有線電視收費管理系統的研究與設計

舒 望

（株洲職業技術學院 電子工程系，湖南 株洲 412001）

1 引言

付費電視系統的基本特點是業務僅提供給授權用戶使用，即在節目的供應單位、播出單位和用戶之間建立起一種有償服務體系。正是基于這種體系，電視節目制作、播出經費的巨大投資得以補償，因而為電視業的發展奠定了良性循環的經濟基礎。為實現這一體系，需要建立現代化的條件接收系統，需要先進的加解密技術[1-2]。

2 系統結構及工作原理

在進行系統設計時將著重考慮以下幾點：1）充分借鑒國內外加解擾電視的先進理論和技術，力求有較高的起點；2）安全保密是加擾的靈魂，不應照搬現成的技術，而應有所創新；3）加解擾系統應適合國內目前的有線電視網絡現狀；4）應根據國內用戶經濟承受能力設計物美價廉的用戶解擾器；5）設計應符合廣播電影電視部的通用技術要求[3]。

本系統結構如圖1所示。本方案采用頻率搬移的方式進行電視信號的加密。經過試驗，普通電視接收機的高頻調諧器的頻率捕捉范圍為-1～+1 MHz，所以在電視信號輸出端，預先將圖像載頻搬移-1.5～+1.5 MHz，這樣，超出了正常電視接收機的高頻調諧器的捕捉范圍，起到電視信號加密的效果。那么解密端則采用與加密端相同的方式，同樣將圖像載頻進行搬移。圖像載頻的搬移量與搬移方向則通過單片機產生的1個偽隨機序列進行控制。同時，將產生的這個偽隨機序列與用戶信息通過FSK數據調制器與已加密的電視信號一同通過CATV網絡傳輸出去。用戶端則通過解擾盒，收集來自CATV網絡中的用戶信息與控制移頻的偽隨機序列，恢復加密的電視信號[4]。

圖1 系統框圖

3 硬件電路設計

可尋址有線電視自動收費管理系統終端部分的硬件電路主要包括多媒體頻率合成式高頻調諧器電路、FSK數據解調電路、場同步分離電路、射頻調制器電路、電源與掉電保護電路、鍵盤與數碼管顯示電路、E2PROM存儲器、紅外遙控系統以及CPU與外圍控制電路等。

可尋址有線電視收費管理系統主要完成電視信號的加解擾，同時進行尋址，確定用戶的使用權限，完成自動收費管理的功能。筆者僅詳細闡述用戶終端機的設計。

終端機通過FSK解調取出解擾時序與用戶信息，根據用戶信息獲取用戶類型與用戶的使用權限，再根據解擾時序控制多媒體高頻調諧器將已加擾的有線電視信號還原出正常的電視信號。在電視信號的解擾過程中，為了避免頻率的大幅度跳變造成鎖相環失鎖，采用階梯式對頻率進行移動，減少了失鎖時間。同時，為了進一步降低移頻過程中對信號的損傷，利用了場消隱期完成移頻過程，將失鎖狀態進行消隱。該系統還可以根據用戶類別的不同，實現按月租與按信道兩種計費方式，并且可以在不同的時間段采用不同的計費標準。該終端機還加入掉電檢測系統、紅外遙控系統與顯示系統，能對現場數據及時保護，在下次開機時能及時恢復上次掉電時的數據，同時方便用戶操作與信息的查詢。這樣，與前端機一起構成了整個有線電視收費管理系統[5]。終端機硬件電路如圖2所示。

圖2 終端機電路框圖

終端機以單片機AT89C52作為中央控制芯片，它接收來自CATV網絡中通過FSK數據解調出的時鐘信息、用戶信息、移頻同步信息、頻道費率等，將數據進行分析、處理后控制多媒體高頻調諧器，將CATV網絡中的已加擾的電視信號解擾，輸出音視頻信號，或者將音視頻信號進行射頻調制輸出。與此同時，CPU將用戶信息與終端機狀態信息通過數碼管進行顯示。為方便用戶操作，在終端機的面板上設計了4個按鍵，即“MENU”、“+”、“-”和“POWER”鍵，同時還增加了 1 個紅外遙控系統，該系統采用Philips公司的CTV320S彩電遙控系統。場同步分離電路則分離出場同步信號，作為移頻的控制脈沖，確保移頻操作在場消隱期間完成。

1）多媒體頻率合成式高頻調諧器

多媒體調諧器采用TCL2002D-2，其調諧方式采用頻率合成式與電壓合成式2種模式，在此系統中采用頻率合成模式，數據傳輸采用I2C數據格式。TCL2002D-2將輸入的電視信號經過高放后，與通過頻率合成或電壓合成所得的本振信號混頻得出中頻，然后從SIF OUT端口輸出，同時它還進行中頻和視頻檢波，分別從VIDEO OUT與AUDIO OUT端口輸出視頻與音頻信號，送往電視接收機[6]。

2）FSK數據解調電路

FSK數據解調電路以MC3356為主芯片，將載頻為110 MHz的數據信號解調出來，送往單片機串口。

3）場同步分離電路

為保證頻率的搬移不影響圖像的質量，在場消隱期間進行頻率搬移，故在電路中設計了場同步分離電路。場同步分離電路由復合同步分離電路、二次積分電路和波形整形電路3部分組成。由復合同步分離電路從視頻信號中取出復合同步信號，由二次積分電路從復合同步信號中分離出場同步信號，由兩級反相器對場同步信號進行整形，送入單片機的中斷入口，檢測出場同步信號，作為移頻的起始標準[7]。

4）射頻調制器

射頻調制電路采用日本的TA7673芯片，該芯片可將輸入的圖像視頻信號和音頻信號分別進行處理后，再調幅成電視射頻信號輸出。

5）鍵盤與數碼管顯示電路

為了將頻道信息、時鐘信息與用戶信息直觀地顯示在用戶盒上，采用了4位數碼管顯示電路。利用單片機的P0口作為數碼管的段碼驅動，P2.4～P2.7分別通過三極管構成的驅動電路作為數碼管的位碼驅動。在面板上設計了“MENU”，“+”，“-”，“POWER”這 4 個按鍵，方便用戶進行頻道切換、日期與時鐘查詢、用戶信息查詢等，這4個按鍵分別接在單片機的P1.4～P1.7[8]。

6）CPU與外圍控制電路

本系統的CPU采用美國Atmel公司的AT89C52。該控制器的P0口與P2口用來控制數碼管顯示。P1.2與P1.3用作高頻調諧器的I2C數據線接口，進行頻率調諧。P1.4～P1.7用作鍵盤掃描。P3.0（RXD）串口用作FSK數據接收。P3.1（TXD）用作普通的I/O口，控制多媒體調諧器的電源。P3.2（INT0）用作同步信號檢測，接在同步分離部分的波形輸出端。P3.3（INT1）是雙中斷復用口，與P3.4，P3.5共同完成紅外遙控與掉電保護2個功能。當紅外遙控接收頭接收到數據時，就會有1個高低電平的跳變，利用這個跳變作為紅外遙控接收的中斷觸發信號，同時，利用P3.4接收紅外遙控的接收數據，完成紅外遙控接收功能。此中斷口還用作掉電保護觸發中斷入口，為了在掉電的瞬間，利用電容上存儲的電荷保護現場數據，其觸發信號由電源板產生，與紅外遙控的觸發信號進行邏輯與運算，連接到AT89C52的P3.3。此外，還有一個掉電保護標志位，連接在P3.5。在CPU控制電路中還增加了1個串行存儲器AT24C02，其容量為256×8 bit，頁地址由P3.6控制，數據與時鐘信號分別連接到CPU的P1.0和P1.1[9]。

7）紅外遙控系統

紅外遙控系統采用了Philips公司的CTV320S彩電遙控系統。整個系統由紅外遙控發射器、接收器、控制器3部分組成。紅外遙控發射器由集成電路SAA3010[10]、振蕩電路、驅動電路、紅外發光二極管、鍵盤矩陣電路等組成。

8）電源與掉電檢測電路

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

掉電檢測電路由集成運放組成的1個電壓比較器構成。經變壓器變壓、整流后的電壓加在電壓比較器的反相輸入端，預先設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，當掉電時，放電速度很快。此時，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，產生了掉電檢測信號，送入CPU，產生中斷，CPU就馬上作出相應的掉電保護措施，完成了現場的數據保護[11]。

4 軟件設計

終端機主要完成有線電視信號的解擾，同時通過與前端機的通信完成用戶管理，實現自動收費的功能。

有線電視信號的加擾采用移頻技術，在終端機進行電視信號的解擾時，也同樣采用移頻技術。通過前面的硬件電路設計可以看到，移頻主要是通過CPU接收從FSK解調輸出的數據，然后根據數據進行分析，得出還原電視信號的移頻時序，再去控制高頻調諧器的調諧狀態，最終達到還原電視信號的目的。

在該終端機部分，除了對電視信號的還原，更主要的功能是實現計費。該終端機根據用戶類型的不同，實現按月租與按信道2種計費方式，并且可以在不同的時間段采用不同的計費標準。整個計費就由CPU來完成，首先獲取來自數據通道中的時鐘信息以及用戶的余額，再根據用戶當時收看的信道來實現按信道計費。如果用戶類型為按月租計費，那么CPU就直接判斷用戶的余額來確定用戶的使用權限，實現對用戶的管理。

為實現電視信號的還原以及對用戶的自動收費管理，同時還考慮到掉電時對用戶數據的保護，在硬件電路中設計了掉電檢測電路與數據存儲電路。當掉電檢測電路檢測到掉電信息時，CPU立即對現場數據進行保護，主要是對當前計費金額、當前時鐘信息和當前信道號進行保存，以便在下次上電后對現場數據進行恢復[12]。上電復位后，CPU將對整個系統的核心部件進行檢測，確保整個系統的正常運行。本系統的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

此外，本系統程序還包括以下子程序：移頻中斷服務程序、場同步信號恢復中斷程序、紅外遙控檢測中斷程序、數據通信中斷程序和掉電保護申請中斷程序。

5 小結

該系統采用了前端加擾的方式，同時采用了數據糾錯與保護，保證了網絡傳輸的安全性。加密方式采用了頻率搬移，且搬移操作在場消隱期間完成，對圖像損傷較少，保證了解密效果。本系統已經被株洲無線電五廠采用，正在試運行階段，且運行基本正常，正準備批量生產。

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