射频处理加解扰技术(上)

付费电视系统所采用的加解扰技术随着电子、微电子工业的进步正在从低级向中、高级水平飞速发展。迄今为止加扰技术方案在实践中使用已不几十种，其中有些方案已趋落后而被淘汰，有些方案正在使用并有所发展。如今国际上已从模拟／数字加扰朝着安全性更高、图像质量几乎不受损伤的数码压缩加扰方向发展。

 

但这并不意味着似乎我国已经面临数码压缩技术商品时代，应该“一步到位”了，事实上即使在一些发达国家中，那些所谓落后、低档的加扰技术和设备仍在大量使用，并且占有很大比重。

 

就我国国情和综合技术、经济因素考虑，高、中、低不同档次的加扰技术都有发展的余地，在相当长一段时间内恐怕还将是多层次并存的局面，所以我们还是很有必要去了解熟悉它们。

 

此外，技术总是遵循着螺旋形上升的规律发展的，现时认为落后的技术、随着微电子、计算机及生产工艺技术的进步，在以后又会萌发出新的生命力，这在加扰技术的发展进程中也是很明显的。

 

    加扰技术五花八门，从初级到目前的高级阶段不下数十种之多，但就加扰的处理方法而言不外乎两种：

1、射频（RF)处理-即在射频调制阶段或射频传输通道上（非扰频方式）进行加解扰处理。

2、基带（Base band）处理-即在原信号阶段就进行加扰处理，接收端要在射频解调后再进行解扰处理。

 

    这两种方法各有其优缺点：

射频处理的好处是对图像质量损伤影响小，实施方法较简单，当采用专用器件时安全性可以很高，成本较低；缺点是控制密钥数据不能利用插入视频信号的逆程空隙作共信号传输，对RF传输通道要有一定的接口要求用于数据下载，对视频信号数字化引入的优点无法利用，这在很多场合下，特别是随着图文信息的发展不太有利，而从技术发展前景来看，它和数码压缩全数字传输技术没有兼容和拓展的余地。

 

基带处理的缺点是增加了解调-调制环节，从而要引入一些失真干扰因素。但基带处理方法的范围很宽，尤其是可以充分利用视频信号数字化的特点来进行加解扰处理以提高安全性，对图像的损伤可以几乎不计。

 

在付费电视发展的初期大都采用初级射频处理方法，如加装陷波器、射频同步顶压缩等。这些方法实施简单，成本低，对电视图像质量几乎没有损伤，但防窃视安全性很低，用户管理麻烦（如拆装陷波器）。随着技术发展，射频加扰从最简单的陷波器到相位调变，到开关型可寻址方式历经几十年的发展过程，迄今还有着相当强的生命力，加扰技术也日臻完善。

 

    一、陷波器（Trap)

 

陷波器法由于其价格低廉，目前在全世界有超过62个国家在销售。陷波器可分为负陷波器（Negative Trap)和正陷波器（Positive Trap)两种。

 

    1、负陷波器法

负陷波器法是用调整到付费频道频率的滤波器来对单个频道或一组频道进行阻断。前端输出信号不加扰，在终端对未授权的用户加装陷波器，使其对收费频道的载波衰减。衰减值可达70～75dB以上，使用户无法收看该频道。单频道负陷波器有一个以其中心频率F⁰（对准图像载波频率）、陷波衰减量 A⁰和滤波带宽的特性曲线为标志。好的设计是要有高的衰减量和窄的带宽，使陷波器对上下邻频道的影响减到最小（见图 1）。

 

 

     

                              图1 负陷波器特性曲线

 

                            图2 多须道陷波器类型

 

陷波电路是密封在一个直径约 0.83英寸 、长3～5英寸的管状金属冲压件壳子中，内部填充氨基甲酸乙酯，有一个F型阳接头和F型阴接头，电路内有一个耐500V耦合电容以保护电路免受电浪涌烧坏。

 

由于负陷波器加扰无安全性可言，谁都可以把它拆掉，因此一般要将它安装在户外高柱上和分支器相接或室外带锁箱内以防拆除，有线电视经营者亦可很方便地定时派员查看。

现时负陷波器在有线台已经很少采用，但在一般的旅馆、招待所中尚有使用余地。

 

2、正陷波器法

这种方法是将一个干扰载波(Jamming Carrier）插人到付费频道的频带中央，干扰载波正好在视频和音频之间，由于其信号强度与图像载波一样，故能使图像信号严重失真。在终端利用正陷波电路移去干扰载波以恢复正常的视、音频信号。但在抽取干扰载波的同时也将一部分图像信号滤除了，结果使画面变得“柔软”（实质上是降低了图像清晰度）。为了减低这种影响，在前端加扰器中要加入15dB的预加重来补偿因陷波引入的插入损耗。正陷波器的滤波特性如图3所示。

 

 

由于滤波特性希望是尖锐型的，其群时延特性不可能做好，会成为影响图像质量的重要因素。现时发展了所谓高斯系统加解扰法，其原理是前端不另加干扰载波，而是通过将本频道自己的边带信息作高斯整形预加重处理，这种处理结果使得该付费频道对非授权用户几乎没有娱乐价值。在接收端解扰滤波器将这部分图像信息恢复到原始的幅度和相位，使整个频道恢复到安全平坦的频率响应，图像质量近乎完美状态，其响应特性如图4所示。

 

图4 高斯系统加解扰法

 

    陷波器法的优势在于价格便宜，经济性好，适合经费有限的有线电视网起步。值得指出的是，当加扰系统升级改造时，陷波器并不需要淘汰掉，相反可以作为新系统的附加保护层，而且在一些可寻址系统中只有图像加扰而无伴音乐加扰时，陷波器还可用于阻断伴音，但随着加扰频道的增多，这种方法所需的陷波器数也增多，当用户预订节目有变动时，还必须派人去安装或拆卸，实际操作麻烦。此外，由于它们都不是寻址方式，所以对现代化的电子管理是不适应的。

 

二、终端闭馈控制

这类控制方式的特点是：前端信号不加扰但可寻址控制，终端解扰控制盒不安装在用户家中，而是在户外采用网-星集中控制结构方式。通过前端寻址来控制加扰或不加扰以实现系统的遥控管理。

 

1、可寻址开关分支器法

    这种方法的基本思路是在有线电视分配网的分支器上，根据用户的付费情况采用遥控开关方式对相关频道进行开通或阻断。加拿大Elec-troline公司开发了这种称为EAS系统，其原理如图5所示。

 

  图5 可寻址开关分支器系统方框图

 

EAS控制单元是由微处理器、存储单元（RAM）和控制部件组成。每个分支器端口的用户资料都存在RAM内，微处理器不断扫描存储单元内各户的服务信息资料，并将这些资料信息数字化后，按用户地址顺序扫描送给控制部件去转换成射频移频键控载波（FSK），此数据载波经由混合器和有线电视信号混合后传送给网络上每个寻址开关分支器，FSK信号的标准载波频率为53MHz或73MHz，如图6所示，也可按有线台要求特定。

 

 图6  移频健控（FSK）控制载波频谱  

 

每个寻址分支器内的解码电路均调谐在这些频率上。FSK信号的电平比上邻频图像载波电平低15dB，控制单元的扫描速率为740用户／秒，波特率为19.6K波特。

 

开关分支器的分接数最多可达16路，除具有一般分支器的功能要求外，还备有数控射频开关去通断相关的频道以及一组或多组滤波器。比如一个二段开关分支器内只有一组滤波器和二组数控射频开关，其中一组是负责开关基本频道服务而另外一组是开关收费频道（图7）。

 图7 EAS CAT-4AB二段开关星型分支器

 

 

解码器解调并解码授权信号使控制陷波器开关组件中的开关，陷波器组中，陷波器数量的多少视加扰频道数而定，每个陷波器对应于一个加扰频道。Jerrold公司的寻址闭锁系统采用了这种陷波器法。和寻址开关法相比，这种系统减少了射频开关数但增加了陷波器数量。

 

3、可寻址能量干扰法

正弦波、方波等干扰波叠加也是初期加扰方式之一，这些方法是把频率和行频锁定的正弦波或方波信号叠加到视频信号上，使正弦波的负峰值或方波的负脉冲正好与同步脉冲对应，就会使同步脉冲压缩到视频信号以内，从而使电视机的同步分离电路无法分离正常的同步信号，其解扰处理方法是：在接收端将加扰信号和一个与加扰端的正弦波或方波相位相反、幅度相同的再生正弦波或方波混合起来，以抵消叠加的干扰波。

 

实践证明，上述干扰波叠加方法的安全性低，图像劣化明显而本已被淘汰，但是射频压控振荡器能量干扰技术的出现，使得干扰波叠加方式已获得新生。

 

能量干扰技术方案是用压控振荡器代替了陷波器，振荡器产生的干扰（又称“禁止”）载波能量由微处理器根据前端寻址送来的数据来控制。对已付费用户则停止该振荡器输出能量，反之则使振荡器开足功率来干扰未被授权的电视频道。干扰载波频率与频道的图像载频相近，其幅度也与之大致相等。由于干扰载频幅度大，可使图像的可视性受到破坏。为了提高防窃视安全性，每一个频道的干扰频率有12个，以125KHz的间隔编程，交替使用。

 

干扰载波对图像的破坏程度可分为两级：

一级干扰是指用一个干扰载波（取自12个振荡器）来加扰该频道。一级干扰会造成视感模糊，图像能被部分看到但不能欣赏，所以也有把这种技术称为“面具式图像干扰系统”。

 

二级干扰是双重禁止，是指施加二个干扰信号（取自12个振荡器中）。二级干扰对该频道造成视觉上的完全遮盖，因此没有必要再搞三级干扰。图9中示出了这种技术的原理框图。美国 3A 公司和Electroline公司采用了这种能量干扰法。

图9 能量干扰法原理图

 

这种技术还能工作于：按节目付费方式，对图像质量没有任何损伤，但要防止该干扰载波的高次谐波可能干扰较高频段内的节目。

 

终端闭锁加扰控制技术的优点是：

·图像质量优良，因为授权付费频道实际上未加扰；

·解码分支单元在室外，故可以做到较高的安全保密性；

·维修人员一般不需要进人家庭，提高了维修效率。

该系统的缺点同EAS系统一样。

 

4、一种新的开关闭锁型有条件接收系统

无论是网络系统经营商或则是渴望得到增值服务的用户都希望一个有条件接收（访问）系统能最大限度地满足下列要求：

 

·系统的前端设备和终端用户机顶盒价位要低；

·模拟信号和数字信号兼容；

·单向、双向传输兼容（容易拓展升级）；

·可通过电话线路或网络回传信道实现PPV和NVOD;

·图像质量不受损伤；

·不需要大规模改造现有网络结构；

·能和现存网络系统的质量指标兼容；

·能对所有的CATV频道都可随意按条件控制；

·防窃视听的安全可靠性要高；

·尽可能限制授权服务的无偿扩散。

现有的加解扰技术无论是扰频或非扰频方式都不能满足上述所有要求。

 

一种开关闭锁型方案

笔者提出一种开关闭锁型方案就是企图能满足上述所有的要求。

和上述的开关闭锁控制方式不同，本方案有两个技术特点：

 

其一是，在前端要对每一个频道设定一个频道认定码，此码既可以唯一对应某一频道，也可以几个频道合用一个码，一般只对付费频道送码。此认定码要插人到相应于该频道的信号中去，可以插入场逆程，也可以用一个副载波调制在伴音载频上。

 

其二是，将频道选择的功能从户内的机上变换器中移到了户外的寻址开关控制盒内，在室内只有一台手动选择频道和发回传请求的拨号盒。从户外的寻址开关盒只输出一个固定频道到室内通过拨号盒送给电视机。

 

前端设备有一台控制计算机，用于计费、控制用户授权等级、监视登录用户回传请求（用于PPV,NVOD）以及向用户发送寻址授权信息数据。用户授权信息用地址码加密、打包后送给数据发射机，用一个专用数据频道传送给终端用户。在用户终端有两个盒子，一个叫拨号选台盒装在用户家中和电视机串接在一起（图10)。

图10 拨号选台盒原理框图

 

一个叫寻址开关控制盒装在户外，连接在分支器和拨号盒之间（图11）。

 图11寻址开关控制盒原理框图

 

在图11中，下行CATV信号经双向滤波器后分成两路：

一路送频道选择电路，它包括一个能覆盖包含增补频道在内所有频道的高频调接谐变频器，要选用能满足CTB、 CSO指标要求的频率合成型，由微处理器控制其频道的选择，它输出一个固定频道。

 

另一路送数据接收电路，解调下来的数据用本地地址码解密（其他用户的数据不能解密），取出服务信息送入存储器存储起来。

 

服务信息中的主要一项是已授权（已交费）的付费频道认定码由微处理器控制频道选择电路，选出某一个输人频道信号转换到固定频道输出，由频道码解调电路将插入信号中的频道码检出送往比较器，比较器搜索存储器中的授权频道表，如果表中有被接收信号的频道码，则频道选择电路接通不变：如果频道码对不上则比较器输出取消接通命令给微处理器，使频道选择电路转换（调谐）到某指定频道（此频道可以是有线台发布告示的频道）寻址开关盒输出的固定频道信号经室内拨号盒直通电视机。

 

当用户要调台时，在拨号盒上键人频道号，盒内频道码发生器输出相应的频道码，它和地址码混合后调制到一个低频段载波上回传给室外寻址开关。

 

拨号盒中加上地址码的目的是用以识别用户,是进一步的安全措施以防非法用户侵人该用户的寻址开关盒，同时也起到限制授权服务无偿扩散的作用。此外由于寻址开关只输出一路信号，此信号受授权用户控制，所以即使有非法人侵发生，授权用户马上就能发现。这种方式还有一个好处是一户付了钱不会分致多户长期合用，因为没有单独的节目选择权，大家只能都看同一套节目。

 

寻址开关将解调的选台数据经对地址码核实后，将要选频道的频道码送比较器鉴定是否是授权频道，若是则通知微处理器执行选台。系统的安全性完全由户外寻址开关盒来保证，首先其进出连接头不能被拆卸转接，要采用保密箱结构，几个寻址开关装在一个箱内安全性更好，当保密箱被强行打开时，看门狗电路就会启动回传报警信号通知前端。

 

这个系统的前端设备投资大大降低了，终端设备的成本也很低，但由于寻址开关盒是装在户外，因此不可能由用户来负担。以上只是简要叙述了系统的原理概念，具体实施方案的细节可以有很多方一法，但都是属于电路和设计技巧性技术，和系统原理无关。

 

    这个系统虽然能满足上述所有的要求，但也存在一些不足之处。首先它只适用于有线电视网络系统，而不适合应用在MMDS、DBS及微波线路，因为经营商无法控制终端设备。其次，用户电视机无法实现画中画功能（只有一路信号入户），而且不能看一套节同时录另一套节目。不过PPV和NVOD的功能可以弥补这些缺点。这种系统比较适用于新建小区、宾馆等场合，对已建成的CATV网由于寻址开关的投入还是比较大，只能采取局部网络开通的办法。

图8 寻址陷波器法原理框图

 

图中A环路中的滤波器将付费频道过滤掉，因此通过A环路用户只能收到基本服务频道的节目。如果用户连基本节目的费用也不交，则环路A内的射频开关就断开，对于交了付费频道费用的用户则接通B环路（A环路断开），使用户能接收到所有的频道。

 

在八段开关分支器内则有七组滤波器和八组数控射频开关，可以控制七个付费频道。

 

每个分支器在安装前由网络中心设置它的地址码和用户端口预设值：(a)关闭服务(b)基本服务（c）收费服务。例如：当网络中断，前端丢失信号或人为强拆信号电缆等，分支器内的看门狗电路会被触发。

 

在特定时间内如果信号恢复，看门狗电路会被重置，分支器的每一个端口状态不会受影响；但如果在特定时间之后信号还未回复，则整个寻址开关马上进人预设值状态。特定时间可以设置成5、10, 20或40分钟。在前端可以通过扫描寻址信号对各寻址分支器进行预设值重置。分支器可以通过电源插入组件从当地市电供电或由分配网上取电30－60V（方波）。

 

EAS系统可以和各式各样的收费会计系统并用，同时可按不同用户的缴费状况来提供不同等级的有线电视服务。由于它不对信号进行处理，因此不会对图像质量有所损伤。并且对以后多媒体和高清晰度电视、数字电视、准视频点播等项目的发展也是可兼容的。

 

这种系统的缺点是：（a)分配网络前期改造费用较大；因为在安装分支器前不可能让用户预先交钱；（b）频道设置和分配网结构要一次性规划好，中间变更较麻烦；（c）安装条件和保管维护要求高。

 

2、可寻址陷波器法

这种系统与寻址开关法很相似，不过寻址陷波器法中寻址开关不是通断信号而是通断和环路并联的陷波器，如果某一用户未授权接收某一付费加扰频道，则通过寻址开关接通一个陷波器将该频道滤除掉。图8中示出了寻址陷波器法的原理框图。

 图3 正陷波器特性曲线

 

由于经过滤波后已没有图像载波，因此电视机的内载波差拍取伴音的功能也无法运作，从而达到伴音加扰。

 

下邻频道的伴音载波很靠近收费频道的图像载波，当负陷波器切除图像载波时也会衰减掉一部分下邻频道的伴音载波，因此要求曲线是尖锐型的，当频段比较高时结合频率的稳定性要求不是很容易做到的。一般来说，当邻频道的伴音载波减小1OdB时影响还不大。

 

负陷波器另一个重要指标是其频率的准确度和稳定性，要能在-40℃～+60'C的环境温度条件下长期稳定工作，因此都采用多极点综合滤波网络的方法来设计，可以有4极型、6极型、8极型以及更精密的10和12极型滤波器。

 

多频道负陷波器可对一个频段或一组相邻频道进行陷波阻断（图2）。还可对图2中的陷波器进行适当组合来达到用户的需要。