专利名称：一种调频同步广播中防止非法插播的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及广播通信领域，特别涉及一种调频同步广播中防止非法插播的方法、系统及装置。
背景技术：
随着科技的发展和市场的需求，全国各地的调频广播事业都得到了空前发展。调频广播因其优秀的音质和抗干扰性能而成为城市广播覆盖的主要手段。随着城市规模的日益扩展，调频发射台的功率也成数量级地增大，由原来的100W、300W上升到1KW、3KW、甚至10KW，而发射天线的高度也由几十米上升到百余米甚至三四百米。已经逐步形成高塔大功率多频网覆盖的格局。由于大功率覆盖存在着其固有的缺点，如频率利用率低、能源浪费、互调信号对民航干扰等问题。近些年，随着技术发展，调频同步广播系统建设迅速发展，小功率，有选择性建设发射站点的系统结构弥补了大功率单一站点覆盖的缺陷，节省了频率资源，提高了覆盖范围和覆盖质量。调频同步广播系统具有以下特点:功率小站点多覆盖，发射站点有选择性。例如延高速公路、山体阻挡的覆盖盲区，发射台设施简单，成本低，信号传输不一定有主备系统，当发射台出现异常播出时，需要智能自恢复系统，要求可靠性、安全性播出。调频同步广播的系统结构由附图1所示，其由以下几部分组成:节目中心:音频信号从节目制作前端输出后，通过音频编码器，将音频编码为标准传输流(TS流)格式,送入传输链路,传输到各个发射站点；传输系统:广播电视行业通常采用基于TS流的传输方式，例如:DVBS数字卫星传输系统，DVBC数字有线电视传输系统，ASI光纤、数字微波等传输方式，将节目传送至各个发射站点；发射系统:音频解码器将传输码流解码恢复音频信号，送入FM数字调制器，产生射频信号，通过功放和天馈系统发射。在上述系统中，音频信号采用TS流传输方式编码，通过ASI光传输、DVB-S卫星传输、DVB-C有线电视传输、模拟微波等传输链路传输到各个发射站点。在传输过程中，由于传输的TS码流及传输的物理链路，均为公开的标准编码、复用、传输方式，对于开路信号(如:卫星传输)则容易受到非法信号的攻击，导致所有调频广播发射站点的解码器收到非法信号，并且通过发射机播出非法广播信号。所以在传输过程中必须采取严格的加密措施，使设备具有识别非法信号的功能，从而保证传输的安全性可靠性。此外，由于调频同步广播发射系统的特点为多站点小功率、无人值守发射站点，所以在无人值守的发射站点也必须采取加密措施，使发射设备具有自动识别非法音频信号的功能，从而保证发射的安全可靠，同时发射设备的工作参数也需要通过远程控制，从而方便系统的维护和调整。图2示出了上述现有系统中容易遭到非法攻击的两个位置，一个是传输系统的TS传输链路P1，另一个是发射系统的数字音频传输链路P2。然而，现有卫星电视系统技术中针对非法插播的解决方式是检测信号电平变化，根据信号电平是否有波动来判断是否有非法信号插入，或者是分析TS流的PSI信息是否有异常，并据此来判断是否有非法信号插入。然而这些方法仅仅能解决TS传输链路Pl处的非法插播，并且检测效果不佳，常常会因为上行设备主备切换、卫星下行链路中的雨/雪衰等因素产生误报，而且现有方法仅能在非法信号插入时检测出非法插播，当非法信号插入后就不再能够检测出当前接收到的信号是否非法。因此亟需一种针对调频同步广播系统的、可靠的非法插播整体解决方案，最好是可以覆盖整个音频广播信号传输链路和发射链路的非法插播整体解决方案。
发明内容
本发明的目的是解决调频同步广播系统中的非法插播问题，并提供了一种针对调频同步广播系统的、可靠的、可以覆盖整个音频广播信号传输和发射链路的非法插播整体解决方案。本发明的第一方面，提供一种调频同步广播中防止非法插播的方法，其特征在于:在同步TS流编码器中，为音频节目分配PID，将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中；在同步TS流解码器中，从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息，若未成功解析出所述防插播加密信息或所述防插播加密信息不合法，则关闭AES数字音频输出并输出报警信号。优选地，在所述同步TS流解码器中进一步包括，若成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法，则将所述防插播加密信息嵌入到输出给调频数字激励器的AES数字音频的U信道中。优选地，在所述调频数字激励器中，从AES数字音频解析出所述防插播加密信息，若成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法，则将AES数字音频中的所述音频节目调制后传送给发射机，否则停止向发射机传送音频节目，并输出报警信号。优选地，同防插播加密信息一起嵌入到所述自适应字段中的还包括站点地址、发射机控制信息和第一 CRC校验信息,它们与防插播加密信息共同构成第一随路信令。优选地，同防插播加密信息一起嵌入到所述U信道的还包括发射机序号、发射机控制信息和第二 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共同构成第二随路信令。本发明的第二方面，提供一种调频同步广播中防止非法插播的系统，所述系统包括同步TS流编码器和同步TS流解码器，其特征在于:同步TS流编码器，包括PID分配模块，用于为音频节目分配PID ；TS加密模块，用于将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中；同步TS流解码器,包括TS解析模块，用于从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息；TS验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法；第一报警模块，用于当所述TS验证模块判断结果为否时，输出报警信号。优选地，该系统中还包括AES加密模块，用于当所述TS验证模块判断结果为是时，将所述防插播加密信息嵌入到输出给调频数字激励器的AES数字音频的U信道中。 优选地，所述系统进一步包括调频数字激励器，其包括AES解析模块，用于从AES数字音频解析出所述防插播加密信息；AES验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密息合法;调制模块，用于当所述AES验证模块判断结果为是时，将AES数字音频中的所述音频节目调制后传送给发射机，否则停止向发射机传送音频节目；第二报警模块，用于当所述AES验证模块判断结果为否时，输出报警信号。优选地，所述防插播加密信息包括由伪随即序列构成的密钥。优选地，同防插播加密信息一起嵌入到所述自适应字段中的还包括站点地址、发射机控制信息和第一 CRC校验信息,它们与防插播加密信息共同构成第一随路信令。优选地，同防插播加密信息一起嵌入到所述U信道的还包括发射机序号、发射机控制信息和第二 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共同构成第二随路信令。通过本发明的方法和系统，一确保了送入音频解码器的信号为合法码流信号，二确保了送入调频数字激励器的音频为合法音频信号，从而保证在非法信号插播的情况下，自动关闭播出系统，防止非法信号任意插播，产生恶劣影响。
图1是现有调频同步广播系统不意图；图2是常见非法插播位置示意图；图3是本发明采用的防插播策略示意图；图4是在TS分组中防插播信息的位置示意图；图5是第一随路信令的数据结构；图6是在AES数字音频数据中防插播信息的位置示意图；图7是第二随路信令的数据结构。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明，但不作为对本发明的限定。调频同步广播系统由同步TS流编码器、传输链路、同步TS流解码器、GPS时钟源、调频数字激励器构成。其中，同步TS流编码器的主要功能有:完成立体声数字音频信号的输入；MPEG_ILayerII压缩；对音频码流和随路控制信令进行复用，生成公共MPEG-2传输流(TS);进行ASI接口匹配，最后下行传输。
传输链路:将前端的TS流信号传输到各个发射站点，可以采用多种物理链路，如DVBS卫星系统、DVBC有线电视系统、光纤、数字微波等传输方式。同步TS流解码器的主要功能有:适应不用的物理传输链路，例如DVB-S系统，DVB-C系统，ASI输入接口 ；接收下行信号，进行TS流解复用，分离出音频流；解析随路控制信息，输出控制信息控制调频激励器工作参数；对音频进行自动延时补偿，最终输出音频信号。GPS时钟源的主要功能有:接收GPS信号，为本地提供IOMhz频标和IPPS秒脉冲时标基准信号，是各个站点设备的时钟基准源。调频数字激励器的主要功能有:将数字音频信号编码为调频立体声信号，完成音频到射频的转换。上述调频同步广播系统的工作方式和原理可以参见已发表的参考文献(“延时自动同步”音频传输系统在中波同步广播中的应用，杨霏等，《广播与电视技术》，2011年第3期)。为了使得现有调频同步广播系统具有可靠的防插播性能，我们针对传输系统和发射系统分别制定了两种防插播策略，图3示出了本发明提出的防插播策略示意图，本发明通过以下防插播策略对传输系统和发射系统插入的非法信号进行识别和控制。1.传输系统防插播:在同步TS流编码器输出的TS码流中加入随路防插播密钥，同步TS流解码器实时解析随路信息中的防插播密钥，判别TS码流的合法性，从而防止节目传输链路的非法插播；2.发射系统防插播:在同步TS流解码器的数字音频输出信号(AES)中，加入随路的防插播密钥，当调频数字激励器未收到附有随路防插播密钥的数字音频信号时，自动关机，防止非法信号播出。下面详细说明传输系统和发射系统的防插播控制方法和装置。实施例一、传输系统的防插播方案针对传输系统可能的非法插播，我们对同步TS流编码器和同步TS流解码器做了进一步的改进。其中:同步TS流编码器，增加了(I) PID分配模块，用于为音频节目分配PID。TS流的基本格式主要由以下几部分组成:PAT表、PMT表、NIT表、音频节目、视频节目，这些内容在TS流中都以TS分组的形式成帧，在IS0/IEC13818-1中定义了每一个TS分组的结构。图4示出了传输流分组的结构，对于每个传输流分组在其头部(header)都会有一个PID字段，具有同一 PID的分组数据属于同一内容，PID分配模块对于每一个音频节目通常会分配一个固定的PID。(2) TS加密模块，用于将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中。图4示出了一种可选的在TS分组的自适应字段中插入防插播信息的方式。在自适应域中定义第一随路信令，包括站点地址、发射机控制信息、防插播加密信息和CRC校验数据，其中各字段简要含义如下:站点地址:1字节，取值I 255标识系统内各个站点的编号，取值O为广播地址。
发射机序号:2字节，标识网络内的所有发射机。发射机控制信息:28字节，发射机的基本工作参数。防插播加密信息:8字节，加密的防插播信息。CRC:2 字节，生成多项式 g(X) = X (16)+X (12)+X (5)+10需要说明的是上述包含防插播信息的自适应字段无需在每一个包含音频帧的TS分组中都加入，视系统安全要求的需要可以选择每隔一定时间加入一次，例如在包含音频帧的TS分组中每I秒加入一次自适应字段，这样防插播加密信息每秒钟更新一次。同步TS流解码器，增加了:(I) TS解析模块，用于从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息。将每一个TS分组的PID值与给音频节目分配的PID值进行比较，若相同说明该TS分组传输的内容是音频节目，其可能包含自适应字段。之后，检测是否存在自适应字段，若存在自适应字段则将其中的防插播加密信息解析出来。(2)TS验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法。TS验证模块首先判断TS解析模块解析出的第一随路信令CRC校验是否正确，从而判断是否成功解析出所述防插播加密信息，若CRC校验错误则TS验证模块输出判断结果为否；否则，进一步解密所述防插播加密信息，若解密正确则TS验证模块输出判断结果为是，否则TS验证模块输出判断结果为否。(3)第一报警模块，用于当所述TS验证模块判断结果为否时，输出报警信号。这里的报警信号可以是信号灯、语音报警或监视器输出等。通过上述改进，防插播信息与音频节目混为一体，无法剥离，并且可以不断的对音频节目信号的合法性进行验证，因此当非法信号插入后仍能检测出接收到的音频信号是非法的插播信号。下面，详细说明本发明中防插播加密信息采用的加密方式。如图5所示，在第一随路信令中防插播加密信息字段由8个字节组成，包括加密后的时间信息6字节(年、月、日、小时、分钟、秒)、密钥信息I字节、保留字段I字节。其中各字段简要含义如下:年:1字节，年的十位和个位。例如:2010年表示为0x0A，2011年表示为ΟχΟΒ。月:1字节，O 12个月。日:1字节,0 31天。时:1字节，O 23小时。分:1字节，0 59分。秒:1字节，O 59秒。密钥:1字节,0 254表不255中伪随机序列号，255表不时间信息未加密。保留:I字节，保留字段。加密时，将本地GPS提供的未加密的时间信息(年、月、日、小时、分钟、秒)6个字节根据用户指定的密钥值用伪随机序列进行加扰后得到加密后的时间信息，然后填入防插播加密信息中的相应字段。加扰方法为本地GPS时间信息与伪随机序列异或得到加密后的时间信息，其中基本伪随机序列为0xA4F9A0F112B7，当密钥取值O时，本地GPS时间信息与基本伪随机序列进行异或，当密钥取值为η时，伪随机序列循环移位η位后与本地GPS时间信息进行异或。解密时，将接收到的加密后的时间信息与伪随机序列异或得到解密后的时间信息(年、月、日、小时、分钟、秒)6个字节，当密钥值为O时，加密后的时间信息与基本伪随机序列进行异或，当密钥取值为η时，加密后的时间信息与循环移位η位后的伪随机序列进行异或。将经过异或解密后的时间信息与解密端的GPS本地时间信息进行比较，若时间差距小于一个预定门限，例如2秒，则说明解密正确。非法插播信号由于本身可能不包含防插播加密信息，或是不知道所采用的基本密钥，因此无法模仿加密后的时间信息，这样解密出的时间信息就是错误的，该错误的解密后的时间信息与解密端的GPS本地时间信息进行比较，其时间差距将远远大于上述预定门限，例如20年，则说明解密错误，与该非法防插播信息一起播出的音频信息是非法插播信号。本发明采用的对防插播信息的加密方法仅仅是本发明的一个优选方式，其优点是加密数据随GPS时间信息实时变化，加密方法简单但破解难度大。当然本发明不排除其他加密方法也能用于对防插播信息的加密。通过以上实施方式，将防插播加密信息以自适应字段的方式嵌入到音频节目所在PID的TS分组中，由于采用数字加密技术，使得非法插播的难度大大增加，且检测的准确性也大大提闻。实施例二、发射系统的防插播方案该实施例是在第一实施例的基础上，进一步对发射系统也进行防插播保护，以使得防插播保护覆盖整个音频广播信号的传输链路和发射链路。发射系统由同步TS流解码器及调频数字激励器构成。同步TS流解码器对传输流解复用解码完毕后，输出合法的数字音频到调频数字激励器，为了防止非法音频送入调频数字激励器播出，本发明进一步对同步TS流解码器和调频数字激励器做了进一步的改进。其中:同步TS流解码器，进一步包括:(4)AES加密模块，用于当所述TS验证模块判断结果为是时，将所述防插播加密信息嵌入到输出给调频数字激励器的AES数字音频的U信道中。TS验证模块判断结果为是，说明在传输系统中未发现非法插播，这时为了防止非法插播信号从发射系统插入，因此同步TS流解码器将接收的正确的防插播加密信息再次嵌入输出的AES数字音频中，该AES数字音频是输出给调频数字激励器用于广播发射的音频信号。AES数字音频满足AES/EBU标准，标准的数据格式如图6所示，数字音频以192帧为一个循环周期，每帧由两个子帧组成，代表左声道和右声道信号，每个子帧由32bit组成，其中4bit为巾贞头标识，24bit为音频采样数值,Ibit有效信息，Ibit用户信息，Ibit信道状态信息，Ibit校验信息。可以看到每巾贞中包含2bit用户信息,一个循环周期为192*2/8=48字节的用户信息，以48K采样率为例，一个周期持续时间4ms，该用户信息构成了 U信道。本发明使用U信道(用户比特)传输防插播加密信息，为此定义了第二随路信令，共48字节用192帧内的用户信息承载，从高位到低位顺序放入每帧的U信道中。具体格式如图7所示，包括发射机序号2字节、防插播加密信息8字节、发射机控制信息28字节和CRC校验2字节，各个字段含义与第一实施例中第一随路信令相同，只是不再包含站点地址字段。调频数字激励器，增加了:(I)AES解析模块，用于从AES数字音频解析出所述防插播加密信息。从AES数字音频码流中检测同步字Z，之后连续搜集192帧中的用户比特U,共得到192X2比特，其组成48字节的防插播加密信息，之后按照图7所示的信息格式将防插播信息解析出来，其中防插播加密信息字段由8个字节组成，包括加密后的时间信息6字节(年、月、日、小时、分钟、秒)、密钥信息I字节、保留字段I字节，各字段含义与第一实施例中第一随路信令中包含的防插播加密信息相同。(2) AES验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法。AES验证模块首先判断AES解析模块解析出的第二随路信令CRC校验是否正确，从而判断判断是否成功解析出所述防插播加密信息，若CRC校验错误则AES验证模块输出判断结果为否；否则，进一步解密所述防插播加密信息，若解密正确则AES验证模块输出判断结果为是，否则AES验证模块输出判断结果为否。(3)调制模块，用于当所述AES验证模块判断结果为是时，将AES数字音频中的所述音频节目调制后传送给发射机，否则停止向发射机传送音频节目。AES验证模块判断结果为是，说明在发射系统中未发现非法插播，此时可将合法的数字音频节目调制后传送给发射机；否则，说明在发射系统中插入了非法插播信号，需要立即停止向发射机传送音频节目。(4)第二报警模块，用于当所述AES验证模块判断结果为否时，输出报警信号。这里的报警信号可以是信号灯、语音报警或监视器输出等。在第二实施例中，防插播加密信息的加密和解密方式与在第一实施例中传输系统防插播加密信息相同，这里不再赘述。通过第二实施方式，将防插播加密信息以U信道的方式嵌入到AES数字音频中，进一步将防插播保护范围扩大到了整个传输发射系统，从而杜绝了在发射系统中可能存在的非法插播。需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供的技术方案的实际应用，不应理解为对本发明保护范围的限定。本领域的技术人员在本发明的精神和原理内，所作的任何修改或等同替换都应包含在本发明的保护范围内，本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
权利要求
1.一种调频同步广播中防止非法插播的方法，其特征在于: 在同步TS流编码器中，为音频节目分配PID，将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中； 在同步TS流解码器中，从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息，若未成功解析出所述防插播加密信息或所述防插播加密信息不合法，则关闭AES数字音频输出并输出报警信号。
2.根据权利要求1所述的防止非法插播的方法，其中在所述同步TS流解码器中进一步包括，若成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法，则将所述防插播加密信息嵌入到输出给调频数字激励器的AES数字音频的U信道中。
3.根据权利要求2所述的防止非法插播的方法，在所述调频数字激励器中，从AES数字音频解析出所述防插播加密信息，若成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法，则将AES数字音频中的所述音频节目调制后传送给发射机，否则停止向发射机传送音频节目并输出报警信号。
4.根据权利要求1所述的调频同步广播中防止非法插播的方法，同防插播加密信息一起嵌入到所述自适应字段中的还包括站点地址、发射机控制信息和第一 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共同构成第一随路信令。
5.根据权利要求2所述的调频同步广播中防止非法插播的方法，同防插播加密信息一起嵌入到所述U信道的还包括发射机序号、发射机控制信息和第二 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共同构成第二随路信令。
6.一种调频同步广播中防止非法插播的系统，所述系统包括同步TS流编码器和同步TS流解码器，其特征在于: 同步TS流编码器，包括 PID分配模块，用于为音频节目分配PID ; TS加密模块，用于将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中； 同步TS流解码器，包括 TS解析模块，用于从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息； TS验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法; 第一报警模块，用于当所述TS验证模块判断结果为否时，关闭AES数字音频输出并输出报警信号。
7.根据权利要求6所述的调频同步广播中防止非法插播的系统，进一步包括。
8.根据权利要求7所述的调频同步广播中防止非法插播的系统，所述系统进一步包括调频数字激励器，其包括 AES解析模块，用于从AES数字音频解析出所述防插播加密信息； AES验证模块，用于判断是否成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法； 调制模块，用于当所述AES验证模块判断结果为是时，将AES数字音频中的所述音频节目调制后传送给发射机，否则停止向发射机传送音频节目；第二报警模块，用于当所述AES验证模块判断结果为否时，输出报警信号。
9.根据权利要求6所述的调频同步广播中防止非法插播的系统，同防插播加密信息一起嵌入到所述自适应字段中的还包括站点地址、发射机控制信息和第一 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共同构成第一随路信令。
10.根据权利要求7所述的调频同步广播中防止非法插播的系统，同防插播加密信息一起嵌入到所述U信道的还包括发射机序号、发射机控制信息和第二 CRC校验信息，它们与防插播加密信息共 同构成第二随路信令。
全文摘要
本发明提供了一种用于调频同步广播中的防止非法插播的方法及系统，其特征在于，在同步TS流编码器中，为音频节目分配PID，将防插播加密信息嵌入到具有所述PID的TS分组的自适应字段中；在同步TS流解码器中，从TS流中查找所述音频节目分配的PID，从具有所述PID的TS分组的自适应字段中解析出所述防插播加密信息，若成功解析出所述防插播加密信息且所述防插播加密信息合法，则将所述防插播加密信息嵌入到输出给调频数字激励器的AES数字音频的U信道中，调频数字激励器识别AES信号U信道中的防插播加密信息，如果信号合法，则正常播出，否则产生报警信号。
文档编号H04H60/23GK103078694SQ20111032720
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者杨霏, 杨刚, 刘晋, 万欣, 蔡超时 申请人:中国传媒大学, 北京广讯科技有限责任公司