有線電視收費(fèi)管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

舒 望

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，湖南 株洲 412001）

1 引言

付費(fèi)電視系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是業(yè)務(wù)僅提供給授權(quán)用戶使用，即在節(jié)目的供應(yīng)單位、播出單位和用戶之間建立起一種有償服務(wù)體系。正是基于這種體系，電視節(jié)目制作、播出經(jīng)費(fèi)的巨大投資得以補(bǔ)償，因而為電視業(yè)的發(fā)展奠定了良性循環(huán)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)這一體系，需要建立現(xiàn)代化的條件接收系統(tǒng)，需要先進(jìn)的加解密技術(shù)[1-2]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將著重考慮以下幾點(diǎn)：1）充分借鑒國(guó)內(nèi)外加解擾電視的先進(jìn)理論和技術(shù)，力求有較高的起點(diǎn)；2）安全保密是加擾的靈魂，不應(yīng)照搬現(xiàn)成的技術(shù)，而應(yīng)有所創(chuàng)新；3）加解擾系統(tǒng)應(yīng)適合國(guó)內(nèi)目前的有線電視網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀；4）應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)用戶經(jīng)濟(jì)承受能力設(shè)計(jì)物美價(jià)廉的用戶解擾器；5）設(shè)計(jì)應(yīng)符合廣播電影電視部的通用技術(shù)要求[3]。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本方案采用頻率搬移的方式進(jìn)行電視信號(hào)的加密。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，普通電視接收機(jī)的高頻調(diào)諧器的頻率捕捉范圍為-1～+1 MHz，所以在電視信號(hào)輸出端，預(yù)先將圖像載頻搬移-1.5～+1.5 MHz，這樣，超出了正常電視接收機(jī)的高頻調(diào)諧器的捕捉范圍，起到電視信號(hào)加密的效果。那么解密端則采用與加密端相同的方式，同樣將圖像載頻進(jìn)行搬移。圖像載頻的搬移量與搬移方向則通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的1個(gè)偽隨機(jī)序列進(jìn)行控制。同時(shí)，將產(chǎn)生的這個(gè)偽隨機(jī)序列與用戶信息通過(guò)FSK數(shù)據(jù)調(diào)制器與已加密的電視信號(hào)一同通過(guò)CATV網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。用戶端則通過(guò)解擾盒，收集來(lái)自CATV網(wǎng)絡(luò)中的用戶信息與控制移頻的偽隨機(jī)序列，恢復(fù)加密的電視信號(hào)[4]。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

可尋址有線電視自動(dòng)收費(fèi)管理系統(tǒng)終端部分的硬件電路主要包括多媒體頻率合成式高頻調(diào)諧器電路、FSK數(shù)據(jù)解調(diào)電路、場(chǎng)同步分離電路、射頻調(diào)制器電路、電源與掉電保護(hù)電路、鍵盤(pán)與數(shù)碼管顯示電路、E2PROM存儲(chǔ)器、紅外遙控系統(tǒng)以及CPU與外圍控制電路等。

可尋址有線電視收費(fèi)管理系統(tǒng)主要完成電視信號(hào)的加解擾，同時(shí)進(jìn)行尋址，確定用戶的使用權(quán)限，完成自動(dòng)收費(fèi)管理的功能。筆者僅詳細(xì)闡述用戶終端機(jī)的設(shè)計(jì)。

終端機(jī)通過(guò)FSK解調(diào)取出解擾時(shí)序與用戶信息，根據(jù)用戶信息獲取用戶類(lèi)型與用戶的使用權(quán)限，再根據(jù)解擾時(shí)序控制多媒體高頻調(diào)諧器將已加擾的有線電視信號(hào)還原出正常的電視信號(hào)。在電視信號(hào)的解擾過(guò)程中，為了避免頻率的大幅度跳變?cè)斐涉i相環(huán)失鎖，采用階梯式對(duì)頻率進(jìn)行移動(dòng)，減少了失鎖時(shí)間。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低移頻過(guò)程中對(duì)信號(hào)的損傷，利用了場(chǎng)消隱期完成移頻過(guò)程，將失鎖狀態(tài)進(jìn)行消隱。該系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶類(lèi)別的不同，實(shí)現(xiàn)按月租與按信道兩種計(jì)費(fèi)方式，并且可以在不同的時(shí)間段采用不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。該終端機(jī)還加入掉電檢測(cè)系統(tǒng)、紅外遙控系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及時(shí)保護(hù)，在下次開(kāi)機(jī)時(shí)能及時(shí)恢復(fù)上次掉電時(shí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)方便用戶操作與信息的查詢。這樣，與前端機(jī)一起構(gòu)成了整個(gè)有線電視收費(fèi)管理系統(tǒng)[5]。終端機(jī)硬件電路如圖2所示。

圖2 終端機(jī)電路框圖

終端機(jī)以單片機(jī)AT89C52作為中央控制芯片，它接收來(lái)自CATV網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)FSK數(shù)據(jù)解調(diào)出的時(shí)鐘信息、用戶信息、移頻同步信息、頻道費(fèi)率等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后控制多媒體高頻調(diào)諧器，將CATV網(wǎng)絡(luò)中的已加擾的電視信號(hào)解擾，輸出音視頻信號(hào)，或者將音視頻信號(hào)進(jìn)行射頻調(diào)制輸出。與此同時(shí)，CPU將用戶信息與終端機(jī)狀態(tài)信息通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。為方便用戶操作，在終端機(jī)的面板上設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵，即“MENU”、“+”、“-”和“POWER”鍵，同時(shí)還增加了 1 個(gè)紅外遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Philips公司的CTV320S彩電遙控系統(tǒng)。場(chǎng)同步分離電路則分離出場(chǎng)同步信號(hào)，作為移頻的控制脈沖，確保移頻操作在場(chǎng)消隱期間完成。

1）多媒體頻率合成式高頻調(diào)諧器

多媒體調(diào)諧器采用TCL2002D-2，其調(diào)諧方式采用頻率合成式與電壓合成式2種模式，在此系統(tǒng)中采用頻率合成模式，數(shù)據(jù)傳輸采用I2C數(shù)據(jù)格式。TCL2002D-2將輸入的電視信號(hào)經(jīng)過(guò)高放后，與通過(guò)頻率合成或電壓合成所得的本振信號(hào)混頻得出中頻，然后從SIF OUT端口輸出，同時(shí)它還進(jìn)行中頻和視頻檢波，分別從VIDEO OUT與AUDIO OUT端口輸出視頻與音頻信號(hào)，送往電視接收機(jī)[6]。

2）FSK數(shù)據(jù)解調(diào)電路

FSK數(shù)據(jù)解調(diào)電路以MC3356為主芯片，將載頻為110 MHz的數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，送往單片機(jī)串口。

3）場(chǎng)同步分離電路

為保證頻率的搬移不影響圖像的質(zhì)量，在場(chǎng)消隱期間進(jìn)行頻率搬移，故在電路中設(shè)計(jì)了場(chǎng)同步分離電路。場(chǎng)同步分離電路由復(fù)合同步分離電路、二次積分電路和波形整形電路3部分組成。由復(fù)合同步分離電路從視頻信號(hào)中取出復(fù)合同步信號(hào)，由二次積分電路從復(fù)合同步信號(hào)中分離出場(chǎng)同步信號(hào)，由兩級(jí)反相器對(duì)場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行整形，送入單片機(jī)的中斷入口，檢測(cè)出場(chǎng)同步信號(hào)，作為移頻的起始標(biāo)準(zhǔn)[7]。

4）射頻調(diào)制器

射頻調(diào)制電路采用日本的TA7673芯片，該芯片可將輸入的圖像視頻信號(hào)和音頻信號(hào)分別進(jìn)行處理后，再調(diào)幅成電視射頻信號(hào)輸出。

5）鍵盤(pán)與數(shù)碼管顯示電路

為了將頻道信息、時(shí)鐘信息與用戶信息直觀地顯示在用戶盒上，采用了4位數(shù)碼管顯示電路。利用單片機(jī)的P0口作為數(shù)碼管的段碼驅(qū)動(dòng)，P2.4～P2.7分別通過(guò)三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路作為數(shù)碼管的位碼驅(qū)動(dòng)。在面板上設(shè)計(jì)了“MENU”，“+”，“-”，“POWER”這 4 個(gè)按鍵，方便用戶進(jìn)行頻道切換、日期與時(shí)鐘查詢、用戶信息查詢等，這4個(gè)按鍵分別接在單片機(jī)的P1.4～P1.7[8]。

6）CPU與外圍控制電路

本系統(tǒng)的CPU采用美國(guó)Atmel公司的AT89C52。該控制器的P0口與P2口用來(lái)控制數(shù)碼管顯示。P1.2與P1.3用作高頻調(diào)諧器的I2C數(shù)據(jù)線接口，進(jìn)行頻率調(diào)諧。P1.4～P1.7用作鍵盤(pán)掃描。P3.0（RXD）串口用作FSK數(shù)據(jù)接收。P3.1（TXD）用作普通的I/O口，控制多媒體調(diào)諧器的電源。P3.2（INT0）用作同步信號(hào)檢測(cè)，接在同步分離部分的波形輸出端。P3.3（INT1）是雙中斷復(fù)用口，與P3.4，P3.5共同完成紅外遙控與掉電保護(hù)2個(gè)功能。當(dāng)紅外遙控接收頭接收到數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)有1個(gè)高低電平的跳變，利用這個(gè)跳變作為紅外遙控接收的中斷觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)，利用P3.4接收紅外遙控的接收數(shù)據(jù)，完成紅外遙控接收功能。此中斷口還用作掉電保護(hù)觸發(fā)中斷入口，為了在掉電的瞬間，利用電容上存儲(chǔ)的電荷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其觸發(fā)信號(hào)由電源板產(chǎn)生，與紅外遙控的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，連接到AT89C52的P3.3。此外，還有一個(gè)掉電保護(hù)標(biāo)志位，連接在P3.5。在CPU控制電路中還增加了1個(gè)串行存儲(chǔ)器AT24C02，其容量為256×8 bit，頁(yè)地址由P3.6控制，數(shù)據(jù)與時(shí)鐘信號(hào)分別連接到CPU的P1.0和P1.1[9]。

7）紅外遙控系統(tǒng)

紅外遙控系統(tǒng)采用了Philips公司的CTV320S彩電遙控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由紅外遙控發(fā)射器、接收器、控制器3部分組成。紅外遙控發(fā)射器由集成電路SAA3010[10]、振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路、紅外發(fā)光二極管、鍵盤(pán)矩陣電路等組成。

8）電源與掉電檢測(cè)電路

用戶終端采用2路電源供電，即+5 V與+6 V。為了增加電路帶負(fù)載能力，采用2路全波整流濾波電路。

掉電檢測(cè)電路由集成運(yùn)放組成的1個(gè)電壓比較器構(gòu)成。經(jīng)變壓器變壓、整流后的電壓加在電壓比較器的反相輸入端，預(yù)先設(shè)置反相輸入端的電壓高于同相輸入端電壓，則輸出端為低電平。由于電容的容量很小，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，放電速度很快。此時(shí)，比較器的反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓，那么比較器輸出為高電平，產(chǎn)生了掉電檢測(cè)信號(hào)，送入CPU，產(chǎn)生中斷，CPU就馬上作出相應(yīng)的掉電保護(hù)措施，完成了現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)保護(hù)[11]。

4 軟件設(shè)計(jì)

終端機(jī)主要完成有線電視信號(hào)的解擾，同時(shí)通過(guò)與前端機(jī)的通信完成用戶管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)的功能。

有線電視信號(hào)的加擾采用移頻技術(shù)，在終端機(jī)進(jìn)行電視信號(hào)的解擾時(shí)，也同樣采用移頻技術(shù)。通過(guò)前面的硬件電路設(shè)計(jì)可以看到，移頻主要是通過(guò)CPU接收從FSK解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出還原電視信號(hào)的移頻時(shí)序，再去控制高頻調(diào)諧器的調(diào)諧狀態(tài)，最終達(dá)到還原電視信號(hào)的目的。

在該終端機(jī)部分，除了對(duì)電視信號(hào)的還原，更主要的功能是實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)。該終端機(jī)根據(jù)用戶類(lèi)型的不同，實(shí)現(xiàn)按月租與按信道2種計(jì)費(fèi)方式，并且可以在不同的時(shí)間段采用不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)計(jì)費(fèi)就由CPU來(lái)完成，首先獲取來(lái)自數(shù)據(jù)通道中的時(shí)鐘信息以及用戶的余額，再根據(jù)用戶當(dāng)時(shí)收看的信道來(lái)實(shí)現(xiàn)按信道計(jì)費(fèi)。如果用戶類(lèi)型為按月租計(jì)費(fèi)，那么CPU就直接判斷用戶的余額來(lái)確定用戶的使用權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的管理。

為實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的還原以及對(duì)用戶的自動(dòng)收費(fèi)管理，同時(shí)還考慮到掉電時(shí)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的保護(hù)，在硬件電路中設(shè)計(jì)了掉電檢測(cè)電路與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。當(dāng)?shù)綦姍z測(cè)電路檢測(cè)到掉電信息時(shí)，CPU立即對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，主要是對(duì)當(dāng)前計(jì)費(fèi)金額、當(dāng)前時(shí)鐘信息和當(dāng)前信道號(hào)進(jìn)行保存，以便在下次上電后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)[12]。上電復(fù)位后，CPU將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行檢測(cè)，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

此外，本系統(tǒng)程序還包括以下子程序：移頻中斷服務(wù)程序、場(chǎng)同步信號(hào)恢復(fù)中斷程序、紅外遙控檢測(cè)中斷程序、數(shù)據(jù)通信中斷程序和掉電保護(hù)申請(qǐng)中斷程序。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)采用了前端加擾的方式，同時(shí)采用了數(shù)據(jù)糾錯(cuò)與保護(hù)，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?。加密方式采用了頻率搬移，且搬移操作在場(chǎng)消隱期間完成，對(duì)圖像損傷較少，保證了解密效果。本系統(tǒng)已經(jīng)被株洲無(wú)線電五廠采用，正在試運(yùn)行階段，且運(yùn)行基本正常，正準(zhǔn)備批量生產(chǎn)。

[1]梁光海.有線電視有條件接收的新型解決方案[J].電視技術(shù)，2004（11）：46-48.

[2]尚小冬，談新權(quán)，楊正興.基于C/S結(jié)構(gòu)的CATV收費(fèi)管理系統(tǒng)解決方案[J].電視技術(shù)，2004（4）：28-30.

[3]方德葵.有線電視網(wǎng)絡(luò)與傳輸技術(shù)[M].北京：中國(guó)廣播電視出版社，2005.

[4]周明德.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[5]易培林.有線電視技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]劉克友.康佳T3888N型彩電鎖相環(huán)頻率合成高頻調(diào)諧器[J].電子天府，2000（3）：10-11.

[7]韓廣興.新型彩色電視機(jī)原理與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8]公茂法，馬寶甫，孫晨.單片機(jī)人機(jī)接口實(shí)例集[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[9]蔡美琴，張為民，沈新群，等.MCS－51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1992.

[10]黃仕機(jī)，趙漢鼎.彩電遙控系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京∶電子工業(yè)出版社，1993.

[11]劉樂(lè)善，歐陽(yáng)明星，劉學(xué)清.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用[M].武漢∶華中理工大學(xué)出版社，2000.

[12]路正錦.Visual C＋＋音頻/視頻處理技術(shù)及工程實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.