數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)(CAS)的FPGA實現(xiàn)

　　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(quán)的用戶不能觀看節(jié)目。對于授權(quán)用戶，他們的接收機也有一個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，恢復(fù)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(guān)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(quán)用戶的侵入。結(jié)合圖1介紹CW的加解密機制。

　　CW一方面控制加擾器對數(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(quán)管理信息EMM。PDK由CA系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)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(wù)，一套CA系統(tǒng)往往為每個用戶分配好幾個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(tǒng)的FPGA實現(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。

　　要實現(xiàn)CAS硬件設(shè)計，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，以便新開的接收機能及時解釋傳送流的性質(zhì)。PSI由4個表組成，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。

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　　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。

　　實現(xiàn)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(yīng)域外，其他的不可以含有自適應(yīng)域。

　　(4)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。

　　(5)在同一個TS中，兩個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(tǒng)加擾過程的FPGA實現(xiàn)進行討論。

　　2.1　加擾器的實現(xiàn)

　　加擾器在條件接收中是一個關(guān)鍵部分，他關(guān)系到整個系統(tǒng)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(nèi)部實現(xiàn)：他是以可預(yù)置線性反饋寄存器(LFSR)為基礎(chǔ)，與數(shù)據(jù)選擇器共同形成。4個LFSR的階數(shù)要求互質(zhì)，每個LFSR的反饋多項式要求是本原的，這樣產(chǎn)生的偽隨機序列具有最大周期?？偩€是控制碼發(fā)生器(一個偽隨機序列發(fā)生器)產(chǎn)生的選擇器控制碼，有8個抽頭并行輸出，每2位對應(yīng)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(shù)據(jù)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(dāng)輸入有奇數(shù)個1時輸出為1)，除去LFSR的線性影響，通過數(shù)字選擇器選取這些XOR的輸出之一作為加擾序列的輸出。數(shù)字選擇器濾除了加擾器的代數(shù)特性避免相關(guān)(線性代數(shù))攻擊。

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　　選擇碼生成器可由CW產(chǎn)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(yù)置的LFSR。這樣，加擾器寄存器不是很多，周期又較長，達到節(jié)約硬件且保密程度較高的目的。

　　2.2　條件接收發(fā)送端FPGA實現(xiàn)

　　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(fù)雜度，增強信息的保密性。服務(wù)密約SK和控制字CW發(fā)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(yōu)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(jīng)加入，對于PES層加擾當(dāng)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(xiàn)加解擾同步就容易得多。

　　TS流是連續(xù)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(xiàn)條件包的加入?？瞻鎿Q器實際就是一個數(shù)據(jù)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(fā)生變化。如果Table_id 沒發(fā)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(jié)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(nèi)容共同構(gòu)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(nèi)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(xiàn)，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(xiàn)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(shù)據(jù)包、空包、TS包頭、PID等不可加擾的數(shù)據(jù)進行加擾。

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　　3 結(jié)語

　　本文介紹了條件接收系統(tǒng)的基本原理，并提出一種復(fù)接和條件接收相分離的實現(xiàn)方法。這種方法使條件接收系統(tǒng)不受復(fù)接的約束，實現(xiàn)起來比較靈活，便于調(diào)試。并且這種結(jié)構(gòu)不僅可以對單節(jié)目TS流加擾，也可以對多節(jié)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(xiàn)加解擾的同步。在實現(xiàn)條件接收的過程中，設(shè)計出安全性較高的加擾器成功應(yīng)用于系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息的加、解擾。