（通信与信息系统专业论文）数字电视机顶盒的版权保护模块设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随蓿各种软件盗版、侵权现象的不断发生，软件加密技术日益受 到重视。为了保护知识产权，软件版权保护和加密技术己发展成为一门科学， 它主要由密钥技术、反跟踪技术和代码插入技术构成，诸如密码加密法、磁盘 加密法、扩展卡加密法、软件狗( s o f td o g ) j i l l 密法等。综合分析其技术指标如可 靠性、读写速度、使用方便程度、破译难度、占用主机资源等，软件狗是可应 用于嵌入式系统产品的一种加密方法。现有许多嵌入式系统中亦加入由专用芯 片构成的软件锁模块，以保护其知识产权。这类芯片多半为第三代e 2 p r o m 存 储器型产品，在端口进行数据分析容易破解。第四代软件狗在第三代软件狗的 基础上，加入一个单片机芯片，如p i c l 6 c 5 x 。此芯片中存有特定的算法程序， 可将读出的密钥数据进行加密变换，以对抗逻辑分析仪。 文中提出的软件保护模块以p i c 单片机为核心，采用1 2 c 规范为数据接口与 机顶盒软件进行通信，带密码访f q n p 数据存储区( e 2 p r o m ) ，且单片机内存有 特定的算法程序，通过机顶盒接1 5 可将对软件发出的密钥数据进行加密变换， 具有和机顶盒进行数据交换、扰码、定时更换密钥等复杂的处理功能，极大提 高了解密的难度，从而有效地保护了软件不被侵权。 论文首先对数字机顶盒的软件硬件系统迸行了概述，为后面的系统设计提 供了技术背景。接着对密码学的概念和原理做了简单的阐述，并且详细论述了 两种经典的密码算法流密码和d e s ，通过对密码算法的分析，为版权保护模块 的数据的安全传输提供了理论保证，并提出本模块中使用的加密算法，然后是 软件保护模块的设计和实现，给出了保护模块的总体设计，并设计了系统的硬 件电路，并详细介绍了软件的设计和调试的过程。最后，对全文做了总结，并 针对本系统在安全性方面存在的问题提出了进一步的思索。 关键词：软件保护；单片机；1 2 c 总线；密码学 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hc o n t i n u o u so c c u r r e n c e so fp i r a t e ds o f t w a r e ，p e o p l eh a v e h a dr e g a r df o rs o f t w a r ep r o t e c t i o nm o r ea n dm o r e t op r o t e c ts o f t w a r e si n t e l l e c t u a l p r o p e r t y , s o f t w a r ee n c r y p t i o nt e c h n i q u e sh a sb e c o m e t oa no t o g y i tc o n s i s t so fs e c r e t k e ye n c r y p t i o n ，p r e v e n t i v e t r a c et e c h n i q u ea n dc o d e i n s e r t e dt e c h n i q u e ，s u c h a s p a s s w o r de n c r y p t i o n ，d i s ke n c r y p t i o n ，e x t e n d e d - c a r de n c r y p t i o n ，s o f td o ga n ds oo n s y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n gt h et e c h n i q u ec r i t e r i o n ，f o ri n s t a n c e ，r e l i a b i l i t yw r i t e r e a d s p e e d ，c o n v e n i e n c e ，d i f f i c u l t yt od e c r y p t , o c c u p a n c yo fm a c h i n er e s o u r c ee t e ，a n d s o f td o gi sag o o di d e af o re m b e d d e da p p l i c a t i o n s n o w a d a y s ，i ne m b e d d e ds y s t e m s ， t h e ya d dt h em o d u l ec o m p o s e dw i t has p e c i a l i z e dc h i pp r o t e c t i n gf r o mt o r t i o u s b e h a v i o r t h e s ec h i p sa r em o s t l ys o f td o gp r o d u c tw i t he 2 p r o ma ti t st h i r d g e n e r a t i o n ，t h e ym i g h tb ea t t a c k e da n dc r a c k e de a s i l yb y1 0 s i ca n a l y s i sa td a t a i n t e r f a c e t h ef o u r t hg e n e r a t i o n ss o f td o gj o i n sam i c r o c o n t r o l l e ra sp i c l 2 f 6 x x c o m p a r i n gt ot h et h j r do n e w h i c hl o a das p e c i f i ce n c r y p t e da l g o r i t h mi nr o mi n o r d e rt oe n c r y p td a t ab e t w e e nh o s ta n ds l a v e ，t oa g a i n s tl o g i ca n a l y z e r s t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e st h es c h e m eo ft h em o d u l ea p p l i c a b l et os t bs y s t e m ， w h i c hp r o v i d e ss o f t w a r ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y p r o t e c t i o n a n d i ti sb a s e do n m i c r o c o n t r o l l e r so fp i cs e r i e sw i t ha u t h o r i z a t i o na n dp a s s w o r da c c e s se 2 p r o m ， w h o s ed a t al i n ki n t e r f a c e ，c o m p l i e dw i t ht h e1 2 c b u ss p e c i f i c a t i o nb yc o n s t r u c t i n ga s t a t em a c h i n e t h es c h e m ee v e na p p l i e sas p e c i f i ce n c r y p t e da l g o r i t h mt op r o c e s s e n c r y p t e dt r a n s f o r mb e t w e e nh o s ta n ds l a v e ，w h i c hc a l le n c r y p tt h ed a t a ，i n t e r f e r e w i t ht h ec o d e ，a n dc h a n g es e c r e tk e ：y sa ti n t e r v a l s ，t oa g a i n s ts o f t w a r et r a c k e r a tf i r s tt h ee s s a yi n t r o d u c e st h es o r w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mo fs t b ，w h i c h p r o v i d e sr e s e a r c hc o n t e x tf o rt h es y s t e md e s i g nl a t t e r t h e nw ed i s c o u r s et h en o t i o n a n dc o n c e p to fc r y p t o l o g y ，a n de x p o u n dt w oc l a s s i c a lc r y p t o g r a p h i ea l g o r i t h m s ： s t r e a mc i p h e ra n dd e s b ya n a l y z i n gt h e s ec r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m s ，i tp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lg u a r a n t e ef o rt h es e c u r et r a n s m i s s i o no fs o f td o g sd a t a a f t e rt h a ti st h e d e s i g na n di m p l e m e n t so f t h em o d u l ef o ri n t e l l e c t u a lp r o p e r t yp r o t e c t i o n w ep r o v i d e i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h eo v e r a l ld e s i g na n dd e s i g nt h eh a r d w a r ec o n n e c t i o no fs y s t e m t h e nw ed e s i g nt h e s o , w a r e ，a n dt h ee m p h a s i si so nt h ed e s i g na n dd e b u g g i n g f i n a l l y , w eg i v et h e s u m m a r y , a n dt h i n km o r ed e e p l yf o rt h es a f e n e s so f t h i ss y s t e m k e yw o r d s ：s o f t w a r ep r o t e c t i o n ；m i c r o c o n t r o l l e r ；1 2 cb u s ；c r y p t o l o g y i i i 独创性声明 y8 6 0 2 3 5 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：型! ! ：! ：，艿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) f 注：此页内容装订在论文扉页) 日期：型少c y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 版权保护模块的意义 随着计算机技术的不断发展，今天的软件业己发展成为多门类综合性交叉 学科，涉及诸多研究领域，参与的人员越来越多，分工越来越细，软件产品凝 聚着软件人员辛勤劳动。软件业作为一种产业，也讲究投入与产出，对投入的 回报可以说是每个行业发展不懈的动力，软件业更是如此。软件是软件开发人 员集体劳动和智慧的结晶，是知识密集型商品。它成本巨大，开发周期长，然 而软件的非法复制却很容易，如果软件用户使用未经授权的软件，软件企业就 无法获得合理的收入和回报，也就无法生存和发展。因此加强软件的保护，必 须要引起足够的重视。 对计算机软件的保护应从以下两个方面进行。第一个方面就是依靠国家的法 律进行知识产权保护，另一方面是从技术手段设计符合安全要求的软件产品。 从理论上说，几乎没有破解不了的保护。对软件的保护仅仅靠技术是不够的， 而这最终要靠人们的知识产权意识和法制观念的进步以及生活水平的提高。软 件知识产权保护体制是一种在开发商、销售商、和软件用户在软件的开发、传 播和使用过程中协调和平衡各个有关方面之间利益的机制。在一个法制健全和 公众知识产权意识强的国度，软件开发商甚至不必从技术上对软件进行任何保 护，可以依靠人们的自觉和严格的法律保护就可以保证软件像其它商品一样在 市场上销售这当然是一种比较理想的保护方式。但鉴于我国软件产业起步比 较晚，相关法律法规还不很健全，而且公众的知识产权意识不强的情况，要加 强软件的保护力度，从技术层面上设计安全可靠的软件是十分有必要的。 因而，软件的安全性设计是软件开发当中极其重要的一部分，近年来，随着 各种软件盗版、侵权现象的不断发生，软件加密技术日益受到重视。为了保护 知识产权，软件加密技术已发展成为一门科学，它主要由密钥技术、反跟踪技 术和代码插入技术构成，诸如密码加密法、磁盘加密法、扩展卡加密法、软件 狗( s o f td o g ) 加密法等i z l 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 软件保护现状简介 国内外对软件保护的各种技术和实施方案有着广泛的研究，并己分别形成 成熟的产品。从软件保护的方式来看，基本上可以分成两种，一种是纯粹用软 件实现，不需要特定的硬件，这种方式俗称软加密，常见的软加密方法有密码 表加密、序列号加密和注册文件加密；另一种要依赖特定硬件才能实现软件的 加密保护我们称之为硬加密，常见的有磁盘加密、软件狗和加密卡。 1 2 1 软加密技术 软加密是不依靠特别硬件来实现对软件保护的技术，它的最大优势在于极低 的加密成本。软加密包括密码方式、软件自校验方式、序列号方式、许可证方 式等多种加密方法。 密码加密方式 密码方式是指系统在软件执行过程中询问密码，用户须依照密码表输入密 码，程序才能继续执行。任何第三方若不掌握密钥，即使获得软件的拷贝也无 法运行程序1 2 】。 这种方法的优点在于实现简单，几乎不必投入成本，不存在兼容性问题，用 户可以随意备份程序，更不必担心使用寿命的问题。但他的缺点也很明显，即 密码和加密点相对固定，只要用户复印或抄下密码表也就相当于拥有了多套软 件，另外每次要求用户查表输入密码对于用户也是十分麻烦的，破坏正常的人 机对话。因此主要用于价格较低的软件，如游戏软件等。 序列号方式 当用户从网络上下载某共享软件后，一般都有使用时间上的限制，当超过了 共享软件的试用期后，你必须到这个软件的公司去注册才能继续使用。注册过 程一般是用户把自己的私人信息( 一般主要指名字) 连同信用卡号码告诉给软件 公司，软件公司会根据用户的信息计算出一个序列码，在用户得到这个序列码 后，按照注册需要的步骤在软件中输入注册信息和注册码，其注册信息的合法 性由软件验证通过后，软件就会取消本身的各种限制，这种加密方式实现起来 比较简单，不需要额外的成本，用户购买也非常方便，在互联网上的软件8 0 都是以这种方式来保护的p i 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 现有的序列号加密算法大多是软件开发者自行设计的，大部分相当简单。而 且有些算法作者虽然下了很大的功夫，效果却往往得不到它所希望的结果。 注册方式 从网上下载或购买的软件并不能直接使用，软件在安装时或运行时会对计算 机进行一番检测，并根据检测结果生成一个用户的计算机的特定指纹。这个指 纹一般是一个小文件。需要把这个指纹数据发送到开发商那里，开发商再根据 这个指纹给你一个注 l | 码或注册文件，得到这个注册码或注艇文件后，按软件 要求的步骤在你的计算机上完成注册，软件方能使用。用户购买的软件被限制 了只能在他白己的计算机上运行，换到其他的计算机上，这个注册码或注册文 件不再有效。但用户更换某些硬件设备也可能造成注册码的失效【4 】。而且用户得 到软件后在完成注册工作前会有一段时间无法使用。对于软件开发商来说服务 与管理的工作量无疑也是非常巨大的。 1 2 2 硬加密技术 不是所有的软件都可以采用低价格、高销量来收回成本的。诸如c a d 系统、 医疗系统、财务系统或其他专用集成系统软件，由于它们的客户群比较专业， 数量相对于上面大众化软件的用户数量要小得多，它们就不太可能采取薄利多 销的策略。所以在盗版市场中，这些正版价格在几百元、几千元以上的功能软 件，成为了支撑盗版市场的卖点。这必然使得软件商进行加密方面的投资来保 障正版软件的市场销售。 硬加密正是保证高档软件在市场生命周期中免受盗版侵害的一种功能强大 的工具。所谓硬加密就是通过硬样和软件结合的方式来实现对软件的加密，加 密后软件执行时需访问相应的硬件，其典型产品包括磁盘加密、加密卡和加密 锁( 软件狗) 、微狗等。与传统的软加密相比，硬加密的主要特点是：抗解密强度 高、稳定性和兼容性较好。 磁盘加密方式 在d o s 时代之前就有一些比较好的软件保护技术，而在d o s 中使用的最多 的恐怕要算软盘指纹防拷贝技术了，这种方法通过在软盘上作特殊标记，也就是 俗称的指纹，并将指纹保存在不易被拷贝的地方，运行前首先检查是否存在该标 志，否则拒绝执行，由于拷贝的盘无法拷贝该标志，所以拷贝的盘无法执行。 武汉理工大学硕士学位论文 常见的磁盘加密方法是在程序运行的适当时候提示用户插入附带的钥匙盘 ( k e yd i s k ) 验证正确后才能继续执行。这种加密方法与密码加密法相比最大的改 进在于提供了“抗拷贝”的硬件介质一一钥匙盘，对于一般用户来说是复制不出一 张相同的钥匙盘的，另外，从磁盘输入密码，既隐蔽又方便了用户，而且由于 采用了磁盘输入，密码的概念不仅仅是用来验证的一些记号，也可以是程序用 到的一些重要数据或代码，这样就使得那些没有钥匙盘的用户无法破译程序。 此方法加密简单，成本低。但由于每次程序启动都需要钥匙盘，而读密码的 动作一般又集中于某个磁道，因此容易造成钥匙盘的失灵，再加上不能备份钥 匙盘，造成软件使用寿命受到限制。尽管如此，磁盘办h 密仍是一种物美价廉的 软件保护方式，因此成为早期软件保护的主澍。 光盘加密是后期对磁盘加密的改进。其原理是利用特殊光盘的母盘上某些特 征信息不可再现的特性来实现。这些特征信息大多是光盘上非数据性的内容， 在光盘复制时复制不到的地方。对母盘上写入特殊的标记，运行时通过检验这 些标记是否正确而验证软件的可靠性。这种加密方案是一次性的投入，对于大 规模的生产这种加密方案可以将成本降得很低。而且软件数据和加密在同一载 体上，对用户无疑是很方便的。但是由于加密方式所限，不可能在用户自己刻 录的光盘上实现这种加密，必须是生产线上生产的光。这对于一些小规模的软 件生产厂商还是有一定困难的，而且由于光盘的只读性， 旦加密有错是无法 修复的。 软件狗( d o n g l e s ) 力i i 密方式 软件狗是一种智能型加密工具，它是一个安装在并口、串口等接口上的硬件 电路，当被软件狗保护的软件运行时，程序向插在计算机上的软件狗发出查询 命令，软件狗迅速计算并给出查询结果，正确的结果保证程序继续运行，如果 没有软件狗，则软件不能运行，这种方法将软硬件技术结合在一起防止软件非 法发布和使用，很多有价值的商用软件都使用软件狗加密保护方式【5 1 。 软件狗已经有了近十年的发展历史，至2 0 0 3 年初己发展到了第四代l ”。 第一代软件狗是用二极管和电阻等器件组成的组逻辑密码，封以外壳，工 作时插在微机的并行口上。当运行应用软件时，通过对并行口读取数据来判别 软件狗存在与否、密码正确与否，从而决定软件是否运行。这种狗因为内部结 构过于简单，很容易被人检测破译。 第二代软件狗采用了t t l 或c m o s 逻辑门电路，在电路设计上也做了一些 武汉理工大学硕士学位论文 加密工作，例如对数据位的反相、移位、交叉等，破译时比前一种困难，起到 一定的加密功能。 第三代软件狗采用e e p r o m ( e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l y m e m o r y , 电可擦可编程只读存储器) 存储或读取密钥数据。常见的有原金天地的 “软件狗”、深思洛克的k e y p r o 型、r a i n b o w 的c p l u s 等。这种锁的主要特点是 厂商可以预先把自己的保密数据设置到锁内，然后在软件运行时随机读取，这 样防止了解密者通过简单重复并口数据来解密，但解密者进一步分析一下数据 规律就可以解决了。 第四代软件狗在第三代软件狗基础上加入了一个单片机芯片，该芯片内部存 有特定的算法程序，能读取密钥数据进行加密变换。加密锁通常还增加了一些 辅助功能，比如倒计数器、远程升级等。软件狗采用了低功耗丌l ，c o m s 等 逻辑元件，在电路上做了一些加密工作，检查时也要比第一代软件狗多一道手 续，解密的难度自然也增加了。常见的有深思洛克的“深思i ”型，彩虹天地的 s u p e r p r o 、微狗，a l a d d i n 的m e m o h a s p 等。利用单片机，软件与锁之间的 数据通讯建立了一个保密协议，数据都是经过加密的，解密者就难以分析出数 据内容和规律。可以说，软件狗发展到第四代，已经非常成熟了。在此技术上， 各软件狗研制公司又加入自己的电路设计，形成了各自的产品特色【m 。 扩展卡加密方式 用户必须把扩展卡插到扩展槽中才能运行相应软件。也有软件将加密卡与软 件所需的附加卡集成在一张板子上，节省了成本，也方便用户使用。加密卡与 软件狗相比，最大的优点就是可以制作相当复杂的电路，增加破解的难度，但 这种加密方案需要打开计算机的机箱，占用扩展槽，一般还需要专门的人员来 安装。另外，由于加密卡设计上的某些问题，还很容易同现有的硬件发生冲突。 考虑到成本，加密卡必须要批量生产成本较高，所以对原本不需要外部设备的 软件并不愿意去使用它。 加密卡的原理与一般的扩展卡没有什么不同，它从计算机的总线上提取信号 加以处理，再通过总线将结果返回计算机。一般加密卡上都要存有程序所必需 的加密后的数据，或是具有特殊功能的部分来变换上位机传来的数据，成为软 件运行时不可缺少的部分。软件在执行过程中可以随时访问加密卡，不会对软 件运行的速度带来太多的影响。由于加密卡是与计算机的总线交换数据，数据 通讯协议完全由卡的厂家制定，没有统一的标准接口，让软件解密者有无从下 武汉理工大学硕士学位论文 手的感觉。 1 2 3 小结 综合分析，软件狗技术与其它加密技术相比，是一个既经济又相当可靠的软 件保护方式，在加密的可靠性、防破解能力、使用的方便性和兼容性等方面都 有着明显的优势。 而数字电视机顶盒( s t b ) 系统首先是嵌入式系统，其软硬件系统由厂商自行 设计；唯一可用的外接接口是条件接入( c a ) 的用户智能卡，但基于机卡分离的 设计思想，机顶盒厂商不应在条件接入的智能卡上集成带有厂商专有特色的软 件保护模块。对于数字电视机顶盒，可行的方法是添加一个与s t b 软硬件系统 紧密结合的皈权保护模块。 因而本设计在研究了不同的软件保护方案后，考虑到机顶盒系统自身的特 点，结合了软件狗技术和扩展卡加密技术，设计了加密强度高、使用方便的数 字电视机顶盒版权保护模块。 1 3 作者的主要工作和本文的章节安排 1 3 1 作者的主要工作 综合考虑数字电视机顶盒系统的软件保护要求和软件保护强度、成本、易 用性等各方面因素，采用以p i c 单片机为核心器件，1 2 c 规范为数据接口与机顶 盒系统进行加密通信，并使用授权密码访问用户数据存储区( e 2 p r o m l 的加密方 案。且单片机内存有特定的算法程序，通过上位机接口对软件发出的密钥数据 进行加密变换，具有和上位机进行数据交换、扰码、定时更换密钥等复杂的处 理功能，极大提高了解密的难度，保护了软件不被侵权。 工作主要： 1 ) 分析1 2 c 总线标准，用软件模拟的方式实现主从设备1 2 c 总线控制： 2 ) 完成加密算法和认证协议的定义； 3 ) 负责版权保护模块的软硬件总体设计并实现； 4 ) 在p s o s 环境中实现部分机顶盒应用程序接口( a p i ) ；在v i s u a l 6 武汉理工大学硕士学位论文 c + + 6 0 环境下开发t n 试程序，用于演示版权保护模块的使用方法。 1 3 2 本文的章节安排 本文组织共分为五章。 第一章介绍了软件保护的相关工作现状，并指出本文主要工作。 第二章对数字机顶盒的软件硬件系统进行了概述，介绍了本文所涉及的部分 技术、标准及相关概念，为后面的系统设计提供了技术支持。 第三章对密码学的概念和原理做了简单的阐述，通过对密码算法的分析，提 出版权保护模块的加密算法和认证协议，为版权保护模块的数据的安全传输提 供了理论保证。 第四章描述了本系统进行软件版权保护的主要流程以及基本原理，提出保护 模块的总体设计，设计了系统的硬件电路并细化了保护模块软件的实现，并给 出了版权保护模块开发时需要注意的一些问题。 第五章详细介绍了版权保护模块的调试过程。 第七章对全文做了总结，并针对本系统在安全性方面存在的问题提出了进一 步的思索。 最后是参考文献、致谢等。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字电视机顶盒软硬件结构 2 1 数字电视机顶盒的基本原理 数字机顶盒( s t b ，s e t - t o pb o x ) 是一种与电视机连接的网络终端设备，用于 将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，通过对数字化压缩的图像声音信 号进行解码还原，产生模拟视频和声音信号，以提供给观众高质量的电视节目。 从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒，从基于有 线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，到将电话线与电视机联系在 一起的网络机顶盒、数字卫星的综合接收解码器( i n t e g r a t e dr e c e i v ed e c o d e r ， i r d ) 、地面数字电视机顶盒，以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。 从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按传输途径的不同将机顶盒分 为三大类：卫星数字机顶盒( 即卫星综合接收解码器) 8 1 、有线电视机顶盒【9 1 以 及地面数字机顶盒【l o 】，1 1 1 ，【1 2 】。机顶盒的硬件结构随功能和工作方式的不同而不 同，但其基本的组成一般都包括高性能的处理器芯片、存储器、通讯接口、解 码器、编码器和外围设备等。 一输入_ 1 调谐 中频信号1a d 转换卜_ 一q a m 解调h 厂 厂 厂一竺苎- 一竺兰! 卜一b 流。1 l 视频解码卜裟勰码c 旧视频4 视频输出卜 up e s 分析 l ，j 一一一 l 一音频解码一p c m 自# 码 模拟音频l 音频输出 一 1 。，j 【一【，一 图2 一i 数字电视机顶盒数据流图 数字机顶盒的基本功能是接收和解码数字电视广播。如图2 1 所示。各类信 源在进入有线电视网络前，在前端经过了两级编码，第一级是信源数字化编码， 并将所有信源封装成多节目传输流( m p t s ) ：另一级是传输用的信道编码【1 3 】。与 前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调， 武汉理工大学硕士学位论文 接着还原被压缩的数字电视信源编码信号，恢复原始视音频数据流，同时完成 数据业务和交互式多媒体应用的接收和解析【1 4 】， 1 5 1 0 与前端相应，接收端机项盒 首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调：其次是还原压缩的信源编码 信号，恢复原始音、视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。下 面以接收数字电视节目为例，简单分析一下数字电视接收机顶盒的基本工作原 j 望t 1 6 】。 当电视信号到达数字电视的接收端，机顶盒中的高频调谐模块接收射频信号 并且下行变频为中频信号，然后进行a d 转换为数字信号，再送入q a m 信道 解调器进行q a m 解调，输出m p e g - 2 格式的传输流的串行或并行数据。解复用 器从m p e g 2m p t s 传输流数据中抽出一个节目的己打包视音频基本流 ( p o c k e t s i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 数据，包括视频p e s 、音频p e s 和辅助数据p e s 。 解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和p e s 层对加扰的数据进行解扰， 解复用器输出的是己解扰的视音频p e s 。视频p e s 送入m p e g 2 解码器，解码 后输出到p a l n t s c s e c a m 编码器，将数字信号编码成c v b s ，s - v i d e o 以及 r g b y p b p r 模拟信号，再经视频输出电路输出。音频p e s 送入音频解码器，输 出m p e g l ( i s o i e c1 1 1 7 2 3 ) ，m p e g 2 ( i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 ) 格式的数字信号到p c m 解码器，p c m 解码器输出立体声模拟音频信号，经过音频d a c 电路输出。 这三种数字机顶盒的工作原理基本相同，只是信号传输机制有所不同。因此 在硬件上，只需更换数字电视接收前端( n e t w o r ki n t e r f a c em o d u l e ，n i m ) ，就可以 从不同的传输介质中接收信号源，经过相应的调谐和解调处理，转换成t s 流， 其后的处理过程基本上相同。 2 2 数字电视机顶盒硬件结构分析 从硬件组成上看，机顶盒的基本结构一般组成为数字电视广播接收前端、 m p e g 解码、视音频和图形处理器、电缆调制解调器、高性能处理器内核、存 储器、以及各种接口电路。数字电视广播接收前端包括调谐器和q a m 解调器， 该部分可以从射频信号中解调出m p e g 传输流；m p e g 解码部分包括解复用、 解扰引擎和m p e g 解压缩，其输出为m p e g 视音频基本流以及数据净荷。视音 频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及图形处理功能。电缆调制解调模 块由一个双向调谐器、下行q a m 解调器、上行q p s k q a m 调制器和媒体访问 控制( m a c ) 模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。c p u 与存储器模 武汉理工大学硕士学位论文 块用来存储和运行软件系统，并对各个模块进行控制。接口电路则提供了丰富 的外部接口，包括通用串行接口u s b 、高速串行接口、以太网接口、r s 2 3 2 、视 音频接口等等。 c a b l e l 粤叫r _ 哪 解调r _ s d r a mb p 星赢1 l r _ j r f 堡塑r t sm p e g 一2 _ 1 竺j i n h 黼h 1 解复用广1 视音频解码1 l e ”i4 0 8 d 。e r l v i d o 嘲霖h 厂1 1 晒 枷 i l 型垒j s b i j 工工 工 工 上l ：i1 01 0 。一， t 一t 1 匝窭圆圈匿盏蔓 图2 2 数字电视机顶盒硬件架构图 2 2 1 机顶盒硬件模块划分 1 解调模块 包括调谐器( t u n e r ) 和解调器( d e m o d u l a t o r ) ，调谐器接收射频信号。正常情况 下，载波的频率介于5 0 m h z 和7 5 0 m h z 之间【l ”。调谐器( 射频下变频器) 将5 0 m h z 到7 5 0 m h ze t l 之间的6 m h z 或者是8 m h z 带宽的信号调整到第一4 中频r 典型的 为4 4 5 m h z ) ，然后将再度转换后的第二中频信号( 5 7 5 m h z ) ，然后再发送给调 谐器的模数转换器( a d c ) 。调谐器通过1 2 c 总线来控制。另外，信道解调器根据 中频信号幅度，通过a g c 信号来调节调谐器输出的中频信号幅度，使其稳定在 一定的范围之内。中频信号输出幅度通常较小，需要经过中频放大器，然后送 入q a m 解调器。 o 武汉理工大学硕士学位论文 q a m 解调器收到中频信号后，对其进行模数转换，然后逐级进行解调，包 括信号的定时恢复、载波恢复、数据成型、自适应均衡以及解码、解交织、r s 解码、去随机化，输出符合m p e g 2 标准的并行传输流。信道解调器可以直接 对输入中频信号进行a d 采样，提供a g c 信号调节中频信号增益。正常工作状 态下，解调芯片先通过非相关a g c 模式使中频信号幅度在a j d 采样范围之内： 接着进行载波锁定和同步信号恢复：实现同步后，相关a g c 模式进一步细调中频 信号幅度。然后依次进行n t s c 同频干扰滤波、信号均衡、9 相位跟踪锁定以及 f e c 处理( 包括格状解码、去卷积交织、r s 解码和去随机) 等步骤，最后输出t s 码流。实际解调的每一步都可以通过内部寄存器来跟踪。解调过程中各阶段信 号的实际性能，如锁定状态、信噪比、误码率等可以由解调芯片内部的寄存器 指示。 2 解复用模块 解复用器完全兼容工s o i e c1 3 8 1 8 - 1 ( m p e g 。劲国际标准，集成了m p e g 2 传输层的音频、视频流和数据服务的解复用功能和解扰功能呻i 。解复用器有传输 流解复用器和节口流解复用器两种类型。 视音频 解码器 h y k i p s s b r b , b l b 处理器 。 图2 - 3 解复用原理图 如图2 3 所示，解复用器由信道接口、信道f i f 0 、p i d 预处理器、p i d 后处 理器，解扰器以及音、视频接口和节目时钟提取电路等组成。其中信道接口接 收t s 数据包( 长度为1 8 8 b i t s ) ，提供同步字节检测，以及实现同步锁定未锁定的 具有可编程延迟时间的滞后机制。一旦建立同步，信道接口就通过信道f i f o 将 完整的t s 包传输到p i d 预处理器。信道接口还负责检查传输包的完整性，指示 传输错误等。 武汉理工大学硕士学位论文 解复用器包含3 2 组寄存器和一个有3 2 个入口( 0 3 1 ) 的p i d 表，入口0 2 9 对 应3 0 个通用p i d 表寄存器组，入口3 0 和3 1 分别指示音频、视频p e s 包对应的 寄存器组。p i d 预处理器和后处理器主要由各种p i d 过滤器组成。 p i d 预处理器将每个传输包中的p i d 值与可编程p i d 表中的p i d 值进行比 较，过滤掉不相关的p i d 对应的数据包，得到所选节目的音、视频p e s 包，节 目特定信息( p s i ) ，服务信，g ( s i ) 和其它相关私有数据。 经过p i d 预处理器之后，无用信息被过滤掉。有效数据通过d v b 解扰器， 在这里将加扰过的数据部分进行解扰，而未被加扰的数据，考虑到同步因素， 则直接通过。 被解扰的数据进入p i d 后处理器，接受其它的几步过滤操作：传输包头滤波、 p e s 包头滤波、数据滤波和e c m 滤波等处理。 经过以上几个处理步骤，数据到达分离器模块，在这里音、视频数据自接送 往音视频解码器进行m p e g - 2 解码其它操作，其它数据则被送往s d r a m b ， 供s t b 应用程序和其它功能部件使用。 3 m p e g 一2 音视频解码模块 解复用器 图2 4 音视频解码器原理图 m p e g - 2 音视频解码模块的主要功能是对解复用芯片送出的p e s 分组进行解 武汉理工大学硕士学位论文 码，通过硬件进行m p e g 2 的音、视频数据解码，输出两组信号，一组为送给 数字视频编码器的c c i r 一6 5 6 数字视频信号，另一组为送给音频d a c 的p c m 格 式的数字音频信号。输出解码后的数字视频给m i x e r ，输出解码后的数字音频给 d a c 模块。 音视频解码模块只能分析m p e g 一2 程序流中的包和传送流中的音视频p e s 分组，丢弃其他类型的p e s 分组。音频和视频流被分为头部和负载流写入 s d r a m a 中不同的缓冲区。外部微处理器通过读取p e s 头部缓冲区的中的显 示时间戳来实现音频、视频同步。m p e g 2 解码器包括1 2 c 总线接口、d m a 控 制器、m p e g 一2 音频视频解码器接口、音频鳃码器、视频解码器和音频d a 转 换器等电路。 4 o s g ( o n s c r e e ng r a p h i c ) 模块 数字电视解码器中的o s d 模块实际上是一个强大的图形处理器。支持多个 显示平面的透明覆盖。如图2 5 ，这些显示平面从上至下依次为：光标、o s d 图 形平面、活动视频平面、静止图片显示、单色背景显示平面。 光标平面是一个透明的平面，支持1 6 色、3 2 x 3 2 像素光标，可位于显示区 域的任何处。o s d 平面用于显示复用的o s d 区域，如链表之类。该平面支持 r g b 和y c r c b 两种视频格式，能在每种颜色或每个像素与其他平面混合。静止 平面支持y c r c b 格式的4 ：2 ：0 和4 ：2 ：2 静止图像，还能运载4 ：2 ：2 的v b i 数据。 0 s d 图形 活动视频。= 二二二二二二二二二二二二二二二二二= = 7 静一e 画面：= 二二二二二二二二二二二二二二二二= = 7 单色背景面。= 二二二二二二二二二二二二二二二二二= = 7 上 卜 图2 - 5 典型数字电视解码器支持的显示平面 o s d 控制器允许在解码的视频顶部叠加文本和图形，这些叠加的文本和图 形可在输出前与解码的视频在数字上混合。叠加数据总是以相同的尺寸显示， 而不管分辨率或视频数据的方式。视频数据的摄像和扫描也不影响叠加数据的 位置。显示控制器模块负责将从o s g 接收的图文、自身产生的背景与解码视频 相叠加，然后将所形成的8 位或1 6 位y c r c b 数字视频流传送到视频编码器。视 武汉理t 大学硕士学位论文 频编码器进行数模转换，产生复合视频、s 视频或r g b 视频信号，支持包括p a l 、 n t s c 和s e c a m 制式。 2 2 2 机顶盒总线与接口 1 ，机顶盒总线介绍 总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信 息的公共通路。总线的主要参数【1 8 1 有： 总线带宽：是指一定时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒 钟传送多少m b 的最大稳态数据传输率。与总线带宽密切相关的两个概 念是总线的位宽和总线的工作时钟频率。 总线位宽：是指总线能同时传送的数据位数，即我们常说的3 2 位、6 4 位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，即 总线带宽越宽。 总线的工作时钟频率：以m l - i z 为单位，工作频率越高则总线工作速度 越快，即总线带宽越宽。 在具体的应用中，通常我们会遇到以下几种总线： 内总线( i b u s ) ：又称系统总线或板级总线。因为该总线是用来连接系统 各功能部件而构成一个完整嵌入式系统的，所以称之为系统总线。该总 线使得c p u 可以访问其他子系统的寄存器，而且子系统和c p u 之问的 中断处理也是通过这条总线来完成。 扩展总线( e b u s ) ：用于实现内部和外部宿主设备之间的无缝连接与通 信，提供8 位、1 6 位和3 2 位的数据带宽。该总线用于实现内部宿主如 c p u 和外部设备之间的数据传输，同时也负责外部设备之间的连接，譬 如r o m 和i o 设备，以及各种同步、异步f l a s h 存储器。相应地，外部 宿主设备也可以通过e b u s 访问1 - b u s 和s - 1 3 u s 这两条总线。 共享总线( s - b u s ) ：该总线提供系统中各个子模块一种共享数据带宽的 方式来访问内存。 1 2 c 总线：1 2 c 总线是由数据线s d a 和时钟s c l 构成的串行总线，可发 送和接收数据。它是一个多主机的总线，这就是说可以连接多于一个能 控制总线的器件到总线。每个1 2 c 器件都有一个唯一的地址，而且可以 武汉理工大学硕士学位论文 是单接收的器件( 例如：l c d 驱动器) ，或者是可以接收也可以发送的器 件( 例如：存储器) 。发送器或接收器，可以在主模式或从模式下操作， 这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。 2 1 2 c 总线标准 由于本文所描述的版权保护模块将经由1 2 c 总线【1 9 1 与数字电视机顶盒系统相 联，这里重点介绍一下1 2 c 总线。 1 2 c 总线为一简单的双向2 线总线，广泛用在消费电子产品、通信及工业电子产 品上作i c 器件的控制。 所有1 2 c 兼容的器件都有标准的接口，使它们可以经由1 2 c 总线互相直接通 信。此总线设计对系统设计师及仪器制造商都有利，因为可增加硬件的效率及 简化电路，同时可提高仪器的可靠性，以及解决了很多在设计数字控制电路上 所遇到的接口问题。1 2 c 器件与1