用FPGA實(shí)現數字電視條件接收系統

摘　要：根據數字電視條件接收系統的原理，提出一種ECM在 TS層加入、復接和條件接收相互獨立的CAS實(shí)現方法。ECM在TS層加入，對于TS層加擾來(lái)說(shuō)，易于實(shí)現加擾和解擾同步；復接和條件接收相互分離使條件接收系統實(shí)現比較靈活，易于調試。另外，設計了保密性較高的加擾器并成功運用于系統中。
　　關(guān)鍵詞：條件接收系統；數字電視；控制字；授權管理信息；授權控制信息

　　數字電視是近十幾年發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，其聲像質(zhì)量，抗干擾性及傳送節目的數目等方面有模擬電視無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。數字電視的開(kāi)播，使觀(guān)眾可以欣賞更多的優(yōu)質(zhì)節目；同時(shí)，服務(wù)商則希望實(shí)現按觀(guān)看內容進(jìn)行收費的良性運營(yíng)。條件接收系統CAS主要的功能就是確保只有付費用戶(hù)才能收看所選節目，徹底解決運營(yíng)商的收費問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，CAS是運營(yíng)商發(fā)展新服務(wù)的關(guān)鍵。但是，我國目前開(kāi)通的數字電視用的CAS大多是國外的軟硬件方案，隨著(zhù)數字電視的普及，CAS的國產(chǎn)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(guò)程就是用一個(gè)由控制字CW控制的偽隨機序列對PES流或TS流進(jìn)行擾動(dòng)，使沒(méi)有被授權的用戶(hù)不能觀(guān)看節目。對于授權用戶(hù)，他們的接收機也有一個(gè)同樣的偽隨機序列產(chǎn)生器，如果接收到正確的CW，就可以生成解擾序列，解除信號的擾動(dòng)，恢復出接收機可以播放的信號。
1．2　CAS的加密和解密
　　用戶(hù)解擾的關(guān)鍵就是得到正確的CW，而CW是隨著(zhù)有用信號通過(guò)公用的信道傳輸。所以說(shuō)，CAS的加密實(shí)際就是對CW的加密，以防止非授權用戶(hù)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(guò)業(yè)務(wù)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(jìn)行加密保護。一般來(lái)說(shuō)，對SK加密完全按照各個(gè)用戶(hù)的特征來(lái)進(jìn)行。由于每臺接收機可以編惟一的接收機號，所以可通過(guò)此序號生成個(gè)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(chǎn)生并嚴格控制，在接收端不能被用戶(hù)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(lèi)型的服務(wù)，一套CA系統往往為每個(gè)用戶(hù)分配好幾個(gè)PDK，來(lái)滿(mǎn)足豐富的業(yè)務(wù)需求。EMM是用戶(hù)管理信息和SK等通過(guò)PDK加密形成。用戶(hù)管理信息由服務(wù)商的用戶(hù)管理系統形成，包括用戶(hù)名稱(chēng)、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(kāi)機用戶(hù)解擾。解擾是加擾的逆過(guò)程，首先是用戶(hù)插入IC卡，輸入用戶(hù)密碼，如果密碼正確PDK就會(huì )對SK進(jìn)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(shí)現
　　FPGA（Field Programmable Gate Array）有豐富的觸發(fā)器和I／O口可以滿(mǎn)足完成CAS功能，開(kāi)發(fā)周期短，可以反復修改，特別適合需不斷完善電路的開(kāi)發(fā)階段。
　　要實(shí)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(fā)送，至少20次/s，以便新開(kāi)的接收機能及時(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(fǎng)問(wèn)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(guò)CAT和PMT中的條件訪(fǎng)問(wèn)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(guò)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(guò)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(méi)有通過(guò)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(shí)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(guò)CA＿system＿ID辨別ECM和EMM。
　　 實(shí)現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(guò)184 B。
　?。?）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。
　?。?）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。
　?。?）在同一個(gè)TS中，兩個(gè)CA提供商不應該使用相同的CA＿PID。
　　為了避免客戶(hù)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(xiàn)廣播到衛星廣播）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(guò)程，并且相對簡(jiǎn)單，所以下面只對條件接收系統加擾過(guò)程的FPGA實(shí)現進(jìn)行討論。