第07章有条件接收系统

1第七章有条件接收系统在世界各国纷纷加速信息高速公路的建设中，CATV由于其网络普及率高、频带宽，被公认为是一个高效廉价的用户接入网最佳解决方案。但我国的CATV网真要担负起信息高速公路的任务，就必须朝着大容量、数字化，双向多功能和区域联网的方向发展，必须改变目前的单一模拟电视传输的状态，努力开拓宽带数字综合信息服务业务，为广大用户提供全新的、多方位的、个性化的信息服务。同时，在这个大发展大变革中，有线电视也必然会实现从“公益型”向产业化运作的转变，即实行有条件接收。开展“有偿服务”将是有线电视产业发展的核心和动力，也是其结构调整和变化的方向。有线电视的有条件接收系统CAS(conditionalaccesssystem)能实现有线电视各项业务的统一管理、授权和控制。从技术角度看，该系统又是一个综合性的系统，集成了多种先进技术，包括：系统调度管理、网络技术、数字压缩编码、加解扰技术、加解密技术、复用器技术、调制解调技术、机顶盒技术、智能卡技术等。同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等数据库方面的应用技术。本章从第一代有条件接收系统出发，介绍了加解扰技术的一般原理和技术，常用加解扰方法及应用，最后介绍了清华同方公司今年开发研制的同方CAS系统。7.1可寻址开关技术最早的有条件接收系统采用的是可寻址开关技术，其特征是以设备为基础，对进入用户的信号进行控制。这些系统一般只用于模拟系统。下面简要介绍其中的一种具体的系统。康特关断型可寻址用户管理系统成都康特电子高新科技公司推出的康特关断型可寻址用户收费管理系统由管理计算机，数据加密调制器和用户集线器三部分组成。管理计算机产生控制信号，自动对用户的交费情况进行管理，加密调制器将计算机输出的控制信号进行加密，并调制到一个指定的载波上，经干线传输系统送到用户集线器。同时，加密调制器还兼有集线器初始化的打码任务。用户集线器是集用户放大器、分支分配器为一体的集中分配设备，内置了标准的数据解调器，完整的单片机系统，译码控制矩阵及无触点高频电子开关矩阵，执行寻址控制信号对集线器各输出端的独立控制，即完成对指定用户的信号进行自动控制。对于非交费用户，管理计算机发出信号，切断该路信号，使其不能收看。如果发生非法接入现象，同一集线器上的正常用户也会由于电平下降，被集线器切断信号无法收看而报修，使维修人员到场维修，发现并消除非法窃视。2该系统具有较强的收费管理能力，价格便宜，用户不易窍视，分配网络的设计、施工比较规范、简单。但只能对用户进行全频道控制，不能对个别频道进行具体控制。7.2加解扰技术的基本要求可寻址开关技术具有原理简单、价格低廉、对信号损伤小的优点，但它不能提供更多的服务，也不适应开展增值业务的要求。在更多情况下，需要采用加扰技术。所谓加扰，就是改变标准信号的特性，防止非授权者接收到清晰的图象和伴音。但是在加扰技术的实际应用中，往往只对图象信号进行加扰。而正常的伴音可以起到一个广告的作用，以吸引用户来购买收看加扰频道的节目。一般说来，对加扰系统的要求，主要包括保密性、质量还原性、高安全性、易扩展性以及系统的规模、功能的完整性，使用性能、价格等方面的要求。保密性是指要有足够的加扰深度，使非交费用户根本就看不到清晰、美妙的图像；质量还原性指解扰后的电视信号应具有足够高的质量。换言之，加解扰过程对图象质量的损伤很小，用户完全察觉不到。高安全性指不易被非法解扰，或者破译的难度较高，使得非法破译的花费比正常购买的费用要高得多，从而使破译者失去破译的兴趣，以避免系统的损失。系统的安全性保证还应不易被黑客攻破，即使被攻破之后，则应能使系统尽快地恢复正常。易扩展性是指随着将来有线电视功能的扩展，应使现有的加扰系统比较容易进行升级换代，同时，相应的用户终端设备也能实现在线升级，从而使加扰系统的性能能够不断地得到提高，以适应今后形势的发展。规模反映了一个系统的能力。系统管理的用户数量越多，系统的运行速度和服务质量要求就越高。因此，规模从另一侧面表现系统性能的优劣。7.3加扰方式7.3.1加扰方式的分类目前，比较成熟的加扰方式很多。它们在工作性能、价格高低、使用的方便上各有优长。为了取长补短，在实际中往往几种方式结合使用，以提高系统的性能。现以列表的方式简介如下：分类：3模拟信号加扰高频加扰负向陷波器(射频加扰)正向陷波器视频加扰幅度处理加扰视频倒相方式；(基带加扰)正弦波乘法方式；方波乘方方式；去同步脉冲方式。时基处理方式扫描线逆扫方式；扫描线转换方式；行旋转方式。数字信号加扰时基处理方式（同上）；迭加模拟随机信息方式；密码方式码率压缩方式模拟系统的加解扰技术基本上属于第一代技术，主要是通过前端寻址来控制单个用户的解扰器开关，可以实现全频段加扰和频道加扰。通常采用视频倒相、水平同步重迭、垂直同步重迭、数字随机视频行抖动等方法，它们通常对信号产生损耗。由于系统的密钥体系依赖于设备以及解扰器，较易破解和复制。第二代技术以数字技术为基础。基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法。用户端利用IC卡解密,依靠IC卡的安全性来保障系统的安全，破解难度大。7.3.2码率压缩加扰方式介绍码率压缩是数字视频压缩技术中的一项新技术。它每次都只传各行、各场中的新信息，而把与上一行和上一场中相同的信息略去。在接收端则利用存储器把上一行、上一场的信息储存起来，在以后的行和场的适当地方加进去，即可恢复原来的图像。这种方式大大压缩了传输数据，使得可以在一个频道的带宽内传送4~10套普通电视节目或一套HDTV节目。不仅可以有效地开发频率资源，而且提供了一种很好的加扰方式。因为码率压缩的方式很多，一个特定的解码器需要与一个特定的编码器相配合。没有特定解码器的接收机，只能收到一些断断续续的信号，无法进行收看。只有特定解码器的接收机，才能在正确的地方加进丢失了的正确信号，恢复正常图象。47.4可寻址加解扰系统这是一种比较先进的系统，具有性能可靠、安全、保密等突出的优点，也可以实现视频点播和其它增值业务，使用户能收到更优良的服务，但是价格较高。可寻址加解扰系统的工作方式是：每一台接收机都设定一个固定的地址码，用户交费后，在系统前端发出的寻址信号作用下，通过寻址码激发用户解扰器工作，使被加扰的图象恢复正常。反之，用户的解扰器不能被激发。这种方式有点类似于BP被呼叫的情况。系统前端发出的控制信号有两种，一种叫寻址信号，另一种叫解扰信息码。寻址信号包括两部分：地址码和控制码，地址码由两部分组成，即有线电视台代码和用户识别码。可以适应在多台共一网的情况下，各有线电视台对自己的用户进行识别。控制码包括上线码、拆线码和节目等级码三种。上线码是用户交费后，通知接收的变换器可以接收加密节目。拆线码则是当用户付费期满后，通知接收变换器停止接收加扰节目。节目等级码则是实行不同节目不同价格的控制码，可以避免交低价节目费用的用户收看价格较高的节目的现象。寻址信号的传输方式有无线和有线传输两种。无线传输即把寻址信号开路发射出去，从空中传输到用户的解扰器。有线传输则是通过有线电视网，从前端向用户传输。为使用户在收看不同节目时都能收到寻址信号，需要把寻址信号调制到一个专用频道上，如增补1频道。也可以利用场消隐空闲行传送寻址信号，但寻址速度受到一定限制。解扰信息码是由前端根据加扰方式、伪随机信号的选取产生的一个指挥解扰器如何工作的信息码。因为不同频道的加扰方式不同，信息码也就不同。因此，信息码应随图象信号一起在频道内传送。一般是放在场消隐期间传送，也可在调频伴音上迭加调幅的信息码。因为两种信号的调制方式不同，所以不会互相影响。综上，寻址信号是为寻找交费用户及交费频道，控制解扰器是否工作，信息码则指挥解扰器怎样工作，两者共同作用，就能使合法用户按时收到想看的高质量的节目。可见这种系统可以支持多种收费方式、包括点播付费方式。可寻址加解扰系统的前端必须增加收费管理系统、授权管理系统、节目管理系统及加扰器等，其业务流程图见图7.1。各部分的功能如下。5报表磁盘输出文件图7.1有线电视有条件接收运营管理业务流程图(1)中心数据对系统所有数据进行统一管理、存储，实现各模块对数据的共享。(2)用户管理实现对用户信息的登记、记录、查询等操作，并产生不同用户的区别标志，保证系统各模块数据的一致性。(3)收费管理接受用户的收视申请和费用的交纳，具有交费和欠费信息查询、统计等功能。并有与财产管理系统的接口和与银行部门的接口，方便财务处理和结算，支持多种费用支付方式。该模块还将用户的收视申请信息和交费信息综合整理，形成用户的收视权利信息，传送至“授权中心”。(4)节目管理完成对库存节目的管理和节目表的查询编辑，并定期将播出计划与节目加扰等有关信息送到“授权中心”。(5)授权中心用户管理公务管理决策支持收费管理授权中心节目管理查询统计数据库DB用户信息用户标识收视申请信息及交费信息收视权利信息节目加扰信息加扰单元节目播出规划节目登记节目带的借还用户投诉投诉响应6授权中心将收视权利信息和节目加扰信息加以整理、转换，形成加扰机可识别的解扰授权信息，传给加扰机，实现对加扰的控制及授权信息的传送。7.5智能卡加解扰系统智能卡(又称IC卡)加解扰系统是一种不可寻址的加解扰系统。IC卡中记录有用户的交费金额、交费频道、频道的收费标准、不同节目每10分钟的收费标准(用于点播时收费),以及加密参数等信息。当用户将IC卡插入接收机变换器时，接收机变换器即根据记录的信息进行处理，决定是否发出解扰命令。图7.2智能卡加扰系统方框图智能卡加扰系统方框图如图7.2所示。节目源出来的信号先经过解调器解调分成视频和音频分别输出，其中音频因不要加扰，所以直接进入调制器。视频信号则要送进加扰器进行加扰。计算机控制加扰指令发生器发出加扰指令，在加扰器中对视频信号进行处理。加扰器把被加扰的视频信号和在场逆程中传送的加扰指令一并送入调制器，与音频信号一起调制成射频信号输出。在接收端，对加扰信号的解扰是通过插在接收机中的IC卡进行的。如图7.3所示,高频信号经调谐器选出所要的收看的频道，并下变频为中频信号，通过中放、解调分成视频和音频信号。音频信号经过由微处理控制的音量控制后输出。视频则需在微处理器的作用下被解扰恢复后输出。原来在场逆程中传送的加扰指令由数据选通选出，送入微处理器与IC卡进行比较。若用户已交费，则可启动解扰指令，使视频信号复原，恢复正常图象。否则，解扰指令无法启动，就只能看到杂乱无章的信号。节目源调制器加扰器视频被加扰视频信号加扰指令射频输出加扰指令计算机加扰指令发生器音频7图7.3接收机变换器方框图7.6清华同方全数字CAS随着数字化时代的到来，视频资源也出现了多样化。例如电视机收看的视频、计算机收看的多媒体光盘、还有INTERNET的IP包。在目前的计算机和互联网络的环境下，仅仅通过对传输的加扰来防止收费授权的信息扩散，很难防止用户端进行存储复制和非法扩散。需要一种新的体制来解决对内容的保护。显然，这种机制应当与传输无关，可以使用多种形式和层次。同方CAS是这种第三代有条件接收系统。它不考虑传输的通道以及方式，能对有线电视网络系统（包括卫星传送的节目）中传输的各种媒体内容、数据如视／音频、多媒体文件、数据等，实现统一的管理与授权，所有的服务都将严格控制在有条件接收系统。用户对于受保护的服务，必须提供授权的IC卡,才能享受。用户将无法进行无授权复制和观看。7.6.1同方CAS的标准与特性同方CAS系统是在分析国内外各CA系统的优长之后，依据DVB各项标准，针对我国各地有线电视台内、外部条件的现状，研制开发的适合我国国情的CA系统。同方CAS采用DVB统一的有条件接收的数字加解扰技术和特殊的多重加密技术,即信道加扰和信息内容加密相结合的方式，在几个层次上加密。这种技术对传输流和节目基本数据流确保了安全，并且加扰与设备无关，技术成熟，安全性高，被非法解密并批量生产的可能性极小。该系统不仅与目前国内的市场模式相容，而且具有相当的可Update空间。概括起来同方CAS调制器中放解调器音量控制音频输出解扰视频输出数据选通微处