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數字電視是近十幾年發展起來的高新技術，其聲像質量，抗干擾性及傳送節目的數目等方面有模擬電視無法比擬的優點。數字電視的開播，使觀眾可以欣賞更多的優質節目；同時，服務商則希望實現按觀看內容進行收費的良性運營。條件接收系統CAS主要的功能就是確保只有付費用戶才能收看所選節目，徹底解決運營商的收費問題。可以說，CAS是運營商發展新服務的關鍵。但是，我國目前開通的數字電視用的CAS大多是國外的軟硬件方案，隨著數字電視的普及，CAS的國產化就成為非常緊迫的要求。 1 數字電視條件接收系統（CAS）的工作原理 1．1 CAS的加擾和解擾 在采用MPEG-2的數字電視中，加擾過程就是用一個由控制字CW控制的偽隨機序列對PES流或TS流進行擾動，使沒有被授權的用戶不能觀看節目。對于授權用戶，他們的接收機也有一個同樣的偽隨機序列產生器，如果接收到正確的CW，就可以生成解擾序列，解除信號的擾動，恢復出接收機可以播放的信號。 1．2 CAS的加密和解密 用戶解擾的關鍵就是得到正確的CW，而CW是隨著有用信號通過公用的信道傳輸。所以說，CAS的加密實際就是對CW的加密，以防止非授權用戶的侵入。結合圖1介紹CW的加解密機制。 CW一方面控制加擾器對數據流加擾；另一方面通過業務密鑰SK（Server Key）加密形成授權控制信息ECM送到接收端。為了信號的保密性，CW一般幾秒就要改變一次，并且SK也必須進行加密保護。一般來說，對SK加密完全按照各個用戶的特征來進行。由于每臺接收機可以編惟一的接收機號，所以可通過此序號生成個人分配密鑰PDK（Personal DistributionKey）對SK加密，形成授權管理信息EMM。PDK由CA系統設備產生并嚴格控制，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。為了能提供不同級別、不同類型的服務，一套CA系統往往為每個用戶分配好幾個PDK，來滿足豐富的業務需求。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商的用戶管理系統形成，包括用戶名稱、地址、智能卡號等。EMM平均每 8～10 s插入傳送流一次，以便新開機用戶解擾。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就會對SK進行解密；然后，由SK 對ECM解密出控制字CW。 2 條件接收系統的FPGA實現 FPGA（Field Programmable Gate Array）有豐富的觸發器和I／O口可以滿足完成CAS功能，開發周期短，可以反復修改，特別適合需不斷完善電路的開發階段。 要實現CAS硬件設計，首先要理解程序特殊信息PSI。PSI能從多節目的TS流中找出所需要的節目碼流和條件接收信息等。PSI必須以一定的頻率不斷發送，至少20次/s，以便新開的接收機能及時解釋傳送流的性質。PSI由4個表組成，包括：程序關聯表（PAT）、程序映射表（PMT）、網絡信息表（NIT）以及條件訪問表（CAT）。其中CAT和PMT與條件接收有關。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。 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雜一些。當在PES流層加擾，出現在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在PMT中。當在TS層加擾，ECM不出現在PES流中，如果條件信息通過復接加入TS流，ECM的條件描述子就出現在PMT中；如果條件信息沒有通過復接加入TS流，確定ECM的位置可以有2種方法：一種方法是復接時在PMT中預先加入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。 實現CAS時還要注意以下一些限制： （1）僅在PES層或TS層加擾，不要兩層同時加擾。 （2）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域外，其他的不可以含有自適應域。 （4）PID等于MPEG-2規范的條件描述子CA＿PID值的TS包，應僅含有條件系統信息，不能攜帶其他信息。另一方面，條件信息不應該出現在其他地方，例如自適應域等。 （5）在同一個TS中，兩個CA提供商不應該使用相同的CA＿PID。 為了避免客戶端解擾設備太復雜，DVB（DigitalVideo Broadcasting）對在PES層加擾做了前3條限制；廣播數據跨越媒體邊界（例如從有線廣播到衛星廣播）時需要新的CA信息替換原有的CA信息，為了靈活高效地進行CA信息替換，DVB做了后2條限制。 解擾只是加擾的逆過程，并且相對簡單，所以下面只對條件接收系統加擾過程的FPGA實現進行討論。 2．1 加擾器的實現 加擾器在條件接收中是一個關鍵部分，他關系到整個系統的保密程度，所以需要一個安全性較高的加擾器。圖2所示加擾器是在FPGA內部實現：他是以可預置線性反饋寄存器（LFSR）為基礎，與數據選擇器共同形成。4個LFSR的階數要求互質，每個LFSR的反饋多項式要求是本原的，這樣產生的偽隨機序列具有最大周期。總線是控制碼發生器（一個偽隨機序列發生器）產生的選擇器控制碼，有8個抽頭并行輸出，每2位對應一個選擇器的選擇端。每個選擇器的輸出是選出的4個LFSR反饋之一，作為與之相連的LFSR時鐘。這是Gollmann級連的改進型，通過數據選擇消除了Gollmann級連易受鎖定攻擊的缺點。4個LSFR輸出的XOR（這是FPGA中的一個器件，當輸入有奇數個1時輸出為1），除去LFSR的線性影響，通過數字選擇器選取這些XOR的輸出之一作為加擾序列的輸出。數字選擇器濾除了加擾器的代數特性避免相關（線性代數）攻擊。 選擇碼生成器可由CW產生器代替，CW一部分作為選擇器的選擇碼，一部分寫入4個可預置的LFSR。這樣，加擾器寄存器不是很多，周期又較長，達到節約硬件且保密程度較高的目的。 2．2 條件接收發送端FPGA實現 用戶管理信息需要PC機處理和保存，既然他是必須的，就可以在PC機中做些其他的事情，以便降低硬件的復雜度，增強信息的保密性。服務密約SK和控制字CW發生器初始值可以在PC機中通過偽隨機序列生成程序生成。在PC機中生成SK和CW初值的優點就是程序容易改動，偽隨機序列周期可以足夠長，保密性高。 在一些文獻中，ECM在PES層已經加入，對于PES層加擾當然很適合；但是對于TS層加擾，完成ECM包中含有的CW和寫入加擾器的CW一致性（實際就是加擾和解擾的同步）比較困難。采用ECM也在TS層加入，實現加解擾同步就容易得多。 TS流是連續不斷的實時信號，條件信號并不可以任意加入其中。不過，TS流中存在大量的空包，可以通過空包替換的方法實現條件包的加入。空包替換器實際就是一個數據選擇器，在需要條件包的地方，讓條件包代替空包。 ECM包PID寄存器存放從PMT中讀取的ECM包的PID，以便形成ECM包時利用。ECM包和EMM包的形成是給EMM和ECM加上包頭、PID和Table＿id等。ECM包的Table＿id有兩個，0x80和0x81，是為了方便接收端解擾，只有ECM包含新的CW時，他才發生變化。如果Table＿id 沒發生變化，接受端就可以不處理這個ECM包，還用以前的CW。EMM只有一個時，可以把他放入CAT包；如果有多個時，可單獨形成EMM包，通過CAT 包中的描述子確定他的PID。其實，為了節約硬件，在加入TS流前條件包并不一定是一個完整的TS包，他包含必要的信息就行了。在代替空包時，有用信息代替空包中的前一部分，和余下的空包中內容共同構成TS包。SK信息變化很慢，EMM包和CAT包只需滿足剛開機用戶能迅速找到SK就行。ECM包替代空包比CAT包或EMM包嚴格的多，因為CW變化快，并且要使ECM包內的CW和寫入加擾器的CW同步，以便保證正確解擾。 CW的加密采用DES（Data Encryption Standard）算法，DES速度快，加密強度較高，硬件容易實現，適合CW變化較快的要求。SK的加密采用RSA算法，RSA 算法速度比DES慢的多，硬件實現只是DES速度的千分之一，但是加密強度大。SK的變化頻率低，使用時間長，安全性要求高，RSA正好滿足這些要求。 TS流的加擾，采用上述的加擾器，通過加擾控制，使之不對條件包、私有數據包、空包、TS包頭、PID等不可加擾的數據進行加擾。 3 結語 本文介紹了條件接收系統的基本原理，并提出一種復接和條件接收相分離的實現方法。這種方法使條件接收系統不受復接的約束，實現起來比較靈活，便于調試。并且這種結構不僅可以對單節目TS流加擾，也可以對多節目TS流進行加擾。采用空包替換，在TS層加入ECM條件包，容易實現加解擾的同步。在實現條件接收的過程中，設計出安全性較高的加擾器成功應用于系統，實現了信息的加、解擾。 |
