用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)

摘　要：根據(jù)數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)的原理，提出一種ECM在 TS層加入、復(fù)接和條件接收相互獨(dú)立的CAS實(shí)現(xiàn)方法。ECM在TS層加入，對(duì)于TS層加擾來說，易于實(shí)現(xiàn)加擾和解擾同步；復(fù)接和條件接收相互分離使條件接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較靈活，易于調(diào)試。另外，設(shè)計(jì)了保密性較高的加擾器并成功運(yùn)用于系統(tǒng)中。
　　關(guān)鍵詞：條件接收系統(tǒng)；數(shù)字電視；控制字；授權(quán)管理信息；授權(quán)控制信息

　　數(shù)字電視是近十幾年發(fā)展起來的高新技術(shù)，其聲像質(zhì)量，抗干擾性及傳送節(jié)目的數(shù)目等方面有模擬電視無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電視的開播，使觀眾可以欣賞更多的優(yōu)質(zhì)節(jié)目；同時(shí)，服務(wù)商則希望實(shí)現(xiàn)按觀看內(nèi)容進(jìn)行收費(fèi)的良性運(yùn)營(yíng)。條件接收系統(tǒng)CAS主要的功能就是確保只有付費(fèi)用戶才能收看所選節(jié)目，徹底解決運(yùn)營(yíng)商的收費(fèi)問題?？梢哉f，CAS是運(yùn)營(yíng)商發(fā)展新服務(wù)的關(guān)鍵。但是，我國(guó)目前開通的數(shù)字電視用的CAS大多是國(guó)外的軟硬件方案，隨著數(shù)字電視的普及，CAS的國(guó)產(chǎn)化就成為非常緊迫的要求。

1　數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)（CAS）的工作原理
1．1　CAS的加擾和解擾
　　在采用MPEG-2的數(shù)字電視中，加擾過程就是用一個(gè)由控制字CW控制的偽隨機(jī)序列對(duì)PES流或TS流進(jìn)行擾動(dòng)，使沒有被授權(quán)的用戶不能觀看節(jié)目。對(duì)于授權(quán)用戶，他們的接收機(jī)也有一個(gè)同樣的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器，如果接收到正確的CW，就可以生成解擾序列，解除信號(hào)的擾動(dòng)，恢復(fù)出接收機(jī)可以播放的信號(hào)。
1．2　CAS的加密和解密
　　用戶解擾的關(guān)鍵就是得到正確的CW，而CW是隨著有用信號(hào)通過公用的信道傳輸。所以說，CAS的加密實(shí)際就是對(duì)CW的加密，以防止非授權(quán)用戶的侵入。結(jié)合圖1介紹CW的加解密機(jī)制。

　　CW一方面控制加擾器對(duì)數(shù)據(jù)流加擾；另一方面通過業(yè)務(wù)密鑰SK（Server Key）加密形成授權(quán)控制信息ECM送到接收端。為了信號(hào)的保密性，CW一般幾秒就要改變一次，并且SK也必須進(jìn)行加密保護(hù)。一般來說，對(duì)SK加密完全按照各個(gè)用戶的特征來進(jìn)行。由于每臺(tái)接收機(jī)可以編惟一的接收機(jī)號(hào)，所以可通過此序號(hào)生成個(gè)人分配密鑰PDK（Personal DistributionKey）對(duì)SK加密，形成授權(quán)管理信息EMM。PDK由CA系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生并嚴(yán)格控制，在接收端不能被用戶讀出。本文采用的方法是在接收端把PDK裝入FPGA芯片中，增加保密性。為了能提供不同級(jí)別、不同類型的服務(wù)，一套CA系統(tǒng)往往為每個(gè)用戶分配好幾個(gè)PDK，來滿足豐富的業(yè)務(wù)需求。EMM是用戶管理信息和SK等通過PDK加密形成。用戶管理信息由服務(wù)商的用戶管理系統(tǒng)形成，包括用戶名稱、地址、智能卡號(hào)等。EMM平均每 8～10 s插入傳送流一次，以便新開機(jī)用戶解擾。解擾是加擾的逆過程，首先是用戶插入IC卡，輸入用戶密碼，如果密碼正確PDK就會(huì)對(duì)SK進(jìn)行解密；然后，由SK 對(duì)ECM解密出控制字CW。

2　條件接收系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　FPGA（Field Programmable Gate Array）有豐富的觸發(fā)器和I／O口可以滿足完成CAS功能，開發(fā)周期短，可以反復(fù)修改，特別適合需不斷完善電路的開發(fā)階段。
　　要實(shí)現(xiàn)CAS硬件設(shè)計(jì)，首先要理解程序特殊信息PSI。PSI能從多節(jié)目的TS流中找出所需要的節(jié)目碼流和條件接收信息等。PSI必須以一定的頻率不斷發(fā)送，至少20次/s，以便新開的接收機(jī)能及時(shí)解釋傳送流的性質(zhì)。PSI由4個(gè)表組成，包括：程序關(guān)聯(lián)表（PAT）、程序映射表（PMT）、網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT）以及條件訪問表（CAT）。其中CAT和PMT與條件接收有關(guān)。條件接收信息EMM和ECM的位置是通過CAT和PMT中的條件訪問描述子確定。表1介紹了條件描述子［1］。

　　EMM信息包的位置是通過CAT表中的描述子確定。ECM信息包的位置確定稍微復(fù)雜一些。當(dāng)在PES流層加擾，出現(xiàn)在PES流中ECM信息被反映到TS 流的PMT中，ECM的條件描述子就出現(xiàn)在PMT中。當(dāng)在TS層加擾，ECM不出現(xiàn)在PES流中，如果條件信息通過復(fù)接加入TS流，ECM的條件描述子就出現(xiàn)在PMT中；如果條件信息沒有通過復(fù)接加入TS流，確定ECM的位置可以有2種方法：一種方法是復(fù)接時(shí)在PMT中預(yù)先加入ECM條件描述子，用他確定 TS流中ECM的位置，本文就是采用這種方法；另一種方法是也用CAT中的條件描述子確定ECM信息包的位置，通過CA＿system＿ID辨別ECM和EMM。
　　 實(shí)現(xiàn)CAS時(shí)還要注意以下一些限制［2］：
　?。?）僅在PES層或TS層加擾，不要兩層同時(shí)加擾。
　?。?）加擾的PES包頭不允許超過184 B。
　　（3）攜帶PES包的TS包，除了含有PES包尾的可以有自適應(yīng)域外，其他的不可以含有自適應(yīng)域。
　?。?）PID等于MPEG-2規(guī)范的條件描述子CA＿PID值的TS包，應(yīng)僅含有條件系統(tǒng)信息，不能攜帶其他信息。另一方面，條件信息不應(yīng)該出現(xiàn)在其他地方，例如自適應(yīng)域等。
　?。?）在同一個(gè)TS中，兩個(gè)CA提供商不應(yīng)該使用相同的CA＿PID。
　　為了避免客戶端解擾設(shè)備太復(fù)雜，DVB（DigitalVideo Broadcasting）對(duì)在PES層加擾做了前3條限制；廣播數(shù)據(jù)跨越媒體邊界（例如從有線廣播到衛(wèi)星廣播）時(shí)需要新的CA信息替換原有的CA信息，為了靈活高效地進(jìn)行CA信息替換，DVB做了后2條限制。
　　解擾只是加擾的逆過程，并且相對(duì)簡(jiǎn)單，所以下面只對(duì)條件接收系統(tǒng)加擾過程的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論。