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(lái)說(shuō)，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。

　　數(shù)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(jié)目的數(shù)目等方面有模擬電視無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電視的開(kāi)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(hù)才能收看所選節(jié)目，徹底解決運(yùn)營(yíng)商的收費(fèi)問(wèn)題。可以說(shuō)，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(kāi)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(guò)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(méi)有被授權(quán)的用戶(hù)不能觀看節(jié)目。對(duì)于授權(quán)用戶(hù)，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(hù)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(guò)公用的信道傳輸。所以說(shuō)，CAS的加密實(shí)際就是對(duì)CW的加密，以防止非授權(quán)用戶(hù)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(guò)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，并且SK也必須進(jìn)行加密保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(tái)接收機(jī)可以編惟一的接收機(jī)號(hào)，所以可通過(guò)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(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(jí)別、不同類(lèi)型的服務(wù)，一套CA系統(tǒng)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(tǒng)形成，包括用戶(hù)名稱(chēng)、地址、智能卡號(hào)等。EMM平均每 8～10 s插入傳送流，以便新開(kāi)機(jī)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(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(mǎn)足完成CAS功能，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(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(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(guò)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(méi)有通過(guò)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(guò)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(guò)184 B。

　?。?）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(hù)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(guò)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(guò)程的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論。

　　2．1　加擾器的實(shí)現(xiàn)

　　加擾器在條件接收中是一個(gè)關(guān)鍵部分，他關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的保密程度，所以需要一個(gè)安全性較高的加擾器。圖2所示加擾器是在FPGA內(nèi)部實(shí)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(gè)LFSR的階數(shù)要求互質(zhì)，每個(gè)LFSR的反饋多項(xiàng)式要求是本原的，這樣產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列具有周期。總線是控制碼發(fā)生器（一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器）產(chǎn)生的選擇器控制碼，有8個(gè)抽頭并行輸出，每2位對(duì)應(yīng)一個(gè)選擇器的選擇端。每個(gè)選擇器的輸出是選出的4個(gè)LFSR反饋之一，作為與之相連的LFSR時(shí)鐘。這是Gollmann級(jí)連的改進(jìn)型，通過(guò)數(shù)據(jù)選擇消除了Gollmann級(jí)連易受鎖定攻擊的缺點(diǎn)。4個(gè)LSFR輸出的XOR（這是FPGA中的一個(gè)器件，當(dāng)輸入有奇數(shù)個(gè)1時(shí)輸出為1），除去LFSR的線性影響，通過(guò)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［3］。

　　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(xiě)入4個(gè)可預(yù)置的LFSR。這樣，加擾器寄存器不是很多，周期又較長(zhǎng)，達(dá)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(shí)現(xiàn)

　　用戶(hù)管理信息需要PC機(jī)處理和保存，既然他是必須的，就可以在PC機(jī)中做些其他的事情，以便降低硬件的復(fù)雜度，增強(qiáng)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(jī)中通過(guò)偽隨機(jī)序列生成程序生成。在PC機(jī)中生成SK和CW初值的優(yōu)點(diǎn)就是程序容易改動(dòng)，偽隨機(jī)序列周期可以足夠長(zhǎng)，保密性高。

　　在一些文獻(xiàn)中，ECM在PES層已經(jīng)加入，對(duì)于PES層加擾當(dāng)然很適合；但是對(duì)于TS層加擾，完成ECM包中含有的CW和寫(xiě)入加擾器的CW一致性（實(shí)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(shí)現(xiàn)加解擾同步就容易得多。

　　TS流是連續(xù)不斷的實(shí)時(shí)信號(hào)，條件信號(hào)并不可以任意加入其中。不過(guò)，TS流中存在大量的空包，可以通過(guò)空包替換的方法實(shí)現(xiàn)條件包的加入。空包替換器實(shí)際就是一個(gè)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(shí)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(gè)，0x80和0x81，是為了方便接收端解擾，只有ECM包含新的CW時(shí)，他才發(fā)生變化。如果Table＿id 沒(méi)發(fā)生變化，接受端就可以不處理這個(gè)ECM包，還用以前的CW。EMM只有一個(gè)時(shí)，可以把他放入CAT包；如果有多個(gè)時(shí)，可單獨(dú)形成EMM包，通過(guò)CAT 包中的描述子確定他的PID。其實(shí)，為了節(jié)約硬件，在加入TS流前條件包并不一定是一個(gè)完整的TS包，他包含必要的信息就行了。在代替空包時(shí)，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(mǎn)足剛開(kāi)機(jī)用戶(hù)能迅速找到SK就行。ECM包替代空包比CAT包或EMM包嚴(yán)格的多，因?yàn)镃W變化快，并且要使ECM包內(nèi)的CW和寫(xiě)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(qiáng)度較高，硬件容易實(shí)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(shí)現(xiàn)只是DES速度的千分之一，但是加密強(qiáng)度大。SK的變化頻率低，使用時(shí)間長(zhǎng)，安全性要求高，RSA正好滿(mǎn)足這些要求。 TS流的加擾，采用上述的加擾器，通過(guò)加擾控制，使之不對(duì)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(jìn)行加擾。

　　3　結(jié)　語(yǔ)

　　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(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)比較靈活，便于調(diào)試。并且這種結(jié)構(gòu)不僅可以對(duì)單節(jié)目TS流加擾，也可以對(duì)多節(jié)目TS流進(jìn)行加擾。采用空包替換，在TS層加入ECM條件包，容易實(shí)現(xiàn)加解擾的同步。在實(shí)現(xiàn)條件接收的過(guò)程中，設(shè)計(jì)出安全性較高的加擾器成功應(yīng)用于系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息的加、解擾。