CN1011655B - 通信系统中的帧恢复技术 - Google Patents

Abstract

为了实现并保持成帧和同步，保密的通信系统要求特殊的安排。该系统以固定频率发射成帧字，并在相对于成帧字为固定位置上发射用于解扰的密钥。同步信息(基准时钟色同步)是与上述信息信号一起加扰的，并只有利用密钥才能恢复。在保持成帧时，只在短暂的输入信号中出现基准时钟色同步时接收机才断开锁相环，并且成帧信号发生器不必参考输入信号，就能预测连续的成帧信号。当成帧失效时，接收机进入软锁定状态，在这种状态下锁相环接收全部输入信号，此时成帧信号发生器完全参照输入信号来产生成帧信号。

Description

本发明涉及在通信系统中、特别是在保密通信系统中，实现并保持正确成帧和同步的技术。当接收时序信号的各时隙与发射时序信号的相当位置能够正确对应时，就是正确的成帧;而正确的同步是指发射机和接收机的时钟信号彼此锁定起来（以便保持比特完整性）。

正确的成帧对于各种类型通信系统的工作是必不可少的一种特性。例如，在独立数字码流的时分复用传输系统中，把输入信号的值正确地解码为一个发射的符号组，并把已解码的符号组传送给适当的接收机，都需要正确的成帧。同样，在电视信号的传输中，接收机所显示的象素必须与发射端所显现的象素具有相同的相对位置，并且对于行、场扫描的电视信号而言（发射的图象信号是由若干相邻的平行行组成的场来扫描的），为实现上述电视传输，正确的成帧也是必须的。除非数据帧特别短（例如，单个的ASCll字符），为了在连续成帧信号之间的时间间隔内保持可靠的通信，正确的同步是必要的。

在一般（非保密）通信系统中，成帧信息通常采用唯一字的形式，接收机识别出这个唯一字以后，建立一个特定的瞬间作为基准，从这个基准开始，就能测量时间了。对于每个数据帧（例如，电视信号的帧或场），在相同的时间周期性地出现相同的唯一字。因为成帧字按恒定的频率出现，并且每一帧都是相同的，所以接收信息的成帧容易实现。

但是，对于保密通信系统而言，这种技术是不适用的，因为一个 重要的保密特征就是取消成帧信息。取消成帧信息的方法可以用改变信息相对于成帧字出现的时间来实现（加扰）;但是必须采用某种装置以便把成帧信息传送给预定的接收者。如果接收者具有把数据解扰的密钥，则不会发生任何问题。然而，当同步信息（例如，基准时钟色同步）与信息一起也被加扰时，则会产生另外一种困难，这种同步信息对于成帧过程是必要的，因为当两个成帧脉冲之间的时间间隔较长时，同步信息可使时钟不致漂移太远。

本发明的一个目的是在通信系统中实现和保持正确的成帧。

本发明的另一个目的是在保密通信系统中实现和保持正确的成帧。

本发明的另一个目的是从已加扰的信息信号中恢复成帧和同步信息。

本发明的另一个目的是从一种信息信号中恢复上述成帧和同步信息，而这种信息信号是依照包含在已加扰的信息信号中的密钥来加扰的。

实施本发明的通信系统是一种发射广播电视的系统。为了不让未经允许的接收者收到电视节目（例如，未交费的接收者），可使广播发射机加扰电视图象的行，改变各行彼此相对的时间或相对规律性地出现的基准，例如发射机产生一种定时信号的时间。加扰是依照一种密钥实现的，该密钥是随同已加扰的图象信号一起发射的。为了保密，去掉通常在消隐期间发射的同步脉冲，把这种期间用于发射密钥、节目伴音信号以及编码成唯一字的定时信号。为了进一步保密，将密钥也加密（利用事先装入接收装置中的一种主密钥）。虽然，对信号加扰了，但是发射的密钥是与定时信号保持恒定时间关系的方式发射的;这样，一旦恢复了定时信号，就能恢复所发射（已加密）的密钥了。

接收这种信号的接收机包括一些部件，其中之一是成帧信号发生 器，它根据接收的定时信号或者根据以前接收的定时信号（利用接收机的时钟进行本机外插）产生成帧信号。当所产生的成帧信号是由本机根据以前接收的定时信号外插产生时，它基本上与发射的定时信号相一致（当然除了成帧失效之外）。当输出接收的定时信号作为成帧信号时，则无外插的必要。

另外一个部件是密钥检出器，它在成帧信号之前或之后的一个预定时间寻找发射的密钥。密钥检出器还包括解密电路，它根据预先安排的主密钥来解密已检出的密钥。

第三个部件是选通信号发生器和时基解扰器。它接收成帧信号和已解扰的密钥，并根据已解扰的密钥计算出每行适当的延迟量，以使每行接收图象相对于其他行有正确的时间关系（即对图象解扰）。这个部件还产生一个选通信号，该选通信号连同其他部件一道用于接收机的锁相环（时钟）。选通信号在适当的时间断开锁相环，允许接收信号的一小部分进来，通常这一小部分信号是在每行消隐期间出现的基准时钟色同步。

一个重要部件是成帧失效检出器，它决定正确成帧失效的瞬间，从而使接收机其他部件的工作产生某些变化。成帧失效检出器接收和锁相环所接收相同的选通信号，并检验接收信号的相同部分，即基准时钟色同步（虽然也可以检验接收信号的其他任何部分）。然后根据接收信号所检验的部分，成帧失效检出器决定成帧是否正确。如果正确，则不改变接收机的工作。如果不正确，则产生两个动作。第一，把锁相环接到整个接收信号上，如果必要的话，可以校正接收机时钟（有可能是由于时钟飘移而使成帧失效）。第二，控制成帧信号发生器，使之只根据接收的定时信号来产生成帧信号，而不再根据可能已 无效的过去的信息了（即，利用接收机时钟外插产生的以前的定时信号）。

由于断开锁相环，所以，可以对接收机时钟进行校正（因为时钟信息是与电视信号一起发射的）。而且由于成帧信号发生器只检查接收的定时信号，而不检查本机自己外插产生的定时信号，因此接收机的成帧将与发射信号相一致。

图1表示根据本发明可以接收的三行电视传输信号。

图2是实现本发明的电视接收机中成帧和同步的部件原理图。

图3是图2中的成帧字检出器原理图。

图4是图2中色同步选通信号发生器和时基解扰器原理图。

图5是图2中的软锁定检出器原理图。

图1表示根据本发明可以接收的三行电视传输信号。所示的这些行是场消隐期间（VBI）的第1到第3行。

所示每行中，在其行消隐期间（HBI），对NTSC制信号是开始的10.9μS，都包含某些信息，此处称为“行数据”。行数据最好包含数字形式的节目伴音信号和基准时钟频率十个周期短暂的色同步。时钟色同步出现在位于场消隐期间（VBI）中各行的行消隐期间（HBI）内的固定点上。一般应该填满行消隐期间（HBI）的同步和消隐电平被去掉了。

在视频场期间，即两个场消隐期间（VBI）之间，各行消隐期间（HBI）包含上述同样的行数据，但在一个重要方面与已描述的情况不同。在视频场期间，每个HBI的长度和其中基准色同步的位置，相对于标准值是依照伪随机量而变化的。这种变化是在行的适当位置上，用加上或去掉一些数字化声音信号样值的方法来实现的。为了避 免经常出现的、发射信息在一段较长期间内过少或过多，事先将伪随机变化安排成在每个整场中的平均值等于零。

在视频场期间，每行有效部分内（行数据不占据行有效部分）还包含所发射电视行的独立模拟分量（亮度和色度）。

当然，在场消隐期间（VBI），不发射图象信号，因此将有利于在VBI期间每行的有效部分中发射成帧信息。这些行（在NTSC制中，长度是63.56μS）被代表实现和保持正确成帧所须各种信息的一些数字符号所占据（在NTSC制中，是455个符号）。简单的除法即可看出，对于具有上述参数的电视传输系统（指NTSC制接收机）而言，这些符号的速率是7.16MHZ，即两倍彩色付载频。

对于VBI中的第一行，在其有效部分包含交替变化的“1”和“0”，或者交替变化的发射符号组的最大值和最小值（如果采用多电平符号）。根据符号传输的速率，第一行包含一段52.66μS宽度、频率为3.58MHz彩色付载频的连续波，并且这一频率最好利用接收机的时钟频率。（当使用“接收机”这一术语时，它不仅包括NTSC、PAL、SECAM或其他制式的电视接收机，而且更为广泛地包括解码器和将输入电视信号变换为一种标准格式，例如NTSC制式，所需的其他终端设备。因此，时钟最好是接收机解码器的一部分）。第一行可以选通进入接收机的锁相环，驱动锁相环使之与发射机的时钟同步。

对于VBI中的第二行，在其有效部分包含编码成一个字的定时信号，以及为了识别本行所存在的这一特定场所需要的其他信息（这一行中的FD部分）。以第79个符号为起点，传送一系列第一种编码图P，在优选实施例中第一种编码图P为下列一组八位二进制 数：11110000。第一种编码图P一共发射41.5次，总计332个符号。在第一种编码图发射完41.5次之后，与第一种编码图P同相地发射第二种编码图Q两次。在优选实施例中第二种编码图Q是第一种编码图P的补码，即00001111。因为多发射半周第一种编码图P，所以，上述“同相”的要求就意味着第二种编码图Q的传输是从第二种编码图Q的中间开始的（即从1111开始传输）。（如果已经发射整数个第一种编码图P，则第二种编码图的传输就会从第二种编码图Q的起点开始，即从0000开始了）。因此，把定时脉冲编码成出现于最后传输第一种编码图P和最先传输第二种编码图Q之间的相位翻转。在第二次传输第二种编码图Q之后，发射场识别波形。这个波形用来识别正在发射的是16场中的哪一场（它可以用来同步系统的加密单元）。

对于VBI中的第三行，其有效部分包含具有强烈误码校正和优选加密的密钥，为了对视频场中每行HBI期间内出现的十周基准时钟色同步位置的伪随机变化进行解密，需要这种键。这种密钥每帧更改一次，用作伪随机数发生器电路的启动矢量。

图2是接收机（或者如前所述，是解码器）成帧和同步部件原理图。依照VBI中第三行发射的密钥来加扰的电视信号到达101线，并分别送到密钥解密器103、成帧字检出器105以及锁相环107。检出器105总是接收全部复合电视信号，以便总是可以检出发射的定时信号，尽管它通常输出本机产生的成帧信号而不是利用接收的定时信号作为成帧信号。锁相环107在由色同步选通信号发生器109所决定的时间间隔内，接收复合电视信号（由软锁定检出器111修改）。当成帧和同步正确时（硬锁定状态）这种时间间隔是每行HBI 中10个基准色同步周期的时间间隔。密钥解密器103接收整个复合电视信号，以便能够检出VBI中第三行的解密密钥，其检出方法是计算从成帧字检出器105输出成帧信号后所经过的时间。从锁相环107输出的时钟信号，根据需要送到接收机各部件。

色同步选通信号发生器109需要来自检出器105的成帧信号和自来解密器103的解密密钥，以便确定复合电视信号HBI中基准时钟色同步出现的时间。通常，锁相环107只在上述时间间隔中才接通，以便校正时钟的同样在色同步的时间间隔内，允许软锁定检出器111接收复合电视信号，以便确定是否保持硬锁定状态。这是由积分接收信号来实现的。因为时钟色同步是一系列交替的0和1符号，所以，去掉直流分量以后，其平均值应为零。如果根据软锁定检出器111的积分，在发生器109产生的选通信号的时间间隔内，接收的那部分复合电视信号的平均值为零，则是正确成帧。如果不为零，则成帧是错误的;由软锁定检出器输出软锁定信号，送到成帧字检出器105和锁相环107，使接收机进入“软锁定”状态。软锁定信号使锁相环107去接收包括VBI中第一行时钟信号在内的整个复合电视信号。它还修改检出器105的滞后算法，以便忽略本机产生的成帧信号，而来自检出器105的成帧信号输出，就是接收的定时信号。

图3是成帧字检出器105的原理图。复合电视信号（包括编码的定时脉冲），虽然是以数字信号产生的，但以模拟形式用无线方式发射。首先，这种信号分别由高通滤波器304滤波，放大器306放大。然后将形成的信号送到输入端300。

数字滤波器308，调谐到895KHz频率上的第八阶数字带 通滤波器，是一种递归滤波器。滤波器频率895KHz，是编码图上P和Q出现的频率（符号频率7.16MHz，除以每个编码图的8个符号）。滤波器308的极点严格地位于Z平面的单位园上，因此具有非常窄的带宽，从而具有良好的噪声抑制特性。滤波器的稳定性是由输入控制逻辑电路309周期性地清零其存储单元，而予以保持的。

当895KHz的编码图进入数字滤波器308时，其输出趋于增高。在第一编码图P已加到数字滤波器308上28至46μS（取决于噪声电平）的时间间隔之后，滤波器的输出会上升到较高的电平，足以触发门限检出器310，并启动编码图识别电路312。如图3所示，在数字滤波器308输出端检出“1”的门限，是大于或等于25个“1”的值。而在数字滤波器308输出端检出“0”的门限是小于或等于7个“1”的值。在28μS中，数字滤波器308将接收25个第一种编码图P;在没有噪声情况下，在第一种编码图P的四个“1”的每一位置上所累计的值会达到25个“1”;在46μS中，将收到第一种编码图P的总重复41.5次。

编码图识别电路312完成两种功能，首先，它检验门限检出器310的输出，以便决定门限检出器的输出是不是由于895KHz信号加到数字滤波器输入端而产生的结果。这是一种简单的事情，只须决定“大于”/“小于”信号（门限检出器310输出）的八个样值是否满足以下两个判据：

a必须严格地是四个“大于”或四个“小于”信号;

b必须是连续的四个“大于”信号或者是连续的四个“小于”信号。

一旦确定存在895KHz信号，则编码图识别电路312开始本 机产生自己的895KHz信号，即，一系列第一种编码图P。这些编码图和来自输入端300的输入信号一起输入到“异或”门314，以便确定编码同步信号中相位翻转的位置（见图1）。

当出现相位翻转时，“异或”门314的输出将从“0”变为“1”。“异或”门314的输出驱动串行的12/16表决电路316，该电路每当最后16个样值中有12个是“1”时，就输出有效高电平。在没有噪声的情况下，相对于复合电视信号而言，表决电路的输出变为有效高电平的点是固定的（如果同步信号本身是固定的，在优选的实施例中就是这样。）。但是，由于噪声在编码定时字中的相位翻转部分引入误差，则表决电路的输出变为有效高电平的点不需要固定。

利用来自编码图识别电路312、由本机产生的第一种编码图P，把表决电路316的输出再同步，可以校正上述情况。这种再同步发生在复位电路318中。（当没有复位电路318时，表决电路316的输出将被用作已解码的定时信号。然而，在优选实施例中，已解码的定时信号是取自复位电路318的输出。）复位电路318综合了精确恢复定时信号所必须的两种功能。从编码图识别电路312，它接收本机产生的第一种编码图P的码流。因为这些编码图是无差错的，当能够出现定时信号时（中间编码图）它们在每个编码图期间的精确点上包含无差错的信息。仅有的信息差错发生在某些识别上，这时编码图在其中央将有定时信号，而这种信号是由表决电路316提供的。因此，编码图识别电路312，在第一种编码图P的每个周期内（在此期间可能出现定时信号），提供能够产生表决电路316校正状态的、宽度为一比特的窗口。当表决电路的输出变为高电平时，复位 电路318在一个编码图期间出现的窗口中输出定时信号。

所描述的系统在不良的信号状态下可以再生精确定时的定时信号。甚至在相当差的信号状态下，定时信号已出现差错，或者由于噪声过大产生解码差错，如果引入一个再生电路来代替定时信号，则系统的工作范围还可以扩展。（这种扩展的唯一条件是发射的定时信号是周期性的。）

在优选的实施例中，来自复位电路318的已解码的定时信号不直接用于复位系统的计数器，如图3所示。系统计数器322连续工作，并周期性地、自动地复位到0，一般322的复位周期与发射定时信号的周期相同。当系统计数器复位到0时，这些计数器在324线上产生本机产生的成帧信号，该信号与326线上的已解码的定时信号相比较。比较在滞后电路320中进行，滞后电路对本机成帧信号和已解码的定时信号不一致的次数进行计数。当计数值达到预定值（在优选实施例中是5）时，则用下一个已解码的定时信号来复位系统计数器。若计数值低于预定值，则不用已解码的定时信号去复位系统计数器;允许这些计数器自动复位。这种安排使系统计数器再生出未检出的定时信号，并使偶然错误检出的定时信号（即，在没有发射定时字时检出的那些定时信号）可以忽略不计。

密钥解密器可以采用在结构上类似于美国国家标准局的“数据加密标准”（DES，美国联帮信息处理标准-FIPS第46号出版物）上公开的任何算法，那份出版物作为本申请的参考。然而，在DES上公开的算法更适合于保密。一旦收到来自检出器105的成帧信号，解密器103就计算VBI中第三行有效部分出现的时间。然后解密器103在计算的时间间隔内检查输入信号中出现的信息，并将这种 信息作为已加密的密钥，依照DES对它进行解密（预先已将主密钥装入接收机）。如果成帧是正确的，则这个信息的确是密钥，能够将电视信号解扰。如果成帧已然失效，则作为密钥来处理的发射信号的这部分信息，不能提供正确解扰图象所需的信息。

图4是表示色同步选通发生器和时基解扰器109工作的原理图。来自解密器103的解扰密钥用作伪随机数发生器电路401的启动矢量。电路401依照这个密钥产生525个随机数序列（对于NTSC制）。然后把这些随机数与从每行增加1的行计数器403引出的信息，在行型选择电路405中进行组合。行型选择电路选择下一行将要出现哪种类型的行（例如，缩短了一个标准量的行、缩短了两倍标准量的行、延长了上述两种量中一种的行、或者未变的行），并将信息馈送到行长度控制器407，407以本场开始为基准，监视行长度的总偏差，并保证满足以下两个条件：

1）在任何时间，总偏差不应超过±9μS;

2）在场结束时，总偏差必须是零。

然后，行长度控制器提供信息，送到行计数器和译码器409，使计数器/译码器409产生用于本行正确的行存储控制信号，计算在每行HBI中基准时钟色同步的位置，以及在适当的时间输出色同步选通信号。

图5是表示软锁定检出器111细节的方框图。来自成帧字检出器105的成帧脉冲到达501线，并用于复位本机付载波再生器503和在计数器/译码器电路505中的计数器。电路505产生输出信号，这个信号在每场的第22行到第42行期间起作用。在“与”门509中，这个输出信号利用到达507线上的色同步选通信号 来选通，产生只在每场的第22行到第42行中色同步期间起作用的脉冲。无论什么时候，只要本机产生的付载波（来自发生器503）与复合电视信号（到达513线）不一致，这个信号就启动差错计数器511。当差错计数器511的输出超过预置的门限时，门限检出器515的输出起作用，把软锁定信号送到成帧字检出器105和锁环107。

虽然参照附图对本发明的实施例已经作了详尽的说明，但不言而喻，本发明并不局限于这些实施例，对于本专业里的技术人员而言，不脱离本发明的范围和精神，可以做出各种改变和改型。

Claims (7)

1、在接收一种信息信号的接收机中检出正确成帧失效和恢复正确成帧的一种设备，该信息信号包括定时信号和与定时信号有预定时间关系发射的密钥，该信息信号按照发射的密钥加扰，并具有为了接收必须正确成帧的特征，其特征在于所述设备包括：

成帧信号发生装置，该装置接收已加扰的信息信号，响应于成帧失效信号，输出接收到的定时信号作为成帧信号，响应于无成帧失效信号，输出本机产生的成帧信号作为成帧信号，除成帧不正确外，本机产生的成帧信号基本上与定时信号相一致；

密钥检出装置，该装置接收已加扰的信息信号和成帧信号，以便根据预先装入的主密钥从已加扰的信息信号中与成帧信号有预定时间关系的那部分信号内引出输出信号，作为已检出的密钥；并且

成帧失效检出装置，该装置根据已检出的密钥，在预定的期间接收已加扰的信息信号，以便检出不正确的成帧，并产生成帧失效信号，直至恢复了正确的成帧。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于还包括选通信号产生装置，该装置接收成帧信号和已检出的密钥，以便在预定时间隔内产生选通信号，所述成帧失效检出装置接收该选通信号。

3、根据权利要求1的设备，其特征在于还包括时钟发生器装置，该装置产生与输入信号同相的时钟信号，时钟发生器装置响应于成帧失效信号，接收整个已加扰的信息信号作为输入信号;响应于无成帧失效信号，仅在预定的时间间隔内接收已加扰的信息信号作为输入信号;所述成帧信号产生装置、密钥检出装置和成帧失效检出装置接收该时钟信号。

4、根据权利要求1的设备，其特征在于其中发射的密钥是加密的，所述密钥检出装置包括解密装置，用来对已加扰的信息信号中与成帧信号有预定时间关系的那部分信号进行解密。

5、根据权利要求1的设备，其特征在于其中所述成帧信号发生装置包括滞后电路，该电路仅当本机连续产生的预定数目的成帧信号与定时信号实质上不一致时，响应于成帧失效信号，才输出接收的定时信号作为成帧信号。

6、在接收一种信息信号的接收机中检出正确成帧失效和恢复正确成帧的一种方法，该信息信号包括定时信号和与定时信号有预定时关系发射的密钥，该信息信号按照发射的密钥加扰，并具有为了接收必须正确成帧的特征，其特征的于所述方法包括的步骤是：

接收已加扰的信息信号;

用检验已加扰的信息信号预定部分的方法，确定成帧是否正确;以已检出的密钥为基准，识别该预定部分;

从已加扰的信息信号中相对于选定的成帧信号有预定时间关系的那部分信号内引出已检出的密钥;并且

根据成帧是否正确选定成帧信号，亦即

（1）若成帧正确，则所选定的成帧信号是实质上与接收的定时信号相一致的本机产生的成帧信号;

（2）否则，接收的定时信号就是所选定的成帧信号。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于其中发射的密钥是已加密的，所述引出已检出的密钥的步骤包括对已加扰的信息信号相对于选定成帧信号有预定时间关系的那部分信号进行解密。

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