（电气工程专业论文）数字视频广播中的条件接收系统关键技术的研究.pdf

原创性声明 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。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发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) z 傻日期：? 融p 摘要 条件接收技术，简称c a ( c o n d it io n a la c c e s s ) 技术。该技术保证授 权用户能收到他己预定的电视节目和其他服务，而未授权用户则无法收 看和使用相关业务。防止未授权用户接收的方法是对节目加扰和接收控 制，只向授权用户提供内容解扰所需的密钥，授权用户利用密钥和相关 设备解扰数字信号。解扰密钥一般是利用智能卡或其它相关技术来防止 非法盗取。c a 技术要求既能保护用户自由选择收看节目的权利，又能保 护广播业者和节目提供者的利益。 本文就条件接收系统在数字视频广播中的应用做了深入广泛的研 究。首先，论文对数字电视技术和条件接收系统的发展历史和应用做了 简单的介绍。其次对整个数字视频广播的协议框架做了研究，包括 m p e g 一2 标准，d v b 标准。再次，论文研究了整个条件接收系统的构成原理， 包括发送端和接收端，并讨论了条件接收关键技术，如加解密技术，同 密、多密技术，智能卡技术。然后，论文详细的研究了条件接收系统在视 频数字广播接收机的软件实现，提出了软件设计的模块结构，给出了各 软件接口的设计流程，实现了包括条件接收任务、软件更新系统、解复 用接口、智能卡接口、存储器和操作系统接口等条件接收功能模块。接 着，论文对整个条件接收系统进行了模块化和整体性的测试，给出了测 试结果，并对遇到的问题进行了研究解决。最后，论文对条件接收系统的 未来做了展望。 关键词：条件接收数字视频广播综合解码接收机 a b s t r a c t c o n d i t i o n a la c c e s st e c h n o l o g ye n s u r e st h a ts u b s c r i b e rw h oh a sb e e na u t h o r i z e d c a nh a v ea c c e s st ot h es e r v i c e o t h e r w i s e ，t h es e r v i c ei sn o ta v a i l a b l e t h em e t h o df o r r e a l i z i n gt h i sf u n c t i o ni st os c r a m b l et h es e r v i c ea n dt oc o n t r o lt h er e c e i v e r t h ek e y w h i c hi su s e dt od e s c r a m b l et h es e r v i c ei so n l yt r a n s m i t t e dt ot h ea u t h o r i z e ds u b s c r i b e r n o r m a l l y ，t h ek e yi sp r o t e c t e df r o ms t e a lb ys o m et e c h n o l o g ys u c ha ss m a r tc a r d c a t e c h n o l o g yp r o t e c t sn o to n l yt h er i g h t sf o ru s e rt or e c e i v es e r v i c eb u ta l s ot h eb e n e f i tf o r t h es e r v i c ep r o v i d e r t h ep a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ho fc a sw h i c hi sa p p l i e di nd i g i t a lv i d e o b r o a d c a s ti nd e e p f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o no fd i g i t a lt v a n dc o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m s e c o n d l y ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h es t r u c t u r eo fd i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t ，i n c l u d i n gm p e g - 2a n dd v b t h i r d l y , t h ee n t i r es t r u c t u r eo fc a s w h i c hc o n s i s t so fh e a d - e n da n dr e c e i v e ri sd e s c r i b e d s o m ek e yt e c h n o l o g ys u c ha s c n c r y p ta n dd e c r y p ta l g o r i t h m ，s i m u l e n c r y p ta n dm u l t i - e n c r y p t ，s m a r tc a r dt e c h n o l o g y a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e n ，t h ep a p e rp r e s e n t su sas o f t w a r ed e s i g nf o rd v bc a s r e c e i v e r t h em o d u l ed e s i g na n d p r o c e s si sg i v e n t h i si n c l u d e sc at a s k , l o a d e rs y s t e m , d e m u x i n t e r f a c e ，s m a r tc a r di n t e r f a c e ，n v r a mi n t e r f a c ea n do si n t e r f a c e a c c o r d i n g l y ， t h ep a p e rg i v e st h ef u n c t i o n a lt e s tr e s u l t s a tl a s t ，t h ep a p e rp r e s e n t sas u m m a r yo fc a s a n dg i v e ss o m es u g g e s t i o n so fi t sf u t u r e k e y w o r d s ：c o n d i t i o n a la c c e s s ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ( d v b ) ，i r d 7 第1 章绪论 1 1 数字电视技术 数字电视是指从电视节目的采集、制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接 收全部实现数字化。运用了数字技术，电视的清晰度和抗噪能力大大加强，而且更少 的带宽就可以传输更多的节目，用户通过高清晰度电视机，看到的画面质量可以轻松 达到演播室的水平。 从全世界范围来看，数字电视的发展已经成为一个不可逆转的趋势，这完全是由 其与模拟电视无法比拟的优点所决定的，世界各地已经开始数字节目的播出，美国计 划在2 0 0 6 年完成地面数字电视从模拟向数字的过渡，目前地面数字电视的覆盖率已 达9 4 ，有线数字用户数已达1 6 7 0 万，日本计g i j 2 0 0 6 年实现数字电视全国覆盖，全部采 用数字高清节目。我国香港地区丸仓有线电视网的6 0 万用户用了不足一年的时间， 已全部实现了数字化有关机构预计，到2 0 0 5 年全球数字电视观众将达6 2 5 亿，数字电 视市场将达1 0 0 0 亿美元，电视收视费、视频游戏和以电视为基础的信息服务的年收入 将超过6 0 0 亿美元，电视商务的年收入将达到4 5 0 亿美元，至u 2 0 0 8 年，法国、德国、西班 牙、意大利、英国的数字电视用户将超过整个电视用户的5 0 。我国的数字电视广播 卫星、有线电视网已经启动，地面广播将在北京、深圳、上海等地试播。数字电视的 优势主要在以下几个方面： ( 1 ) 频谱利用率显著提高。模拟电视由于受带宽的局限，一般只能传输3 4 套节目， 采用数字电视技术后，由于带宽扩大6 8 倍，可以传送1 0 0 - 2 0 0 套电视节目，极大地拓 宽了频道资源。 ( 2 ) 信号质量高，抗干扰能力强，画面清晰度显著提高，达至u d v d 影碟的音像标准。采 用加密解密技术可以保证有线电视安全播出，进一步提高有线电视网络的安全保障。 ( 3 ) 数字电视特有的电子节目菜单可以提供节目自动分类、节目时间表，方便用户 搜索、切换节目，轻松自如地欣赏自己喜欢的数字电视节目。 ( 4 ) 可以开展交互式业务，传播政府的各种公众信息，让电视机变成查询、阅读政府 机关职能、业务范围等各种信息的窗口。 ( 5 ) 可以开展各种广电增值业务，如开展服务公众的各种收费业务、远程学历教育、 旅游娱乐等，拓展广播电视行业服务新领域，创造广播电视行业新的经济增长点。 目前世界上有3 种数字电视广播标准：欧洲的d v b 、美国的a t s c 和日本的d i j b 。 中国数字电视的标准称为“数字视频广播标准”，简称d v b ( d i g i tv i d e ob r o a d c a s t ) ， 它是基于欧洲数字电视标准d v b 制定的。d v b 方案是在1 9 9 1 年构想的，并且在1 9 9 3 年正 式开始，有大约8 0 名成员。今天，d v b 标准取得了巨大的进步并且在全世界3 0 多个国家 拥有超过2 3 0 个组织。其成员包括电了制造商，网络提供者，广播公司，软件公司和各 种团体。 数字视频输入 视频处理 - d - 信+鲤频压镘 显示 压缩编码 道 解码处理终端 编 数字解 复 码 发 信 道 调 解调 复 伴音压缩 功放 数字音频输入。 伴音处理 - 用 - b ,与+ 射 一 谐+ 信道 - p , 用 + 解码处理压缩编码 数 机器器 编码器 字 调 数据输入。 数据处理 峄 制 数字视频 + 数据压缩 数据 压缩编码解码处理输出 广播机顶盒 图i - i 数字电视整体结构框图 图卜1 是整个数字电视的框架结构阻1 ，图中左半部为发送端，数字的视频信号、声 音信号及数据信号经m p e g 一2 压缩编码后使数码率压缩到几十分之一，大大提高了传 输的效率。在进入复用器后进行信道编码，并加入各种纠错编码，以提高传输的可靠 性，最后进行数字调制，可采用q p s k 或o a m 方式，以提高信道频谱利用率。最后将数字 电视信号经发射机发送出去。图的右半部分是接收端部分，在接收端由调谐器接收的 信号，经数字解调、信道解码及解复用后，分别通过视频、声音及数据的解码，恢复出 原来的数字电视信号。数字视频及声音信号经d a 转换成模拟电视信号即可在显示终 端看到图像，并听到声音。图中虚线框内就是数字视频广播机顶盒的基本结构。目前， 以上这些功能可由高集成度的单芯片完成。 1 2 条件接收系统简介 条件接收技术是在数字电视基础上实现的一个功能层。数字视频和音频业务的 不断增长以及新的多媒体业务的发展，节目开发商由于经济上的原因，新的业务往往 要求用户获得接入权限并收取一定的费用，在这种强大的商业趋势下，需发展和实施 具体、有力的技术，保证这类商业控制的可靠性和安全性。由此导致了条件接收技术 的产生。 条件接收系统，简称c a 系统口1 ，是广播电视行业如有线、卫星、地面等广播系统 1 2 所使用的媒体保护术语。电视信号或其他数据在发送端进行加扰，然后送到广播网络 进行播出。该项技术保证授权用户能收到他己预定的电视节目和其他服务业务，未授 权用户则无法收看或使用相关业务。防止未授权用户接收的方法是对节目加扰和进 行接收控制，只向授权的用户提供内容解扰所需的密钥。授权用户利用密钥和相关设 备解扰数字信号。密钥一般是利用智能膏或相关技术防止非法盗取。c a 技术要求既 能保护用户自由选择收看节目的权利，又能保护广播业和节目提供者的利益。条件接 收技术主要由三大技术组成：加解扰技术，寻址技术和加解密技术。 加扰技术是指有条件接收系统在发送端控制或改变被传送业务的某些参数，使 这些业务对未授权用户无用；解扰技术将加扰信号还原成原始信号。寻址技术是指 只向授权用户提供“解扰相关信息”，授权用户可使用其信息用解扰器解扰信号。加 解密技术是指对向授权用户提供“解扰相关的信息和相关过程加密，防止泄密。 1 3 条件接收系统的历史发展 条件接收系统的发展经历了模拟和数字两代1 。早在多年前，为了实现收费电视 的更有效运作，就在发送端将模拟电视信号进行加扰，使得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，实现方法通常采用视频倒 相、水平同步重叠、垂直同步重叠、数字随机视频行抖动等方法，但它们通常会对信 号产生损耗。在模拟条件接收系统中，由于系统的加解密体系依赖于设备以及解扰器， 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 方法，用户端利用智能卡解密。由于采用的是数字技术，对信号没有损耗，系统的保密 性、可靠性均大大提高。对于数字信号的加扰，d v b 已经有了标准，称为通用加扰算法。 对于控制字的加密，目前普遍采用的是基于d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 或 r s a ( r i v e s t s h a m i r a d l e m a n ) 的算法。出于安全性的考虑，条件接收系统的厂商一般 不会公开其技术细节。 衡量有条件接收系统好坏的重要指标包括：安全性、规模、功能完整性、使用 性能等。系统安全性保证系统不被黑客攻破，如果攻破，系统能尽快恢复。一个系统 能管理的用户数量体现了一个系统的能力。通常，系统管理的用户数量越多，对系统 运行速度和服务质量越会产生影响。 1 4 有条件接收系统的应用h 3 数字电视技术的推出，不仅为用户提供了更加丰富的电视节目，并可同时开展多 种增值服务，在为家庭和商务用户开展宽带服务的行业中，占有无可争议的领导地位， 而这些必须依靠一个强大的条件接收系统。 从全世界范围来看，付费电视业务己被认为是整个电视发展的方向，其原因是显 而易见的，对于运营商来说，无论实现何种业务，如果没有收益的话，就无法保证用户 服务的周到，无法保证系统的正常运营。而条件接收系统的基本功能是能够看到被加 扰的节目，并通过相关的授权信息迸行计费。因此，数字电视及其增值业务是以条件 接收系统为核心，结合相应设备与应用运行平台，向用户提供服务。有条件接收系统 为实现个性化的服务提供了基础，进入数字化时代，并随着因特网的异军突起，用户 对信息服务的要求正呈现出多样化、个性化的特点，人们不仅需要看到高清晰度的电 视，更希望获得交互式的服务，条件接收系统可以控制用户端的一块存储区域，通过 智能卡来识别不通的用户，用户的个人信息可以在加密信道中传送，保证了在广播媒 体上传输的安全性，有利于个性化服务的展开。 此外，在广播媒体上，利用条件接收系统可以实现电视购物，这是因为条件接收 系统的最大特点就是实现授权也收费，基于安全的交互式服务，可以实现电子商务的 功能，我们可以将b 2 c 的方式延伸到家庭，这种方式比较方便，容易操作。在电视平台 上，实现定购、付费的功能。 1 5 本文的主要工作 本论文研究的主要内容是条件接收系统的原理和它的一种在接收端的软件实现 方法。随着数字电视技术的推广，作为核心技术的条件接收系统正成为该领域研究的 热点，应用前景一片光明。目前该技术尚未完全成熟，标准体系尚未形成，因此具有广 泛的研究价值。本论文的设计研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 广泛收集国内外的参考文献，掌握条件接收系统在国内外的发展情况。文章对 数字电视，条件接收系统的发展历史和现状做了介绍。 ( 2 ) 对d v b 条件接收系统的结构原理做了深入的阐述，对其中的关键技术加解密 技术，同密、多密技术，智能卡技术等做了详尽的分析。 ( 3 ) 提出了一种d v b 条件接收机项盒的设计方案，阐述了硬件设计原理，软件实现流 程，实现了包括条件接收任务、软件更新系统、解复用接口、智能卡接口、存储器和 操作系统接口等的条件接收功能模块。 1 4 ( 4 ) 对整个条件接收系统软件进行了模块化和整体化的测试。制定了详细的测试步 骤并给出了测试结果。 1 6 论文的结构安排 本论文共分六章，具体结构安排如下： 第一章对数字电视技术，条件接收技术做了简单的介绍，并对条件接收系统的发 展历史和应用现状做了说明。 第二章对数字视频广播的系统原理和协议框架做了详细的介绍。首先就数字电 视的主要技术m p e g 一2 压缩技术做了介绍。然后对d v b 主要的一些系统标准做了阐述， 最后对条件接收系统所需要的业务信息标准做了说明。 第三章对条件接收系统的结构及其关键技术做了深入的分析。文中提出了在发 送端和接收端条件接收系统的一种实现结构，给出了它们的逻辑结构图。同时文章对 条件接收系统的加解密算法做了分析研究，并对同密、多密及智能卡技术做了介绍。 第四章提出了条件接收系统在数字电视接收机中的一种软件实现方案。本章先 对开发系统的软硬件环境做了介绍并提出了总体设计思路。然后在操作系统的基础 上给出了条件接收控制流程的设计方案，接着论文提出了一种可靠的软件更新系统 的设计方案。最后再给出了所有接口软件的实现。 第五章对整个条件接收系统进行了模块化和整体性测试，给出了测试步骤和结 果。并对测试过程中碰到的问题提出了解决方法。 第六章是对前述内容的总结并对条件接收系统的未来做了展望。 第2 章d v b 数字视频广播系统结构原理 d v b 是d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 的缩写，意为数字视频广播。d v b 三个缩写字 母分别代表的是，d i g i t a l i z a t i o n ( 数字化) ，现代媒体的必由之路；v i d e o ( 图象) ， 现代信息的高级表达方式；b r o a d c a s t i n g ( 广播) ，现代资讯传播最为有效的方式。 d v b 分为三种，d w s 采用3 4 g h z 或l l 1 2 g h z 卫星频段进行传输的d v b 系统标准畸1 ，广泛 适用于各种转发器的频带和功放。d v b c ：采用有线电视系统进行传输的d v b 系统标 准。d v b t ：采用地面广播进行传输的d v b 系统标准。 d v b 是一种新型的广播电视系统，应用于九十年代末的创新技术，被誉为面向2 1 世纪的广播技术革命。d v b 提供了一套完整的，适用于不同媒介数字电视广播的标准 系统。该标准选定m p e g 一2 作为音频及视频的编码压缩方式，对信号源编码进行统一。 经压缩后的m p e g 一2 码流再打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫 星、有线电视及开路电视等不同媒介传输。其传输数据率高，误码率低，在h f c ( 光纤 同轴混合电缆) 中采用6 4 q a m 调制方式，一个标准的8 m 电视频道传数据率可达4 0 m b p s 。 d v b 技术采用数字压缩技术，可以清除传输过程中产生的重影和雪花干扰，大大 提高了电视节目的传输效率、品质和收看效果。d v b 又可以将图象、语音、文字及各 种数据信息综合到一起播出，适用于无线广播、有线广播和卫星电视，是当前最为实 用的一种数字视频广播。 d v b 成员组织成立于1 9 9 3 年，d v b 组织的目标是建立基于电视业务m p e g 一2 应用的 统一框架的数字视频广播d v b 标准系列，通过d v b 标准系列，电视工业的数字设备供应 商可以实现标准化和兼容性。d v b 组织提供了以市场为引导的数字视频广播标准，满 足电子消费和数字视频广播工业的实际需要，d v b 标准系列得到了数字视频广播界的 广泛接受。 2 1m p e g - 2 标准嵋1 在d v b 中，我们采用m p e g - 2 技术来压缩视音频数据，因为它具有以下几个突出特 点：所支持的图像分辨率最高，包括符合i t u - r r e c 6 0 1 ( c c r 6 0 1 ) 格式的标准分辨率的 数字电视和更高分辨率的e t v 。支持包括高速体育运动在内的活动图像。所支持的应 用最为广泛，既包括存储媒体中的d v d ，广播电视中的数字广播电视和e m v ，还可应用 于交互式的点播视频( v o d ) 和准点播视频( n v o d ) ，此外，还能够适配于a t m 这种新兴的 1 6 宽带通信网。 m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下压缩方案和系统 层的详细规定，编码速率为每秒3 1 0 0 兆比特。m p e g - 2 不是m p e g - 1 的简单升 级，m p e g 一2 标准在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善，特别适用于 数字视频广播的编码和传送，被认定为s d t v 弄h e b t v 的编码标准，m p e g - 2 标准还专门规 定了多路节目的复用方式，并兼顾了与a t m 信元的适配问题。 2 1 1 肝e g _ 2 编码 在m p e g 一2 标准中，码流采用是分层结构，按编码先后大致可分成三层，基本码流 e s ( e l e m e n t a r yb i ts t r e a m ) ，分组基本码流p e s ( p a c k e te l e m e n t a r ys t r e a m ) 和复用 后的传输码流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 或节目码流p s ( p r o g r a ms t r e a m ) 。系统结构见 图2 - 1 ： f 一一一一一一一一一i 图2 - 1m p e g - 2 编码系统结构 在进行m p e g 一2 编码时，视频编码器将原始视频数据压缩成视频e s 码流，音频编码 器将音频数据压缩成音频e s 码流。这两个基本码流在进入复接器和进行传输层复接 之前要分别经过分组器变换成p e s 码流，而辅助数据( 如图文电视) 则不需要打成p e s 包。p e s 码流的分组结构可变，最大可达2 1 6 字节，一般是一个存取单元的长度。为了 提高传输带宽的利用率，在m p e g 一2 编码系统中，采用了t d m 复接方式，复接后的码流有 p s 和t s 两种类型。p s 码流用于不易产生错误的传输媒体( 例如d m 和硬盘) ，t s 码流用 于可能产生严重错误的传输媒体( 例如卫星，有线和地面广播) 。 m p e g 一2 标准中规定t s 分组里的数据可以是视频、音频和辅助数据，但每一个t s 1 7 8111 一二：一，一三一一一一，一2 一一一一1i 一一一一一一一一一 ： i 段长度i 指示符l 取指示l 先级指示i 标志l 字段l 字段l 视频 音频1 音频2 数据n p m t 图2 3t s 双层多路复接 第一层为节目复接，将具有公共时钟基准的基本码流( 也就是同一个节目的视 频、音频和辅助数据t s 流) 复接成一组。而第二层为传输复接，将多个节目传输码流 复接成一组，各个节目码流之间的时钟是独立的。 节目复接时为了识别每个基本码流的属性，除了每个基本码流的分组头部有一 个p d 以外，在复接的时候还加了节目映射表( p r o g r a mm a pt a b l e ，p m t ) 。p m t 表中包 含组成本节目传送码流中各个基本码流的p i d 信息、数据的性质、码流彼此之间的关 系。 m 个节目传送码流在进行传送复接时，必须同时传输节目组合表( p r o g r a m a s s o c i a t et a b l e ，p a t ) 。p a t 表中包含用于节目复接时的p m t 的p d 。p a t 的p i d 号必须 为o x 0 0 0 0 。 在接收端对系统层t s 流解码时，首先找出p b = o 的p a t 表，然后从p a t 表中找出携带 特定节目的p m t 的p i d 值，根据p m t 的p i e 值找出描述该节目码流的p m t 表，从i d 表中找 出视、音频和辅助数据的p i d 值，解复接器根据这些p i d 值就可以从t s 码流里解复接出 特定节目的基本码流，送到相应解码器解码。 2 2d v b 标准系列的协议框架 d v b 标准系列基本分为五个系统部分：叭基带处理系统标准，传输系统标准，条件 接入系统标准，交互业务系统标准和其他。 1 9 2 2 1d v b 基带处理系统标准 在基带处理系统标准中，采用m p e g - 2 ( i s o i e c l 3 8 1 8 一l 2 3 国际机构) 来定义数 字电视片播中的系统、视频和音频，1 3 8 1 8 标准系列是d v b 标准系列中的基础。其 中，1 3 8 1 8 1 系统( s y s t e m ) 文件，是有关多路音频、视频和数据的复接和同步标准的 规定。1 3 8 1 8 2 视频( v i d e o ) 文件规定压缩码率从1 5 m b s 至大于6 0 m b s 的数字视频 编码标准，适用于各种清晰图像的视频压缩编码标准。1 3 8 1 8 - 3 音频( a u d i o ) 文件在 m p e g l 音频标准111 7 2 3 的基础上扩充了多通道音频编码系统。 在基带处理系统标准中还有基带附加信息标准e n3 0 0 4 6 8 h 1 ，又称为d v b 业务信息 ( d v b s i ) 标准。d v b s i 标准包含了节目码流中的节目信息，网络信息和事件业务信 息。数字视频广播机顶盒必须要遵从d w v b - s i 标准来从d v bm p e g - 2 复接码流中提取视 音频数据流。 基带处理系统标准除了上述两个主要的标准外，还有数字图文广播标准 e n 3 0 0 4 7 2 ，数字广播字幕标准e n 3 0 0 7 4 3 和相关指导性标准等。 2 2 2d v b 传输系统标准 在传输系统标准中，d v b 针对卫星广播、有线广播和地面无线广播的方式分为 e n 3 0 0 4 2 1 ( d v b s ) ，e n 3 0 0 4 2 9 ( d v b c ) 和e n 3 0 0 7 4 4 这三部分传输标准分别定义 了d v b 视频广播卫星、有线和地面无线传输结构、信道编码和调制方式。三者的派生 标准有d v bs m a t v ( 数字视频广播卫星公用天线系统标准，e n 3 0 0 4 7 3 ) d v b - - m s ( 高于 i o g h z 的数字视频广播m o s s 系统标准，e n 3 0 0 7 4 8 ) 和d v b - m c ( 低于i o g h z 的数字视频广 播m m d s 系统标准e n 3 0 0 7 4 9 ) 。 2 2 3d v b 条件接收系统标准 d v b 标准系列中的e t r 2 8 9 对d v b 条件接收系统进行了详细的规定。d v b 计划在该标 准中没有制订统一的c a 系统规范，但是定义了d v b 传输的通用加扰系统，这主要是考 虑到通用的加扰系统连接至i j m p e g 的复用设备上，对于不同的c a 系统可在一定程度上 增加互操作性，并可降低解扰端的数字电视接收机顶盒的成本，当前流行的c a 系统有 i r d e t o 和n e g r a 。 2 2 4i ) v b 交互业务系统标准 d v b 标准定义了交互的协议分为两部分。第一部分是与网络独立的e t s 3 0 0 8 0 2 标 准，是i s o o s i 的第二层向第三层进行近似的扩展。该标准中的主要部分是 i s 0 e c l 3 8 1 8 6 ( d i g i t a ls t o r a g em e d i ac o m m a n dc o n t r o l ，d s m - c c ) 。第二部分是与 i s o o s i 模型的底层相关的，因此规定了用于交互的依赖网络。到目前为止，制订了两 种规范标准。利用p s t n 和i s d n 作为交互的物理网络的e t s 3 0 0 8 0 1 标准和利用c a t v 网络 的e t s3 0 0 8 0 0 标准。 2 2 5d v b 数据广播标准 d v b 标准系列中除了上述四大部分外，还包括了d v b 计划推荐的数字广播标准方 案e n 3 0 1 1 9 2 。该标准根据不同应用领域，定义了四种类型数据广播方式： ( 1 ) 数据管道：支持简单的，非同步的，端到端的数据广播。 ( 2 ) 数据流：支持异步数据流，不需要时钟信息( 例如r s 2 3 2 ) ；支持同步数据流， 对包的到达时间有严格要求，时钟信息可以在接收端准确接收( 如e l t i ) 。 ( 3 ) 多协议封装：支持在d v b 信道中传输符合其它通信协议的数据，针对e 包进行 了优化，但也用于传输任何其它的网络协议。 ( 4 ) 数据轮放：支持周期性传输数据模块，这些数据模块应该是预先知道大小， 并且可以随时更新，增加和删除。可以分为单层轮放和双层轮放。 本节只是概述了d v b 标准系列的框架和其中具有普遍性的协议规范。当然，d v b 标准系列中还有许多本节中没有提到的协议规范，可以参阅欧洲电信标准化协会 ( e t s i ) 官方网站归1 。 2 3d v b 业务信息标准( d v b - si ) 1 t s 分组里的有效数据负荷不仅携带了数字视频节目的视、音频和辅助数据流， 还携带t d m 业务信息，例如上节中的p a t 和p m t 。d v b 业务信息提供了数字视频广播信 道物理参数，服务和事件信息。数字视频广播机顶盒可以根据信道物理参数和用户所 选的服务或者事件来进行自动配置和自动接收。d v b - s i 携带的信息又是实现e p g 的基 础。在详细介绍d v b 业务信息标准( d v b s i ) 之前，先要解释一下d v b s i 标准中的术语： 发布系统( d e li v e r ys y s t e m ) ：是指发送一个或多个复用流的传输媒质，例如卫 星转发器( t r a n s p o n d e r ) ，同轴电缆或地面天线。 事件( e v e n t ) ：实际上就是通常所说的节目片断，它有确切的起始和中止时间， 一连串的事件就构成了服务。例如，足球比赛的上半场和电影的第一部分。 复接流( m u l t i p l e x ) ：指一个物理频道内上的复接传输流，传送了该频道内的所 2 l 有服务。 网络( n e t w o r k ) ： 复接流。 节目( p r o g r a m ) ： 表段( s e c t i o n ) ： 服务( s e r v i c e ) ： 的。 一个单独的、完整的传输体系，可以传送一个或多个m p e g - 2 的 几个相关的事件构成节目。 是一种语法结构，用于将所有的s i 信息映射至j t s 分组里。 要播放的一串节目序列，一个服务是在一个系统传输流中传送 子表( s u b - t a b l e ) ：是具有相同的表标识( t a b l e - i d ) 和扩展表标识的表段集合。 表( t a b l e ) ：所有的s i 信息都以表的形式从中心系统广播下来，是具有相同表标 识的表段的集合体。 s i 数据在插入到t s 分组之前，会分成若干个表段。因此，表段是d v b s i 的基本单 位。表段的语法结构定义在i s 0 1 3 8 1 8 1 中的专用表段( p r i v a t es e c t i o n ) 中。 2 3 1d v b s i 表结构 d v b 业务信息中的表类型可以分成两部分：m p e g - 2 节目特定信息表( p r o g r a m s p e c i f i ct a b l e ，p s i ) 和d v b 业务信息表( s e r v i c ei n f o r m a t i o nt a b i e ，s i ) 。数字视 频广播机顶盒根据p s i 表对当前复接流的解复接和解码操作进行自动配置，该类型表 包括p a t ，p m t ，条件接入表( c o n d iti o n a la c c e s st a b l e ，c a t ) 和网络信息表( n e t w o r k i n f o r m a t i o nt a b l e ，m t ) ：s i 表提供给用户当前或其他复用流、网络的服务和事件信 息表，数字视频广播机顶盒可以利用s i 表实现多种功能，s i 表包括信束关联表 ( b o u q u e ta s s o c i a t i o nt a b l e ，b a t ) ，服务描述表( s e r v i c ed e s c r i p t i o nt a b l e ，s d t ) ， 事件信息表( e v e n ti n f o r m a t i o nt a b l e ，e i t ) ，运行状态表( r u n n i n gs t a t u s t a b l e ，r s t ) ，时间日期表( t i m ed a t et a b l e ，t d t ) 和填充表( s t u f f i n gt a b l e ，s t ) 。 d v b - s i 标准中的表结构见图2 - 4 。 图2 - 4d v b - s i 表结构 2 3 2 节目特定信息( p s i ) p a t 表提供了节目号和p m t 表的p d 值的对应关系，p a t 表必须在实际传输流中传 输。 p m t 表的主要功能是对每个服务里的视频、音频和辅助数据的位置和p c r 的位置 进行了描述。 c a t 的主要功能是提供复接流中的条件接收系统的信息和授权管理信息。d v b - s i 没有规定该表的具体内容，由条件接收系统具体决定。 n i t 包含了整个网络中传送的复接流的相关组织信息和网络本身的物理特征。数 字视频机项盒可以利用n t t 信息进行节目搜索。 2 3 3 业务信息( s i ) s d t 表中的每个子表描述了单个t s 流里的服务信息，服务信息包括服务提供商、 服务名字、c a 格式、节目运行状态和e i t 当前是否存在。s d t 表中的内容可以是当前 码流里的服务信息或其他码流里的服务信息，由表标识决定。b a t 提供了一系列具有 共性节目集合的信息，包括节目集合的名字和清单。b a t 是将数字视频节目按类别组 织起来的服务列表。 e i t 是按照事件顺序提供了每个服务和事件的信息。t d t 是传送当前时间和日期 的信息。e i t 和t d t 是e p g 功能实现的基础。当播出时间表改变，一个节目提前或延迟 播出时，可以通过r s t 表指示出来。通过单独的表可以快速更新事件时间信息。 s t 表的目的是使得当前的表段无效。 e n 3 0 0 4 6 8 是d v b 标准系列的重要组成部分，利用d v b s i 信息可以实现多种应用 功能。d v b 业务信息中的最微小的错误都将会给数字视频广播机项盒处理带来混乱， 所以数字视频广播机项盒对d v b 业务信息的分析、验错和纠错需要较高的技术要求。 2 4 本章小结 d v b 标准系列是当前最完整也是应用最广泛的数字视频广播标准，因而研究d v b 标准系列是开发数字视频广播机顶盒的基础。本章介绍了d v b 标准系列的协议框架中 的五个组成部分的主要协议标准。本章介绍t m p e g - 2 标准中的编码和m p e g 一2 传输层 复接。并介绍了d m - s i 标准中表组成结构和各个表的功能。 第3 章条件接收系统的构成及其关键技术 3 1d v b 条件接收的技术规范 3 1 1 条件接收系统概念及基本原理 数字电视发展的出路是建立专业频道、收费电视，以多元化的收费方式促进电视 的发展。建立收费渠道，其中关键性的技术是要有加密技术的支持，通过信息加密技 术及制定严格的法规，从技术和法律的角度维护收视者的合法权益，保证运营者的利 益。 条件接收是数字电视加密控制的核心技术保证，为数字电视的运营提供了必要 的技术手段，使拥有授权的用户合法地使用某一项业务，而未经授权的用户不能使用 这一业务。通俗的讲，就是保证付了费或者即将付费的用户才能收看到所选择的节目， 未付费者收看不到节目。 条件接收系统本身是一个综合性系统，系统涉及到各种技术，包括加解密技术， 加解扰技术、编码技术、复用技术、智能卡技术、网络技术、接收技术，此外还涉及 到用户管理、节目管理、收费管理等信息管理技术。 一个完整的条件接收系统由加扰器，解扰器，控制字发生器，加密器，用户授权管 理系统等组成n 们，其原理方框图如图3 - 1 所示，各功能模块介绍如下： 加扰器：在发送端连续不断地改变原始视、音频或数据码流的某些参数，形成加 扰信号，使这些业务对未授权用户无法接收到正确的信号。 解扰器：将加扰以后的信号还原成原始信号，是加扰的逆过程。 控制字发生器：实际上是一个随机序列发生器，产生一个控制字对原始信息进行 加密，同时也是解扰器的解扰密钥。 加密器a 、b ：对系统产生的控制字( c w ) 和业务密钥( s k ) 进行加密，这两种密钥将 在加密后通过信道传送给用户。 智能卡：接收端用来解密的主要模块，内部由协处理器、r o m 和e e p r o m 组成，构成 解密器a 、b ，分别用来还原解扰所需要的两个密钥。 用户管理授权系统：它是向用户发放智能卡，寄送帐单及收费的管理中心，主要 任务是建立用户信息，以及业务管理数据库。并且在管理系统下，负责对授权控制消 息( e c m ) 和授权管理消息( e h m ) 数据流进行组织，使之序列化并传输到授权系统。 音频、视频、数据 i s k 曩袁兀 授权il 管理l 系统ip d k 加扰器i 塑垫塑塑流加扰数据流广二_ k 频、视频、数据 il r 一一解扰器卜 从原理框图中，我们可以发现，整个条件接收系统采用了三级加密的机制，第一 级是利用控制字对原始的视音频及数据比特流进行加扰，控制字就是用来加扰的密 钥，每一路节目都有一个相应的控制字，典型长度为6 4 比特，为了增加系统的安全性， 每1 - 1 0 秒，控制字将会更新一次。第二级是通过业务密钥( s k ) 对控制字进行加密，这 样一来，即使控制字被非法获取，没有相应的业务密钥也无法解开，同样，每一路节目 有一个唯一的业务密钥，通常系统使用d e s 算法对控制字进行加密。第三级，是通过个 人分配密钥( p d k ) 对业务密钥进行加密，它使得整个系统的安全性更强( 使用r s a 算 法) ，即使非授权用户得到加密业务密钥，仍然解不出正确的控制字，该密钥对于每一 个用户来说是唯一的。个人分配密钥是由用户个人特征确定的，一般由条件接入系统 设备自动产生并严格控制。在用户端，个人分配密钥以加密的形式固化在智能卡中， 以备解密时用，一张智能卡可以存放多个个人分配密钥备用，以适合多种业务。在信 道中，系统将会传送两个信息字段：授权控制消息和授权管理消息。授权控制消息是 由被加密的控制字加上来源、时间、内容分类和价格等节目信息形成的信息码流。 授权管理消息是由被加密的业务密钥加上一些用户授权和寻址信息所形成的信息码 流。授权控制消息和授权管理消息将与加扰节目流时分复用后同时在信道中传输， 接收系统将主要根据这两个信息来指导解扰工作。 目前全球付费电视广播市场已经达到数十亿美元，许多大公司的收费电视的用 户规模已经超过百万，如d r e e t t v ，e c h o r s t a r ，c a n a l + 等，且发展势头迅猛。与此同时 也出现了一些提供有条件接收系统的公司，其中比较著名的有n d s 、n a g r a 、r d e t o 等。 国内的收费电视开展较晚，目前总体规模不大，正因如此，存在着数量庞大的潜在用 户，并随着数字电视普及进度的加快，有条件接收技术的应用有望加速发展，在较短 2 6 拦 一一解 坚器 | 一工密b卜i 一解 一抹爨 智 一字器一 一器 一 一器 咀掣丑絮三絮 的时间内有较大的突破。 3 1 2d v b 中与条件接收有关的表格 在m p e g - 2 和d v b 协议中，定义了一些与条件接收相关的表格，他的目的是让接收 机能够根据这些表格提供的信息，准确的还原出控制字，对相关节目进行解扰。这些 表格主要是c a t 、p m t 、e c m 、e m m 等。 c a t ( c o n d iti o n a la c c e s st a b l e ) 表 该表格的p d 值固定为o x 0 0 0 1 在这个表格里有条件访问描述子，接收机将根据里 面的内容来判别条件接收系统，并找到相应条件接收系统的e m m 的i p