数字电视节目的加扰加密与解扰接收.doc

数字电视节目的加扰加密与解扰接收重庆慧灵通信网络科技有限公司陈于平摘要:本文在介绍有线数字电视的主要优势的基础上,阐述了有线数字电视加扰加密与解扰接收的系统架构,功能单元原理以及信号流的转换过程,并描述了前端系统硬件平台主要设备的配置连接方案.同时还对ConditionalAccess的中文译法提出自己的观点.关键词:复用加扰加密解扰ConditionalAccess配置连接一,前言模拟电视信号长距离传输导致模拟信号传输质量的衰减,降低了视频图像的清晰度.随着超大规模集成电路技术,数字处理技术的突飞猛进,有线电视系统广泛采用数字技术.数字电视就是信源采用数字压缩编码,传输采用数字通信技术,在终端采用数字电视接收机(机项盒)进行解码.与模拟电视技术相比,数字电视信号在传输过程中,没有噪声积累,信噪比不会降低,电视节目图像接收的清晰度得到了很大的提高,而且还具备以下两个重要优势,这也是本文讨论的重点.1,在有限频道资源里大大增加了播放节目数:在68MHz的带宽内只能传输一套模拟电视节目,而利用数字信号的复用技术以及图像压缩编码技术,可以在同样带宽的频带上传输68套电视信号,大大提高了频道的利用率,无形中增加了有线网络的频道资源,有效解决了频道资源的紧张问题.2,数字电视的科学管理与有偿服务:在前端实现了数字信号的加密加扰,在用户终端利用ConditionalAccess和智能卡收视付费电视节目,保障收视者的合法权益,维护运营者的商业利益,促进有线电视事业的健康发展.二,数字电视标准1993年欧洲签署了基于MPEG一2的DVB(DigitalVideoBroadcasting,即数字视频广播)备忘录.数字电视有线广播的标准是DVBC,目前普遍采用MPEG一2作为图像编解码标准和64QAM调制方式.2001年国家广电总局已颁布有线数字电视广播信道编码和调制规范,该规范等同于DVBC标准.三,前端系统硬件平台主要设备配置连接图1前端硬件平台主要设备的配置连接1.信源系统数字有线电视前端的信源系统,包括卫星电视节目,本地电视节目,视频播放系统的节目,还有数据广播信息如股票信息等.(1)本地节目:模拟节目播放设备的输出,如录像机,DVD/VCD播放机,现场信号采集,演播室,比赛现场直播等;(2)来自卫星的电视信号:(3)来自SDH骨干网的电视节目:(4)以视频服务器为核心的视频点播数字节目;(5)来自电信网络和lP网络的数据流,如股票信息等.2.传输常用接口在数字电视前端,模拟信号被压缩编码为MPEG一2码流格式,依据MPEG/DVB规范要求,系统设备传输接口类型包括同步并行接口(SynchronousParallelInterfance:SPI),同步串行接口(SynchronousSerialInterfance:SSI),异步串行接口(AsynchronousSerialInterfance:ASI)o其中最常用的接口是SPI接口和ASl接口.SPI接口类型为25芯D型接插件DB一25,连线多而且接线复杂,传输距离短,容易出现故障.SPI适于短距离或中等距离设备间的连接,接线电缆端为公头,设备为母头.SPI并行传输11位信号,其中8对数据信号,1对时钟信号,1对数据有效信号(即指出有的数据位置),1对包同步信号,其中要同时传送时钟与数据同步信号.SPI具有处理简单且扩展性强的优点.ASl接口类型为BNC接口,阻抗为75Q,通道数据速率为270Mbps,采用串行传输,只需一根同轴电缆线传输,连线简单,传输距离长.3.网络适配器网络适配器完成DVB系统的ASl接口与SDH网络的DS3接口的相互转换,以便使SDH骨干网络和本地HFC接入网络实现互联互通,它具有传输码流输入端(ASllN)输入接口,传输码流输出端(ASlOUT),以及DS3信号输入接口(DS3IN),输出接口(DS3OUT).在图2中,来自SDH网络的国家电视节目信号由DS3信号输入接口(DS3IN)输入,由传输码流输出端(ASlOUT)输出到DVB系统复用器的传输码流输入端(ASIIN)输入端.4.数字卫星接收机数字卫星接收机具有高灵敏度的信号接收功能,能够高性能地接收数字卫星信号,经QPSK解调转换为MPEG一2传输流,由ASlOUT输出传送到复用器的ASllN输入端,为前端提供了信号源.后转为数字传输码流信号输出和模拟A/V信号输出,并还原成高质量的音视频信号,5.业务管理子系统该子系统具有开户,智能卡发放,计费,查询,统计,暂停,催收等用户管理功能,主要由用户注册授权管理系统和计费管理系统.其中用户注册授权管理系统记录用户授权情况,建立用户档案信息,fC卡信息,定制的服务信息,解码器序列号,负责用户资料管理,用户功能管理和用户密码的管理等,用户注册授权管理系统与条件访问系统相连,根据用户的付费情况通过条件访问系统对用户进行授权,实现对用户享受特定服务内容的控制.计费管理系统实现费用计算,帐务清算,帐务报表,对欠费用户进行控制等功能.6.网络管理功能系统可通过网管系统对系统中的设备进行统一管理,集中控制.网管系统可监测网上设备的运行情况,收集汇总各设备运行状态,并可实现自动切换功能;通过性能管理记录,统计并报告系统资源利用情况,并形成性能管理日志文件:通过安全管理配置用户识别符,口令,访问控制级别,对用户权限进行鉴定,防止非法访问,记录全部登录过程和操作过程,提供安全日志,安全注销等安全管理功能.在设备失效,指标劣化到一定程度时,通过故障管理发出告警,对故障进行定位,以图形方式显示网络的故障位置.总之,网络管理是实现前端系统设备自动化管理的必备设备.7.传输方式有线电视网络采用光纤同轴电缆混合网(HybridFiberCoaxialNetwork简写HFC)作为传输媒体,即主干网络采用光纤传输,用户终端的最后公里采用同轴电缆接入.除传送常规的广播电视信号外,HFC传输网从有线电视前端中心通过光纤将信号送到各小区的光节点,从小区光节点处通过同轴电缆分配网进入住户.四,关于ConditionalAccess的译法及其相关的概念1.ConditionalAccess的译法ConditionalAccess在许多文献都翻译为条件访问系统.在这里,本文提出一些看法.Access在英文的意思是访问,接入,通路,Conditional的意思有条件的,这个条件就是用户的注册权限和付费情况,只有当用户的登录信息与注册的权限信息相符合,并且已经按时缴纳收视费用,没有欠费情况,有线电视运营商才能在前端系统给用户提供访问的接口或通路.而接收应该是在用户终端,通过专用设备,对信号进行解复用,解扰,解码等一系列的过程完成电视信号收视的行为,所以本文以为ConditionalAccess应翻译为有条件访问系统比较合适,更易于让用户理解,简单点说,ConditionalAccess就是为用户提供一个有条件访问有线数字电视前端系统的安全通路,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业务.通俗地讲,就是保证只有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.因此有条件访问系统是数字电视加扰加密控制的核心技术保证.2.几个相关概念加扰有线电视节目运营者对付费电视节目进行接入控制时,必须将节目信号转换为不可预测的二进制数据流,改变了视频和音频信号的内容,防止非授权客户自由接入这个节目.只有配备数字电视机顶盒和具体权限的用户才允许解码观看电视节目.加扰是有线电视运营商进行商业控制的一个手段.解扰:它与加扰相反,是加扰的逆过程,把被加扰的电视信号数据流恢复为正常电视节目信号格数据流式.控制字(CW,Controlword):通过控制字,加扰对传输流完成按位加密;同时,控制字控制解扰器的开启或关闭.加密:是指为了完成对控制字的保护,而连续不断地改变电子密钥.电子密钥一般通过智能卡或信道安全地传送给用户,每个注册用户都有唯一的电子密钥,不同用户的电子密钥不同.授权控制信息(ECMs,EntitleControlMessage):应用于节目管理,包括节目来源,时间,内容分类和节目价格等节目信息,用户接入条件也就是运营者在商业上对节目接入进行控制的地方.运营者可规定如何出售节目,预约,按次付费,视频点播等.授权管理信息(EMMS,EntitleManageMessage):应用于用户管理,包括地址,用户授权信息,如用户可以看的节目或时间段,用户是否已付收视费等.通过用户管理能迅速对大量用户进行控制.简单的说,授权管理信息管理的是用户访问的是什么信息,用户被授予什么样的权限.五,数字电视的加扰传输与解扰接收系统的结构与原理图2为加扰传输与解扰接收系统结构与原理图,该图不但描述了整个加扰传输与解扰接收系统的信号转换流程,而且还描述了各个功能单元设备的基本结构与原理.服务i另一方面它还可以向用户发送帐单.用户授权控制系统则是根据用户授权管理系统的指令,产生哪些用户该授权哪种收看,哪些信息接收权利的信息,即产生电子密钥.控制字发生器的作用是产生控制字,控制宇分别提供给加扰器和加密器A,如图2,加扰器根据控制字,对来自复用器的数据流进行加扰,产生加扰后的MPEG一2数据流,加密器A根据用户授权控制系统提供的电子密钥对控制字进行加密,产生授权控制信息.同时该三Mj警!SPT$一一-<一lWrr,hjmMHz誊SPTS二二I誊jlHFc凶訾tr.;:一.l,.ji.j冀.MMSI一罐Is?洲sJ,一jtmH,Xll舷H巍_-2鞭帆-.CMTS_图2加扰传输与解扰接收系统结构与原理图该系统主要由编码,复用,加扰,有条件访问系统,调制输出,终端解扰接收各功能单元组成.模拟音视频信号首先进入MPEG一2编码器.MPEG一2编码器由视音频输入,压缩编码,节目复用三个模块组成.如图2所示,其中视音频输入模块将模拟信号转换为视音频基本流(ElementaryStream简写ES)格式,送到压缩编码模块,通过超大规模集成电路,对ES流进行实时数字预处理,时基校正,打包(分组),打包后的视音频ES流称为视音频PES(PacketElementaryStream)流,送往节目复用模块,对视频PES流,音频PES流和辅助数据PES流进行复用,输出符合DVB标准的SPTS单路节目传输流,然后传送到MPEG一2传输流多路复用器,在传输流多路复用器进行系统级复用.一路传输流可以包含多路数字电视节目,一路数字电视节目可以由多路音频,视频和辅助数据基本码流组成.所谓系统级复用是指把多路SPTS(单节目传输流)或MPTS(多节目传输流)复用成一路多节目传输流MPTS,在图2中,传输流多路复用器中的节目流复接处理模块将多个节目流按照一定的复用策略,并在传输流中编辑插入节目业务信息(S1),用户授权信息(EMM),进行复接处理并传送到加扰器.通过复用技术实现了在一个8MHzPAL物理电视频道上传输58路数字电视节目,以节省和优化带宽资源,提高信道容量.加扰器在有条件访问系统的控制下,对数字电视节目信号进行加扰,并产生相应的授权管理消息和授权控制消息,使机顶盒能进行相应的解扰和解密.有条件访问系统主要包括加密器,用户授权控制系统,控制字产生器.用户注册授权管理系统根据用户订购节目和收看节目的情况,一方面向用户授权控制系统发出指令,决定哪些用户可以被授权收看哪些节目或接收哪些电子密钥还被提供给加密器B,加密器B对该电子密钥进行加密,产生授权管理信息.ECM和EMM信息均被送至MPEG一2复用器,与被送至同一复用器的图像,声音和数据信号流一起打包成MPEG一2传送数据流而输出,各路加扰后数字信号送到调制器.经过复用加扰后的MPTS数据流不能直接在有线电视网络信道上传输,还需进行调制.有线电视网络采用64QAM(QuadratureAmplitudeModulation)调制方式,QAM调制器由数据处理单元,QAM调制模块和RF调制单元组成,数据处理单元将各种接口输入的信号转换为标;隹信号并进行必要的数据处理,以实现QAM调制的预处理:QAM调制单元将数据流调制为中频信号,中频信号为3525/36/36.15/3665/44MHz可选;中频频率再通过RF调制单元进行频率变换,将中频上变到48至860MHz电视频道上,经QAM调制器调制成的RF射频信号,通过有线电视网送到干家万户的终端,由数字机顶盒接收,解调,解码出模拟音视频信号.在电视信号的接收端(即数字机顶盒)完成电视信号的解扰接收,实现电视节目的还原.解扰是加扰的逆过程,解扰器应用与加扰功能对等的解扰算法,对前端加扰节目信号进行解扰还原.在图2中,QAM调制信号通过HFC网络,传送到机顶盒的解扰器和解复用器,由于ECM和EMM信号被放置于MPEG一2传送数据流包头的固定位置,因此,解复用器便很容易地解出ECM和EMM信号.从解复用器出来的ECM和EMM信号,被分别送至智能卡(SmartCard)中的解密器A和解密器B,恢复出控制字,并将它送至解扰器.当接收端恢复出正确控制字,并将接入条件与用户已获得的权限进行对比,如果接八条件与用户权限相匹配,或者用户购买了节目,那么在控制字的作用下,解扰器便能将已加扰的传输流进行解扰,将加扰传输流恢复成正常MPEG一2传输流,通过解码器的作用,把MPEG一2传输流转换为模拟的音视频信号,从而正常收看电视节目.总之,只有经过授权的用户机项盒才能正确还原加扰电视节目,对前端信号进行加扰,避免节目信号被非法窃取,确保节目信号的安全传输,在未授权的时候,用户也无法私自扩展电视节目收视终端点.(下转第侣页)32六,系统各部分的功能与特性1.无线数据传输单元(WDU)1)本功能:自动接入3G网络,完成3G网络的身份认证,数据通道建立等工作,主动上行呼叫点到点透明数据传输,被动接受呼叫点到点透明数据传输,支持参数配置模式和数据传输模式选择,主动上行短消息数据,短消息广播数据,电路交换数据(GSM),分组包交换数据,无线lP网络数据,一直在线,断线重连,故障自动重启.2)扩展功能:前置机开放端口自动搜索,自检与告警输出,远程软件升级与维护,配置键盘和LCD显示器方便用户交互.2.前置机(FE)1)本功能:解析业务数据处理系统的数据收集指令以及收集客户终端传送来的数据,分析终端管理系统发送来的终端信息收集指令或终端控制指令,通知终端完成信息的收集或参数配置,接收与终端管理系统相关的终端信息,控制前置机与终端之间,前置机与中心站之间的通信过程,负责将用户数据发送至中心站进行处理,将终端信息发送给终端管理系统以实现相关的终端管理功能.2)扩展功能:主备用前置机自动切换,终端管理系统功能支持.3.客户终端管理系统的基本功能终端密钥生成管理,权限管理,接入鉴权,配置管理,终端性能检测与分析,终端故障管理,前置机及终端费用管理,由于3G公用移动网络终端按照接收和发送数据包的数量来收取费用,根据网络的规模大小可以与电信运营商申请,享受大客户的资费优惠和独立的接入点APN政策,以及专门的客户服务待遇,从而保证整个网络的安全,经济运行.七,系统在文广业务中的应用实例1.实时视频传输在有突发新闻发生时,转播车不能及时到达或者不可能到达,在此类情况下就可以使用基于3G的移动数据通信系统,用户终端采用摄像设备和移动智能终端的组合,由摄像设备采集视频信号,移动智能终端对视频进行实时压缩,并利用该系统通过无所不在的3G网络传送到后台业务数据处理系统,业务数据处理系统收到视频数据后还原成视频信号,此路视频信号可以接入播出系统供突发新闻的播出之用,直到转播车赶到后切换成转播车信号,虽然图像质量无法达到专业要求,当时可以满足实时突发新闻播出的快速之需求,考虑到3G网络的带宽特性,在播出时适当加大图像的缓存比例,保证图像播出的连续性.2.现场文字和语音新闻传送在某些新闻场合,电台记者需要文字和语音新闻实时传回广播电台播控中心,同样可以利用该系统,由于文字和语音对带宽的要求很小,所以在传输时几乎没有任何延时的影响,业务数据处理系统分离出语音信号,再传输到广播播出系统,供新闻编辑使用,文字信息则按分类存入文字稿编辑系统,供文字编辑使用.结束语本文提出的基于3G的移动数据通信系统模型是一种通用的模式,适用于各个行业和领域,适用于各家企业自建网络,也可用于为其它客户提供服务的增值服务运营商,采用的技术全部是成熟和可靠的