（信息与通信工程专业论文）mpegsoc中条件接收子系统的设计以及软硬件协同验证的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 y8 7 7 7 6 3 摘要 条件接收是数字电视广播系统的一个核心部分，日益完善的收费业务将逐渐 成为运营商主要的收入来源。因此，本文第一部分的内容将围绕数字电视条件接 收技术展开。本文将首先介绍了m p e g 一2 和d v b 标准对条件接收的支持，然后对条 件接收系统的同密和多密结构以及加密、加扰算法作了深入的研究，最后详细阐 述了在机顶盒芯片m p e g s o c 中设计条件接收子系统的全过程，其中包含硬件部分 和软件部分的设计。硬件部分的设计主要包括解复用、解扰器、智能卡接口的设 计；软件部分主要包括a p i 开发、应用程序的设计和集成。 本文第二部分的内容是s o c 开发过程中的软硬件协同验证技术。本文首先对 软硬件协同验证的平台进行了深入的研究，详细阐述了每一类平台的结构特点； 然后详细讨论了m p e g s o c 软硬件协同验证平台的设计。在肝e g s o c 的验证过程 中，采用模块级验证、基于r t l 描述的直接协同仿真以及基于f p g a 原型的软硬件 协同验证等多角度、多层次的验证手段，确保了s o c 设计的准确无误。最后结合 m p e g s o c 的验证实践提出了协同验证过程中的多种技巧。 关键字：d v b 数字电视m p e g s o c 条件接收软硬件协同验证 濒菠夫学矮士学位论文 a b s t r a c t c o 瓣渤谢a e s ss 跨e m c a s ) i sal 珏毒甜p a f to fd v bs y s l e 糙。粥氆氆eh e i p o f ( j a s ，p r o v i d e rc a ne a mm o r ea n dm o r ep r o f i l e 曲r o u g ht l l es e r v i c e 血e yp r 0 v i d e n e r e f o r e ，t 1 1 e6 r s tp a r to f 吐l i sp a p e rf o c u s e so nd v b c a s nd i s c u s s e s 龇p r i l w i 皿e 秘d 蠹a 激g w o 瘦o fc a s ，s i m 疵c f y 撵a 醯dm 蘧t i e f y p ts 纽逮心姆d v b ，甚娃d 氇e a l g o r i t b mu s c db ys c r a m b l i n ga 1 1 de n c 恻h 培a sam a j o rg o a l ，t l l i sp 印e rf h l l yd e p i c t s 吐l ed e s i g no fc a si ns 融- 1 o pb o xc 燃pm p e g - s o c ，w h i c h 如c l u d e sb o 也h a r c 聪 a 羲ds o 蠹w a 辑d e 建擎1 n es e c o n dp a n “m ep 印e rm a i n l yd c a l sw 弛h a r d 啪r e ，s o 黼a r ec o - v e r i n c a t i o n f i r g t l 弘t h ec l a s s i 蛀c a t i o no fl l a r d w l l r o ，s o 囊w a r ec o v e n 6 e a t i o np l d e 致) r mi sp r e s e n t e d a n d 鼯c ht y p co fp 王躐赫髓1i sd i s c 黼s e d 遍d 或a i l 髓玲n ，w e 镬s c u s s 程臻v e 矗蠡c a 珏o n p l a t f o r n ld e s i g no fm p e g - s o c h 1v e 腼c a t i o np r o c e s s ，v 撕o u sm e 怕d si n c l u d i n g m o d u l e - l e 谳v e 蠊e a t 至o l l ，h a r d w a r e f s o 脚a r ec o s i m u l a 垃o n 蕊f p g ap r o t o 鲫ea r e u s e dt oe n s 疆e 潍嚣辑s o cd e s i 辨凇l e s s f i n a l 觋v 碰o u sm e 蠡。越su d 主n l 旧e g - s o cv e r i f i c a t i o na i g i v e nt oi 棚l p r o v ee m c i e n c y k e y w o 棚s ：d v b ；d i 垂t a 王t v ：n 蹬e g s o c ；c a s ；b 粼d w a r d s o 盘c o v e 畦是e a t i o 珏 i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字电视中的条件接收系统 1 1 1 数字电视概述 从进入到历史舞台的那天起，广播电视就成为人类社会最具影响力的传播媒 体并深刻影响着人们工作和生活的方方面面。直到上世纪末，互联网以及无线通 讯技术的长足发展，使人类社会经历了一场前所未有的信息化革命。这场革命以 难以想象的速度影响并改变了人类社会的许多方面。越来越多的人从电视屏幕前 走到了电脑屏幕前，互联网以及移动通讯带给人们比广播电视更快捷更丰富的新 闻和娱乐信息。传统的广播电视产业第一次感受到了来自多元化信息传媒的强大 挑战，单一的服务方式和并不完美的视音频质量已经越来越难满足人们的要求。 因此，能够提供高品质画面和音质以及多种数据服务的数字电视日益成为人们关 注的焦点。 数字电视是一种对电视节目的采集、制作、编辑以及传输、接收和解码进行 全过程数字化处理的广播方式“1 。利用数字化的广播电视网络，运营商能向用户 提供的已不仅仅是传统意义上的普通电视节目，而是包括图像声音数据以及交互 服务在内的全方位的服务。 在目前情况下，由于大量存在的节目源都是以模拟信号的形式存在，并且大 量的节目录制设备都是基于模拟技术。所以在这个模拟向数字发展的过渡期，数 字电视前端包括将模拟电视信号经过采样、量化和编码等处理转换成二进制数据 这个过程。模拟电视信号数字化以后数据量非常庞大，用信道直接传送显然不切 实际，所以在发送前必须对视频数据进行压缩。压缩后的数据经过信道编码调制 后，通过广电网络以卫星、有线网或者地面传输等方式发送给接收端。接收端经 过信道解码、解复用、信源解码以及d a 处理后还原出正常的图像和声音。数字 电视广播系统简单的结构示意图如图1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 视频i a ，d h 视频压缩编码卜呻 多 信发 节 道射 目 编端 广 童纠a ，dh 音频压缩编码 _ 一 复 玛 口 电 用 传 输 节 信接 网 掣。，ah 视频艄卜 目 道收 络 解 解端 爿d ，ah 音频解码卜 复 码口 用 图1 1 数字电视系统结构 与模拟电视相比，数字电视有以下特点和优势： 夺图像清晰度高、声音效果好、抗干扰能力强。模拟信号在传输和多级转发过 程存在噪声积累，严重影响终端用户的收视质量。而数字电视不存在此现象， 利用误码纠正技术可以保证在信号有效覆盖的范围之内任何电视机得到相 同的接收质量。当无差错接收时，在接收端收看到的节目质景接近演播室水 平。此外，数字电视的音效好，可支持五声道的杜比数码( a c 一3 ) 5 1 环绕立 体声家庭影院。 夺提高频带利用率，频道数量将成倍增加。利用现有的8 m h z 的一个模拟电视频 道，采用q a m 6 4 调制可传输6 8 套高质量的数字电视节目，大大增加了用户的 收视选择。 夺由于采用数字技术，数字电视有利于实现电视广播与计算机网络的融合，从 而可以大大扩展服务内容，目前数字电视的标准已经考虑了与a t m 的互操作 性。对用户来说，这意味着可以从被动的收看变成主动的准交互( 本地交互) 、 交互收看。而且随着节目源的丰富，用户可以获得更多的游戏娱乐节目；获 得各类针对性的信息资讯，如财经信息等；以及获得其它各种服务，如付费 节目、随次计费节目、电影选播系统、歌唱点播、新闻选取、电视在线教育、 电视购物、数字电子、居家银行及互联网浏览等新颖服务。 夺可方便实现条件接收系统，具有更灵活多样的授权和计费方式。利用新型的 数字加密技术保证节目运营商的资金能有效回收。 浙江大学硕士学位论文 冷更方便有效地实现节目的存储、非线性编辑、快速检索等功能。由于噪声的 逐级叠加，模拟录像带在复制3 4 次后其图像质量就会急剧下降。采用数字 技术存储的视频信号可进行多次复制而不会造成图像质量的下降。 夺由于保留了现有模拟电视视频格式，用户端仅需加装数字电视机顶盒即可接 收数字电视节目。 1 1 2 数字条件接收系统( c a s ) 的产生和作用 中国广播电视的经营体制几十年来一直是一种粗放式的经营体制，所谓粗放 式经营，就是播出端不间断地播出，以接收端收到的信号为目标，两端之间没有 必然的联系。也就是说，用户收与不收和收什么都不需要与播出端建立确定的关 系，这种经营体制的后果就是资源的浪费和效益水平低下。然而这种体制形式是 中国五十年代的国情所决定的。但在今天，人类将进入网络媒体时代，粗放式经 营已经不适应形势的发展了。在有线电视、卫星电视大发展尤其是电视数字化成 为必然趋势的今天，粗放式经营造成了资源的极大浪费，广播电视集约式经营己 成为必然的趋势。 广播电视的集约经营，成为健康发展的国家重要产业，主要表现在三个方面： 第一是将广播电视的频率资源在全国范围内更精细合理地分配使用；第二是针对 用户的不同需求尽可能多地输送不同的业务，并对这些业务进行与效益相关的管 理；第三是对每一个用户进行个性化管理，使他们能够各取所需，按需分配，同 时也能够保证实现经营者的收益。广电网络要形成产业，就要考虑到广播电视传 输的特点：其一，广电网络的信息是从点( 前端) 到面( 终端) 的传输，只要用户符 合接收条件，就可以收到由前端送来的服务( 目前一般是电视和广播节目) 信号； 其二，网络是公用的，亦即是最不安全的，谁都可以对网络上传输的数据信息进 行长期的研究分析。在这种网络结构背景下，广播性服务有条件接收系统( c a s ) ， 已成为使传统的广电网络从福利性设施转化为向多媒体服务提供设施的关键性 设备。 具体的说，数字电视c a s 包含了以下几点特征： 夺条件接收系统是实现收费的基础 在世界范围内，付费电视业务已被认为是电视发展的动力和结构变化的方 浙江犬学硕士学位论文 向。c a s 的基本功能是使有授权的用户能正常接收被加扰的节目，通过授权信息 和客户服务数据库的相关信息实现计费。因此数字电视及增值业务就是以条件接 收( c a ) 为核心，结合相应设备与应用运行平台，向用户提供服务。 夺条件接收系统是实现个性化服务的系统 进入数字化时代的今天，人们对有线电视提出了更高的要求。尤其是 i n t e r n e t 的异军突起，靠“按需服务”和交互功能极大地改变了人们的生活方式。 我们不仅期望通过有线电视收看数字高清晰度电视，而且想要具有交互能力和 i n t e r n e t 相结合的服务，也就是说，有线电视迎来的不仅仅是“数字电视”时代， 同时即将面临“数据电视”时代利用广播电视平台提供全面数据业务。在c a s 中由于智能卡的使用，通过卡可以识别不同的用户，在用户端和前端建立了一条 安全的通信链路；用户的个人信息可以通过加密通道传输，保证了在广播媒体上 传输的安全性。 夺条件接收系统为实现电视直接购物提供良好的渠道 利用条件接收系统可以开展电视购物。我们知道，条件接收系统最大的特点 是能实现授权与消费。充分利用它的这一特点，可实现基于有线电视网的电子商 务。它具有操作简单、快速方便等优点，在传统的电视购物之上增加立即订货、 付费的功能，更容易被中国的广大百姓所接受。 1 1 3 条件接收系统的现状 条件接收系统是数字电视系统最为重要的部分之一，它直接涉及到运营商和 广大用户的切身利益。在西方国家，由于有线电视网络很早就投入商业运营，早 在2 0 世纪8 0 年代就将c a 技术用于付费商业电视。因此，也有一大批专业公司 致力于c a s 的研究和开发，并且已经在欧美一些大的电视网取得了成功的应用。 这些知名的c a s 系统包括。1 ： 夺p h i l i p s 的c r o p t ow o r k s 夺f r a n c et e l e c o m 的v i a c c e s s 夺 n a g r av i s i o n 的n a g r a 夺 c a n a l + t e c h n 0 1 0 9 i e s 的m e d i a g u a r d 冷n d s 的v i d e o g u a r d 4 浙江大学硕士学位论文 夺通用仪器的d i g i c i p h e r 夺m i n d p o r t 的i r e d e t o 在国内，广播电视的经营体制几十年来一直是一种粗放式的经营体制，c a 体 制的起步相对较晚。虽然国内一些独立运营商( 如北京算通、清华同方、中视联 等) 也开发c a 系统，而且也有了一些产品和一定的市场应用，但尚未形成大规模 的商业运作。在国内市场较为活跃的还是国外的一些知名的c a 系统。鉴于c a 系统 自身的敏感性和特殊性，如果将这部分业务全部交给国外公司来做，从长远来看， 这势必将给我国的数字电视产留下安全隐患。从另一方面讲，国外各个c a 公司的 产品通常并不完全兼容，如果我国各地电视台随意选用不同公司的产品，这将不 利于中央到地方的节目管理以及各地方台之间的节目交换。因此，在借鉴国外现 有c a 产品的基础上，我国迅速制定有自主知识产权的c a 系统标准，以及确立一种 适合我国国情的c a 系统运营模式是我国数字电视业的一件头等大事。 1 2s o c 验证技术 1 2 1 s o c 概述 将整个电子系统集成在同一芯片上，称为片上系统( s o c ，s y s t e m0 nc h i p ) ， 也称为系统级芯片。作为a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 设计方法学中的新技术，s o c 始于2 0 世纪9 0 年代中期。 系统级芯片设计与传统的集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，简称i c ) 设计不 同。传统i c 设计关注的是如何创建一个全新的设计并进行有效的验证，复杂的 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块、嵌入式软件、不断增长的晶体管数量，这些 都变成了传统方法日益沉重的负担。系统级芯片设计关注的则是如何高效率的评 估、验证和集成各个软硬件模块，系统级芯片设计的方法以i p 复用和系统集成 为基础，包括更深入的系统级设计、软硬件并行设计与验证以及在设计流程的所 有层次上进行验证等。在系统级芯片设计开发中，硬件模块的集成与嵌入式软件 的设计验证非常关键，而传统设计方法中软件开发和硬件开发几乎是相互独立 的。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2s o c 设计中的软硬件协同验证 在传统的i c 设计过程中，功能验证的方法主要有动态仿真和静态等价性分 析咖。随着芯片规模的日益增大，设计的复杂性和验证难度也日渐增加，s o c 设 计的周期拉长，风险也相应变大。s o c 不仅在规模上与传统的芯片有着很大的差 别，而且在设计方法上也有着本质的区别，在s o c 设计中，不仅包含大量的硬件 电路设计，而且包含了相当部分的软件设计，也就是说，在s o c 设计时要同时考 虑硬件和软件的设计。同样，系统芯片s o c 在验证时不仅仅是硬件的验证，还包 括软件的验证，也就是说要进行软硬件协同验证翻。 软硬件协同验证的主要目的是验证系统级芯片软硬件接口的功能和时序，验 证系统级芯片软硬件设计的正确性，以及在芯片流片回来前开发应用软件。软硬 件协同验证可以使软件工程师尽早的接触到硬件设计，从而使软件的开发测试和 硬件设计可以并发进行。与传统的先设计硬件后开发软件的串行开发模式相比， 软硬件协同验证可以大大缩短整个项目的开发周期。 s o c 系统复杂性高、开发周期长、设计风险高，s o c 设计验证变成一项非常 复杂的任务，它一般要花费整个设计周期的5 0 以上的时间。研究高效可行的 软硬件协同验证方法可以有效缩短s o c 的设计周期、降低s o c 设计的巨大风险、 减少产品的上市时间，因此具有非常重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文的工作主要基于m p e g s o c 的研发经过，作者有幸在项目中承担了条件 接收子系统的设计以及软硬件协同验证平台的设计等工作。 本文主要分为两个部分： 第一部分深入分析了数字电视中条件接收子系统的原理与结构以及加扰加 密的算法，并且详细讨论了m p e g s o c 中条件接收子系统的设计； 第二部分对s o c 设计中的软硬件协同验证进行了深入的研究，同时结合 m p e g s o c 验证平台的设计进行了详细的探讨。 本文的具体章节安排如下： 第一章对数字电视的条件接收系统以及s o c 片上系统的软硬件协同验证技术 6 浙江大学硕士学位论文 作了简要的介绍； 第二章详细介绍了m p e g 一2 和d v b 对数字电视条件接收的支持，深入研究了 条件接收系统的结构、加扰和加密的算法； 第三章详细讨论了如何在咿e g s o c 中设计条件接收子系统，其中包括硬件 部分和软件部分的设计； 第四章对s o c 中软硬件协同验证的方法作了深入的研究，分析了四类不同的 软硬件协同验证平台的各自特点； 第五章阐述了肝e g s o c 软硬件协同验证平台的设计，并且结合实践提出了 一些切实可行的验证技巧。 浙江大学硕士学位论文 第= 章数字电视条件接收系统的研究 在全球众多的数字电视标准中，以欧洲的d v b 标准最为流行。d v b 采用了 m p e g 一2 “1 作为数字电视的信源编码标准。m p e g 一2 只定义了传输流中最基本的p s i 倍息，而并未对条件接收提供具体的定义。作为对m p e g 2 标准的扩充和完善，d v b 对m p e g 一2 中提出的条件接收的框架进行了细化，给出了一套完熬的数据接口协议 和相成的数据结构。 本章首先对m p e g 一2 系统层的框架进行了介绍，系统地分析了m p e g 一2 d v b 中的 p s i s i 信息对条件接收的支持，随后阐述了数字电视c a 系统的三级密钥体系以及 同密和多密两种结构，最后对加扰和加密的过程作了深入的研究。 2 。1 赫p e g _ 2 d v 8 标准对条件接收的支持 2 。1 1 种e 秘2 赫准对条件接收的支持 在i s 0 i 弱1 3 8 1 8 一l “3 中，仅筵单地针对条件接牧绘出了凡处语法上的定义。 该撂准解释说，由于条传接收系缝本身豹特殊经，所以并寒裁基体算法帮逡容终 出援霆，磷只蹩提出一个最基本瓣终秘糕絮。基予这转框絮，各令c a 厂离爵搽搜 攥不阂粒麴我、热密雾法以及鬻锈转送秘管理髂系来实瑷不圈豹c a 。为了瓣述 辨e 争2 中舞关条 孛接投瓣内容，骞努要黠赫p e g 2 系统簇作个麓摹静撼述。 令始e g 一2 转输滚豹产生帮结梅 烈2 1 说弱了转绕静j 援臻视音频转换走挂p 繇一2 码流兹篱蕈过秘：横频帮音 频经_ i 建模数转羧稻藿化楚理嚣，分罢g 进入毒霓频帮音频虢玛器遴抒压缩编璃，疆缩 算法遵循j s 0 i 霹1 3 8 1 8 2 及i s 0 既1 3 8 1 8 3 标准。编码器输出韵数掇流称为器始 流( e s ) ，淼始滚仅仅是编码器对褫音频遴行垂缩螽得到静一串舔始的数据，翻栗 不傲遴一多处灌翼 j 缀难嫣子传输稚发送，所以下一步就需娶对舔始流避行分缀打 毽筵蘧。潦始流经过分组并插入龟头等信怠焉褥弱分缀原始流( p e s ) 数弦包。 g 囊巍大学硕士学整论文 v 1 d 。1 一i 税频编码器| v d 。e s l - ：困6 。p e 8 1 - a 。6 。 音频编碣器| a “6 。e s l - ：j l ! ! i i j i 习a “8 。p e s l 多 节 v i 4 e 。2 l 视频编码器iv 6 e 。e s 2 一 ：! i ! ；l l ；j i 习v 1 d e 。p e s 2 - 目 复 姗。2 | 音频躺器| 舳镬硅8 2 圆硒臻一激 霜 器 l 一一一一一一一一一一一一一一一 饔2 。l 麓p e g 屹褫音频压缩遘程 广播电视系统的传输信道不可避免的存在随机误码，为了尽可能降低误码对 图像和声啻繁来豹影噙，鞋p e g _ 2 标凇定义了一耱逶会予在有谖褥环境中传邀援壤 数据豹数据流结构，郎所谓的传输流( t s ) 。传输流由个个长度固定为1 8 8 字节 的t s 包组成，其结构见液2 1 。t s 包的前四个字节为包头，其余的1 8 4 个字节用于 负载和传送其体蛇数攫，魄盎鞋被分割成一个个小数据段鲍p e s 瞧或者其德特殊葵 能的数据流。在传输过程中，如栗浆个t s 包出现了误码，由于蕻包长固定并艟较 短，就很铎易通过信道调制加入的冗余数据恢复出正确的数据，即使恢复失败也 不至于影响更多的数据。 多节强复用器可将输入的单路溅者多路视脊频p e s 包分组打包成t s 包输出。 除了将p e s 包分割成小的数据包填充到对应的t s 包之外，复用器还必须在t s 流中 两裁缝静撬入鬟予攒遴该码滚中掰壤含苇基缝搀魏猿豫绩惑黔l 。 传输流的包长度圈定为1 8 8 字节，每个包的前四个字节被称为包头信息。每 个传输流数据包的第一个字节固定为o x 4 7 ，称为同步字。除此之外，包头信息里 露还惫含个长度为l3 b i t s 静包拯谈字段( p i 彩，p d 是建寒嚣分该数据寇爨囊载 的数据流韵类型，m p e g 一2 对于p i d 的分配有一定韵规定，见表2 2 。 9 浙江大学硕士学位论文 表2 1m p e g 一2 传输流包结构 语法位数助记符 s p 。蛀辨e 虹囝 s 笋毽砖t e 8蟠m s b f t r a n s p o 瞳_ e i t o r _ i n d - c 娃t o r 1 b s l b f p a y l o a du n i t _ s t a n i n d i c a t o r lb s l b f 抛s p o 连j 疸。五每 l蜘l b f p 黔 3h i m 壹f 臼锄s p o r i s c f 啪b l i n 段一o h 讯正 2钒l b f a d a p t a 廿o i l - 行e l d j o n 舡d 1 2 u i m s b f c o n t 硒u i 移_ c 伽n 把r 4 b s l b f l 鼯趣删。珏- 蠡粕j o l 瘿o # 0 f a d 印忸t i o n j e l d j o n t r o l _ l l ) a d a p t 娟“l 6 e l d ( ) ) l 剁婶嫩i o n _ 蠡e i d c o n 拄o = o l 添d a p t 撕a 屯o 谴_ c o 确口l = j l ) 8獬醚 f o r ( i = 0 ；i n ；i 十+ ) d a 扭_ b y t e 寝2 2m p e g 一2 的p i d 分配 p i d 值接逑 o x 0 0 0 0 节目关联表( p a t ) o x o 0 0 1 条件接收表( c a | r ) e x o 2 国姆0 0 f 绦餮 0 x 0 0 1 0 可被分配为节目映射表( p m t ) 、服务信患液( s i ) 、 原始流等信息的p i d 0 x 1 f f e o x l f f f 空包 夺m p e p 2 传输流中的p s i 器e p 2 定义鹣黠i 薅惑霄| 宝圭使释秘嚣纛薅褥到褐滚中掰包含节嚣豹鼗藿戳及 每个节日所包含的视音频溅其他私有数攒的p i d 。在传输流中，p s i 信息被分成4 类表结构，篡p i d 有特殊的舰定，如表2 3 所示。 0 浙江大学硕士学位论文 表2 3m p e g 2p s i 的p i d 分配 程序特殊信息表名称p m 定义描述 节目关联表( p a t )o x 0 0 0 0 定义节目号和p m t _ p 之间的关联 节目映射表( p m ，r )由p a t 定义定义节目中包含各原始流的p i d 值 网络信息表( n i t )由p a t 定义定义网络参数 条件接收表( c a t ) o x o 0 0 1 定义各e m m 流对应传输包的p l d 值 根据i s o i e c l 3 8 1 8 1 的定义p s i ，信息是以分段s e c t i o n 的形式出现在传输流 中的。一个p s l 分段的长度最大为1 0 2 4 个字节，如果p s i 表的长度大于1 0 2 4 字节则 可分为多个分段。i s o i e c l 3 8 1 8 1 为每种p s i 信息的分段都分配了一个长度为 8 b i t 的固定标识号( t a b l e _ i d ) ，见表2 4 所示。 表2 4m p e g 一2p s i 的t a b l e i d t a b l ei d 值描述 0 x 0 0 节目关联表分段 0 x 0 1 条件接收表分段 0 x 0 2 节目映射表分段 o x 0 3 o ) 3 f 保留 0 x 4 0 o x f e 用户私用 0 x f f 禁止 如表2 3 和2 4 所示，i s o i e c l 3 8 1 8 1 专为条件接收系统定义了一个数据结 构，称为条件接收表( c a t ) 。c a t 表索引出了在码流中存在的各种条件接收系统的 标识号，并且提供了各c a 系统e 啪流的p i d 及其私有数据之间的关联，c a t 的结构 见表2 5 。 表2 5 中的d e s c r i p t o r ( ) 是c a 描述子，其结构见表2 6 ，它专用于条件接收系 统中e 姗或e c m 信息的描述，其中c a s y s t e 叱i d 标记了当前描述信息所对应的c a 系统。根据i s 0 i e c l 3 8 1 8 1 规定，该描述子可以出现在c a t 或者p m t 中。如果该描 述予存在于c a t 表中，则是用于描述条件接收系统的整体信息，数据结构中的 c a _ p i d 是指传输该系统e 姗信息包的p i d 值：如果该描述子出现在p m t 中，则说明 该p 婀所对应的节目是加密的，描述子中的c a p i d 是指传输与该节目被加扰原始 流关联的e c m 信息包的p i d 值。 疆拉大学磺士学垃论文 表2 5 条件接收袭c a t 的结构 语法 俄数助记符 c a 姆嘣。n o t a b l ei d8u m 曲f s e “i o r l s y n t a x _ i n d i c 纠c o r 1b s l b f 0 1b s l b f f e s e r v e d2b s m f 踞e 嗵融b g 盘 1 2撼“辖b f r e 8 e r v e d1 8b s l b f v e 瞄i o nn u m b e r su i m s b f c l l r r e n tn e x ti n d i c 黜lb s l b f s e 娃1 0 nn l 豫由e f 8u 溉s b f l a s ts e c 缸o nn 蚴b 棼r8u l m s b f f o “i = 0 ；i n ；i + + ) d e s c r i p t 0 “) 3 2 憎c b c r c 3 2 ) 表2 。6 条转接收描述予c 丸e s d p t o r 螅结鞫 语法 位数驹记符 c a d e s c r i p t o “) d e s 嘶p t o l 魄 g试掘s b f 泌s 蚺) t 。f _ l 鳓 s u i m 曲f c 氛艘嫩j d 1 6u i m 曲f r e 8 e r v e d3b s l b f c a j i d 1 3u i m s b f f o 扣o ；l n ；i + + ) p 癌v 卿越& b 澎 8u i l h 曲f 2 2d v b 标准对条件攘收的支持 瓣器耘壤在瓣躲一2 豹鏊磁上黯象薛接羧熬握絮终了筑毒乏，具髂媳会戳下忍个 方面： 审明确加扰标识位的含义 鹱p e 2 在憨滚包头、p s s 滚包头佼矍颡整了溅令凌特匏秀羹撬稼谖绽 浙江大学硕士学位论文 ( t r a n s p o n s c r a m b l i n g c o n t r 0 1 ) ，但并未具体规定这两位的意义，d v b 则对此 做出了明确的规定，具体见表2 7 。 表2 7d v b 对s c r a m b l i n g _ b i t 的定义 数值 描述 0 0未加扰 o l保留 1 0当前包用偶密钥加扰 l l 当前包用奇密钥加扰 上表中的奇偶密钥并不是指实际意义上的奇偶，而只是为了区分当前有效密 钥和下时段的有效密钥。因为加密控制字c w 在不断的刷新，为了避免在控制字 切换期间出现错误解扰，d v b 规定c a 系统必须在传输当前密钥的同时也将下次 的密钥预先传递给接收端。如果当前密钥是奇密钥，那么下一个密钥就是偶密钥； 反之亦然。 夺添加c a 信息表( c m t ) 的定义 众所周知，c a 系统中最关键的信息就是e c m 和e 删信息。d v b 规定，这两种信 息在t s 流中的语法遵循c a 信息表( c 舭) 的定义。根据c m t 的描述，机顶盒可以过滤 出e c m 和e 删信息，c m t _ s e c t i o n ( ) 的定义如表2 8 。表中的t a b l e - i d 指示出该表所 含内容的类型，其定义如表2 9 ，从表中可以看出0 x 8 0 和o x 8 l 的c m t 用于传送e c m 信息，这两个t a b l e _ i d 的变化指示出t s 流中e c m 的内容发生了变化，也即控制字 c w 发生了变化。 表2 8c a 信息表的结构 语法位数助记符 c a _ i n e s s a g es e c t l o n o t a b l 9 j d 8 u i m s b f s e c 廿o n s y n t a x j n d i c a 协r 1b s l b f r e s e r v e d3 b s l b f c a s e c t i o n j e n g f h 1 2u i m s b f f o “i - 0 ；i 。s 矗s 根据s 赫s 传送过来豹节嚣订阕藩怠缓成稿斑静转黼信惠，嚣辩 s a s 生成的业务密钥s k 对控制字c w 加密得剿e c m 信息，洲、e c m 通过褥复用器和输 入的节目码流笺合在一起，复用后的码流经过信道调制、上变频等处理居送入广 骚网络。 在用户接收端，t s 流在解扰前首先缀过解复用操作将码流中的节目特殊信息 ( p s i ) 以及e 嘲、e c 蛆等信息提取出来。发送端对码流遴行了由底层到上层的三级 蕊密操作，骄皴在接毂端驰解挽操俸就需要麸最上层国羧底层静运缀解密。枫顼 盎不断从收到的t s 流中搜索匹配的授权信息，当机顶窳捕获到对_ l 藏的e 删后便可 用智能卡中存储的p d k 对e 删释密褥到正确麴s k ，通过s k 从e e m 解出j 】三确的e w ，进 两使魇穰矮鑫静解虢模块完成对码流静辩撬。 2 。2 。2 同密技术 为了增强备c a 厂商之间的兼容性融及维持市场的公平竞争健，d v b 在遵循 m p e g 一2 数据传输和复用技术的基础上，定义了同密标准( s i 硼u 卜c r y p t ) ，该标准 搜褥不曩厂麓豹c 矗产磊可戳在弱一拿数字邀撬系统中逡行，势显共攀弱一拿转戆 流加扰器。在同密系统中，不同的c a 产鼎在码流加扰屡都采用同样的加扰算法， d v b 推荐采用公共加扰算法( c o m m o ns c r a m b l i n ga 1 9 0 r i t h m ) ，该算法的技术规 范交器s i 警褒，镬爱者必绥秘鼹s i 签定绦密资议并支键一定豹藏较赘。阉薅，冀8 1 6 溪茳大学硕士学霞论文 也规定了同密系统c a 储息的数据格式，系统中的镣个子系统都必须遵循统一的数 据交换协议。除了羁滚期撬采用羁撵兹算法，控铡字趣密以及娩务密钥懿热寮算 法则由各c a 厂商自行邋定，并且e c 辘、e 蕊信息的传输和管理机制也由厂商裔行决 定嘲。 夺嗣密系统瓣发送瓣绻构 同密系统允许多个不同的c a 予系统并存于一个网络，每个予系统要求聚用同 样的的加扰算法来对娼流进行加扰。这样所有黧统可以共事控制字信息，但是 e c 髓、鞫糕傣患由每个蓉绫各妻产生，劳显递过一个统一调度橇毒来蛰键簿令激 系统的工作。图2 4 鼓示了个典型同密的前端络构，该结构包含了两个c a 系统， 多个c a 系统并存的情况可以依次类摊。 掌 件 调 发 系 统 e i s 节霄调度信息 l 节秘，数据广播 c a s 】授权调度信息 服务器 c a s 2 授权调度信惠 同步调度信息 e m m g t e m m g 2 e e 獬g 1 e c m g 2 间步控翩器 s c s 撩制字发生器 c w g 勰 图2 。4 周密系统前端络橡 复 用 器 田x c w 同 密 加 撬 嚣 在结构图中，事件调度系( e i s ) 负责处理和协调整个系统所有的时间信息， 如节目播出顺序、c a 信息的插入时刻等。在实际系统中e i s 不一定存在于个独 立黎设备中，它可瞵激据需要分蠢在不霜羲蘩蘧鼙元殴及系统模块中，著哥夔巍 系统其它部分进行数搬通信。同步控制器( s c s ) 撼同密系统的核心部件，它在系 统中负责角翠决不同c a 供应商e c m 信息_ 萃【：i c w 之间的同步问题。由予控制字e w 以很快 戆速痊( 一般是3 o 秽) 改交，各个c 矗系统豹鼗掇处理速疫不尽程同，各个系统 1 7 辩强大学硕士学位论文 对c w 加密厢得到的e 侧就不一定能同时被复用到最终输出的t s 流。因此，一个准 确套效熬闲步掇割燕弱蜜系绞能够取褥或功翡羧零保证。 专同镒系统的接收潲结构 采用同密标准的c a 系统通常需要机顶盒把码流解扰模块固化在机器内部，而 溉、e 瓣薅怠靛鼹塞帮分燹蓑要搜弱与氍疆鑫鼷熬套蕊智裁卡瓷竞或。一个凝鍪 的同密机顶盒韵结构如图2 5 所示。 图2 5 同密机顶盒的结构 在机顶盒内来，自卫星信道、宥线电视信道或者地面广播的射频信号经过高 频头r f 鼗解镶秀零s 浚，鳐复矮器辩羊s 滚串豹p s i 翁意进嚣簿褥并麸中疆取国囊兹 有效智能卡所对应的c a 系统的e 删、e c m 信息；提取出的e 脚、e c m 信息通过机顶盒 的智能卡接口被送入智能卡进行解密；如果此锻能卡具有合法授权并且没有过 蘩，虽l 撬矮鑫便胃琴l 溺卡瘫r 0 辩繇存糖静p d 嚣簌e 勰僚怠歪雍解蜜爨随，并逶稀通 过s k 从e c m 解出当前的c w ；通过智能卡接口，c w 徽送入同密解扰器，并被用来对 相应的节目数据进行解扰：解扰后的节目数据经过m p e g 一2 解码器的解码操作便可 褥虱最终懿褫音频蕊号。 从以上的分析可以看出，智能卡在同密系统中有着举足轻慧的作用，系统的 所有秘密都存储在其中，智能卡的安全性直接关系到整个系统的安全性。 2 2 3 雾密技术 在弼寮技术孛，鹚滚靛艇撬模块嵌入在辊璎蠡凌蘸，嚣授投密镊毯溅秘鞋e 蘸戆 解密则通过外部可更换的智能卡慕完成。区剐于嗣密系统，d 隅还定义了多密标 蠢菠大学硕士学垃逢文 准，该标准的核心思想是“机卡完全分离”。所谓机卡完全分离是指机顶盒内部 不盛萤鸯矮餐簿挽攘块，获舂戆蜜锈簸蜜竣及璐淡缎撬工佟郡怒透过在壤瑗鑫上 带的一个称为“公共接口”( c o m m o ni n t e r f a c e ) 飙埘的标准接姻上插入由厂商提 供的解扰模块来完成的。 夺多密系统戆发送臻缝筏 多密系统发送端栩比于同密系统要简单一些，这是因为多密系统中的各个c a 系统都怒独立运行，它们之间并不黼器象同密系统那样的同步机制。一个典溅的 多密系统发送豢缝稳麴强2 6 藤示。 【焉薹嚣h 姒系统p i 据服务器li i 一1l 复 l 焉蓉嚣h 嘶统zp 用 i 据服务器2 一l 器 ! i! | m u x i 曩嚣h 姒系统np j 据服务器nf l l 嚣2 。6 多蜜系统蘸端结搦 以上多密系统中，每个c a 系统模块实际上都究整地包含了各自的c w g 、e c m g 、 e 删g 、加扰器以及授权控制和授权管理等部分。由于每种c a 模块来自于不同的供 瘟毒，嚣攒：翔援熬密雾法戳及整韬控鞠繁密并不定穗嗣。系统中不露静繁秘可 能由不同的c a 模块加扰，加扰后的t s 流在复用器内被合成路码流输出。 令多密系统的接收端缡构 区爨予丽密系统，多密系统菠鸯鹣密锈簿密彀数据流释筑搽捧都是敖在褥撬 模块中进行的，解扰模块通过公共接口c i 与接收端机顶盒相连。系统所有的秘密 都被存放农解扰模块中，原始码流被嘉接送入解扰模块。根据用户的授权情况， 释魏模块将对选中馥节瓣遗于亍解孰，解箍君豹鹚流仍然通过e i 缓日返霞税琰盒。 图2 7 说明了一个多密机项盒的撼本结构。从图中可以看出，公共接口c i 在 解扰模块和枧顶盒主枫之闻起到了数据双向传输的桥梁作用。公共接口e i 实际上 由两静递辚接口掏戒：繁静是霉s 流攘嗣，用戳俺簸解挠前稳解扰后静t s 流；第 浙江大学硕士学位论文 二个是控制命令接口，用以传输解扰模块和主机之间的指令。 在多密系统中，用户通过机顶盒遥控器选择希望收看的电视节目，被选中的 节目信息通过控制命令接口通知给解扰器，解调得到的传输流则通过t s 流接口传 送给解扰器。在解扰器中，e 、e c m 提取模块从输入码流中提取出属于该用户的 删信息以及对应节目的e c m 信息，然后通过密钥解密模块解出c w 。晟后，码流解 扰模块利用c w 对选中的节目进行解扰。 口c i - 一 i 图2 7 多密机顶盒的结构 很明显，在多密系统中，所有的解密操作都是在解扰器中完成的。攻击者很 难对密钥信息进行监测。公共接口c i 必须保证t s 接口和命令接口的紧密配合，这 样才能使解扰器按照要求正确地解扰出用户希望收看的节目。 2 2 4 同密和多密的比较 上面的两个小节分别对同密系统和多密系统的发送端、接收端以及基本原理 进行了论述。通过深入的比较和研究，我们可以看到同密和多密的区别如下： 夺同密系统的出发点和立足点是各c a 子系统共用一个码流加扰算法，并且使用 相同的控制字c w 。而对c w 、s k 进行加密的加密算法，以及加密后得到的e c m 、 浙江大学硕士学位论文 e 咖信息的管理和传输策略则分别为各个c a 子系统的私有部分。多密系统中 的每个c a 子系统则完全独立采用各自的加扰、加密算法，子系统之间无需共 享任何关于加扰加密方面的信息。在同密系统中，一旦一个c a 予系统被破解， 那么其它的c a 系统也相继无效：而多密系统中则不受此影响。因此，多密系 统的安全性要高于同密系统。 夺同密系统前端需要协调各个子系统来同步使用控制字c w ，多密系统前端则不 需要考虑各子系统之间同步问题，因此，同密系统的前端结构较多密系统复 杂。 夺同密系统接收端机顶盒通常会把同密解扰器内嵌在机顶盒内，而机顶盒的身 份确认以及e c m 、e 姗的解密运算则在外部智能卡内完成。一方面，可以大大 降低机顶盒成本，但是另一方面，由于智能卡和机顶盒之间频繁地交换密钥 信息，这很容易使非法侵入者获取攻击样本，从而降低了系统安全性。 夺多密系统接收端机顶盒则无需在机顶盒内部嵌入任何与解扰、解密有关的模 块，机顶盒只需带有d v bc i 接口插槽即可。相比于同密系统，多密系统方便 升级，并且具有较高的安全性，但是成本也会比较高。 2 3加扰及加密过程研究 2 2 2t s 流加扰研究 c a 中的加扰过程主要利用c w 控制字完成对t s 流的加扰，使得未经授权的用户 无法观看到正常的节目。其中c w 一般由伪随机二进制序列发生器产生，循环周期 长、随机性强的伪随机控制字序列可以大大增强系统的安全性。与此同时，如何 利用控制字序列对节目数据进行加扰也是系统成败的关键。 目前，d v b 已经专门制定了公共加扰算法( c o m m o ns c r a m b l i n g ) ”3 ，并推荐用 于d v b 的同密系统“。为了合法使用该加扰算法，用户必须和d v b 组织签订保密协 议并且交纳一定的版权费。事实上现在很多商用化的c a 系统都有自己专门制定的 一套加扰策略，具体算法的细节涉及商业机密，我们不得而知。不过，通过分析 和研究，我们可以从复杂的加扰算法中提取一些基本的操作，商用化的加扰算法 浙江大学硕士学位论文 无外乎就是对这些基本的操作进行更为复杂的交织和组合。 由于m p e g 一2 码流本身就是一连串二进制数，所以我们很容易利用控制字序列 对这些二进制数进行各种各样的变换操作，这些变换不但包括对数据值本身的变 换，也包括对数据在码流中的位置进行改变。数字电视的c a 系统统常会将这两种 方法结合使用从而增加变换的复杂度。下面就几种基本加扰操作作详细分析： 令比特流变换 在模拟电视的加扰中，一种常用的方法就是对模拟视频信号电平进行随机的 反相处理以达到加扰的目的。在数字电视中，我们同样可以借鉴此类方法。由于 传输流是由二进制数据包组成，所以我们更加便于用数字电路实现对数据的变换 变换，方法已不仅仅限于对数据进行反