有线电视收费管理系统的研究与设计

2010-06-25舒望

电视技术 2010年3期

舒望

（株洲职业技术学院电子工程系，湖南株洲 412001）

1 引言

付费电视系统的基本特点是业务仅提供给授权用户使用，即在节目的供应单位、播出单位和用户之间建立起一种有偿服务体系。正是基于这种体系，电视节目制作、播出经费的巨大投资得以补偿，因而为电视业的发展奠定了良性循环的经济基础。为实现这一体系，需要建立现代化的条件接收系统，需要先进的加解密技术[1-2]。

2 系统结构及工作原理

在进行系统设计时将着重考虑以下几点：1）充分借鉴国内外加解扰电视的先进理论和技术，力求有较高的起点；2）安全保密是加扰的灵魂，不应照搬现成的技术，而应有所创新；3）加解扰系统应适合国内目前的有线电视网络现状；4）应根据国内用户经济承受能力设计物美价廉的用户解扰器；5）设计应符合广播电影电视部的通用技术要求[3]。

本系统结构如图1所示。本方案采用频率搬移的方式进行电视信号的加密。经过试验，普通电视接收机的高频调谐器的频率捕捉范围为-1～+1 MHz，所以在电视信号输出端，预先将图像载频搬移-1.5～+1.5 MHz，这样，超出了正常电视接收机的高频调谐器的捕捉范围，起到电视信号加密的效果。那么解密端则采用与加密端相同的方式，同样将图像载频进行搬移。图像载频的搬移量与搬移方向则通过单片机产生的1个伪随机序列进行控制。同时，将产生的这个伪随机序列与用户信息通过FSK数据调制器与已加密的电视信号一同通过CATV网络传输出去。用户端则通过解扰盒，收集来自CATV网络中的用户信息与控制移频的伪随机序列，恢复加密的电视信号[4]。

图1 系统框图

3 硬件电路设计

可寻址有线电视自动收费管理系统终端部分的硬件电路主要包括多媒体频率合成式高频调谐器电路、FSK数据解调电路、场同步分离电路、射频调制器电路、电源与掉电保护电路、键盘与数码管显示电路、E2PROM存储器、红外遥控系统以及CPU与外围控制电路等。

可寻址有线电视收费管理系统主要完成电视信号的加解扰，同时进行寻址，确定用户的使用权限，完成自动收费管理的功能。笔者仅详细阐述用户终端机的设计。

终端机通过FSK解调取出解扰时序与用户信息，根据用户信息获取用户类型与用户的使用权限，再根据解扰时序控制多媒体高频调谐器将已加扰的有线电视信号还原出正常的电视信号。在电视信号的解扰过程中，为了避免频率的大幅度跳变造成锁相环失锁，采用阶梯式对频率进行移动，减少了失锁时间。同时，为了进一步降低移频过程中对信号的损伤，利用了场消隐期完成移频过程，将失锁状态进行消隐。该系统还可以根据用户类别的不同，实现按月租与按信道两种计费方式，并且可以在不同的时间段采用不同的计费标准。该终端机还加入掉电检测系统、红外遥控系统与显示系统，能对现场数据及时保护，在下次开机时能及时恢复上次掉电时的数据，同时方便用户操作与信息的查询。这样，与前端机一起构成了整个有线电视收费管理系统[5]。终端机硬件电路如图2所示。

图2 终端机电路框图

终端机以单片机AT89C52作为中央控制芯片，它接收来自CATV网络中通过FSK数据解调出的时钟信息、用户信息、移频同步信息、频道费率等，将数据进行分析、处理后控制多媒体高频调谐器，将CATV网络中的已加扰的电视信号解扰，输出音视频信号，或者将音视频信号进行射频调制输出。与此同时，CPU将用户信息与终端机状态信息通过数码管进行显示。为方便用户操作，在终端机的面板上设计了4个按键，即“MENU”、“+”、“-”和“POWER”键，同时还增加了 1 个红外遥控系统，该系统采用Philips公司的CTV320S彩电遥控系统。场同步分离电路则分离出场同步信号，作为移频的控制脉冲，确保移频操作在场消隐期间完成。

1）多媒体频率合成式高频调谐器

多媒体调谐器采用TCL2002D-2，其调谐方式采用频率合成式与电压合成式2种模式，在此系统中采用频率合成模式，数据传输采用I2C数据格式。TCL2002D-2将输入的电视信号经过高放后，与通过频率合成或电压合成所得的本振信号混频得出中频，然后从SIF OUT端口输出，同时它还进行中频和视频检波，分别从VIDEO OUT与AUDIO OUT端口输出视频与音频信号，送往电视接收机[6]。

2）FSK数据解调电路

FSK数据解调电路以MC3356为主芯片，将载频为110 MHz的数据信号解调出来，送往单片机串口。

3）场同步分离电路

为保证频率的搬移不影响图像的质量，在场消隐期间进行频率搬移，故在电路中设计了场同步分离电路。场同步分离电路由复合同步分离电路、二次积分电路和波形整形电路3部分组成。由复合同步分离电路从视频信号中取出复合同步信号，由二次积分电路从复合同步信号中分离出场同步信号，由两级反相器对场同步信号进行整形，送入单片机的中断入口，检测出场同步信号，作为移频的起始标准[7]。

4）射频调制器

射频调制电路采用日本的TA7673芯片，该芯片可将输入的图像视频信号和音频信号分别进行处理后，再调幅成电视射频信号输出。

5）键盘与数码管显示电路

为了将频道信息、时钟信息与用户信息直观地显示在用户盒上，采用了4位数码管显示电路。利用单片机的P0口作为数码管的段码驱动，P2.4～P2.7分别通过三极管构成的驱动电路作为数码管的位码驱动。在面板上设计了“MENU”，“+”，“-”，“POWER”这 4 个按键，方便用户进行频道切换、日期与时钟查询、用户信息查询等，这4个按键分别接在单片机的P1.4～P1.7[8]。

6）CPU与外围控制电路

本系统的CPU采用美国Atmel公司的AT89C52。该控制器的P0口与P2口用来控制数码管显示。P1.2与P1.3用作高频调谐器的I2C数据线接口，进行频率调谐。P1.4～P1.7用作键盘扫描。P3.0（RXD）串口用作FSK数据接收。P3.1（TXD）用作普通的I/O口，控制多媒体调谐器的电源。P3.2（INT0）用作同步信号检测，接在同步分离部分的波形输出端。P3.3（INT1）是双中断复用口，与P3.4，P3.5共同完成红外遥控与掉电保护2个功能。当红外遥控接收头接收到数据时，就会有1个高低电平的跳变，利用这个跳变作为红外遥控接收的中断触发信号，同时，利用P3.4接收红外遥控的接收数据，完成红外遥控接收功能。此中断口还用作掉电保护触发中断入口，为了在掉电的瞬间，利用电容上存储的电荷保护现场数据，其触发信号由电源板产生，与红外遥控的触发信号进行逻辑与运算，连接到AT89C52的P3.3。此外，还有一个掉电保护标志位，连接在P3.5。在CPU控制电路中还增加了1个串行存储器AT24C02，其容量为256×8 bit，页地址由P3.6控制，数据与时钟信号分别连接到CPU的P1.0和P1.1[9]。

7）红外遥控系统

红外遥控系统采用了Philips公司的CTV320S彩电遥控系统。整个系统由红外遥控发射器、接收器、控制器3部分组成。红外遥控发射器由集成电路SAA3010[10]、振荡电路、驱动电路、红外发光二极管、键盘矩阵电路等组成。

8）电源与掉电检测电路

用户终端采用2路电源供电，即+5 V与+6 V。为了增加电路带负载能力，采用2路全波整流滤波电路。

掉电检测电路由集成运放组成的1个电压比较器构成。经变压器变压、整流后的电压加在电压比较器的反相输入端，预先设置反相输入端的电压高于同相输入端电压，则输出端为低电平。由于电容的容量很小，当掉电时，放电速度很快。此时，比较器的反相输入端电压低于同相输入端电压，那么比较器输出为高电平，产生了掉电检测信号，送入CPU，产生中断，CPU就马上作出相应的掉电保护措施，完成了现场的数据保护[11]。

4 软件设计

终端机主要完成有线电视信号的解扰，同时通过与前端机的通信完成用户管理，实现自动收费的功能。

有线电视信号的加扰采用移频技术，在终端机进行电视信号的解扰时，也同样采用移频技术。通过前面的硬件电路设计可以看到，移频主要是通过CPU接收从FSK解调输出的数据，然后根据数据进行分析，得出还原电视信号的移频时序，再去控制高频调谐器的调谐状态，最终达到还原电视信号的目的。

在该终端机部分，除了对电视信号的还原，更主要的功能是实现计费。该终端机根据用户类型的不同，实现按月租与按信道2种计费方式，并且可以在不同的时间段采用不同的计费标准。整个计费就由CPU来完成，首先获取来自数据通道中的时钟信息以及用户的余额，再根据用户当时收看的信道来实现按信道计费。如果用户类型为按月租计费，那么CPU就直接判断用户的余额来确定用户的使用权限，实现对用户的管理。

为实现电视信号的还原以及对用户的自动收费管理，同时还考虑到掉电时对用户数据的保护，在硬件电路中设计了掉电检测电路与数据存储电路。当掉电检测电路检测到掉电信息时，CPU立即对现场数据进行保护，主要是对当前计费金额、当前时钟信息和当前信道号进行保存，以便在下次上电后对现场数据进行恢复[12]。上电复位后，CPU将对整个系统的核心部件进行检测，确保整个系统的正常运行。本系统的主程序流程图如图3所示。