机已授权且检测到有感应时将通过接收到的伪随机数地址读取伪随机表输出伪随机解扰脉冲，否则将不予解扰。

4 系统管理软件设计

系统管理软件是用来控制和管理各个解扰机的操作平台，是加解扰收费系统的重要组成部分。系统管理软件［5］主要由用户统计、档案管理、用户控制、系统设置4大部分组成。系统结构功能如图8所示。

图8 系统管理软件功能模块框图

1)用户统计。用户收视状态统计可统计出加扰用户、开通用户以及相对于全体用户的比例。收费统计可以根据多种条件，查询收费情况，可将各种报表和信息打印输出。

2)档案管理。通过档案管理可实现各个解扰机的入网注册，设置入网用户收费方式等。同时可灵活调整入网用户信息，并将数据保存至数据库，根据需要可随时通过数据查询系统查看用户信息和修改用户信息，如退网注销、换号登记等。

3)解扰机控制。解扰机控制实现对解扰机的各种控制功能，如设置自动控制、启动自动控制以及调整加扰机工作方式等。开关感应可以启动和关闭解扰机对电视机的感应。通过自动控制可实现管理系统对解扰机的自动控制，自动控制设置的精度可达到1 min。

4)系统设置。串口设置主要选定串行输出端口号，设置波特率，操作员权限设置可实现对不同操作员分配不同的权限，以免非法操作。可有效保证系统的安全运行。操作日志记录了管理员进入系统进行的操作，防止操作员违规操作。当数据库不对时，数据库备份和恢复功能可以恢复数据库为上一次备份数据库［6］。有线电视加解扰管理系统如图9所示。

图9 有线电视加解扰收费管理系统(截图)

5 小结

本加解扰系统在性价比较高的STC15F204E微处理器上采用伪随机线性叠加法实现了射频加解扰技术，提高了系统的安全性，射频加扰没有改变图像结构，解扰效果好对图像信号基本无损伤。47～750 MHz带宽设计能够实现有线电视全频段加扰，通过解扰机感应电路的设计有效防止了解扰机输出再串接的现象发生。通过前端管理系统的ID码寻址管理技术能够对每一个解扰机实现管理和控制。由于整个系统采用射频加解扰的方式，对于线路上非法插入的信号经解扰机输出后将被加扰输出，能有效避免非法信号的插入，此系统在许多地区已得到成功应用。

［1］牟善祥，杨国裕.有线电视加解扰系统的研究［J］.电视技术，1997，21(2):6－7.

［2］王玲，丁少凡.实用有线电视加解扰系统［J］.电子技术应用，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］赵曦鹤，王群生，刘杰.有线电视收费管理系统的研究与实现［J］.中国有线电视，2005(3):303－307.

［6］蔡敏，刘海英，汪杰.Visual Basic数据库开发工程案例［M］.北京:人民邮电出版社，2007.