Способ шифрации и дешифрации телевизионных сигналов и система шифрации телевизионного сигнала

 

Способ для шифрации и дешифрации информационных сигналов, обычно организованных как последовательность строк активной информации, причем каждая строка имеет начало отсчета строчного тактирования, как, например, цветовые видеоинформационные сигналы. Активную видеочасть сдвигают во времени относительно части строчной синхронизации соответствующей строки, используя заранее определенную, медленно изменяющуюся функцию временного сидвига. Информацию временного сдвига передают на сторону дешифрации, шифруя мгновенное значение формы сигнала временного сдвига для начала каждого поля в части гашения обратного хода луча полевой развертки этого поля. Для обеспечения разумного диапазона временного сдвига части среза активного видеосигнала в предыдущей строке и части фронта активного видеосигнала в текущей строке отбрасывают. Во время дешифрации отбрасывают первоначальные сигналы строчного тактирования и цветовой синхронизации и генерируют новые сигналы, которые смещены по времени от активной видеочасти на первоначальную величину, определенную перед шифрацией. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к обработке сигналов временной области, например, сигналов видеоинформации. Более конкретно, изобретение относится к способу для шифрации и дешифрации таких сигналов, чтобы предотвратить неразрешенное их использование.

Было придумано много способов для шифрации и дешифрации информационных сигналов временной области. Цель этих способов всегда одна и та же, а именно: предотвратить неразрешенное использование сигналов. В случае информационных сигналов типа видео неразрешенным использованием, которое необходимо предотвратить, обычно является визуальное воспроизведение информационных сигналов для развлечения или обучения. Такие сигналы могут подвергаться незаконному использованию рядом путей. Например, если видеосигналы передают по спутниковой или микроволновой связи, незаконные пользователи пытаются перехватить сигналы и воспроизводить их, не оплачивая абонентские услуги. Для борьбы с таким неразрешенным использованием широковещательной видеоинформации успешно применялся ряд специфических методов сигнального скремблирования.

Другим средством передачи видеоинформации из одного места в другое является видеолента. Например, для киностудий обычным делом является рассылка оригиналов видеолент фильмов по всему миру. Если видеоленты украдут или "потеряют" в пути, возникнет возможность нарушения авторского права. Поэтому желательно иметь возможность скремблирования видеосигнала перед его записью за видеоленту, чтобы ленту мог использовать клиент, обладающий дескремблером и соответствующими кодами. Такая система скремблирования должна иметь две важные особенности: она должна быть очень надежной и совместимой с электроникой записи/воспроизведения предпочтительно всех профессиональных и бытовых устройств видеозаписи.

Есть множество известных путей скремблирования видеосигналов. Двумя простыми способами являются синхроподавление и синхроинвертирование, каждый из которых, однако, можно легко расстроить при помощи использования простых способов обработки видеосигналов и в любом случае нельзя записать. Другой метод называется псевдослучайной инверсией видеоуровня, которую относительно трудно расстроить, но которая страдает недостатком сильной потери качества изображения из-за нелинейности в процессе записи/воспроизведения. Еще одним методом является перестановка порядка строк, также известная как "тасование строк", где переставляют порядок строк в растровой развертке изображения. Например, вместо последовательной передачи строк: строка номер 1, строка номер 2, строка номер 3 и т.д., информацию можно передавать как строка номер 182, строка номер 99, строка номер 4 и т.д. Такая система может быть очень надежной (т. е. ее очень сложно расстроить), но ее нельзя использовать в любом формате видеоленты, применяющем принцип подцветности, который построен на смежности строк для получения правильного состояния цвета при воспроизведении.

Еще одним методом является псевдослучайная ротация строк, где некоторые случайно выбранные строки изображения передают в инверсном временном порядке (т.е. справа налево), в то время как остальные строки передают нормально (т. е. слева направо). Другой метод называется сегментацией строк с псевдослучайно выбранными точками разбиения, где каждую строку разбивают на два случайно выбранных сегмента и передают сначала правый, а затем левый сегменты. Оба эти метода скремблирования видеосигналов приводят к сильному искажению цветности между левой и правой сторонами изображения при использовании на любом формате, который применяет подцветную запись.

Кроме вышеупомянутых недостатков три последних указанных метода страдают еще одним недостатком, а именно тем, что обработка несовместима с обработкой компенсации выпадения сигнала, применяемой в большинстве устройств видеозаписи. В то время как в принципе эти три метода можно использовать для форматов обработки видеосигналов, которые не применяют подцветную запись, таких как однодюймовые форматы типа B и типа C, это использование потребует схемы компенсации выпадения сигнала, в которой детектированием и коррекцией выпадения управляет система дескремблирования. Для этого понадобится специальная модификация оборудования воспроизведения, что увеличит на нежелательную величину стоимость и сложность системы шифрации/дешифрации.

Ни один из вышеупомянутых методов видеоскремблирования полностью не отвечает необходимым требованиям системы видеоскремблирования, в соответствии с которыми: скремблированное видеоизображение должно быть записано и впоследствии воспроизведено на любом формате видеоленты - профессиональном или бытовом - и дескремблировано при воспроизведении с минимальной потерей качества изображения; метод скремблирования фактически нельзя расстроить каким-либо незаконным пользователем; на скремблированное видеоизображение не должно влиять прохождение через разные виды оборудования обработки, используемого в аппаратуре телевидения, спутниковой связи и кабельных сетях.

В заявке США N 203.676 раскрыты способ и устройство, которые обеспечивают очень надежный метод шифрации и дешифрации информационного сигнала видеотипа, совместимый со всеми форматами видеолент и системами передачи и свободный от ухудшений изображения, вызванных взаимодействием алгоритма скремблирования и системой цветовой последовательности - усреднения строк, используемой при цветной гетеродинной записи. В соответствии с указываемым в заявке способом происходит шифрация информационных сигналов видеотипа при помощи индивидуального временного сдвига активной видеочасти по крайней мере некоторых строк видеосигналов по отношению к началу отсчета строчного тактирования (горизонтальной синхронизации в системе кодирования NTSC) с индикацией выполненного временного сдвига для обеспечения последующей расшифровки. Для цветовых видеоинформационных сигналов временной сдвиг запрещен на части строчного синхросигнала и части цветового эталонного сигнала. Подобным образом не происходит временного сдвига неактивных видеочастей поля или кадра информации (т.е. вертикальных гасящих частей). Дешифрацию зашифрованных сигналов выполняют путем использования процесса, обратного процессу шифрации. Для получения оптимальных результатов и обеспечения совместимости между способом шифрации и другими обычными методами обработки сигналов (в частности, в цветовой гетеродинной системе видеокассетных записывающих устройств) величину временного сдвига ограничивают ±N циклами цветовой поднесущей (в предпочтительном варианте), где N-целое число (предпочтительно 0 или 1). Вдобавок максимальный агрегированный временной сдвиг активной видеочасти ограничивают таким образом, что активная видеочасть не перекрывает либо часть цветовой синхронизации, либо часть горизонтальной эталонной синхронизации отдельных строк.

Хотя вышеуказанный метод шифрации/дешифрации высокоэффективен, его оптимальная реализация требует применения цифровой видеосхемы на дешифрующей стороне (т. е. на телевизионном мониторе или приемнике), которая довольно сложна, что существенно увеличивает стоимость всей системы.

Изобретение включает способ и устройство для обеспечения очень надежного метода шифрации и дешифрации информации типа видео, который совместим со всеми форматами видеолент и системами передачи, свободен от искажений изображения, вызываемых взаимодействием алгоритма скремблирования и системами строчного усреднения цветовой последовательности при цветной гетеродинной записи, и может быть реализован гораздо дешевле, чем вышеописанная система.

С точки зрения способа, изобретение включает шифрацию информационных сигналов, обычно организованных как последовательность строк активной информации, причем каждая строка имеет начало отсчета строчного тактирования; способ составляют основные шаги индивидуального временного сдвига части активной информации по крайней мере некоторых строк сигналов по отношению к части начала отсчета строчного тактирования, и он обеспечивает индикацию временного сдвига, выполненного на шаге временного сдвига для того, чтоб осуществить последующую дешифрацию. Для информационных сигналов, которые являются видеоинформационными сигналами, содержащими сигнальные части строчной синхронизации и сигнальные части цветовой синхронизации, временной сдвиг выполняют на активной видеочасти относительно этих обеих частей отдельных строк. Неактивные части поля кадра информации, т.е. части вертикального гашения, не сдвигают.

Тип выполненного временного сдвига может включать любую из множества медленно меняющихся функций, таких как сигнал синусоидальной формы или линейно меняющийся пилообразный сигнал. Интенсивность изменения сигнала должна быть относительно медленной в сравнении со строчной частотой подлежащих обработке входных сигналов. Для сигналов видеотипа подходит синусоидальная форма, имеющая частоту не более 20 Гц, в то время как для линейно изменяющегося пилообразного сигнала подходящей является скорость нарастания сравнимой величины. Абсолютное количество выполненного временного сдвига в предпочтительном варианте ограничено максимальным значением, которое в случае видеосигналов NTSC, не превышает в общей сложности 4 мкс (±2 мкс в каждом направлении).

Мгновенное значение функции формы сигнала временного сдвига в начале каждого поля передают вместе с информацией поля обычно во время промежутка вертикального гашения. Например, относительно синусоидальной функции временного сдвига начальную амплитуду формы сигнала в течение заданного поля передают во время интервала вертикального гашения как один байт информации, которая при объединении с отдельно предоставляемым ключом разрешения позволяет схеме дескремблера синтезировать функцию формы сигнала скремблирования. Дешифрация является инверсией процесса шифрации, и ее выполняют путем восстановления первоначальной временной зависимости между строчной синхронизацией (и цветовой синхронизацией) и активной видеочастью соответствующей строки. Это делают при помощи генерации новых строчных временных опорных сигналов (строчной синхронизации и цветовой синхронизации), которые несут ту же временную зависимость к активной видеочасти, что и первоначальные строчные временные опорные сигналы перед шифрацией. Получающиеся дескремблированные сигналы все же содержат погрешности базы времени, но эти погрешности уловимы и корректируемы следующим далее телевизионным монитором/приемником.

Изобретение может быть реализовано путем использования в большинстве своем обычных аналоговых схем для устройства дескремблера, что делает устройства дескремблирования экономичными в производстве и простыми в ремонте.

На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующая одну строку информации видеотипа, к которой применимо изобретение; на фиг. 2 - схемы, иллюстрирующие визуальный эффект синусоидального временного сдвига на трех последовательных полях информации; на фиг. 3-4 - схемы, иллюстрирующие сигналы скремблирования и дескремблирования; на фиг. 5-6 - блок-схема устройства скремблирования; на фиг. 7 - более подробная блок-схема, иллюстрирующая части входного видеопроцессора, выходного видеопроцессора и генератора синхронизации/тактирования фиг. 3-4 устройства скремблирования; на фиг. 8 - ряд схем, иллюстрирующих выбранные формы сигналов из блок-схемы фиг. 5-6; на фиг. 9 - блок-схемы части контроллера 34, используемого для генерирования формы сигнала временного сдвига; на фиг. 10 - блок-схема, иллюстрирующая устройство дескремблера; на фиг. 11-12 - ряд схем, иллюстрирующих выбранные формы сигналов из блок-схемы фиг. 8; на фиг. 13 - блок-схема, иллюстрирующая синтезатор формы сигнала дескремблера.

Основной принцип изобретения можно легче всего понять на примерах фиг. 1-4. Фиг. 1 иллюстрирует одну строку видеоинформации NTSC с активной видеочастью строки, сжатой по горизонтальной шкале. Как видно из фиг. 1, одна строка активной видеочасти, которая лежит между фронтом строчных синхросигналов соседних строк, включает часть опорного сигнала цветовой синхронизации, за которой следует активная видеочасть. Фронт строчного синхроимпульса определяет начало строки и служит как начало отсчета тактирования строки. В соответствии с изобретением активная видеочасть строки сдвигают по времени относительно активной видеочасти других строк заранее определенным путем. Для примера на фиг. 1 показано нормальное положение активной видеочасти. Во время шифрации это положение сдвигают по времени либо вперед (т.е. ближе к части горизонтальной синхронизации данной строки), либо в направлении задержки (т. е. по направлению к части горизонтальной синхронизации следующей строки). Чтобы сохранить большинство активной видеочасти в каждой строке, на относительное и общее количество временного сдвига накладывают максимальные пределы. В предпочтительном варианте для видео это значение составляет ±2 мкс (в целом 4 мкс).

Путь выполнения временного сдвига определяют заранее, он должен быть относительно медленным по отношению к строчной частоте информационных сигналов, чтобы обеспечить правильную обработку сигналов после дескремблирования, как это будет более подробно описано ниже. Для управления величиной и направлением временного сдвига можно использовать много различных типов функций форм сигнала. Примерами таких форм являются синусоидальная, прямоугольная, пилообразная формы сигналов и низкочастотные случайные или псевдослучайные сигналы шума. Другие соответствующие функции временного сдвига знакомы специалистам в данной области техники. Эмпирически было определено, что на практике максимальная частота на изменяющейся во времени форме сигнала, используемой для управления временным сдвигом, составляет около 20 Гц для современно оборудованных телевизионных мониторов и приемников, оснащенных для обработки сигналов NTSC.

Фиг. 2 в схематичном виде иллюстрирует визуальную эффективность изобретения на изображении, когда происходит выполнение относительно медленно изменяющегося синусоидального временного сдвига на активных видеочастях видеоинформационных сигналов. Здесь прямоугольный контур иллюстрирует целое поле растра (включая невидимые части каждой строки), а вертикальные пунктирные линии представляют нормальное положение начала видимой части каждой строки. Сплошные изогнутые линии иллюстрируют искажение изображения, когда три последовательных поля используют медленно меняющуюся синусоидальную форму сигнала временного сдвига. Этого уровня искажения достаточно для того, чтобы снять качественное изображение. Следует понимать, что размер временного сдвига, проиллюстрированный на фиг. 2, сильно преувеличен для наглядности.

Фиг. 3-4 показывают то, как происходит дешифрация или дескремблирование зашифрованных или скремблированных сигналов на приемной стороне. На фиг. 3 показаны три последовательные строки видео NTSC, которые были последовательно сдвинуты во времени увеличивающимися величинами. Как и в случае со схемой фиг. 1, активные видеочасти строк на фиг. 3-4 показаны только частично. Самая верхняя строка представляет собою строку, не имеющую временного сдвига между активной видеочастью, а время между началом части горизонтальной синхронизации и активной видеочастью обозначается как t₁. Следующая строка N+I претерпела сдвиг по времени в сторону задержки, и время между началом части горизонтальной синхронизации и началом активной видеочасти составляет t₂, которое больше, чем t₁. Строка N+2 претерпела еще больший сдвиг в сторону задержки на значение, обозначенное как t₃, которое больше, чем t₂. Эти три последовательные строки могут представлять строки из верхней части растра, схематично изображенного на фиг. 2А. Важно отметить, что часть строчного временного тактирования каждой из строк N, N+1, N+2 временно выравнена: фронт части горизонтальной синхронизации каждой строки точно выравнен с фронтом горизонтальной синхронизирующей части других строк. То же самое справедливо для расположения частей цветовой синхронизации. Активные видеочасти, однако, умышленно неправильно выражены в строках N+1 и N+2 относительно строки N.

Фиг. 4 иллюстрирует сигналы для тех же самых трех строк после дескремблирования или дешифрации. Здесь фронты частей горизонтальной синхронизации трех строк уже больше точно не выравнены, а расположены довольно зигзагообразно, однако расстояние между фронтом горизонтальной синхронизирующей части и началом активной видеочасти одно и то же для всех трех строк, а именно - t₁. Точно так же больше не являются временно выравненными сигналы цветовой синхронизации трех строк, они расставлены так же довольно зигзагообразно, что и части горизонтальной синхронизации. Относительное расположение активной видеочасти трех строк остается тем же.

Хотя дескремблированные сигналы все же выравнены неправильно, точная временная зависимость t₁ между фронтом горизонтальной синхронизации и началом активной видеочасти обеспечивает правильное воспроизведение каждой строки информации при обработке последующим телевизионным приемником или монитором при условии, что временная погрешность в данной строке не выходит за пределы диапазона улавливания синхросхемы телевизионного приемника или монитора. Эмпирически было определено, что можно гарантировать синхронизацию каждой строки видеочасти при условии, что функция временного сдвига, используемая для первоначальной шифрации сигналов, не будет меняться с частотой, превосходящей значение около 20 Гц для закодированного видеосигнала NTSC. Хотя другие максимальные частотные пределы могут применяться к другим системам кодирования телевизионных информационных сигналов (как, например, ПАЛ или СЕКАМ), общим правилом является то, что временной сдвиг, применяемый к первоначальным сигналам во время шифрации, должен быть относительно медленно меняющимся в сравнении со строчной частотой. Другими словами, временная погрешность, внесенная в сигналы в результате процесса скремблирования/дескремблирования, не должна выпадать за пределы диапазона улавливания схемы синхронизации в последующем телевизионном приемнике или мониторе.

Фиг. 5-6 представляют блок-схему системы скремблирования, способную обеспечивать вышеуказанную шифрацию. Как видно из фиг. 5-6, подлежащий шифрации входной видеосигнал связан с входной клеммой 11 входного видеопроцессора 12. Процессор 12 работает с целью нормализации поступающего видеосигнала относительно усиления, смещения по постоянному току и ширины полосы и представляет стабильный буфер с низким сопротивлением для видеосигнала, присутствующего на выходной клемме 13. Кроме того, поступающие части вертикальной и горизонтальной синхронизации отделяют от входного видеосигнала процессорным устройством 12 и подают в качестве входного сигнала на генератор синхронизации/тактирования и систему фазовой автоматической подстройки частоты 15, что более подробно проиллюстрировано на фиг. 7.

Сигналы, выходящие из процессорного устройства 12, которые присутствуют на выходной клемме 13, связаны с обычным декодером NTSC и устройством фильтра защиты от наложения спектров 16, где происходит разделение компонента яркости Y и квадратурных компонентов цветности I, Q для параллельной обработки в цифровом представлении. Выход Y устройства 16 связан с аналого-цифровым преобразованием 18, в котором яркость преобразуют из аналоговой формы в цифровую с заранее выбранной тактовой частотой посредством входного стробирующего тактового сигнала, подаваемого по входной тактовой линии 19. Выход преобразовательного устройства 18 связан с входной частью запоминающего устройства яркости 20 с двойным входом. Запоминающее устройство 20 имеет конфигурацию памяти, в которой слово записывают из аналого-цифрового преобразователя 18 за каждый цикл работы памяти, и за каждый цикл работы памяти из нее считывают слово в цифро-аналоговый преобразователь 22. Запоминающая емкость памяти яркости 20 должна быть по крайней мере равна количеству многоразрядных символов (байт), требующемуся для хранения одной полной строки информации яркости при выбранной тактовой частоте. Сигналы управления записью/считыванием и многоразрядные адресные сигналы подают в запоминающее устройство яркости 20 из устройства управления памятью 24. Выход запоминающего устройства яркости 20 связан с входом цифро-аналогового преобразователя 22, в котором многоразрядные цифровые слова, выдаваемые из запоминающего устройства 20, преобразуют в аналоговые образцы с тактовой частотой посредством тактовых сигналов, подаваемых из устройства 15 на входной тактовой линии 23. Выход преобразовательного устройства 22 связан с входом кодера и устройством фильтра нижних частот 25, где сигнал яркости объединяют с компонентами цветности I и Q нормализуют относительно ширины полосы и смещения постоянного тока. Квадратурные компоненты цветности обрабатывают по существу идентичным образом, что и компонент яркости Y, как уже описано выше, в устройствах 18', 20', 22', которые работают так же, что и устройства 18, 20, 22.

Устройство тактовой синхронизации 15 используют для генерирования входных тактовых сигналов, применяемых для тактового стробирования аналого-цифрового преобразовательного устройства 18, подачи тактовых сигналов записи и считывания из запоминающего устройства 20 и тактового стробирования цифро-аналогового преобразовательного устройства 22. В предпочтительном варианте устройство 15 состоит из фазодискретного детектора, ряда схем выборки отсчетов, усилителя погрешности и кристалла тактового генератора.

Вышеописанные устройства связаны с интерфейсным устройством пользователя 32, таким как клавиатурный терминал, через устройство контроллера 34 и множество управляющих регистров 36. Контроллер 34 включает схемы, показанные на фиг. 9, для генерирования формы сигнала временного сдвига, используемой с целью сдвига по времени сигналов, претерпевающих шифрацию. Контроллер 34 также генерирует зашифрованный байт информации, содержащий данные, требующиеся дескремблеру для генерирования той же формы сигнала временного сдвига. Этот байт шифруют посредством любого подходящего метода шифрации, а результат вставляют в одну из неиспользуемых строк интервала гашения обратного хода луча кадровой развертки.

Фиг. 7 иллюстрирует ключевые части входного видеопроцессора 12, выходного видеопроцессора 26 и генератора синхронизации/тактирования 15, которые представлены на фиг. 5-6. Как видно из этого чертежа, видеосигнал, присутствующий на входной клемме 11, связан с сепаратором синхронизации 31, в котором происходит детектирование частей строчной и полевой синхронизации. Импульсы синхронизации полей, выдаваемые из сепаратора синхронизации 31, возбуждают генератор импульсов полей 32, который связан сигналом сброса в исходное состояние со входом счетчика 33 деления на 525, работающего как счетчик строк. Импульсы строчной синхронизации, выдаваемые из сепаратора синхронизации 31, используют для возбуждения системы горизонтальной фазовой автоматической подстройки частоты 35, которая генерирует на первой выходной линии 36 тактовый сигнал для счетчика 33, имеющего частоту, которая составляет удвоенную частоту строк (31,5 кГц). Система горизонтальной фазовой подстройки частоты 35 также генерирует на строчной частоте импульс, который на 2 мкм шире, чем обычный гасящий импульс строк (фиг. 8, сигнал С), и этот импульс подключен ко входу пары схемы ждущих мультивибраторов 40, 41. Мультивибраторная схема 40 генерирует импульс с шириной 2,0 мкс (сигнал 8 D), запускаемый по фронту входного сигнала. Мультивибраторная схема 41 генерирует импульс шириной 2,0 мкс (сигнал 8 E), запускаемый по срезу этого входного сигнала. Выходные сигналы из мультивибраторных устройств 40, 41 пропускают через схему ИЛИ 45, выход которой (сигнал 8 F) подключен как один из входов к схеме И 47. Другим входом схемы И 47 является выход устройства детекции логического состояния (предпочтительно программируемое постоянное запоминающее устройство, ППЗУ) 50, по которому поступает стробирующий сигнал полевой синхронизации. Стробирующий сигнал полевой синхронизации, поступающий из устройства 50, является запирающим сигналом для схемы И 47, он имеет длительность в девять горизонтальных строк и работает таким образом, чтобы заблокировать выход схемы И 47 на период всего интервала полевой синхронизации.

Выход схемы И 47 связан с переключателем гашения 52 и служит для увеличения интервала гашения на 2 мкс по каждой из сторон нормального времени гашения. Хотя это приводит к некоторой потере активного видеосигнала на срезе предыдущей строки и фронте активного видеосигнала в текущей строке, эта потеря невелика. Выход переключателя гашения 52 (сигнал 8H) связан со входом декодера NTSC 16, который описан выше со ссылкой на фиг. 5-6, а также со входом схемы стробирования цветовой синхронизации 55. На схему стробирования цветовой синхронизации 55 воздействует управляющий сигнал, выдаваемый из устройства ждущего мультивибратора 57 (сигнал 81), который является импульсом длительностью в 3,5 мкс, начинающимся по срезу строчной синхронизации и используемым для стробирования части цветовой синхронизации поступающего видеосигнала на схему параметрического генератора поднесущей 59. Схема 59 генерирует сигнал цветовой поднесущей с частотой, в восемь раз превышающей номинальную частоту поднесущей, а выходной сигнал генераторной схемы 59 используют в качестве тактового сигнала для аналого-цифровых устройств 18, 18' цифро-аналоговых преобразовательных устройств 22, 22', устройства контроллера памяти 24, счетчика строк 30 и любых других схем, которым требуется синхронизирующее тактирование. Выход генераторной схемы 59 также связан со входом схемы 61, настроенной на деление на восемь, выход которой обеспечивает поднесущую с частотой 3,58 мГц, автоматически подстраиваемой по фазе под поступающую цветовую синхронизацию. Эта поднесущая (сигнал 8J) подключена к схемам декодировки и кодировки NTSC 16,25.

Выход мультивибраторной схемы 57 также связан со схемой фиксации задней площадки гасящего импульса 63, его используют для обеспечения фиксации во время цветовой синхронизации.

Выход мультивибраторной схемы 40 подключен как возбуждающий вход к схеме ждущего мультивибратора 65, запускаемой по срезу входного сигнала, которая генерирует импульс гашения строк нормальной длительности (11 мкс; сигнал 8G). Выход мультивибраторной схемы 65 связан через схему ИЛИ 66 с управляющим входом видеопереключающей схемы 68. По другому входу, подводимому к переключающей схеме 68 через схему ИЛИ 66, поступает сигнал стробирования гашения обратного хода луча полевой развертки, генерируемый устройством детекции логического состояния 50. Сигнал стробирования гашения обратного хода луча полевой развертки является разрешающим сигналом, имеющим длительность в 21 строку и появляющимся во время интервала гашения обратного хода луча полевой развертки каждого поля.

Назначением видеопереключающей схемы 68 является чередование двух версий сдвинутых во времени видеосигналов: тех, которые проходят через видеоинверторную схему 70, и тех, которые обходят видеоинверторную схему 70. Видеосигнал с устройства кодирования NTSC 25 (фиг. 5-6) подключают ко входу схемы фиксации задней площадки гасящего импульса 72, которой также управляет выход мультивибраторной схемы 57. Выход схемы фиксации задней площадки гасящего импульса 72 подключают к двум входным клеммам переключателя 68: видеосигнал связан непосредственно с клеммой HI 74, а через схему видеоинвертора 70 - с клеммой L0 75 (HI - высокий уровень, Z0 - низкий уровень).

Выход переключателя 68 (сигнал 8LN) подключают через видеоусилитель 78, он служит в качестве видеовыхода ля последующего использования (обычно либо для телевизионного вещания, либо для записи на ленту).

Как отмечено выше, временной сдвиг выполняют в цифровом представлении на квадратурных компонентах яркости и цветности синхронным путем. После осуществления временного сдвига цифровые сигналы трансформируют в аналоговое представление и рекомбинируют в схеме кодера 25. Затем сдвинутые во времени видеосигналы инвертируют во время активных видеочастей посредством инверторной схемы 70 и переключателя 68 для выработки сдвинутых во времени, инвертированных, скремблированных видеосигналов, показанных как L и N на фиг. 8. В частности, форма сигнала 64 иллюстрирует результат временного сдвига активного строчного видеосигнала в сторону опережения. Форма 8L показывает результат пропускания этого сдвинутого во времени сигнала через видеоинверторную схему 70 во временя активной видеочасти. Подобным образом форма 8М иллюстрирует результат временного сдвига активного строчного видеосигнала в направлении задержки, в то время как форма 8 N показывает результат пропускания этого сдвинутого во времени сигнала через видеоинверторную схему 70 для инвертирования активных видеочастей.

Как видно на фиг. 9, часть контроллера 34, используемая для генерирования формы сигнала временного сдвига, включает генератор низкочастотного шумового сигнала 101, способный генерировать любую соответствующую форму сигнала с относительно низкой частотой для использования в определении функции временного сдвига. Как отмечено выше, сигнал может иметь синусоидальную форму, пилообразную форму, форму прямоугольного импульса или форму случайного шума. Такие устройства хорошо известны в данной области техники и не будут далее описываться. Сигнал, генерируемый генератором низкочастотных шумовых сигналов 101, подключают к аналого-цифровому преобразователю 103, который преобразует в цифровую форму амплитуду выходного сигнала генератора 101 с частотой одной дискретизации на поле информации. Дискретизацией управляет сигнал, присутствующий на входной клемме 104 контроллера. Этот управляющий сигнал получают из устройства детектирования логического состояния 50 (фиг. 7), и в предпочтительном варианте исполнения он представляет собою импульс, генерируемый во время появления одной из строк, как, например, строки 21, в течение интервала гашения обратного хода луча полевой развертки. Дискретизированный выход аналого-цифрового преобразователя 103 связывают через 20-Гц фильтр нижних частот 105 со входом второго аналого-цифрового преобразователя 106. Аналого-цифровой преобразователь 106 тактируют тактовыми импульсами, генерируемыми с частотой строчной синхронизации (сигнал B фиг. 8, например). Выход аналого-цифрового преобразователя 106 связан с контроллером памяти 24 через управляющие регистры 36, его используют для управления фактической величиной временного сдвига, выполняемого на активной видеочасти каждой строки.

Выход аналого-цифрового преобразователя 103 также связан через стробирующую схему 108, которую отпирают во время строки 21, с шифратором 110, который обеспечивает вышеупомянутую шифрацию для байтового сигнала временного сдвига. Выходной сигнал шифратора 110 добавляют к видеосигналу через видеоусилитель 78 (фиг. 7). Таким образом передают зашифрованный байт амплитудной информации сигнала временного сдвига в начале каждого поля на каждое дескремблирующее устройство вместе со скремблированными видеосигналами и другими временными сигналами.

Фиг. 10 иллюстрирует дескремблирующее устройство, используемое для дешифрации сигналов, получаемых после шифрации при помощи описанного выше процесса. Дескремблер использует множество тех же устройств, что и скремблер, показанный на фиг. 7, и для таких устройств применены те же числовые обозначения. Назначением дескремблера, представленного на фиг. 10, является восстановление первоначальных временных взаимозависимостей между частью строчной синхронизации и цветовой синхронизации каждой строки видеосигнала и активной видеочастью этой строки. Ниже будет описана эта операция с привлечением схем сигнала, показанных на фиг. 11-12.

Видеосигнал, поступающий на входную клемму 11, подключают ко входу сепаратора синхронизации 31 и ко входу схемы фиксации задней площадки гасящего импульса 63. Выход сепаратора синхронизации 31 связан со входом генератора импульсов полей 32, входом системы фазовой автоматической подстройки частоты строк 35, входом 3,5-мкс ждущего мультивибратора 57, используемого для возбуждения схемы фиксации задней площадки гасящего импульса 63, и входом дескремблирующей синтезирующей схемы формы сигнала 80. На второй вход синтезирующей схемы 80 подают сигнал разрешающего ключа, генерируемый пользователем (т. е. абонентом), который применяют для дешифрации поступающих байт данных временного сдвига формы сигнала, зашифрованных контроллером 34. Этот ключ отдельно сообщают абоненту любым безопасным путем, т.е. через электронные устройства, по почте, по телефону и т.п. Другим входом для синтезатора 80 является видеовход 11, который содержит информацию относительно мгновенного значения сигнала временного сдвига в начале поля информации. Как это будет более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 13, синтезирующая схема 80 генерирует первоначальную форму сигнала скремблирования для подачи на устройство сравнения напряжений 82; напряжение изменяется во время присутствия поля в соответствии с природой формы сигнала временного сдвига. Например, если во время шифрации применяли временной сдвиг с сигналом синусоидальной формы, то при дешифрации необходима та же синусоидальная форма сигнала для генерирования изменяющегося опорного напряжения для каждой строки данного поля. В начале следующего поля во время гашения обратного хода луча полевой развертки в принимаемом видеосигнале предоставляют новый байт информации временного сдвига формы сигнала, и эту информацию подают на синтезирующую схему 80.

Система фазовой автоматической подстройки частоты строк 35 генерирует первый выходной импульс (сигнал 11H), имеющий длительность, равную 6,0 мкс, но продвинутый по фазе относительно строчной синхронизации на заранее определенную величину (1,5 мкс в предпочтительном исполнении). Этот сигнал подают через выходной проводник 37 на вход 1,5-мкс ждущего мультивибратора 83, а также на вход схемы генератора пилы 85. Схема генератора пилы 85 генерирует пилообразное напряжение (сигнал 11I) с линейной частотой, и это пилообразное напряжение подключают к другому входу компаратора напряжений 82. Когда уровень пилообразного напряжения, выдаваемого генератором 85, совпадает с уровнем опорного напряжения, поступающего из синтезирующей схемы 80, компаратор напряжений 82 генерирует выходной сигнал, который используют для инициализации 9-мкс схемы ждущего мультивибратора 87 и 4,7-мкс схемы ждущего мультивибратора 88. Мультивибраторная схема 88 генерирует новый перестановленный импульс строчной синхронизации, подлежащий прибавлению к видеосигналу (сигнал 12L), этот синхроимпульс подключают к одному входу генератора строчной и цветовой синхронизации 89. Выход мультивибраторной схемы 88 также связан со входом 0,9-мкс схемы ждущего мультивибратора 90, а выход схемы 90 (сигнал 12M) соединен со входом схемы ждущего мультивибратора 92. Выход схемы 92 (сигнал 12N) связан с входом схемы генератора цветовой синхронизации 94, которая стробирует сигнал цветовой синхронизации на частоте цветовой поднесущей из генераторной схемы 59 на другой вход смесительной схемы строчной и цветовой синхронизации 89. Выход смесительной схемы 89, которая включает правильно перетактированные по отношению к активной информационной части данной строки строчную и цветовую синхронизации, подсоединяют к входной клемме 74 видеопереключающей схемы 68''.

Выход мультивибраторной схемы 83 (сигнал 11J) связан со входом схемы ждущего мультивибратора 65, которая генерирует импульс длительностью 11 мкс (сигнал 11K), определяющий интервал нормального гашения обратного хода луча строчной развертки. Этот сигнал пропускают через схему ИЛИ 66 вместе с выходным сигналом мультивибраторной схемы 87 и подают на первый вход схемы И 95. Другим входным сигналом для схемы И 95 является стробирующий сигнал полевой синхронизации, генерируемый детектором логического состояния 50, который служит для запрета прохождения через схему И 95 на видеопереключатель 68'' управляющего сигнала в течение 9 строк кадровой синхронизации внутри каждого поля. Таким образом, видеопереключатель 68'' можно переключать с нормально замкнутой клеммы 75 на клемму 74 всегда, когда выходные импульсные сигналы, поступающие с мультивибраторной схемы 65 или 87, активны (сигналы 11K, 12R). Когда переключатель 68'' соединен с клеммой 74, выход смесительной схемы строчной и цветовой синхронизации 89 связан с выходным видеоусилителем 78. В противном случае с выходным видеоусилителем 78 связан активный видеовыход с видеопереключателя 68'.

На видеопереключатель 68' подают два входных видеосигнала: прямой видеосигнал, прошедший через фиксатор уровня задней площадки гасящего импульса (сигнал 12P), или его инвертированный вариант (сигнал 12Q), обеспечиваемый инвертором 70. Состоянием переключателя 68' управляют стробирующим сигналом обратного хода луча полевой развертки, выходящим из детектора логического состояния 50. Когда этот сигнал активен, переключатель 68' соединен с клеммой 74, и проходит прямой видеосигнал. Все другое время к выходу переключателя 68' через клемму 75 подключена инвертированная версия, поступающая с инверторной схемы 70.

При работе схема дескремблера, показанная на фиг. 10, отбрасывает поступающую строчную и цветовую синхронизацию; происходит генерирование новой строчной и цветовой синхронизации в надлежащей временной зависимости по отношению к активной видеочасти поступающей строки. Новые синхронизации строк и цветности, обеспечиваемые смесительной схемой 89, связывают через клемму 74 и переключатель 68'' в качестве новой части строчной и цветовой синхронизации воссозданного видеосигнал инвертируют посредством инвертора 70 и подключают к выходному видеоусилителю 78 для воссоздания всей строки. Во время последних 12 строк части гашения обратного хода луча кадровой развертки поля активную видеостроку пропускают непосредственно через первую и вторую видеопереключающие схемы 68', 68''. Во время стробирующей части кадровой синхронизации заданного поля схема И 95 заперта для предотвращения прибавления к поступающему видеосигналу синтезированных строчной и цветовой синхронизаций.

Фиг. 13 иллюстрирует подустройства, составляющие дескремблирующий синтезатор формы сигнала 80. Здесь поступающий видеосигнал подключают ко входу выделителя данных 112, который обнаруживает информацию в строке 21 поля, которая характеризует амплитуду сигнала временного сдвига в начале данного поля. Так как эти данные имеют зашифрованный вид, их подключают ко входу дешифратора 114 вместе с ключом разрешения, представленным абонентом/пользователем любыми подходящими средствами, например, через клавиатуру. Расшифрованное цифровое значение амплитуды подают с дешифратора 114 на вход 20 Гц фильтра нижних частот, который реплицирует или восстанавливает медленно меняющуюся форму сигнала временного сдвига. Выход 20 Гц фильтра нижних частот 116 связывают с компаратором напряжений 82 для обеспечения опорного напряжения сигнала.

Как теперь ясно, изобретение предоставляет совершенно надежный метод для шифрации и дешифрации сигналов видеотипа, совместимый со всеми форматами видеолент и системами передачи и обеспечивающий достаточное сокрытие изображения, снимая смысловое значение с программы. Кроме того, так как почти все схемные элементы и подузлы в дескремблере являются обычными выпусками промышленностью схемами и компонентами, скремблирующее устройство является относительно дешевым в изготовлении и ремонте.

В то время как приведенное выше описание целиком и полностью представляет предпочтительное исполнение изобретения, специалистам в данной области техники могут встретиться различные модификации, альтернативные конструкции и аналоги. Например, несмотря на то что было указано ограничение в ±2 мкс на общее максимальное время опережения и задержки сдвига, можно выбрать и другие величины. Вообще, чем выше величина общего максимального времени опережения и задержки, тем больше потеря активной информации с задней части предыдущей строки и передней части строки, претерпевающей временной сдвиг. Поэтому приведенные выше описания и иллюстрации не должны рассматриваться ограничивающими объем защиты изобретения, которое определено прилагаемой формулой.

Формула изобретения

1. Способ шифрации и дешифрации телевизионных сигналов, в котором сдвигают во времени некоторые створки видеосигнала в соответствии с заданным алгоритмом, причем величина сдвига во времени каждой строки может существенно отличаться от сдвига времени предыдущей строки, отличающийся тем, что обеспечивают сигнал указания сдвига во времени, осуществленного на конкретной строке, путем введения нового бита информации о сдвиге во времени и добавляют его к исходному сигналу, восстанавливают исходное временное соотношение для каждой строки между временными показаниями синхронизирующего импульса этой строки и информационной строки путем создания преднамеренно дезориентированных временных показаний строки для каждой строки и добавляют сигнал этих показаний к информационной строке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при восстановлении зашифрованной информации одну часть синхронизации строки заменяют вновь сформированными синхронизирующими импульсами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что активную часть строки сдвигают относительно активной части видеосигнала другой строки по заранее заданному алгоритму, причем на максимальную величину сдвига активной части строки накладываются определенные ограничения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при восстановлении зашифрованной информации часть цветного эталонного сигнала заменяют новой частью эталонного сигнала с последующим сложением этого сигнала с информационной частью видеосигнала.

5. Система шифрации телевизионного сигнала, содержащая процессор видеосигнала, выполненный с возможностью формирования сигнала синхронизации и видеосигнала, вход которого является входом видеосигнала, а выход соединен с входом блока фильтра разделения сигналов яркости и цветности, выходы сигналов Y и Q которого соединены соответственно с входами первого и второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами синхронизации второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, сигнальные выходы первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с входами первого, второго и третьего блоков памяти, выходы которых соединены с входами первого, второго и третьего цифро-аналоговых преобразователей, соединенных с первым, вторым и третьим входами кодера, вход синхронизации которого соединен с выходом тактовой синхронизации блока тактовой синхронизации, отличающаяся тем, что введены блок управления памятью, первый и второй входы которого соединены с выходом блока тактовой синхронизации и с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый и второй выходы блока управления памятью соединены с входом третьего блока памяти, а третий и четвертый выходы соединены с первым входом блока управляющих регистров, выход которого соединен с входом третьего цифро-аналогового преобразователя, генератор импульсов полей, выход которого соединен с входом контроллера, выход которого соединен с входом блока управляющих регистров, а выходы являются выходами блока шифрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13