用FPGA实现数字电视条件接收系统

摘　要：根据数字电视条件接收系统的原理，提出一种ECM在 TS层加入、复接和条件接收相互独立的CAS实现方法。ECM在TS层加入，对于TS层加扰来说，易于实现加扰和解扰同步；复接和条件接收相互分离使条件接收系统实现比较灵活，易于调试。另外，设计了保密性较高的加扰器并成功运用于系统中。
　　关键词：条件接收系统；数字电视；控制字；授权管理信息；授权控制信息

数字电视是近十几年发展起来的高新技术，其声像质量，抗干扰性及传送节目的数目等方面有模拟电视无法比拟的优点。数字电视的开播，使观众可以欣赏更多的优质节目；同时，服务商则希望实现按观看内容进行收费的良性运营。条件接收系统CAS主要的功能就是确保只有付费用户才能收看所选节目，彻底解决运营商的收费问题。可以说，CAS是运营商发展新服务的关键。但是，我国目前开通的数字电视用的CAS大多是国外的软硬件方案，随着数字电视的普及，CAS的国产化就成为非常紧迫的要求。

1　数字电视条件接收系统（CAS）的工作原理
1．1　CAS的加扰和解扰
　　在采用MPEG-2的数字电视中，加扰过程就是用一个由控制字CW控制的伪随机序列对PES流或TS流进行扰动，使没有被授权的用户不能观看节目。对于授权用户，他们的接收机也有一个同样的伪随机序列产生器，如果接收到正确的CW，就可以生成解扰序列，解除信号的扰动，恢复出接收机可以播放的信号。
1．2　CAS的加密和解密
　　用户解扰的关键就是得到正确的CW，而CW是随着有用信号通过公用的信道传输。所以说，CAS的加密实际就是对CW的加密，以防止非授权用户的侵入。结合图1介绍CW的加解密机制。

　　CW一方面控制加扰器对数据流加扰；另一方面通过业务密钥SK（Server Key）加密形成授权控制信息ECM送到接收端。为了信号的保密性，CW一般几秒就要改变一次，并且SK也必须进行加密保护。一般来说，对SK加密完全按照各个用户的特征来进行。由于每台接收机可以编惟一的接收机号，所以可通过此序号生成个人分配密钥PDK（Personal DistributionKey）对SK加密，形成授权管理信息EMM。PDK由CA系统设备产生并严格控制，在接收端不能被用户读出。本文采用的方法是在接收端把PDK装入FPGA芯片中，增加保密性。为了能提供不同级别、不同类型的服务，一套CA系统往往为每个用户分配好几个PDK，来满足丰富的业务需求。EMM是用户管理信息和SK等通过PDK加密形成。用户管理信息由服务商的用户管理系统形成，包括用户名称、地址、智能卡号等。EMM平均每 8～10 s插入传送流一次，以便新开机用户解扰。解扰是加扰的逆过程，首先是用户插入IC卡，输入用户密码，如果密码正确PDK就会对SK进行解密；然后，由SK 对ECM解密出控制字CW。

2　条件接收系统的FPGA实现
FPGA（Field Programmable Gate Array）有丰富的触发器和I／O口可以满足完成CAS功能，开发周期短，可以反复修改，特别适合需不断完善电路的开发阶段。
　　要实现CAS硬件设计，首先要理解程序特殊信息PSI。PSI能从多节目的TS流中找出所需要的节目码流和条件接收信息等。PSI必须以一定的频率不断发送，至少20次/s，以便新开的接收机能及时解释传送流的性质。PSI由4个表组成，包括：程序关联表（PAT）、程序映射表（PMT）、网络信息表（NIT）以及条件访问表（CAT）。其中CAT和PMT与条件接收有关。条件接收信息EMM和ECM的位置是通过CAT和PMT中的条件访问描述子确定。表1介绍了条件描述子［1］。

　　EMM信息包的位置是通过CAT表中的描述子确定。ECM信息包的位置确定稍微复杂一些。当在PES流层加扰，出现在PES流中ECM信息被反映到TS 流的PMT中，ECM的条件描述子就出现在PMT中。当在TS层加扰，ECM不出现在PES流中，如果条件信息通过复接加入TS流，ECM的条件描述子就出现在PMT中；如果条件信息没有通过复接加入TS流，确定ECM的位置可以有2种方法：一种方法是复接时在PMT中预先加入ECM条件描述子，用他确定 TS流中ECM的位置，本文就是采用这种方法；另一种方法是也用CAT中的条件描述子确定ECM信息包的位置，通过CA＿system＿ID辨别ECM和EMM。
　　 实现CAS时还要注意以下一些限制［2］：
　　（1）仅在PES层或TS层加扰，不要两层同时加扰。
　　（2）加扰的PES包头不允许超过184 B。
　　（3）携带PES包的TS包，除了含有PES包尾的可以有自适应域外，其他的不可以含有自适应域。
　　（4）PID等于MPEG-2规范的条件描述子CA＿PID值的TS包，应仅含有条件系统信息，不能携带其他信息。另一方面，条件信息不应该出现在其他地方，例如自适应域等。
　　（5）在同一个TS中，两个CA提供商不应该使用相同的CA＿PID。
　　为了避免客户端解扰设备太复杂，DVB（DigitalVideo Broadcasting）对在PES层加扰做了前3条限制；广播数据跨越媒体边界（例如从有线广播到卫星广播）时需要新的CA信息替换原有的CA信息，为了灵活高效地进行CA信息替换，DVB做了后2条限制。
　　解扰只是加扰的逆过程，并且相对简单，所以下面只对条件接收系统加扰过程的FPGA实现进行讨论。