（计算机系统结构专业论文）条件接收系统研究及其在dvbc机顶盒上的实现.pdf

粕东大学硕士学位论文 摘要 在全球数字化浪潮的推动下，数字多媒体技术的发展日新月异。电视， 作为人们日常生活中最常见的一静娱乐体闲工具，也正在经历辫从模拟电 辍两数字纯程籁广播翁变邋。数字毫褫带来的不仅仅是节器蔟爨的提高帮 节围数量的增加，也在改变着人们传统的电视收看方式。我们不仅可以像 收餐模拟电视的时候一样收看固定的电视节目，逐可以享受到视频点播 ( v o d ) 、i n t e r n e t 接入等个襁化服务。 为了使用户能够根据自已的需求自由选择接收节目内容，也为了保护 节弱运营商的利益，数字电视广播中s | 入了条件接收系统( c o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e m ) ，篱称c a s 。c a s 是一耱对数字电褫节鼙的内容避行鸯噩挠 加密以建立有效收费体系的数字付费系统，它通过逡用各种数字技术对节 目进行加扰处瑗，使运营巅能够对用户收到的信息进行授权控制，只有授 投掰户才能收簿被加撬节嚣，觚丙僳障了运营裔和授权用户懿零益。 g a s 的出现也是广播电视行业打破以广告为主要收入的单一经营模 式，实现多元化经营的技术麓础和有力工具，采用肖条件接收的经营方式 怒邀筏事韭蓬勃发震蘸必然趋势。只商浆嗣有条俘接浚技术，蜜施健全懿 广播电视付费机制，才能促进电视事业向更高层次健康发展。近年来，g a s 的研究和开发已经成为数字电视系统研究的一个热点。 本文瑟条佟接l 雯系统豹蔗理与发展谤獯进行了分耩。条磐竣牧系统本 身是一个综合性系统，涉及到多种技术，一个完整的条件接收系统由发送 端、接收端两部分组成。在d v b 有关c a 系统的标准中，有两种加扰方式， 印黼密( s i 秘l c r y p t ) 帮多密( 辩u l t i c r y p t ) 。由于戏本兹藏匿，鞫密系统还 怒圈前国内数字电视的主流。但从发展 来看，多密系统必将取代同密系统。 本文在对系统开发平螽一s t m i c r o 的机顶盒芯片q a m i 5 5 1 6 进行介绍 瀚蒺疆上，阐述了在开发橇顶盒及条襻接彀系统过黎中懿核心部件一一实 时操作系统( r t o s ) 的概念、原理，并麓点介绍了开发过程中襄际应用的 s t m i c r o 公司提供的实时多经务操作系统s t l i t e o s 2 0 。 橇顶盒是采用餐憨卡授零来实褒条俘接寝静，零文奔绍了凝读盒芯冀 山东大学硕士学像论文 q a m i i 5 5 1 6 豹謦雏卡搜霹以及瘸予安瑗枫礞鑫与智能卡之潺逶信黪 t d a 8 0 0 4 t 芯片，描述了i s 0 i e c 7 8 1 6 协议中的t = o 通讯协议，弗给出了通讯 的实现过程。 最居，农系统分毫蓐懿基礁上，终会d v b 标壤穰粲，我们绘窭了在d v b c 数字电视机顶盒中条俘接收系统静详细设计过程。 本文为在机顶盒上窟现条件接收系统提供了一个模板。文中所讨论的 基予q a m i 5 5 1 6 静数字激援辊顶盒黪磅发工作溅疑透过了系统测试，辈将 投放市场使用。舀前，该机顶盒己顺乖j 实现了对永新同方c a s 的支持，并 通过了c a s 认证。项目的研究成果和经验，对从事c a 系统和机顶盒研发 载科技人员露缀好故参考作震。 关键词：机顶盒：条件接收系统：袋时操作系统；数字视频广播 山东大攀硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n go fg l o b a ld i g i t i z a t i o n t i d e ，t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l m u l t i m e d i at e c h n o l o g yc h a n g e sw i t h e a c hp a s s i n gd a y t e t e v i s i o n ，o n e o ft h em o s t p o p u l a ra m u s e m e n ti no u rl i f e ，a l s og ot h r o u g ht h ev i c i s s i t u d ef r o ma n a l o g t e t e v i s i o n t od i g i t a lt e l e v i s i o n n o to n l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o g r a ma n di n c r e a s et h en u m b e r o fp r o g r a m ，d i g i t a lt e l e v i s i o na l s oc h a n g i n gp e o p l e st r a d i t i o n a lm a n n e ro fw a t c h i n g t v n o to n l yw eg a ne n j o yt h ep r o g r a ma sa n a l o gt e l e v i s i o n ，b u ta l s ow ec a ne n j o yal o t o fi n d i v i d u a t i o ns e r v i c es u c ha sv i d e oo nd e m a n d ( r o d ) ，i n t e r n e te t c i no r d e rt oe n a b l ec o n s u m e rf r e ec h o i c et h ep r o g r a mc o n t e n ta c c o r d i n gt ot h e i ro w n d e m a n d a n dp r o t e c tt h ep r o g r a mo p e r a t i o nb u s i n e s s sb e n e f i t ，c o n d i t i o n a l a c c e s s s y s t e mh a sb e i n gu s e di nt h ed i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t ，w h i c hi sc a l l e dc a s c a si s a k i n d o fd i g i t a lc h a r g es y s t e mt h r o u g hs c r a m b l ea n de n c r y p t t h ed i g i t a lt e l e v i s i o n p r o g r a m sc o n t e n t t h r o u g hs o m ed i g i t a l t e c h n o l o g y ，t h ep r o g r a mc d u t db es c r a m b l e d a n d e n c r y p t e d ，t h e n t h e o p e r a t i o n b u s i n e s sc a ni m p l e m e n te n t i t l ec o n t r o lt ot h e i n f o r m a t i o nw h i c hc o n s u m e rr e c e i v e s ，o n l yt h ee n t i t l e dc o n s u m e rc a nw a t c h t h e p r o g r a mw h i c hh a sb e e ns c r a m b l e da n de n c r y p t e d ，t h u sc o u l ds a f e g u a r d e dt h eo p e r a t i o n b u s i n e s sa n dt h ee n t i t l e dc o n s u m e r sb e n e f i t t h ea p p e a r a n c eo fc a sa l s oi st h et e c h n i q u eb a s ea n dt h ep o w e r f u lt o o l f o r b r o a d c a s tt e l e v i s i o ni n d u s t r yb r e a k st h es i n g l eb u s i n e s sm o d e lt h a ta d v e r t i s e m e n ti st h e m a i ni n c o m es o u r c e 。t h eb u s i n e s sm o d e lo fu s ec o n d i t i o na c c e s si st h ei n e v i t a b l et r e n d o ft e l e v i s i o nb u s i n e s sc a nd e v e l o pv i g o r o u s l y o n l yt h r o u g hu s ec o n d i t i o na c c e s s t e c h n o l o g y ，i m p l e m e n t sp e r f e c t b r o a d c a s tt e l e v i s i o nc h a r g e s y s t e m ，t h et e l e v i s i o n b u s i n e s sc o u l dp r o g r e s st ot h eh i g h e r l e v e l i nr e c e n t y e a r s ，t h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc a sa l r e a d yb e c a m eah o t s p o to fd i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mf i e l d t h i sa r t i c l ea n a l y s e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fc o n d i t i o n a c c e s ss y s t e m c o n d i t i o na c c e s ss y s t e mi sac o m p r e h e n s i v es y s t e m ，i n v o l v e sm a n y k i n d so ft e c h n o l o g i e s ，a ni n t e g r a t e dc o n d i t i o na c c e s ss y s t e mi sc o m p o s e db yt h es e n d i n g e n da n dt h er e c e i v i n ge n d t h e r ea r et w ok i n d so f s c r a m b l ei ns t a n d a r dw h i c hi si nd v b 山东大学硕士学位论文 r e l a t e dc as y s t e m ，s i m u l c r y p ta n dm u l t i cr y p t a sar e s u l to fc o s t ，s i m u l c r y p ti st h e m a i n s t r e a mi nn a t i o n a ld i g i t a lt e l e v i s i o na tp r e s e n t b u ti nt h ef u t u r e ，t h es i m u l c r y p t w i l lc e r t a i n l ys u b s t i t u t eb ym u l t i c r y p t b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m s e tt o pb o xc h i pn a m e d q a m i 5 516p r o d u c t e db ys t m i c r o ，t h i sp a p e re l a b o r a t et h ec o n c e p t i o na n dp r i n c i p l eo f r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) 一t h ec o r eo fs e tt o pb o xa n dc o n d i t i o na c c e s s s y s t e m - e s p e c i a l l y ，t h i sp a p e r i n t r o d u c eo n er t o sn a m e d s t l i t e o s 2 0 ，p r o v i d eb y s t m i c r o ，w h i c hw i l lb eu s e di no u rw o r k c o n d i t i o na c c e s si s i m p l e m e n tt h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fs m a r tc a r di ns e tt o p b o x ，i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c e dt h ei n t e r f a c eo fs m a r tc a r di nq a m i 5 516 ，a sw e l la s t d a 8 0 0 4 tw h i c hi su s et oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns e tt o pb o xa n ds m a r t c a r d a f t e r w a r d s ，w e d e s c r i b e d t 2 0c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e l o n g s t o i s o i e c 7 816 ，p r o v i d et h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i s ，u n i f i e st h es t a n d a r df r a m eo fd v b ，w ei n t r o d u c e d t h ed e t a i ld e s i g no fc o n d i t i o na c c e s ss y s i e mi nd v b - cd i g i t a lt e l e v i s i o ns e tt o pb o x t h i sp a p e rp r o v i d e sat e m p l a t eo fc a so ns t b t h es t bd i s c u s s e di nt h i sp a p e r h a dp a s s e dt h es y s t e mt e s t ，a n d w i l lp u t si nt h em a r k e ts o o n a tp r e s e n t ，t h i ss t b h a s i m p l e m e n t e dt h es u p p o r to fc a sm a d eb yy o n g x i n t o n g f a n g ，a n dp a s s e dt h ec a s c e r t i f i c a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sa n de x p e r i e n c eo ft h i sp r o j e c th a sr e f e r e n c ef u n c t i o n t ot h e i rt e c h n o l o g i s tw h oe n g a g e di ns t ba n dc a s k e y w o r d s ：s e tt o pb o x ( s t b ) c o n ditio n aa c c e s ss y s t e m ( c a s ) r e ai t i m e o p er a tin gs y s t e m ( r t o s ) d i g i t a iv id e o b r o a d c a s tin g ( d v b ) v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盏赵日期：塞翌丝丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 靼导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 在全球数字化浪潮的推动下，数字多媒体技术的发展日新月异，在逐 渐改变着人们的生活方式，人们追求更快的信息交换速度，更高的视觉享 受，更便捷的服务，更多的信息。电视作为人们日常生活中最为常见的一 种娱乐休闲工具，也正在发生着重大的改变：多年来流行的模拟电视，正 逐渐被新兴的数字电视所取代，互动式数字电视业务正在各地迅速普及。 数字电视由于采用了数字信号，使电视节目可采用高压缩率的m p e g 算法 压缩，减少对传输网络的带宽占用量，用过去播出一套模拟电视节目所占 据的带宽，经过数字压缩处理后，可播出4 、8 套节目，提高了有效带宽的 利用率，因此能够播出更多更好的节目。其次，由于在传输过程中，采用 了数字信号，增加了信号的抗干扰性，提高了节目的接收质量。因此，从 发展的角度来看，数字电视必将取代模拟电视。 但是在我国，由于受到各种条件的限制，模拟电视机在相当长的一段 时间内仍将是主流，这就为数字电视机顶盒市场的启动提供了条件。数字 电视机顶盒，又称为综合接收解码器( i r d ，i n t e g r a t e dr e c e i v ed e c o d e r ) 。 它的主要功能就是将接收下来的数字电视信号转换为模拟电视信号，让使 用模拟电视机的用户不用更换电视机也能收看到数字电视节目，图像质量 接近5 0 0 线的水平，但是没有上网功能。这其中，根据传输媒介的不同， 数字电视机顶盒又分为数字卫星机顶盒( d v b s ) 、有线电视数字机顶盒 ( d v b - c ) 和地面电视数字机顶盒( d v b - t ) 3 种。经过几年的努力，国内 数字电视业务已经进入到普及阶段，按照发展规划，我国力争到2 0 0 8 年 实现主要城市数字化，2 0 1 0 年城市数字化，2 0 15 年全国数字化，同时模 拟电视将退出历史舞台。 数字电视带来的不仅仅是节目质量和数量上的提高，同时也改变了人 们传统的电视收看方式，我们不仅可以像收看模拟电视的时候一样收看固 定的电视节目，还可以享受到视频点播、i n t e r n e t 接入等个性化服务。由 于每个人对这些个性服务的需求不同，节目运营商不可能再像以前收看模 山东大学硕士学位论文 拟电视一样对每个用户收取固定的费用，所以需要一种更为合理的收费方 式，既要保证用户能够根据自己的需求自由选择接收节目内容，又要保证 节目运营商的利益，数字电视广播中引入了条件接收系统( c o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e m ) ，简称g a s 。 c a s 的出现也是广播电视行业打破以广告为主要收入的单一经营模 式，实现多元化经营的技术基础和有力工具，采用有条件接收的经营方式 是电视事业蓬勃发展的必然趋势。只有采用有条件接收技术，实施健全的 广播电视付费机制，才能促进电视事业向更高层次健康发展。近年来，c a s 的研究和开发已经成为数字电视系统研究的一个热点。 1 2 本课题研究的内容 本课题旨在研究条件接收系统的基本原理及其在数字电视机顶盒中 的应用，同时结合本人一年多来研究开发机顶盒特别是条件接收系统的经 验，在深刻剖析实现c a s 所需要的关键技术的基础上，给出了在d v b c 数 字电视机顶盒中c a s 的详细设计过程和实现方法。 1 3 本文的组织结构 本文共分六章。 第一章介绍了课题的研究背景，并对课题研究内容和本文的组织结构 作出简要说明。 第二章介绍条件接收系统的基本原理、安全机制，并对它的历史、现 状和发展趋势进行了阐述。 第三章对本课题在研究与开发过程所使用的系统开发平台进行了分 析，主要包括s t 的q a m i 5 5 1 6 介绍，0 s 2 0 实时操作系统及系统测试环境等 内容。 第四章分析了在数字电视机顶盒中实现条件接收时所需要的重要部 件一智能卡。介绍了q a m i 5 5 1 6 提供的智能卡接口，并给出了机顶盒与智 能卡通信的实现方案。 第五章在对机顶盒内条件接收系统的实现过程进行系统分析的基础 上，以d v b 标准框架为基础，给出了在d v b - c 数字电视机顶盒中条件接收 系统的详细设计过程。 山东大学硕士学位论文 第六章对系统开发情况和系统应用效果进行了总结，并对下一步的研 究计划作出了展望和设想。 山东大学硕士学位论文 第2 章条件接收系统 条件接收系统( c a s ) 是一种对数字电视节目的内容进行加扰加密以 建立有效收费体系懿数字纣费系统，曩时也是嚣发薅终多功艇瑟业务、提 供增值服务、开辟广播电视新的经济增长点的渡务保障系统。它通过遥用 备种数字技术对节目进行加扰处理，使运营商能够对用户收到的信息进行 授权控制，只有授权鲻产才能收看被热撬节蓬，从瑟保障了运蓉亵窝授投 用户的利藏，保证了数字电视业务的健康发展。 2 1 条件接收系统原理 条佟接牧系统本赛是一个综合健系统，涉及裂多耱按零，雹括热勰密 技术、加解扰技术、编码技术、复粥技术、智能卡技术、网络技术、接收 技术，此外还涉及到用户管理、节日管理、收赞管理等信息管理技术。一 个完整的祭馋接收系绞蠡发送溃、接收蕊两部分组成。其慕零纛理示意圈 如图2 - 1 所示： 发送端接收端 图2 - ic a s 基本原理示意圈 发送端系统主要完成节莲数攥流的鸯羹扰，e 鞋( 控割字) 譬e c m ( 授投控镂 信息) 豹加密、e m m ( 授权管理信息) 静生成等工千譬。数字纯搿的视音频节日 4 山东大学硕士学位论文 传送到加扰器中，加扰器开始加扰时，先通过c w 发生器产生加扰控制字 c w ，并在使用c w 加扰节目之前，将c w 传送给e c m g ( 授权控制信息发生器) ， 并等待e c m g 返回e c m 消息，e c m g 将c w 及有关节目属性信息( 包括节目来 源、时间、内容分类和节目价格等节目信息) 通过业务密钥( s k ) 以密文形 式封装到数据包内，生成e c m ，加扰器接收到e c m 包后，按照特定的时序 关系将e c m 插入到t s 流当中，并将c w 传送给加扰器，加扰器按照事先预 定好的规则使用c w 加扰相关的视音频节目。同时e m m g ( 授权管理信息发生 器) 把s k 经过p d k ( 用户个人分配密钥) 加密处理后，生成e m m ( 授权管理信 息) ，e m m 中还包含地址、用户授权信息。最后由复用器把e m m 消息、s i 信息插入到t s 流中，并将复用好的包含e c m 、e m m 和s i 的t s 流传送到调 制器中，然后通过传输网络传送到接收端。而p d k 则通过安全通道，一般 是以智能卡的形式，发放到用户手中，供用户看节目时使用。 接收端系统主要完成解扰与解密功能。接收端( 即机顶盒) 通过传输网 络接收到已经加扰的t s 流后，按照智能卡提供的参数过滤出e c m 、e m m 消 息，并按照一定的规则将e c m 、e m m 消息传送给智能卡。智能卡接收到e c m 、 e m m 消息后，分别对其进行相关的处理，将授权写入智能卡的用户授权数 据区，并根据授权条件及指定的密钥解出加扰控制字c w ，同时将c w 传送 给机顶盒。机顶盒接收到c w 后，将其传送给解扰器，如果解扰控制字c w 正确，则可解出加扰节目，否则将收看不到节目。 2 2 条件接收系统的安全机制 条件接收系统系统最重要的特性就是信息保密，个条件接收系统涉 及到两个加密系统：一个是节目加密系统，负责对播出的节目内容进行加 密，习惯上称为加扰，它的作用是扰乱节目信号，使得未经授权的用户不 能收看加密节目。另一个加密系统是分层密钥加密系统，其目的是使用一 环紧扣一环的层次加密，保护控制字的安全。这两种技术是c a 系统重要 的组成部分，在技术上有相似之处，但在c a 系统标准中又是独立性很强 的两个部分。在目前各标准组织提出的条件接收标准中，加扰部分往往力 求统一，而在加密部分则一般不作具体规定，由各厂商自己定义。 山东大学硕士学位论文 2 2 1 同密和多密 在d v b 有关c a 系统的标准中，有两种加扰方式，即同密( s i m u l c r y p t ) 和多密( m u l t i c r y p t ) 。 同密要求前端可以使用多个c a 系统，每个c a 系统可以使用不同的加 密系统加密各自的相关信息，但对节日内容的加扰必须采用同一个加扰算 法和加扰控制字，这样可以保证接收端可以使用不同的接收设备而同时又 能接收相同的数字电视节目。使用同密技术后，可以方便多级运营商的管 理，为多级运营商选择条件接收系统提供了灵活性，而且由于智能卡中只 有控制加密部分，所以成本低。 就目前技术而言，同密的实现是有条件和代价的。在前端，要求进行 同密的c a 系统要遵循d v b 同密标准，并有标准的e c m g m u x 、e m m g m u x 接口。在接收端，用户必须使用支持各自c a 系统的机顶盒，也就是说用 户可能要拥有多台机顶盒，将来，如果机卡分离的标准能够制定，保证一 台机顶盒能够集成多个c a 系统，那么这一问题将得到解决。 多个c a 系统是如何进行同密的呢? 我们可以通过图2 2 进行说明， 图2 2 表示多个c a 系统同密时的连接关系，尽管图中仅画出了两个，但 对于多个c a 系统其原理是相同的。 图2 - 2同密处理示意图 图2 2 描述了两个c a 系统，a 和b 。实际上，两个c a 系统进行同密 集成时，大量工作集中在其中的两个主要模块上，即e c m g ( 授权控制信息 发生器) 和e m m g ( 授权管理信息发生器) ，e c m g 是通过e c m s c s 标准 山东大学硕士学位论文 接口与复用器进行连接通讯的，而e m m g 是通过e 洲 m u x 标准接口与复 用器连接的。同密时，s c s 模块( 同步同密处理器) 起到非常重要的作用， 它负责将加扰控制字传送给e c m g ，并从e c m g 获取a c ( 访问控制) 条件，同 时负责调整各个e c m 消息之间的时序，控制e c m 与c w 之间的同步关系等。 对于一些增强型的s c s ，还具有对c a 加扰组的控制和管理功能，可以通过 标准的e i s s c s 接口与e i s ( 时间调度器) 连接并完成对加扰组的自动控 制。与c a 系统密切相关的s c s 和c w g ( 控制字生成器) 通常被放在复用加 扰器中，当然也可以单独放在一台服务器上运行。 目前，实现同密的c a 系统与复用加扰器的连接通常有两种控制方式， 一种是采用固定的a c ( 访问控制) 条件进行控制；另一种是采用动态的a c 条件即通过e i s 传送加扰组条件完成自动控制。第一种情况，目前采用的 比较多，也容易实现，a c 条件可通过手工输入方式存于复用加扰器中， 复用器仅需要提供标准的e c m 、e m m 接口即可完成。而对于第二种情况， 就比较复杂了，首先需要复用加扰器必须提供标准的e i s 接口或者有专 用e i s 接口，同时要求c a 系统也要有e i s 生成模块，从而增加了集成的 难度，不过，用此种集成方式，可以实现c a 系统与复用加扰设备的自动 连接和控制，为c a 系统的复杂的功能及扩展功能的实现提供了良好的通 道。 同密技术可以解决如下问题：当运营商已经使用了一个c a 系统后，又 要选择一个新的c a 系统，从而增加系统的灵活性并扩大运营范围；运营 商的节目来自不同节目商，各节目商采用不同的c a 系统，并要保证多个 节目同时播出。使用同密技术后，能够保证前端多个c a 系统能够共同工 作，使用同一种加扰算法对节目加扰，并保证用户能收到各个c a 系统加 扰的节目。 多密技术主要是针对接收端而言的，用户可以采用多密的方式接收不 同的加扰加密系统所加密的不同的节目，这种系统必须要将解密和解扰 算法都集成到具有通用接口的插入式智能卡上，从而使智能卡的成本很 高。不过这种系统的好处就是可以同时支持多个c a 系统，这时智能卡里就 集成有多个c a 系统的加扰算法。 山东大学硕士擎位论文 虽然多密系统农逶鼹性移安全性上要如同密系绕好，毽是它霉簧楚费 成本的代价。现在一个模块市场价格至少为3 0 0 4 0 0 元，有些在千元以上。 而且如果只用一个模块，那么使用多密也就没有意义了。所以多密系统的 枫顶鑫憨体上要比麓密下的芯费更多成本，嗣时发送蠓恣要耗费更大麴设 备成本。当前我国溅处于数字电视发展的拐级阶段，由予成本的原豳，同 密系统还是目前国内数字电视的主流。但从发展来看，移密系统必将取代 犀密系绞。 2 2 2 分屡密钥加密技术 对于分层加密技术，在密码学中，它已缀成为一项公认的成熟的技术， 至于其安全性是不雾葳疑兹。农一般戆条 孛接收系统孛，采用了多滕糖密 的枫制，其中c w 用予加扰节嗣内容，该密绢是经s k ( 工佟密钥) 加密屠通 过e c m 传送给用户端的，而s k 、p d k ( 节目分发密钥) 、i k ( 节目发行商密钥) 等莜次使鼹p d k 、i k 襄p p k ( 令镶位密钥) 嬲密蜃逶过e m m 发送到魇户蠛。 在用户接收端，接收控制智能卡中按照相爱的次序依此解开i k 、p d k 、s k 、 c w ，如果用户拥有收看节目的授权，将解如c w 明文，并传送给接收设备， 由接收设备完成最终的解拢工佟。分层密镌缭构如图2 - 3 癀示。 对于加密算法，有两类可选择，一类基予密钥的算法，加密的安全性 完全取决于密钥的安全性：另一兴是基于算法的加密，安全性是由算法本 身鲍安众性鼹决定懿。两类算法各毒特点，第一类算法，出于算法安全性 由密镅的安全决定，嚣此其加镦算法可以公开并容易标准化，例如常见的 d e s 、i d e a 、a e s 、r s a 等算法，但是安全密钥的产生、传送却变得尤为重 要。对予第二类算法，需要傈诞辫法本身苓褥 | l 露，否粼安全性将受到威 胁，毽照可以采用受为复杂的数学计算傈诞箕安全性。 基于密钥的算法又分为单密钥算法和双密钥算法( 公钥算法) 。在单密 钥算法孛，趣密密钥与解密密钥稷尾，船蜜寮锈越长其安全性就越麓，但 是考虑蒯成本豹约柬，常采埔妖度为1 2 8 b 教窟的密钥。在目前常糟的算 法中，d e s 算法的密钥长度为5 6 b ，3 d e s 的密钥长度为1 1 2 b ，i d e a 霹法 的密钥长度1 2 8 b 。瓣予公钥算法，存在两个不露的密镌，一个为公嚣密锈， 另一个为私密密钥，即加密密钥与解密密镧西以不同，常见的典型算法是 山东大学硕士学位论文 r s a 算法，为了保证加密的安全，公钥的密钥长度需要更长，目前密钥的 长度需要大于1 0 2 4 b 以上才能有足够的安全。 视频 音频一 数据 前端传输信道 竺g 詈h 篓p 塑叫用ji 扰i c w 密钥 s k 密钥 p d k 密钥 i k 密钥 p p k 密钥 加密 加密 加密 加密 图2 - 3 分层密钥结构图 e c m e m m e m m e m m 解扰 b - 视频 嚣卜音频 点c w 。三芸 双 控制 解密 工 解密 i 解密 工 解密 s k 密钥 d k 密钥 2 3 条件接收系统的历史、现状及发展趋势 有条件接收( c a ) 经历了模拟和数字两代的发展，模拟第一代的特征 是以设备为基础，一般用于模拟系统。多年前，为了实现有线电视的有效 收费，在前端将模拟信号进行加扰，使普通电视机无法收看，只有安装了 解扰器的用户才能正常收看。这样的系统可以通过前端的寻址来控制单个 用户的解扰器开关。系统可实现全频段加扰和频道加扰，实现的方法通常 是采用视频倒相、水平同步重叠、垂直同步重叠、数字随机视频行抖动等 技术，他们通常会对信号产生损耗。在第一代有条件接收系统中，由于系 统的密钥体系依赖于设备及解扰器，比较容易被破解和复制。 第二代是随着数字电视的出现而产生的，基本原理是采用加扰控制字 加密传输的方法，用户端利用i c 卡解密。由于采用的是数字技术，对信 号没有损耗，同时，由于加密系统、密钥体系与设备是分开的，它依靠i c 卡的安全性来保障系统的安全，因此破解难度大，系统的保密性、可靠性 均大大提高。对传输流的加扰，d v b 已有标准：对控制字的加密算法一般 钥密 密 限 洲 山东大学硕士学位论文 采用r s a 以及3 d e s 算法：对加密体制，不同厂家的系统差别很大，其技 术大体有两种：一种是以爱迪德系统为代表的密码循环体制，另一种是以 n d s 系统为代表的利用专有算法来进行保护，由于牵涉到系统安全性，厂 家一般不会公开。 国外的电视广播网络成为一个运营良好的产业已多年，在此期间出现 了许多很成功的运营网络，而在它们背后则是一些在这一发展过程中同样 积累了丰富经验的c a 系统设备供应商。目前国际上的条件接收系统主要 包括荷兰爱迪德( i r d e t o ) 公司的m c r y p t 系统和一sy s 系统，法国电信 ( f r a n c et e l e c o m ) 公司的v i a c c e s s 系统，英国n d s 公司的n d s 系统，法 国c a n a l + 公司的m e d i a g u a r d 系统，以及n a g r a 系统等。它们现在大部分 已经或正在进入国内，对我国广电网络数字化和产业化在客观上起到了推 动作用。 c a 设备是广电系统作为提供商身份出现所必需的设备，是数字视频广 播系统建设的基础设施，此类产品又是涉及国家信息安全的核心设备，考 虑到广电网络作为国家基础设施的安全性，我们不可能大范围使用黑箱式 的国外设备，拥有自主知识产权的c a 系统的研制，是我国广播电视事业能 够顺利发展的一个重要方面。目前，国内的c a 系统研究虽然起步比较晚， 但起点比较高，同时借鉴了国外的经验，发展很快，已经形成了初具规模 的国内市场，主要有清华永新同方、中视联( 与p h i l i p s 合资) 、算通科技 等。国内的c a 系统在发展国内市场的同时，也积极开展与国外c a 系统实现 同密，以上几家国内知名的c a 运营商都已经和i r d e t o 、n d s 等实现同密。 这种竞争并同步发展的形势在国内数字电视界已经形成，并以其特有的方 式推动着中国广播电视事业的发展。 山东大学硕士学位论文 第3 章系统开发平台分析 3 1 d v b - c 机顶盒芯片0 a m i5 5 16 3 1 1 芯片概述 q a m i 5 5 1 6 是s t m i c r o ( 意法半导体) 公司最新推出的一款专门针对中 低端市场的高性价比数字有线电视( d v b - c ) 机顶盒单芯片，同时也是s t 推出的第一个将前端q a m ( 正交幅度调制) 数字有线信号解调器与后端m p e g 视频解码集成在一起的芯片，因而能够很好的使模拟电视用户收看数字有 线电视节目。 除了传统的音频、视频解码功能以外，q a n l i 5 5 1 6 还具有很强的扩展能 力、增强型图形处理功能和提高音视频质量的后处理功能。同时，由于将 q a m 解调器和m p e g 解码器集成在了一起，因而降低了硬件芯片组的成本， 简化了电路设计，提高了产品的可靠性和性价比，也有助于降低生产成本， 这对有着近一亿个有线电视家庭用户的中国机顶盒市场来说无疑具有重 要意义。 31 2 功能特点 q a m i 5 1 6 是一款高集成度、高性价比的解调解码单芯片，它内部集成 了3 2 位s t 2 0 c p u 、q a m 解调器、音频视频m p e g 一2 译码器、显示及 图像处理功能和各种系统外设接口等。除了具有数字有线电视机顶盒的全 部基本功能外，它还可以运行中间件以实现数字电视营运商的增值服务， 同时具有以太网接口、u s b 接口等丰富的外设接口，从而不仅为实现增值 服务建立了很好的硬件环境，而且也能够满足用户上网浏览、电子商务以 及电子节目指南等方面的需求。 q a m i 5 5 1 6 的基本特点如下： 符合i t u t j 8 3a n n e x e sa b c 、d v b c 标准： 支持t s m f ； 集成有q a m 解调器，可支持1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 和2 5 6 q a m 等不同调制 方式的解调； 集成有m p e o - 2m p m l 视频译码器、p a l n t s c s e c a m 视频编码器、匹 山东大学硕士学位论文 配滤波器和自适应均衡器； 支持时钟可编程； 功耗低； 支持两层p c b 布板设计； 采用p b g a 封装形式，4 1 6 引脚。 基于s t i 5 5 i 6 的机顶盒模块化结构图如图3 1 所示： d v b c s 数 字解调 高频头 r s 2 3 2 接口 f l a s hi m p e g s d r a mis d r a m s t i 5 5 1 6 单片解码芯片 b 忑k 硬盘接口 a c 3 音频 c v b s 视 频输出 ! 紫兰 l 一前面板 卡接口 l 图3 - 1机顶盒模块化结构图 为了尽可能地最小化设计成本，加速数字电视机顶盒的开发速度s t 在 推出q a m i 5 5 1 6 的同时，还提供了完整的设计支持，包括电路设计方案、 p c b 布线布板硬件、核心嵌入式操作系统、完整的软件开发包和相应的d e m o 程序代码等软件，因而可大大缩短机顶盒产品的上市时间，满足竞争需要。 3 20 s 2 0 实时操作系统 d o s 、w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sn t 、u n i x 、m a c o s 是常见的p c 操作系统。 机顶盒中的操作系统与这些操作系统不同，它不是非常庞大，但要求能在 实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。这种操作系统称为实 时操作系统。管理q a m i 5 5 i 6 的硬件资源，进行实时的任务调度，运行各 种应用程序，都离不开实时操作系统的支持，在嵌入式系统的实时操作系 统中比较著名的有：v x w o r k s 、p s o s 、u c o s 、l i n u x 等等。在q a m i 5 5 1 6 上， 类似的有一个实时操作系统0 s 2 0 。 山东大学硕士学位论文 3 2 1 实时操作系统概念 实时操作系统是事件驱动( e v e n t d r i y e n ) 的，能对外界的作用和信 号在限定的时间内作出响应的多任务操作系统。其首要任务是高度一切可 以利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效 率。它具有实时性、可靠性和灵活性等特点。 从结构上来说，实时多任务操作系统包括两部分，一部分为操作系统 内核( k e r n e l ) ，即实时执行程序( r e a lt i m ee x e c n t iv e ) ，另一部分 是输入输出部分( i o ) ；嵌入式系统对i o 的需求通常比较小，因此很 多实时多任务操作系统本质上就是一个实时执行程序，如a m x ( k a d a k ) ， v r t x ( m ic r o t e c ) ，i r m x ( i n t e l ) 等( 这里的x 即：e x e c u t i v e ) 。 3 2 2 实时操作系统原理 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后最先执行的背景程 序，用户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务 的要求，进行资源( 存储器、外设) 管理、消息管理、任务调度、异常处 理等工作。在r t o s 支持的系统中，每个任务都有一个优先级，r t o s 根据 各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证系统实时性的要求。在编 写程序时，可以分别编写各个任务，大大减小了程序的编写量，减小了程 序异常耦合的可能，保证了程序具有高可靠性。 实时多任务操作系统在微观以分时方式运行多个任务，但从连续的宏 观运行可以看作多个任务同时运行。任务之间的切换以优先级为根据，只 有采用优先级服务方