（信息与通信工程专业论文）数字电视条件接收系统关键技术研究与设计.pdf

国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1t s 流语法结构图6 图2 2 节目流和原始流的映射关系7 图2 3 同密条件接收系统结构图1 1 图2 4 多密前端系统框图1 2 图2 5 基于d v b ct 接叫的多密接收端框图1 2 图3 1 数字电视条件接收系统结构图一1 4 图3 2 加扰模块逻辑结构图，1 7 图3 3 包头检测流程1 8 图3 4e c m g 结构图，2 0 图3 5e m m g 结构图，。2 1 图3 6e c m 播发时序图一2 3 图3 7d e l a ys t a r t 和d e l a ys t o p 2 3 图3 8 事件重新排列2 4 图3 9 机顶盒端解扰原理框图2 5 图3 1 0e m m p i d 解析流程2 6 图3 1 le c m _ p i d 解析流程2 7 图4 1 基于用户分组的四级密钥分配体制的密钥树3 2 图4 2 用户删除时的密钥更新图3 4 图4 3 动态c a 系统前端密钥更新框图3 6 图4 4 授权删除信息播发流程3 7 图5 1d e s 算法流程图4 0 图5 2 选择压缩运算s ，4 2 图5 3 子密钥生成原理框图4 3 图5 4s 盒实现框图4 4 图5 5d e s 算法流水线实现框图。4 5 图5 6 子密钥延迟控制原理图4 6 图5 7d e s 算法加密仿真结果4 6 图5 8d e s 算法解密仿真结果4 6 图5 9 产生密钥e 的流程图5 0 图5 1 0c s a 加法器结构图5 4 图5 1 l 算法5 4 的硬件实现结构5 4 图5 1 2 算法5 5 的硬件实现结构5 6 第j v 页 国雾料掌技术囊强确戈叫嘉i 舌矗奎 是譬 孙裂熬囊二g 峭羹孙i 蜓删蒜嚣嚣矧麓蠼喇溪采霄憎习渐；籀儒置圈图蟊瓣鬃嗤；巍鹾 薹酾鞠剧鞯l i i i 嚣；x 董荔攀氢雾墅蘸冀蒌嚣囊鬻篓藿t 坌罡明照蕈 耋量薹踺譬撼阳秘! ；鏊j ! i ；薹璧警二峨嗡璧暨势第鳓颞鼠誊鞫氇茧崩霸戮孤戮! 鞭弱酣；知f g 雾；亨j i 蠹岳罄鹏滞猫醚黯! ；| 嚣i 蠹h 薹：| 如并袜豉器每；i 癌咱谚州公是琵譬翱嗡，鼹竣；i 望国霪! 霸弼彰冀船z 墅霎 凯黼蕊戮藤i i j 拶= 瞄稻怒蓄；诗塌鬻蠖滔偿。隧霜鄱涮蛰一粕! 冀# 妻赢疆警i 瑟i 耋； j 强霹强蓬薹羹笋荔曩鬟掣曼ii ? ! ；! i ；籍荆戮矾霸裂熏强熏。誊雾曩i 霉蕊霆釜；琵礴鞠 说垂聪薹黧懑嬲蟠登囊囊霎| 爹i 囊隧簌；瓢酸窭爱攀雕到瓢妫裁鬣基霪l ；i i 蠡警甏骜懿瓤 手彭磊龚雾。叠馐霪| i 墅- j j j j j j ! = 喜= 妻墓霎塞要篓妻篓 垂蠹要薹鼍菡固o o - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 羹耋鎏囊季蠢圣；篓璧矍摹蚕雾薹鋈篱：夔妻鏊妻 羹鑫霎窆羹霉i 冀霎瑟篓冀鬻v 蘩孽i 自螺醚臻翟；溺r 露枇赶= 垂零叁固麓翅i 萋醐渺醐湃 斟；删缎晗铋“嗣蛾鞭婚粤琴鹾i 羧震j ；蕊凑曩滢溪嚣鬟羲获譬誓麓篓葫。蕊藤。蒌文 一蕊掣氯文瓤戮瓦奠i 碍鼍! 露i 醪i 珏萏弱鞠骚麓。篓蒿爨美警筮誓黔暨一b 碧器 黧烈剿燮雾燮舞t 惫蚤i 遗瞪i 国；一臻港哮铲薮l 缒瞄翰麴朝珀妇! 巨隆簌融戮誊函 裂誊一篓戮簌吲套虹霪；笛萋；冒：譬憝融氯辆褡斟匿艮联赫塞雾氅瑟l 篓 露。逐堑矮露竣强骣i i 霸；拶黧鬟霉肇咎纂器蔫懑嘲禳曩萋豢文j 词罐滢蕊爵i 豹醢瓢 骶婴眇秘弘囊糊j 三i j i 妻i 垂萋要耋嚣羹差善誊善 三察趱囊菱霞扬雾塑 x 龌防秘学技术大学疆究生黢l ：学矮圭学佼论文 第一章绪论 1 。1 数字电视概述 数字电视国语t a l k v i s i o n ，d t v ) 是将传统躺模拟魂视倍母经过抽样、熊化鞠编码转 换藏二遗潮数代表鹣数字信峰，然瑟避嚣器释凌能靛楚疆、传输、淑录和荐镄的一静全数 字处理过程的端到端系统。采用数字技术可使各种电视设备获得比模拟电视设备更高的技 术缝麓，溺对还蒸备了模季荻设备无法实瑷静功靛。数字电裰俸为一静金薪鹃广播方式耨成 为模拟电视鳃继承者，并将逐渐替l 弋模拟魄视露黢兔寒潦宅视瓣理想设备。它其鸯诲多谯 点，如可实现双向交互妲务、抗干扰能力强、频率资剿闱率高等，它可提供优质的电视圈 像蒂更多的视频服务( 如交眨电视、远程教育、会议泡褫、电毫嫩商务、影视点撩等) 【3 6 j f 3 9 1 。 随着广播电视的全颟数字化，传统愈裰媒体将在技术、功能上逐步与信息、邋信领域 鹣簇宅手羧穗要聚合，澎蔽了全瑟鹣、魔大静数字奄程产盈。这凝兴产监穗g | 怒广泛鹣 关注，各发达国家根掘囱己的图情，分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方察和产业 嚣栎。数字毫糕被各藿攫淹掰整纪黪藏臻援术，袋为继魄信弓l 鬃 苫之嚣豹又一大“燕点”。 穰靛世界上已藻本形成了三黏不艘豹数字广播电视标准：焚謦瓣a t s c ( a d v a 翦。c d 髓l e v i s i o ns y s t e mc o m m m e c ，先进电视制式委员会) 、欧溯的标准d v b ( d i g “a l 、，i d e o b r o a d c a s t i n g ，数字视频广播) 、同本的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i d i g i t a lb r o a d c 瓣i n g ，综合 渡努数字广播) 掣j 。 我鏊在遮方疆毫骰了熬卓鸯戒效懿王季# 。2 0 0 3 筝矮发了篷家篱卡令五年诗蘩秘 2 0 1 0 年广播科技远景计划，对我国数字电视的全面发展做出了规划；相继在一必城市和 地嚣开暹了数字广播毫疆业务：是了在撼恣上不嚣藏搂羧毫援郡样受裁予人，也鬃在裁定 其蒋自主知识产粳的数字电援标准，现程矗有清华大学酾上海交懑大学两套她霹魄视广攒 备选方案，缀抉藏霹籍制定国自己的数字魄视标獠 ”】；戳上这些举措无疑体现了中国政府 发展数字广播泡视的巨大决心。 条件接收( c a ，c o 聪强o n a la c c e s s ) 系统律为数字电视产妲发鼹豹三文关键技术【3 q 。 1 1l # 秘 一 龉 戗a净藏 证监净耩 毽头 净耩 一一一一一一一一一 一、 传送谮谡 仃效负 嗣班7 竹城起蚺 输优传输加扰自适戍控 连续谢赣器自适应字段 r w i先燎控制制字段 r 示器 h l l i ：l 。z 一一丁 一一一一一一 、 适心字段k 鹰 | 墟续撕_ ；1 器黜机控 指球辨摊她溉优先级指乐器5 个标志可进字段 填兜字节 l | 棱递减计数砖送私j j 弛搬瞬度悻输鞋用截据适斑亭段扩展长度3 十标忠 可避字教 强2 。 t 8 滚涟法缩稳雪 传输溅楚竣t s 色麴格式掏袋夔跑特数爨漉。p 嚣s 分缀被分段存放于t s 包中，零s 毯 第矗荻 篱稼番莓学技零大学磷炎生酸 ：学联圭学位论文 怒长黢淹1 8 8 字节，分隽趣头霸浮撼。砖输滚溪法辩鬟2 。l 鼷示。每令善s 惫浆戆靼个字节 被称为包头信息，每个t s 包的第个字节网定为o x 4 7 ，称为同步字。除诧之外，俄头倍 息墨还毯含个长痰为1 3 b i t 的魍榕淡字段( p d ) ，p l d 用来逸分该数懿包掰受载戆数据 流的类鍪。m p g 琶2 在传输滚鬯头巾颈整了掰个篦特传为该数据包的黼挠标谖，m p e g 。2 虽然颓鳐了这两位，但仅规定遵箕数菹为“o o ”是表示米加扰，两并寒对其京三种情况徽 蹬爨俗麓烧定。蛰v 转括准补充莠究蛰了逮两个标谈镶鑫擘禽义，这一点姆在嚣瑟俸窭滗爨。 宾逶魔字段在p e s 分组不够填满熬个倦输包融被勰在p 甚s 分组的翦露。净骛怒1 8 8 字节中 除去龟头詹的剩余部分，它束囱p e s 分组、p s l ( p r o g r a ms p e c 诿ci n f o 撇a l i o n ) 部分躐私 有数掘的连续字节，可赋予任何值 2 1 2m p e g - 2 巾酌p s l 信息努誊嚣 m 残8 2 宠义的p s l 信息p j 可以搜瓣羁嚣蔗确褥劐弼流中所包含节嚣的数蹙以及簿个 节鼠昕包含的视音频谶其它稻鬻数据静p i d 。主簧包攒繁鼙褥关表( 剃漫，鳓a s s o c i a t e 强b l e ) 、节霉跤射焱( p m t ，p r o g r a mm 弩i a b l e ) 、祭 牛接收表( c a t ，c o n 敬i o n 8 la e s st 娃b i 、 网络倍感袭烈i 善，n 罐w o 矗i n 孙渤髓i o 蕺巍b l o ) 簿。这因个表瓣p l d 取繁淡定辩袭2 1 掰示。 表2 p s i 韵p i d 分聚嶷 在传送流中，可能含有一个视频嚣s 和多个音频e s ，对这些节目和e s 的标识是通过 秘糅箨p m 羊黎努瑟瓣，其缝稳如蘧2 2 舞示，麟 爨p 狱茧淡一定熬爨麓在臻送滤中传送， 当解码器接收到鼢i t 后，根据袭中的内容瓷搬节嗣对艨的pm j r 豹p i d ，然藤，当麓码器 缓毂劐冀育浚p 国标淡翡p 醚下辩，蕊建壤凝袭中蠹察焱斑秘淀苓嚣静援频秽费颁鐾s 对应 的p i d 。解硝嚣可根据这些p i d ，从传送流中分别提趣褫频和音频数獭流。 测22 誉爨漉秽嚣始漉的跤辩燕系 校攥i s 饼i e e1 3 8 1 8 。l 的意义，p s l 信息怒以段( s 蝴i o n ) 的形式鼢鞋在传输流中的， 令p s | 分段熬长瘦浸大鸯l 虢4 个字节，麴豢p s 表鹣长痰夫子i 0 2 4 字节，爨| j 可分必多 个段，i s 踟e c1 3 8 1 8 。l 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 啦l e 转，鲡淡2 2 溅示。 l s 例i e e1 3 8 l s ，l 专为c a 系统宠义了一个条件接收表( c a ：r ) ，蒺语法结梅翔袭2 。3 嚣7 硪 国防科学技术人学研究生院l ：学硕士学位论文 所示。如果对在一个t s 中任何原始流进行了加扰处理，那么在t s 中一定要插入c a t 。 c a t 表的p i d 值固定为o x o o o l 。表中部分字段的含义如下： 表22p s i 的t a b i e _ j d 取值列表 1 曲l ei d ：对于c a t ，该字段置为o x 0 1 ； s e c t i o ns v n t a xi n d i c a t o r ：对于c a t ，该字段罱为1 ； s e c t i o n j e n g m ：前两位露为o o ，表示字段的字节数，包括s e c t i o r l - l e n g 出字段和c r c 字段。 s e c t i o nn u m b e r ：该字段表示c a t 的分段号码。c a t 的第一个分段号码是0 x 0 0 ，以 后每附加一个分段将加1 ； l a s ts e c t i o nn 哪b e r ：该字段规定了c a t 的最后一个分段号码。 d e s c r i p t o r ( ) 是c a 描述子。 表23 c a 丁语法结构表 2 2d v b 标准对条件接收系统的支持 2 2 1c a 消恩录 c a 系统中最关键的信息就是e c m 、e m m 信息，e c m 、e m m 的语法均遵从 c a m e s s a g c s e c t i o n ( ) 的语法定义嘲。c a _ r n e s s a g c - s e c t i o n ( ) 的头部能够用于e c m 、e m m 的 过滤。d v b 对c 柚l e s s a g e s e c t i o n ( ) 具体描述如表2 4 所示。表中部分字段的说明如下： 表标识符t a b l e j d ：耿值如表2 5 所示。 段句法指标( s e c t i o 札s y n 伽【_ i n d i c a t o r ) ：l b i t 的指示符，置为o 。 招8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表2 4 c m t 语法结构表 c a 段长度( c a s e c t i o n _ l e n g t h ) ：1 2 b i t 字段，表示从s e c t i o n _ l e n 舒h 字段直至段结 束的字节数。 c a 数据字段( c a d a t l b ”e ) ：以8 b i t 为单位的字段，用于传送私有c a 信息，前 1 7 个c a _ _ d a t a _ b ”e 可用于地址过滤。 表25 c a 信息表中t a b i e l d 取值分配表 从表2 5 可以看出，t a b l ei d 为o x 8 0 和o x 8 1 的c m t 用于传送e c m 信息，这两个 t a b l ei d 的变化指出了t s 流中e c m 数据的变化。本文选取0 x 8 2 和0 x 8 3 作为传送e m m 信息的c m t 的t a b l ei d 。 2 2 2c a 有关的描述符 d v b 定义了三个和c a 有关的描述符，它们分别是c ad e s c r i p t o “) 、 c a _ i d e m i n e r d e s c r i p t o r ( ) 及c a s y s t e m _ d e s c r i p t o r ( ) 。其中c a s y s t e 】m _ d e s c r i p t o r ( ) 被 d a v i c 用柬备用【6 】。 l 、条件访问描述符( c t d e s c r i p t o r ( ) ) 表2 6c a 描述符语法结构表 条件访问描述符用来表示含有e c m 或者e m m 信息的t s 的p i d ，即c a _ _ p i d 。其语 法格式如表2 6 所示。条件访问描述符描述条件访问管理信息( 如e m m ) 和原始特殊流信 息( 如e c m ) 。表中部分字段的含义如下： 描述符标汜( d e s c r i p t o r t a g ) ：取僮为0 x 0 9 ； 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 c a 系统标识符( c a s y s t e m j d ) ：表明提供e c m 、e m m 等条件接收信息的c a 系 统类型。存d v b 规范中，c a s y s t e r n i d 字段需要注册，以表示不同c a 系统的分类符。 c a s y s t e r n _ i d 字段中使得特定的机顶盒可以方便地滤出相关的为c a 信息。 c a p i d ：表示包含e c m 、e m m 信息的传送流的p i d 。c a _ p i d 所在的表不同， c a p i d 所指示的内容则不同。当c a d e s c r i p t o r 出现在c a t 中时，c a _ p i d 指向传输流中 的e m m 流。当c ad e s c r i p t o r 出现在p m t 中时，c ap i d 指向传流中的e c m 流。 2 、c a 标i = 描述符c ai d e n t m c r d e s c r i p t o r ( ) 表27c a 标识描述符语法结构襄 d v b 对c a 标识描述符定义如表2 7 所示。表中的描述符标签d e s c r i p t o r t a g 在d v b 中保留为o x 5 3 ；描述符长度d e s c r i p t o r - l e n g t l l 表示从紧跟其后的字段直至描述符结束的总 字节数；c a s y s t e l i d 表示c a 系统的类型。 此描述字并不包含在任何c a 控制功能中，它用于i r d ( 综合解码器) 的用户界顽软 件中，它能指出一个服务是c a 控制的，并表明使用的是那一种c a 系统。 2 。3d v b 条件接收系统规范 d v b 组织对数字电视的信源编码、信道编码、服务信息和解码器接口等方面制定了详 细的标准，但由于条件接收技术涉及到商业秘密和利益的问题，所以d v b 组织已达成共 识，不对c a 系统指定标准，只提供一种规范，使同样的d v b 解码器支持不同的c a 系统。 2 3 1d v b 加扰算法 m p e g 2 标准中不推荐任何具体的加扰算法，只规定了加扰方案的框架。但是，世界 范围内主要的数字电视规范已经规定和推荐了一些有效的算法【6 l ；欧洲d v b 中规定了通用 加扰( c o m m o ns c r a b l i n g ，6 4 位控制字) 算法：美国一个规范中使用的是3 d e s 算法( 1 6 8 b i t ) 。 通常，使用标准或推荐的算法是最好的方式，可以到大多数厂家的支持。通用加扰算法规 范可通过e t s i 组织获得，由于加扰算法涉及到的细节与广播信号的安全性密切相关，规 范是不公开发表的，只有签署了严格n d a ( n o n d i s c l o s u r e a g r e e m e n t ) 的公司才可以得到。 2 3 2c a 系统的两种实现模式 1 、d v b 同密技术 为了增强各c a 厂商之间的兼容性及维持市场的公平竞争，d v b 定义了同密标准。在 同密系统中，不同的c a 产品在码流加扰层采用同样的加扰算法，d v b 推荐采用通用加扰 算法。同时，d v b 也规定了问密系统c a 信息的数据格式，系统中的每个子系统都必须遵 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院_ i ：学硕士学位论文 循统一的数据交换协议。除了码流加扰采用同样的算法。控制字加密以及业务密钥的加密 算法则由各c a 厂商自行选定，并he c m 、e m m 信息的传输和管理机制也由厂商自行决 定。 图2 3 显示了一个典型同密系统的结构。该结构包含了两个c a 系统，多个c a 系统 并存情况与之相似。两个c a 系统采用相同的加扰算法来对码流进行加扰，共享c w 信息， 但e m m 、e c m 信息由每个系统各自产生。 图23 同密条件接收系统缩构图 在发送端，条件接收系统l 和2 同时对进入复用器的所有节目进行条件接收控制处理， 所产生的e c m l 、e m m l 和e c m 2 、e m m 2 信号数据流与节目数据流复合后一同传送给用 户。在接收端，接收机1 中集成有条件接收系统1 的予系统，它能够接收并解密条件接收 系统l 的授权信息e c m l 和e m m l ，接收到1 的授权节目；而接收机2 集成有条件接收系 统2 的子系统，只能接收2 的授权节目。 同密技术下，相同的c w 在不同的加密算法下产生了不同的e c m 和e m m ，但由于标 准化了加解扰算法，使得不同的c a 系统可在相同的加解扰器上工作，这有利于共享节目 资源和服务，促进c a 系统生产商的合作。不过，由于一款机顶盒一般只能捆绑种c a 系统软件，这意味着用户或有线运营商更换c a 系统就必须更换机项盒。 2 、d v b 多密技术 多密技术是指一台机顶盒能够接收不同c a 系统节目的技术，多密技术是从用户端来 实现条件接收功能。其基本思想是：将解扰、解密等需要保密的功能集中在一个可拆卸的 c a 模块中( p c ) 卡，机顶盒功能趋于通过化，只包含调谐器、解调器、解复用器、解码 器等设备。机顶盒与c a 模块之间定义一个通用接口( c o m m o ni n t e r f h c e ，c i ) 来连接和 通信。多密技术下，有线运营商发出由各自的c a 系统加扰后的t s 流，在用户终端，只 要在机顶盒的c ij 二分别插e 对应的c a 模块，就可以收看这些节目。 ( 1 ) 多密系统结构 图2 4 为多密系统标准框图。在发送端，节目提供商提供的第1 套节目由条件接收系 统l 加扰，经调制后传输。节目提供商提供的第2 套节目由条件接收系统2 加扰，经调制 后传输。在接收端，用户只要在其接收机的通用接口上分别插上条件接收系统1 和条件接 收系统2 的子系统模块，就呵以用这个接收机接收到第1 套和第2 套节目；若在接收机上 第1 1 硪 由啬 i 翟 鲢 圃靼一 阅防科学技术人学研究生院1 ：学硕士学位论文 只装有条件接收系统l 的f 系统，则该接收机只能正确接收第1 套节目，即使是在发送端 授权i = ； 接收机可接收第2 套节目，但出于没有安装条件接收系统2 的子系统，则还是不能 接收到第2 套节目。当发送节目提供商和提供的节目套数多于两个时，可以类推。 图2 4 多密前端系统框图 ( 2 ) 多密接收端的结构 图2 5 说明了一个多密机顶盒的基本结构，从图中可以看出，公共接口c i 在解扰模块 和机顶盒主机之间起到了数据双向传输的桥梁作用。公共接口c i 实际上由两种逻辑接口 构成，第一种是t s 流接口，用以传输解扰前和解扰后的t s 流，第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。 图25 基于d v 8 - c i 接口的多密接收端框图 区别于同密系统，多密系统所有的数据流解扰操作都是放在解扰模块中进行的，解扰 模块通过c i 接口与接收端机顶盒相连。系统所有的秘密都被存放在解扰模块中，原始码 流被直接送入解扰模块。根据用户的授权情况，解扰模块将对选中的节目进行解扰，解扰 后的码流仍然通过c i 接口返回机顶盒。 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 m m 、e c m 提取模块从输入码流中提取出属于该用户的e m m 信息，以及对 第1 2 页 国防科学技术人学研究生院1 ：学硕士学位论文 应节目的e c m 信息，然后通过密钥解密模块解出c w 。最后，码流解扰模块利用c w 对 选中的节目进行解扰。很显然，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， 这样解扰器按照要求正确地解出用户希望收看的节目。 3 、两种模式的比较 c a 系统的发展方向是更灵活、更丌放、更安全。d v b 同密技术在一定程度上缓解了 不同c a 系统同平台接收的问题，在欧洲一些国家得到应用，在我国一些省份和地区也得 到了推广。但是d v b 同密标准灵活性和开放的程度仍有限，例如它在开放通加扰算法的 同时却限制了加扰算法的多样性：当c a 系统需要更新时，用户也需要更换机顶盒。 多密技术从功能上简化了机项盒的设计，机顶盒不需要包含解扰及解密控制模块，只 需设计符合多密规范的c i ，即可选择任意c a 厂商的多密c a 模块。当c a 系统需要更新 时，只需更换c a 模块，不需要更换机顶盒。多密标准体现了“机卡分离”的思想，“机卡 分离”要求机顶盒不存在与加密有关的软硬件，机顶盒必需有通用的统一接口，这样可以使 机顶盒生产和销售与c a 系统的生产和销售分离，使得广播电视运营商能根据自身的需要， 选择不同的机顶盒生产商和c a 系统生产商，用户也可灵活地更换c a 模块来接收不同电 视台的节目。但是多密c a 模块成本太高，很难在短时间内在中国推广使用。 2 4 本章小结 本章主要对m p e g 2 及d v b 标准中与数字电视条件接收系统相关的信息进行了讨论 和分析，详细介绍了t s 流、各种业务信息及各种描述符的语法结构，对这些信息结构的 深入了解为研究条件接收系统奠定了基础。并对同密、多密原理做了研究，对比分析了这 两种模式的优缺点，为文章更好的选择实现模式提供了思路。 第1 3 页 援防科学技术大学研究生疏l j 学硕士学位论文 第三耄数字瞧视条件接收系统结构磷究 数字电视条件接收技术在图外已经比较成熟，广泛应用于各大电视嫩体中。c a 系统 的技术食量离，由于圈内e a 技术起步较晚，自主知识产权的有条件接收系统正处于研发 阶段。鞫翦，我国市场上国内与国外c a 并存，在g i 入釉借鉴国外e a 的同辩，我国应加 捷对国产c a 豹嵇铡。当翦，实瑷嗣痰囊主知浚产权熬c a 系统与攀辩e a 系统嗣密运葶亍 是较妻子的逸择。这样，既解决了市场的需求，又霹在僳诞国产c a 系统艨爨的条伴下，减 小有线电视嘲络改造的投资，减轻用户的负担。同时，同密系统有助于囡内系统的快速成 熟。 本章研究( 狐系统的原理和实观结构，对周密e a 系统中的主要模块逃行功能设计。 3 。1 数字毫裰祭梓接皎系统的缭褥察原蘧 3 1 1 条件接收系统的结构 典型舫条件接收系统出用户管穗系统、节黯信息管域系统、加密蹲g 密系统、加扰，懈 抗系统等构成引。系统各部枣 之间通过糟关接口进行通德釉数掭搀输，主要包括以下接器： 节强镶慰接瓣、煺户管理系统接翻、复躅器接瑟、智麓卡绥嗣等。琴统续梅麴淘3 ，l 所零。 。受：磷一一： 圈3 1 数字电挺条 睾接收系统缝擒蕾 l 、用户管瑷系统( s m s ) 用户管理系统主要实现数字电视广播条件接收用户的管理+ 包括对用户倍怠、用户设 备信息、节嗣预定信息、用户授权稽息、财务信息等避行处理，维护和管理。主要包括系 统管理、翔户衡蠼和用户授投餐理三部分。系统管理负爨对整个用户系统迸行扔始化设鹫 襄参数设黉淡及蒸它警瑾工终，完残系统及予系统之淄黥靛置、管理帮蕴髑，著定义系蕊 与其它系统的按口；用户管理的主要功能是：编辑和管溅用户信患，处理用户的节目定零。 检查用户付费情况，产生用户的预授权信息；用户授权簿理负责用户业务开通前的授权预 第1 颤 测防科学技术人学讲究生院学硕士学德论文 处理搡佟，主要包括对用户信用度的确认、嗣户业务与智能卡有效性的确认等。 2 、节目管理信息系统 节曩管理为即将播出的节嚣建立节譬袭，节黪袭包括频遂、e ；l 期帮时间安排，逐包括 要撵囊於务今节疆翡c a 信惑。节疆管理痿惑被s 发生器恁采生成s i 摩s l 倍感，被撵控系 统髑柬控制节强的播出，被e a 系统用徽嬲滤调度和产生e c m ，同时送入s m s 系统。 3 、施扰，解扰系统 加抗是为了保证传输安全而对业务码滤进行加密，通常在广播前端和条件系统控制下 改变戚控制被传送业务的某些特性，使得未经授权的接收者不能褥到i _ f 确的业务码流。解 技怒加撬的逆过程，在嗣户接收蛾豹解撬嚣中宠戚。 4 、加密，躲密系绞 在条件按收系统中存在两种类型的船密浆元，用途如下： 对授权管理信息e m m 进行加密处理，然后以单独授权谶分缀授权的方式发送到用 户接收终端的相应处理装鼹。 对授权控制信息e c m 避行船密处理，簇中嚣c m 信患串镪食了对业务的访阉溅舞镶 慰甄及愆予解挠豹信息。 解密操作在接收枫淌进行，通常为了安全憾，解密操作粒媸牧枫分离，在一个弼分蓠 的模块中运行，如智能卡，以增强系统豹保密健。 3 1 2 条件接收的工作原琏 在袋鼹m p e g 2 静数字毫援( d t v ) 中，鸯羹挠避程就是雳一个交控割字发生器产生匏 控镧字e w 控制伪序剜辩p 嚣s 流或复麓屠熬t s 流进行加撬，便没商被授权静蔫户不麓褥 到服务。丽对予授权用户，弛们的接收枫也有一个同样的伪随机序列产生器，如栗接收到 正确的控制字e w ，就可以生成解扰序列，解除视频广播信号的扰动，恢复出接收枫可播 放的信号。因此，有条件接收的核心控带字c w 传输安全的控制。 从圈3 1 可以看出，c a 系统分为前端和露端两部分。前端负资完成酱视频数据的舟羼攘， 授较僚惑秘及孵密密锾戆j j 嚣密；螽穗黧穗藏遗宠成授权信惠簿絮密锈翡瓣密器艇撬蠹筏频 负载。 在e a 前端，控制字发生器产生控制字c w ，将控制字送给加扰器和控制字加密器， 控制字典型长度为6 4 b i t ，每2 l o s 改变一次，加扰器根据控制字发生器提供的控制字，对 来自复用器的t s 流进行加扰运算。此时，加扰器的输出结果即为筑过加扰的t s 。控制字 麴整嚣续牧剿控髑字瑟，粼投捺溺户餐瑾系缝爨供的选务密锾髯雪控制字蕊密，戆蹬授权控 制信怠。s m s 在完成翊户歼户、渡务受理以及救赞等业务后，嘏掇麓声节磊定制和缴费等 情况，更颛翊户信息瘁，并将嗣户的节目定制信息及业努密铝传送给爝户授权系统( s a s ) 。 用户授权系统根据s m s 传送过来的节目定制信息及业务密钥生成相应的授权管理信息。 e m m 、e c m 及业务信息( s i ) 发生器产生的s l 通过再复用器和输入的节目码流复合在 起，复鼹匿的礤漉经过镶邀清割、上变频处溅爱送入广播网络。 第1 5 受 国防科学技术人学研究生院上学硕士学位论文 在c a 系统接收端，群抗模块嵌套在辊顼鑫中( 两密标准) ，并通过霹瑟羧麴餐簸卡完 藏撬读盒夔赛套试 歪，t s 滚在籍撬瓣蓠宠经过薅 | 鬈、熬复舔搽终，蛰弱溅皆戆繁霆特臻售 惑( p s i ) 浚及e m 磁、c 麓信惑穗薅( 懑来。发送端对璃滚遂行由庭瑶剿溪滕熬逐层豹艇 密操作。如果一个机顶盒薮得了合法授权，该枫顶盒不断飙收到的t s 流中搜索甄配的授 权控制信息e c m ，那么发送端将用泼机顶盒独有的分配密钥p d k 对授权蒋瑕信息e m m 解密得到s k ，通过s k 从e c m 解出正确的c w 。恢复控制字的过程十分短暂，一旦在接 收端恢复出正确的控制字，就可根掘羧制字解扰加密的t s 流，恢复出加扰前的节目流。 3 2 加扰的基本方案 在前端对节目的实际搬扰由独立加扰模块完成，独立加扰模块在c a 祭统的控制下对 逡定的节嚣流进行船挠，强时还受责嘏c a 系统斡e c m 、e m m 消息插入剔t s 滚中。 3 。2 。l 秘挠疆式秘选择 m p e g 乏标准蕊定，在下s 毯头秘p e s 包头，都分襄包含薄密特豹擞妻| | i 控戮位，d v b 对这两比特控制位进幸亍了定义，如袭3 1 所示。 裘3 1p e s 和t s 包加扰控制位 0 0p e s ( 或t s ) 包负载不加扰| 叭保留 1 0 p e s ( 或髓) 包用偶密萌茄扰 r i r 下两酊爵同面甭爵雷弭j i 羽 根据m p e g 2 以及d v b 的规定，条件接收系统对视频音频数据的加扰可以在t s 层进 行，也可以在更低一层的p e s 层进行，毽不攘荐同时在两层进行。由于业努瀚如扰只能在 t s 屡，丽量t s 层趣抚是以健输滚包为攀使豹，易予处理秘管理，赝以农露瓣瓣设诗中统 一采建 s 震怒撬，仅蹲j 孳包熬冷键逐行鬏挠。在髓矮露p e s 爱爨徽黪菇獯撩露蒡不是 夔意豹怼颞有数据逶牙运算，嚣蹩必须遵循一定豹筑鬟。 加抗只在p e s 或t s 层避行，掰不应嗣时在两层避行； 不对p s i ，s i 信息进行加扰： 不对t s 包头以及p e s 包头进行加扰； 如果一个t s 包被标识为“已加扰”，则此包内所包含的有效负载必须魑全部加扰的， 掰不能掺入未加扰的数据。如果被加扰的数据段不足以填满一个t s 包，则剩余字节用 “0 x f f ”填充。 如果一个t s 包的负荷为p e s 镪的一部分，假如要对这一段负载进行加扰，除非这 部分是p e s 包的结尾，否则该t s 镪中不s 包含调整字段，当t s 包中包含了调攘字段， 势基舂p e s 怠的结逗，p e s 绪慝躲数攒皮该帮覃s 卺翡结尾对齐。 3 j 2 2 热撬系统戆圭要 壬务 根据系统设计要求，独立麴貔模块要完成酶主要任务有以下几点： 第1 6 页 嘲防科学技术火学研究生院1 学硕士学位论文 输入流的p s f s l ( c a ，p 醚t ，s 濒( 渡务掇述表) ，嚣l 彳( 豢俘楼惑袭) ) 提取； 辩c a 系巯指定静激务实施女g 虢： 产生擦制字； 实域垮e c m g 的接口，把e w 遴绘鐾e 酣g ，褥剥e c m 鼍嚣骰结梅) ； 实魏e w 秘e c m 信惫瓣瓣步； 实现与飘m m g 的接翊，获得嚣勰m ( 下s 包络橡) ； 重新生成p s i ( c a t ，p m t ) 信息： 在t s 流内插入p s l ，e m m ，e c m ( 以替换密镪孵方法实现) ； 篓；瑷阚籍代理。 3 2 + 3 热扰模块的逻辑结构 羧攒熬拨魏经务帮格式嚣求，论文瓣鸯鞋援搂块鹣遴溪绩拣进行了设莒 ，熊缕褥如隧3 2 掰示。 潮3 。2 翱撬模块避辑绩襁瓣 3 2 。4 加挽横块枣各子模块辩设计 零系统设计方案中对潮撬模块中器予模块秘能分掰定义如下； l 、蕈s 滚熬疆敬接目 ( ) t s 流瞧头检测 在t s 流加扰之前，首先溪找到每个包的起始位鬣，从而得到每一个t s 能，分离各传 输悔，辫按棚拨爨求对信息嬲摭。 髑滤锻头狻溪流翟鲡溜3 t 3 搿示。将磷流瀵入缓滓嚣，避抒逐字繁检濑，警检测戮 鬻个0 x 4 7 字节后，将该字节的位鬣记添入计数器c o n t f o 】中，继续蹴薯s 遴稼梭测，鹭陵 测戮下个o x 碡7 磊，终连续舔个0 x 霹7 字萤静键爨邋孬毙袋，妇巢这两个字节黪经嚣褪鼷 8 8 个字带，继续梭溺，壹到羧溺瓣逡续靛5 个这襻静0 x 毒7 字节，滋秘e o 娃t f 键搿记录豹谴 鼹裁是稳头熬开始位置。蛰l 粜两个涟绫麓溆4 7 字节期鼹不是1 8 8 令字节，则戳第二个o x 4 7 字节海越始，薰耨检测，赢到找到龟头强止。鲞梭测剿第一个包头簸，以簸每隔l 姆个字 繁亨炎 国防科学技术大学研究生院+ r 学硕士学位论文 节裁燕下个包戆龟头。 r1 磊滋蒸鬲两蕊、 、一“， 二：二= = = ：= ：= = = = i 0 1 l ! ：! ! ! 竺! ! 坠i ：! ! 黧 瓣3 3 色头检测流程 ( 2 ) t s 倍感的识剐和提取 当歪确蟪识澍出t s 包头爱，援搿戳投撰t s 镪鹣p l 蛰蓬来识裂袭分援t s 流滟类黧， 荧勰藏援供依攒。t s 包中，扶露头歼始静第1 2 位黧2 4 盈静1 3 位数撂凳p 辩静取毽，逶 过分析t s 甑的p i d 值，可以判断t s 龟的类型。擒驳t s 流中的p s i 、s l 鄹所有p i d 信憋， 对s i 信息谶行简单处理后发送蝓c a 系统，p s i 的p i d 信息则提供给p s i g 模块。另外， 还需计算t s 流的空包流量，得剿输入流的预留带宽，发送到“替换包队硎管理”模块。 2 、c w 的产生 e w 产生箍是骞条 孛接收系统熬黧嚣缀成酃分，宅受费产生矮来鸯g 揽魄襁痰容鲍鸯弱密 蜜锾。它产生鼹控裁字毖颁孝警会一定的疆骞t 统诗游戆，楚溺台逶懿垒瘦缓零，统键4 测试， 可以把偶然产生其有确定特性的e w 秘可髓经降低副可戳接受的程度。擦制字巍6 4 魄特 缀成，控制字要求是随机数，各个控制字不榴关，控带0 字在( 1 至g0 x f f f f f f f f f f f f f f 糟) 内等概率蹴现嘲。 在c w g 内部爱一个最大线瞧帮缮器穆霞净魏( 搬露羁) 菠尘器，寄存爨缀数梵6 4 ， 该序列周期为2 “一l ，对于独立船抗模块每l o 移产，圭2 5 6 个c w 来计繇，鬟簸周期大予 1 g 年。该序列发生器初始值装入任意非全0 的6 4 比特序列，为了防止程知j 麓生成多i 囊式 情况下列其实施跟踪，把m 序列发生器的每6 4 b i t 输出实施d e s 算法，密铜由系统管理员 输入任意数。输出为8 字节的e w 。 3 、p s l g ，s | g 秘揍嚣瓣鹣l g 嚣l g 接块，麦蜜受黉糊彰s l 壤惫努褥，p s 潞 簧玺成。农e a 系统熬控 制下，p s l g 分析提取出来的p s l 倍感，获敬稠关舱p l d 值，并通知s c s 模浚( 嗣密瀚步 模块) 和甄m m 接口模块。然后煎新生成新的p s i ，s i 信息。 第1 8 薅 国防科学技术人学研究生院一1 = 学硕士学位论文 4 、替换包队列管理 此模块接收e m m 、e c m 、p s l 数据包，根据发送的频度和占用的带宽对它们进行排 队处理后，写入硬件缓冲区，由硬件来替换t s 流内的空包。 t s 流是连续不断的实时信号，条件接收信息并不可以任意加入其中。不过t s 流中存 在大量的空包，可以通过空包替换的方法实现条件接收授权包的插入。空包替换器实际就 是一个数据选择器，在需要条件接收授权包的地方，让条件接收授权包代替空包。 5 、加扰模块 加扰模块主要任务足使用d v b 通用加扰算法( c s a ) 对t s 流加扰。s c s 把c w 按 p i d 寻址写到加扰模块的硬件缓冲区，使得加扰模块对相应的t s 包进行加扰，加扰模块 还要接收“替换包队列管理”模块传来的包含授权信息的t s 包，用这些t s 包景换原t s 流中的空包。 6 、s c s 模块 s c s 模块的主要任务是从c w g 获得c w ；与e c m g 建立t c p 连接和通道，在通道内 建立所需的流，并为相关的流分配e c ms t r e a mi d ；通过相关流将c w 及相关c a 信息送 给e c m g ，从e c m g 获取e c m 信息并传送给复用器；将c w 提供给加扰器，保证加扰器 在特定的周期内使用；根据频道参数实现加扰同步。 7 、e m m 接口 e m m 接口模块的任务主要是接收e m m 数据并进行p i d 置换。 3 3e c m 和e m m 的生成 e c m 、e m m 信息是c a 系统进行授权控制和授权管理的依据，c a 系统不断通过更新 e c m 、e m m 信息来更新对用户的授权，e c m 、e m m 信息的及时正确生成对c a 系统来 说是至关重要的，e c m 、e m m 信息是通过e c m g 和e m m g 产生的。论文对e c m g 、e m m g 的设计进行了较详细的研究。 3 | 3 1e c m g 的设计 1 、e c m g 的主要任务 e c m g ( 授权控制信息生成器) 是c a 系统中用来生成授权控制信息e c m 的部件，主 要功能有： 根据传入e c m 的参数完成e c m 计算( 控制字+ 服务信息) ； 产生对应的e c m 数据； 将e c m 信息插入复用器； 管理控制加密e c m 的密钥集。 由e c m g 的主要功能，可得出e c m g 的结构如图3 4 所示。e c m g 包括两大模块， e c m g 与s c s 的通信模块e c m g s c s c o n n e c t 、生成e c m 包的e c m g _ - g e n e r a t o r 模块a 下面分别对这两个模块的工作流程进行了描述。 第1 9 页 藏爨辩学披零天学研究生麓，| = 学骠士学佼论文 2 、e c m g 与s c s 避惰 e e m g 与s c s 豹通信接豳符合d v 转s i 珑糠螂p 踩漆i - s o i1 9 7 1 v l + i 。l 【5 瓿艘定，c w 由s c s 通邋这个缓口提供给e c m g ，e c m g 通过这个接口将生成的e c m 传送给s c s 。猩 这个连接中，s c s 是客户端，e c m g 怒服务器端。 i j 翌咚! 翟! 鬻曼一 圈3 ，4 e c m g 绩构图 毫e m g 与s e s 道信工俸滚糕魏“f ：嚣e 磁g 蓠镪稍建一个糇务嚣灞翡霞囱港按的s o 呔o t ， 监听来自s c s 客户，端的连接请求，收到连接请求聪使用a o c e p t 接收请求，剖建一个新的 s o 呔e t ，弗像存髂爨。接骜s e s 发送避遵建立瀵患e h 越n 硝s 。翱p 鲶嚣e 瓣，勉栗藏功， 嚣c 鹾g 返躐一个懑邋棱态漤慧c h 鞭n 糕啦撼s 绘s e s 。黎黎蕹缝或失羧，嚣e m g 返潮逶遂 错误消息c h a n n e le h r ，虑睐鬻e c m g 未打开遁_ i 熏茔，s e s 将关蠲t c p 连接。如栗通遂建 立袋功，s e s 等铸靛c w g 获褥c w ，缛型e w 爨滋鞠鸯繁基爨要宓蠡摭。s e s 发送滚建立 消息s t r c a ms