（微电子学与固体电子学专业论文）cam卡中解复用模块的研究与实现.pdf

摘要 摘要 解复用模块是数字电视机卡分离技术中被分离出来的条件接收卡( 以下简称 c a m 卡) ，用于t s 流的解复用。因为目前我国的数字电视节目流标准采纳的是 m p e gi i 标准，所以本文的解复用便是根据m p e gi i 的标准特点来进行设计的。论 文主要包括以下几个部分：传输流输入输出缓冲f i f o ，p i e ) 过滤模块，解扰模块 ( d c a ) 的接1 3 模块，分段( s e c t i o n ) 接口模块，c p u 总线接口模块( 包括配置r a m 接口) 。完成的主要功能有传输流的解复用，p i d 过滤，c w 提供，以及s e c t i o n 过 滤。在设计中，对m p e g1 1 分段( s e c t i o n ) 过滤改变了以往使用软件过滤的办法而 采用分段( s e c t i o n ) 接口模块实行硬件过滤，从而减少了c p u 的负荷，大大提高了 芯片的工作速度。该模块所设计的i 盯l 代码在使用s y n p l i f y 7 3 综合，在i s e 5 2 中布局 时，对于x i l 烈xv i r t e x i ix c 2 v 1 0 0 0 - 4 b g 5 7 5f p g a ，则其t s 流接口时钟 1 0 m h z ，c p u 接口时钟 4 0 m h z ，内部工作时钟 9 0 m h z 。p s i 和t s 的验证表明， 解复用模块符合设计要求，达到设计指标。 关键词：c a m 卡d v bm p e gi i 解复用 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e n r l xm o d u l ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ri st h ec o n d i t i o n a la c c e s sm o d u l ec a r d ( c a m ) s e p e r a t e df r o md t vc a r da n di su s e df o rm et r a n s p o r ts t r e a md e m u x b e c a u s et h e 【p e gi is t a n d a r ds y s t e m a t i cl e v e li sa d o p t e df o rt h ec r i t e r i o no fd i g i t a l t e l e v i s i o np r o g r a mi no u rc o u n t r y , t h ed e m u xi nt h i sp a p e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h em p e gi is t a n d a r d ，a n dm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：t h et r a n s m i s s i o nf l o w s i n p u ta n do u t p u tb u f f e r sf i f o ，p i df i l t e r sm o d u l e ，也ei n t e r f a c em o d u l eo ft h e d e s e r a m b l em o d u l e ( d c a ) ，t h ei n t e r f a c em o d u l eo ft h es e c t i o nf i l t e r s ( s e c t i o n ) ，a n d t h ec p um a i n l i n ei n t e r f a c em o d u l e ( i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c eo fc o n f i g u r i n gr a m ) t h e m a i nf u n c t i o ni st h ed e m u xf o rt r a n s m i s s i o nf l o w s ，p df i l t e r s ，c wp r o v i d i n g ，a sw e l l a ss e c t i o nf i l t e r s i nt h ed e s i g nf o r t h em p e gi is e c t i o nf i l t e r s ，w eh a v ec h a n g e dt h e f o r m e rs o f t w a r ef i l t e rt oh a r d w a r ef i l t e rf o rt h ei n t e r f a c em o d u l eo ft h ep a r t i t i o n ( s e c t i o n ) ，t h u sr e d u c e dt h ec p ul o a d ，g r e a t l ye n h a n c e dt h eo p e r a t i o n a ls p e e d a d o p t i n gt h es y n p l i f y 7 3t os y n t h e s i st h er t l c o d ef o rt h i sm o d u l ed e s i g na n di s e 5 2 f o rl a y o u t ，t h er e s u l t sa r et h a ti t sc l o c kf i e x l u e n c yo ft sf l o w s 10 m h z ，t h ec l o c k f r e q u e n c yo fc p u 4 0 m h z ，a n dt h ec l o c kf i e q u e n c yo fi n t e r n a lw o r k 9 0 m h zw i t h x i l i n xv 汀e x i ix c 2 v 10 0 0 4 b g 5 7 5f p g a t h ef i n a lv e r i f i c a t i o n so fp s ia n dt s s h o wt h a tt h ed e m u xm o d u l ed e v e l o p e di nt h i st h e s i si si na c c o r d a n c ew i t ht h e d e m a n do fd e s i g n k e y w o r d ：c a mc a r d d v bm p e gi id e m u x 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：乏璺益 日期卫噍r 二弓 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文晶规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期2 垄：! ：圭主 日期生竺墨! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字电视概述 数字电视的含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是指电视信号的处理、 传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其具体传输过程 是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视 信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通 过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用 数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。 1 1 1 数字电视的用途 在数字电视中，采用了双向信息传输技术，增加了交互能力，赋予了电视许 多全新的功能，使人们可以按照自己的需求获取各种网络服务，包括视频点播、 网上购物、远程教学、远程医疗等新业务，使电视机成为名副其实的信息家电。数 字电视提供的最重要的服务之一就是视频点播( v o d ) 。v o d 是一种全新的电视收 视方式，它不像传统电视那样，用户只能被动地收看电视台播放的节目，它提供 了更大的自由度，更多的选择权，更强的交互能力，传用户之所需，看用户之所 点，有效地提高了节目的参与性，互动性，针对性。因此，可以预见，未来电视 的发展方向就是朝着点播模式的方向发展。数字电视还提供了其它服务，包括数 据传送、图文广播、上网服务等。用户能够使用电视现实股票交易、信息查询、 网上冲浪等，使电视被赋予了新的用途，扩展了电视的功能，把电视从封闭的窗 户变成了交流的窗口。 1 1 2 数字电视的基本原理 将电视的视音频信号数字化后，其数据量是很大的，非常不利于传输，因此 数据压缩技术成为关键。实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中 进行压缩，i e e e 的m p e g 专家组已发展制订了i s o i e c l 3 8 1 8 ( m p e g 2 ) 国际标准， m _ p e g 2 采用不同的层和级组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出 的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广，它支持标准分辨率1 6 ：9 宽屏及 高清晰度电视等多种格式，从进入家庭的d v d 到卫星电视、广播电视微波传输都 采用了这一标准。二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数 据传送速率。如，在欧洲d v b 数字电视系统中，数字卫星电视系统( d v b s ) 采用 正交相移键控调带i ( o p s k ) ；数字有线电视系统( d v b c ) 采用正交调幅调制( q 蝴) ； 2 c a m 卡中解复用模块研究与实现 数字地面开路电视系统就( d v b t ) 采用更为复杂的编码正交频分复用调制( c o f d m ) 。 1 2 国外数字电视发展状况 世界各国原有模拟电视发展的客观情况多样，适应各国数字电视发展的标准 存在各种差异，也由于数字传输的常用调制方式有着不同的选择，所以各国的数 字电视发展状况也不尽相同。 1 2 1 美国 美国是一个注重高端技术发展并能迅速投入实际运用的国家，所以美国的数 字电视发展处于世界领先行列。在技术领域，美国不仅完成了数字电视三大标准 的制订工作，而且已经率先实现了商用播出。1 9 9 6 年1 2 月，美国联邦通讯委员会 ( f c c ) 正式确定采用a t s c 作为美国数字电视地面广播标准，该标准采用8 - v s b 调 制方式。到2 0 0 6 年，美国政府将全部停止n t s c 模拟电视播放，收回现有n t s c 占用的所有频道资源，改用数字节目频道进行电视输出，届时现在使用的两亿四千 万台模拟电视机将被淘汰或更新，目前美国地面数字电视的覆盖率已达9 4 。 1 2 2 欧洲 欧洲的数字电视兴起比较早，目前无论从技术上还是用户规模上都处在稳定 的成熟时期。以英、法、德为代表的西欧国家制定了欧洲地区统一的数字电视标 准d ( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t ) ，并且为世界其他各国制定相关标准提供了依 据和参考。早在1 9 9 6 年欧洲数字电视的卫星广播就已经开播，目前用户已超过5 0 0 万，并已扩展至东欧；有线电视网络中数字电视的广播从1 9 9 7 年开始。由于欧洲 数字电视提供商采取了有效的措施吸引观众接收数字电视，替用户承担了数字电 视机项盒的购置费，并且提供大量的付费节目供用户选择，其互动电视用户规模 已经超过了美国。 1 2 3 其他国家 除了第一阶梯国家顺利开播了数字电视节目以外，全球许多国家都开始了数 字电视播出、试验或进行了积极的探索。日本，韩国，加拿大，以及南美的一些 国家都在不断的进行地面数字电视试验和推广，分别制定了适合本国条件的地面 数字电视标准，如日本的i s d b t 。 第一章绪论 1 3 我国数字电视发展状况 3 我国政府很早就重视和支持数字电视技术的发展，在1 9 8 4 年，电子部就开始 立项开展研究。1 9 8 9 年，原国家科委成立了h d t v 软科学研究专家组，为发展h d t v 做预先研究。1 9 9 5 年中央电视台引进美国卫星数字电视设备，开始了我国s d t v 数字电视卫星( d t v s ) 传输。国家己经成立计委牵头，有关部门参加的协调领 导d t v 研究开发及产业化领导小组，并确定了发展我国d t v 的总体思路：从国 家整体利益和产业发展出发，科研、生产和使用部门要紧密结合，打破部门界限， 把制定数字电视国家体制标准作为专攻的核心，走联合集中的道路，坚持自主开 发与国际合作相结合，面向国际国内两个市场统筹规划，合理布局、循序渐进， 使数字电视成为国民经济新的增长点。1 9 9 8 年我国研制成功代表数字电视先进技 术水平的h d t v 系统，1 9 9 9 年国庆进行了实验广播，所使用的接收机全部为国内 企业联合开发。我国已初步具备自主设计开发数字电视的信源编码器、信道调制 器、数字电视发射机、数字电视接收机等的能力。 当前我国数字电视产业仍处于起步阶段，发展不平衡的国情决定了我国电视 系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择、有步骤，分批、分阶段进行。我 国的数字电视发展过程将要经历机项盒、标准清晰度数字电视( s d t v ) 和高清晰度 数字电视( h d n 厂) 三个阶段，而且这三个阶段将在很长的一段时期内并存发展。 我国已经制定了数字电视实施计划时间表，在2 0 0 3 年广电将开播l o 套以上 数字电视付费影视频道，力争发展数字机项盒用户1 0 0 万户；到2 0 0 5 年我国有线 数字电视用户超过3 0 0 0 万户，在我国部分地区进行数字电视的商业播出；2 0 0 8 年 将用数字电视转播奥运会；2 0 1 0 年广播影视节目制作、播出以及卫星、有线传输 实现数字化，数字电视接收机得到普及；2 0 1 5 年将全面实现数字化，完成模拟向 数字的过渡，停播模拟信号。 目前国际上已形成了以美国a t s c 和欧洲d v b 为代表的两大企业联盟组织， 分别制定了代表各自利益的数字电视标准，并在世界各地强力推广。但我国目前 数字电视尚无统一的国家标准。因此，要避免像v c d 、d v d 那样缴纳专利费，就 必须加快有关国家标准的制定，才能不受制于人，才能使国内厂商不做外资的o e m ，我国的数字电视才能走自己的路，从而改变数字电视产业链条最末端的命运。 1 4 数字电视机卡分离技术介绍 1 4 1 “机卡合一”的数字电视机项盒 数字电视机项盒( s t b ，s e tt o pb o x ) 是一种在数字电视发展初期将数字电视信 号转变成模拟信号的变换设备，是利用有线电视网络作为传输平台，电视机作为 4 c a m 卡中解复用模块研究与实现 用户终端，以提高现有电视机的性能或增加其功能。它的基本功能是接收数字电 视信号，使用户可以观看更多的电视节目，同时也具有条件接收的功能具有解扰 和解密功能，从而实现付费功能。另外数字电视机顶盒还具有广播和交互式多媒 体应用功能，主要有电子节目指南( e p g ) ，高速数据广播，软件在线升级，因特网 接入和电子邮件，支持交互式应用( 视频点播、互动游戏等) 。 一“机卡合一”的数字电视机顶盒工作原理 数字电视信号在进入数字电视网络一般要经过两级编码，第一级是视音频信 号的信源编码，并将所有信源封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。与前 端相对应，接收端的数字电视机顶盒首先通过网络接口模块选择频道，并进行解 调和信道解码处理，输出多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从出来的 多节目传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频基本流( p e s ) 数据，包括视频 p e s ，音频p e s 和辅助数据p e s ，同时在解复用过程中通过c a s 过程得到用于解扰 的控制字( c ，只有解扰过的节目，用户才能观看，从解复用器输出的是音视频 p e s 。音视频p e s 再经过p e s 分析以后得到分离后的视频p e s 分组和音频p e s 分组， 两个分组分别被送到各自的解码器中进行解码。经解码后的音视频信号在分别输 出到后处理模块中，即产生相应的模拟视频信号和模拟立体声音频信号，最后分 别由视频输出电路和音频输出电路输出。其具体的原理示意图如图1 1 。 图1 - 1 数字电视机顶盒原理示意图 二“机卡合一的数字电视机顶盒的缺陷 中国广电市场的特点是资产结构复杂，网络多，网络小。资产结构复杂使得 大范围的整合变的很困难。i 网络多，各家采用的c a ( 条件接收系统) 各不同，机顶 盒只有嵌入与具体市场相符的c a 接收软件模块才能使用，使得机顶盒的市场被切 割成若干小块；网络小，使得每一个具体市场的机项盒的需求都不大。 第一章绪论 在这种情况下，制造商无法有效掌握市场需求，进而无法安排生产计划，更 无法量产，网络运营商则成为了机项盒采购商和零售商。但是由于市场营销方面 是运营商们的弱项所在，再加上一些人为的因素，运营商的倾向性，事实上屏蔽 了制造商与最终用户间的联系，造成最终用户无权自由地选择机顶盒，无形中阻 碍了机项盒的销售，市场的不确定性增加。 机项盒的生产销售缓慢，进一步制约了制造业的发展。国内传统的消费电子 主力厂商，由于规格不能统一，产业规模不够大，难以发挥自身的生产优势，更 无法制造集成数字电视接收的一体化接收机。由于终端产品不能透过大规模生产 降低成本，反过来也影响了有线数字电视的大面积推广，迟滞了数字电视的产业 化进程。 1 4 2 数字电视机卡分离技术 所谓机卡分离就是将条件接收( c a ) 模块集成在一个独立的模块中( c a m ) ，通 过通用接口与接收机相连。“机即接收机，“卡则指的是含有数字电视条件接 收系统的卡。 采用这种技术的主要目的旨在克服数字电视发展中因各种c a 的差异而带来 机项盒不能规模化生产的瓶颈。把机顶盒做成能像电视机那样成为一种不受任何 其它功能技术制约的透明开放产品。并从当前面临最为迫切的c a 制约瓶颈出发， 提出采用机卡完全分离方案的政策，要求机项盒的生产与运营商及c a 厂商无关， 是可以在商店直接销售的透明产品。 条件接入系统( c a s ) 概述 条件接入( c a ) 技术作为付费电视、增值服务等数字电视业务的关键技术，其 目的就在于允许获得授权的用户观看定制的节目，获得预定的服务，并且禁止没 有获得授权的用户非法获得收费服务，保护媒体资源不被窃取。 其基本的原理如图1 2 ： 在c a s 的用户终端，用户通过机顶盒和智能卡来完成密钥解密和传输流解扰 的工作。首先机顶盒从传输流t s 中过滤出e c m 和e m m ( 这一部分在机卡分离技术 中是在c a m 卡中完成的) ，从得到的e m m 中获取用户授权信息，并且与用户私有 信息中的用户信息相比较，如果该私有信息的用户订制了当前的节目或者服务， 那么私有信息中的用户信息就能够和e m m 中的用户授权信息相匹配，然后机顶盒 读取用户私有模块上固化的用户私人密钥( p d k ) ，通过用户私人密钥( p d k ) 解密e m m 密文得到业务密钥( s k ) ，再通过业务密钥( s k ) 对e c m 的密文解密，得到c w ，将 c w 送至解扰器，对传输流解扰，获得透明的传输流，从而获得订制的节目和服务。 6 c a m 昔中解复用模块研究与实现 如果私有信息的用户没有订制当前的节目或者服务，私有信息中的用户信息就不 能和e m m 中的用户授权信息相匹配，c a 模块就会中止对密钥的解密，无法获得 c w ，也就无法恢复加扰的流。 头端系统 末端系统 t “j 智阳盟l i b 弧9 s j h 皿i 一一 _ _ _ _ _ _ ：i竺 目棚e 跚l 叮 调制器 解调器 解密器解密器 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ 厂 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 叫加密器lj 加密器l 一瓦甄 用户1 二! 苎i 至 广t 二! ! 私人 图l 权系统l l 发生器 图卜2 条件接收系统基本原理图 目前国际上有两种c a 技术标准：欧洲d v b 定义的同密( s i m u l e r y p t ) 、多密( m u h i e r y p t ) 技术和北美o p e nc a b l e 定义的p o d ( p o i n to f d c p l o y m c n 0 技术，我国的数字电 视系统目前试用的是d v b 标准。 d v b 同密技术是指在同一个网络中，不同的c a 提供商的c a s 使用同一种加解 扰算法和控制字c w ，然后在同一个传输流中可以携带不同的c a s 所产生的各自的 c a 信息，以提供给不同的c a 用户。在c a s 系统的接收端，用户的机顶盒中嵌入了 由某一c a 提供商提供的c a 软件，然后通过机项盒访问用户的私有模块获得私有信 息，从用户私有信息中得到相应的c a 信息然后产生c w ，再通过统一的解扰算法 和c w 在机顶盒中解扰，从而获得相应服务。d v b 多密技术的基本思想是将c a 功 能模块化、机顶盒功能通用化，通过在机顶盒和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 a c e ，c i ) 进行连接和通信，这样对于不同网络中所使用不同的c a s ， 用户无需更换机顶盒，只需在c i 上插入相应的c a 模块就可以获得服务，d v b 多密 技术真正体现了“机卡分离 的思想。 二d v b 标准简介 现在，数字电视尚无统一的国际标准，世界上现行的标准有：美国的标准a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e 先进电视制式委员会) 、欧洲的标准d v b ( d i 百t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) 、另外日本的标准i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t alb r o a d c a s t i n g 综合业务数字广播) 。 我国的数字电视标准除卫星数字电视标准己经确定并公布外，其他标准由于 第一章绪论 7 种种原因还未能确定。在有线数字电视标准上，国内各地区己经采用是欧洲数字 视频广播标准( d v b ，由i s o i e c1 3 8 1 8 描述) ，现在也己成了行业标准和国家实行 标准。目前，正在推广使用的有d v b c ，d v b t ，d v b s 三种。d v b s ( q p s k 调制) 为数字电视卫星广播采用；d v b t ( o f d m 调制) 为地面无线发射的数字电视广播采 用；d v b c ( q a m 调制) 为地面h f c 网络数字电视广播采用。我国己完成了广播电 视卫星传输的数字化改造，已经形成了以d v b s 技术构架的数字电视卫星广播网， d v b t 的实验播出正在准备之中，而作为数字电视广播在国内的主要覆盖手段的 d v b c ，已在开始在h f c 网络中大力推广。 d v b ( 数字视频标准) 组织是一个以欧洲为基础的国际技术合作组织，有2 0 多个 组织参加，于1 9 9 3 年正式成立d v b 项目，其主要目的是找到一种对所有传输媒体 都适用的数字技术规范，对它的要求是： ( 1 ) 系统能灵活传送m p e gi i 视频、音频和其它数据信号。 ( 2 ) 系统使用统一的m p e gi i 传送比特流复用。 ( 3 ) 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 ( 4 ) 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 ( 5 ) 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 ( 6 ) 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附加 纠错方法。 ( 7 ) 鼓励欧洲以外的地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标 准，这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 d v b 标准的传输系统分为信源编解码( s o u r c ec o d i n g ) 和信道编解码( c h a n n e l c o d i n g ) 两部分。信源编码采用m p e gi i 码流，首先对音频和视频进行复用，然后 再将多个数字电视节目流进行传输复用，在接收端进行相应的解复用和解码。d v b 数字广播系统除传送普通的视频、音频信号外，还需传送接收i r d 调谐、节目指南， 以及图文、字幕、图标等信息。 三机卡分离技术的实现 机卡分离就是要将其中的c a 部分给分离出来。首先应该知道c a 与机顶盒之间 的连接方式有那些。 一般来说，c a 和机顶盒之间的接入方式可以有三种： 1 c a 全部集成进机顶盒，这种接入方式在模拟信号传输系统中普遍采用。 2 机卡分离小卡方式，用智能卡储存c a 厂商的私人专用信息。当前大多数c a 系统都采用这种方式，这种方式便于换卡升级换代( 对付黑客窃密比较经济) 。 3 c a 和机项盒完全分离大卡方式，机顶盒是透明的( 也就是说可以规模生产) ， c a m 卡中解复用模块研究与实现 所有c a 信息和功能都转移集成到一个可插拔分离的条件接收组件( c a 模块大卡1 中去。 上述三种方案都各有优缺点。从c a 移植集成要求和难度来看，2 、3 两者差不 多，要付出的c a 移植费也不相上下；从安全性看两者也差不多，但方案2 的经济性 要比3 好。换卡的成本3 要高得多，而且主要是由用户支付的。此外，对于方案3 机 顶盒是透明了，但c a 模块还是被c a 厂商绑定，矛盾由生产厂商转移给运营商，规 模生产的好梦并不如意，而方案1 似乎已被遗忘不予考虑。 目前，我国虽然还没有确定具体的数字电视标准，但是在机卡分离技术方面， 特别是针对d v b 标准，还是采用小卡方式和大卡方式。下面就分别对两种方面进 行介绍。 小卡方案： 小卡方案，又叫通用智能卡机卡分离技术，其基本思想就是将c a 模块分为两 个部分：通用部分和私有部分。通用部分完成密钥解密以及t s 流解扰，私有部分 是指c a 公司专有e c m e m m 加解密处理和智能卡管理软件的部分。采用c a 公 司自己开发的程序，全部由智能卡实现，包括用户授权和服务授权信息。通用部 分保留在机项盒内，私有部分分离至智能卡，即把其中的c a 部分分离出来通过智 能卡接口与机顶盒连接，机项盒也通过这个接口来访问智能卡获得用户的私有信 息，然后在机顶盒内完成对传输流的解扰( 这也是和大卡方案不一样的地方，在大 卡方案中解扰部分是在卡里进行的) 。小卡方式完全继承了现有机顶盒的硬件资源， 不需要增加现有机顶盒中的任何硬件配置，对c a 的前端、对机项盒的硬件没有做 任何的改变，不需要对现在c a 系统做任何的改变，也不是要造一个新的c a 。这 在一定的程度上降低了生产成本，研发成本以及接收机成本。但是由于小卡方案 仅仅将用户私有信息保存在智能卡内，解扰还是在机顶盒内完成，降低了c a 的技 术门槛和安全性，在一定程度上限制了c a 技术的发展和功能的扩展，所以说并没 有完全体现“机卡分离”的思想。 大卡方案： 所谓的大卡方案就是将机顶盒中内嵌的c a 模块剥离出来，包括其中的解扰模 块，密钥解密等c a 功能集中到c a 模块中来完成，机项盒和c a 模块之间通过c i 接 口来连接，这样机顶盒就成了一个不含任何c a 模块的“裸机，使机顶盒成为一 个可以通用的部分，可以在任何网络下通用，使用时只要在c i 接口上插入相应网 络所使用的c a s 模块即可，也使的机顶盒生产商可以进行批量生产。 通过图1 3 我们可以看到，在大卡方案中，机项盒和c a 模块之间的通用接d c i 起到了十分重要的作用。c i 接口在逻辑上由两个部分构成：t s 流接口和命令接口。 机项盒通过传输流接口将解调后得到的传输流传输到c a 模块，c a 模块先通过解复 用c a t ，找到用于生成密钥的e c m e m m 的p i d ( 这部分将在第三章详细讲解) ，然 第一章绪论 9 后通过获得e c m e m m 从而产生控制字( c 、聊，再将c w 传输给解扰模块对机顶盒传 输过来的传输流进行解扰，再将完成解扰的传输流送回机项盒的解复用模块，这 样被授权的用户才可以观看所选的节目。命令接口用于实现机顶盒和c a 模块中运 行的各个应用之间的通信，可以支持机顶盒和多个并行c a 模块之间的连接以及各 项复杂事务的处理。 图卜3 大卡方案原理图 就目前而言，我国的大卡方案根据c i 接口的标准不同也存在着差异。一种是 清华大学联合全国3 2 家行业领导企业在信息产业部的支持下2 0 0 2 年提出的u t i 方 案，它采用的是u s b 2 0 接口标准。另外一种是深圳国微技术有限公司和大唐微电 子提出的p c m c i a 大卡方案，采用p c m c i a 接口标准。 本文的c a m 卡的解复用模块就是根据深圳国微技术有限公司的p c m c i a 接口 标准而设计的。图1 4 便是一个采用p c m c i a 大卡方案的接口示意图。c i 接口的物 理层可以通过p c m c i a 标准实现，然后在机顶盒上外扩1 个c i 控制芯片，由机顶盒 c p u 来控制这个外扩芯片，在p c m c i a 兼容的接口插槽上产生t s 流接口信号和命 令接口信号，从而实现机顶盒对c a 模块的各项操作，完成c i 接口的各项功能。 1 0 c a m 卡中解复用模块研究与实现 图卜4p c m c i a 大卡方案的接口示意图 四课题意义与论文安排 机卡分离技术解决了因机卡合一技术而导致的市场分割和地方垄断，使得用 户在不同的网络中使用不同的机项盒成为可能，数字电视制造商也不再受c a s 的 限制，有利于我国推动数字电视行业的发展。面对数字电视巨大的发展空间和广 阔的市场，许多科研所和企业都在这个领域进行开发和研究。而本文所涉及的机 卡分离技术又是当前数字电视领域的一个新课题，具有很高的实用价值，文中介 绍的解复用模块位于c a m 卡解码流程的前端，对整个c a m 卡的性能和功能起着很 重要的作用，现在越来越多的企业都把研发的注意力转移到这一类的芯片上。本 文的解复用模块就是这类芯片中的一部分。 本论文共分为四章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。这章主要介绍了数字电视的基本原理，以及国内外数字电视 发展的现状。然后通过介绍目前数字电视过渡期间使用的机项盒，引出本文所要 涉及到的机卡分离技术领域。 第二章m p e gi i 简介。由于我国目前试用的数字电视标准是欧洲的d v b 标 准，而d v b 标准采用的是m p e gi i 的系统层，所以在这章将对m p e gi i 标准的特点 和码流格式进行简单的介绍。 第三章解复用模块的实现。这部分内容是本文的重点，在本章开始先介绍 了一般情况下传输流的解复用原理，对传输流解复用的方法进行了分析。然后针 对本模块功能的要求对本模块的解复用器的硬件部分的在设计过程，电路图以及 信号时序分析等方面的设计与实现进行了阐述。其中对m p e g 2 分段( s e c t i o n ) 过 滤改变了以往同类型芯片的软过滤方法，而采用了硬件过滤，不但提高了过滤的 第一章绪论 速度而且还减轻t c p u 的负荷。 第四章结束语。给出前面部分的设计过程中的不足之处，并提出相应的改 进方案。 第二章m p e g i i 简介 第二章m p e gi i 简介 2 1m p e g 简介 1 3 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) ，即运动图像专家组，是由i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n 国际标准化组织) 和i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c l m i c a lc o m m i s s i o n 国际电工委员会) 联合成立，负责开发视频数据和声音数据的编码、 解码和它们的同步等标准。所制定的这些标准是国际通用标准，叫e g 标准。该 标准主要由视频、音频和系统3 个大部分组成，到目前为止，已经公布的m p e g 标 准有m p e g 1 2 4 7 2 1 b ，使用比较广泛的主要有：m p e gi ，m p e g ，m p e g n ( m p e g 已放弃) 和未来的m p e gv i 。下面就对一些常用的标准进行简单的介绍。 m p e gi 是m p e g 的小画面模式，具有3 5 2 2 4 的图像分辨率，每秒3 0 帧的播放 速度，用c d 音质的伴音，适用于1 5 m b p s 以下数据传输率的传输存储系统中应用。 v c d 采用的就是m p e gi n 码格式。 m p e gi i 是高质量图像的压缩标准，也称为用于广播电视的图像压缩标准， 其图像分辨率为7 2 0 x 4 8 0 ，6 0 场秒；其数据传输率为3 1 0 m b p s ，为可变传输速率， 即对复杂图像分配较大的数据，对简单图像分配相对较大的压缩比，保证画面质 量，又不致使数据量太大。m p e gi i 兼容m p e gi 标准。d v d 和超级v c d 采用的是 m p e gi i 标准。 m - p e gi i i 是i s o i e c 最初为h d t v ( 高清晰电视广播) 制定的编码和压缩标准， 但由于m p e gi i 的出色性能已能适用于h d t v ，因此，m p e gi i i 标准并未制定，通 常所说的m p 3 指 的是m p e gl a y e ri i i ，只是m p e g 的一个音频压缩标准。 m p e gi v 是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交 互性和灵活性。m p e gn 传输速率在4 8 0 0 6 4 0 0 b p 之间，分辨率为1 7 6 x 1 4 4 ，可以利 用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的 图像质量。m p e gn 属于一种高比率有损压缩算法，其图像质量始终无法和d v d 原m p e gi i 相比，毕竟d v d 的存储容量比较大。因此，现在的m p e gn 只能面向娱 乐、欣赏方面的市场那些对图像质量要求较高的专业视频领域暂时还不能采用。 m p e gv i i 对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所 描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索，由于该标准不包括对描述特征的自 动提取，它也没有规定利用描述进行搜索的工具或任何程序，因此，它可以独立 于其它m p e g 标准使用，但m p e gi v 中所定义的对音频、视频对象的描述仍然适用 于m p e gv i i ，这种描述是分类的基础。我们也可以利用m p e gv i 的描述来增强其 它m p e g 标准的功能。m p e gv i 的应用范围很广泛，既可应用于存储( 在线或离线) ， 1 4 c a m 卡中解复用模块研究与实现 也可用于流式应用( 如广播、将模型j j h , k i n t e m e t ) 。它还可以在实时或非实时环境下 应用，如：数字图书馆( 图像目录、音乐字典等) 、多媒体名录服务( 如黄页) 、广播 媒体选择( 无线电信道、t v 信道等) 等。m p e gv i 未来将会在教育、新闻、导游信 息、娱乐等各方面将发挥巨大的作用。 m p e gi 的出现使v c d 取代了录像带，m e p gi i 的出现使数字电视逐步取代模 拟电视，m p e gi v 的出现使多媒体系统的交互性和灵活性大为增强，而m p e gv i 的出现将会带我们进入一个互动多媒体的网络时代。 2 2m p e gi i 标准简介 m p e gi i 标准主要定义了由视频、音频和其他基本数据流部分合成一个或多 个数据流，以便于传输和储存。因m p e gi i 标准很大，所以仪根据本文c a mc a r d 的解复用模块所需要的部分进行介绍，若需详细了解可以参照m p e gi i 标准。因 c a mc a r d 的解复用模块只涉及系统部分，所以下面只介绍m p e gi i 的系统层部 分，并且数字电视的节目流主要涉及的是m p e gi i 的传输流( t s 流) ，所以重点将介 绍传输流。m p e gi i 的系统部分按照该标准的句法和语法进行系统编码，可以在很 宽的恢复和接收条件下进行同步译码。 系统编码可以有两种方式：传输流和程序流( 也叫节目流) ，以适应于不同的应 用。在该标准中的传输流和程序流均有必要的和充分的编码语法，保证同步译码 和音频视频信息显示，同时确保译码缓冲区即不上溢也不下溢。根据译码和显示 时的音频视频数据，以及数据本身的传送情况，信息在编码中使用不同的时间标 签。两种流定义都是面向分组的多路复用流。 单个的音频和视频数据流的复用方式如图2 1 所示： 图2 1 单个的音频和视频数据流的复用方式 第二章m p e gi i 简介 图2 1 中，视频和音频信号按照玎u t r e c h 2 6 2 1 i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c 1 3 8 1 8 3 标准进行编码压缩后的原始流( e s ) ，原始流( e s ) 经过分组器后被组合成p e s 分组。当p e s 分组形成的时候，使用该分组所需的与传输流或程序流无关的信息是 可以被加入的。当p e s 分组加上系统级信息形成传输流或者程序流时信息是不需要 被加入的。 所谓的传输流是将有多个独立时间基点的多道程序合成一个单独的数据流， 其中属于同一道程序的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基点，这些时间 基点对于流同步有很重要的作用。传输流是针对那些容易发生错误的环境而设计 的，譬如在容易丢失和高噪音的环境中存储和传送。传输流分组长度为1 8 8 字节。 而所谓的程序流则是将一个或多个具有相同时间基点的数据流的p e s 分组合 为单个流。那些原始数据流可以是一个程序的非多路复用的数据流，也可以是来 自不同的程序流，每个程序流对应一个原始流。并具有相同的时间基点，在这种 情况下，各个流中的s c r 域值应保持一致。和单程序流一样，所有的原始数据流可 以被同步译码。程序流是针对错误较少的环境设计的，适用于像交互式多媒体这 样一些涉及软件处理系统信息的应用比如：v c d ，d v d 等。程序流分组的长度是 可变的而且相对较长。 传输流和程序流为不同的应用环境而设计，但他们的定义并不严格的遵守分 层模式。从一种形式转换到另一种形式是可能的，合理的，然而并不存在子集或 超集的关系。尤其是从传输流中抽取一道程序的内容并产生有效的程序流是可能 的，只要通过普通的p e s 分组格式变换就行了。但并不是程序流需要的所有域值都 可以直接从传输流中获得，有一些必须经过推导，在多层模式中，传输流可能跨 过几层范围，为的是更有效的、轻易的实现高带宽的应用。该标准没有规定编码 器和解码器的结构或实现，也没有规定多路复用器和多路解调器的结构或实现。 然而比特流的性质对编码器、解码器、多路复用器和多路解调器提出了功能和性 能上的要求。但是即使有这些要求，它们的设计与实现仍具有相当大的自由度。 2 2 1 传输流 传输流有其固定的长度1 8 8 字节，它的速率是可以变化的或固定不变的。组成 传输流的原始流在任何情况下可以变化或固定，在这些情况下的语义和语法限制 都是相同的。传输流速率由程序参考时钟( p c r ) 字段所在的位置和数值所决定。通 常对于每个程序都有自己的p c r 字段。p c r 域的调整对保证同编码端的同步有重要 的作用，但在本文的解复用模块中将不会用至u p c r 字段，所以在这里就不在详细说 明。 传输流可以用很多有效的方法产生数据流，从原始的编码的数据流，从程序 1 6 c a m 卡中解复用模块研究与实现 流，从其它本身包含一个或多个程序的传输流都可以构成含有一道或多道程序的 传输流。 传输流的编码结构和参数 传输流中所要讲到的程序是一些有着相同时间基点的原始流的集合。传输流 根据一定的编码原则可以将一道或多道程序合成为单个流。从每个原始流来的数 据被多路复用在一起，并带有足够的信息，允许一道程序的所有原始流能同步显 示。 i t u t r e c h 2 2 2 0 i i s o i e c1 3 8 18 多路复用 传输流是由一道或多道程序组成，而每道程序又是由一个或多个原始流和一 些其他的流多路复用在一起，这些原始流可以是视频的也可以是音频的或则其他 的系统信息。每个原始流包含访问单元，也就是显示单元的编码表示。如果以视 频和音频原始流为例子来说明，其含义大概如下。 假如原始流是视频原始流，且视频原始流要显示的是一幅图象，那么通过前 端的编码过程后，则其相应的访问单元包括