CH7機(jī)頂盒與數(shù)字電視的條件接收.ppt

第7章 機(jī)頂盒與數(shù)字電視的條件接收,7.1 概 述 7.2數(shù)字電視機(jī)頂盒 7.3 數(shù)字電視條件接收系統(tǒng),7.1 概述,數(shù)字電視接收機(jī)有衛(wèi)星、有線和地面廣播三種不同的類(lèi)型，適用于不同的傳輸信道。它們?cè)谙到y(tǒng)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)的解復(fù)用方面和信源解碼方面都遵循MPEG2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(ISOIEC138181)、MPEG2視頻標(biāo)準(zhǔn)(ISOIEC138182)和MPEG2音頻標(biāo)準(zhǔn)(ISOIEC138183)。ATSC的音頻為DolbyAC3多聲道環(huán)繞聲方案。三種數(shù)字電視信號(hào)接收機(jī)的主要區(qū)別在于信道解碼和解調(diào)方面。,7.1.1 數(shù)字電視系統(tǒng)功能,發(fā)送端,接收端的數(shù)字電視機(jī)頂盒,首先從傳輸層提取出信道編碼信號(hào)，完成信道解調(diào)，然后再進(jìn)行信源解碼，還原壓縮的信源編碼信號(hào)，恢復(fù)出原始視音頻流，同時(shí)完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多種應(yīng)用的接收、解析。,信源在進(jìn)入傳輸信道前要經(jīng)過(guò)兩級(jí)編碼，第一級(jí)視音頻信號(hào)的信源壓縮編碼，并將所有信源封裝成傳輸流；第二級(jí)傳輸用信道糾錯(cuò)編碼。,圖71 數(shù)字電視接收機(jī)的解復(fù)用與解碼方框圖,7.1.2 數(shù)字電視的接收,1. 數(shù)字衛(wèi)星電視的接收,(1) 衛(wèi)星電視天線,(2) 下變頻器LNB,接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器下行的Ku波段(11.712.75GHz)數(shù)字信號(hào)。,圖72 數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)信道解碼方框圖,信號(hào)經(jīng)室外低噪聲下LNB轉(zhuǎn)換為9502050MHz的第一中頻信號(hào)，饋送給接收機(jī)中的調(diào)諧器。,(Low Noise Block Down Converter),（3）調(diào)諧器,（4） QPSK解調(diào)器,將選定頻道的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為479.5MHz的第二中頻信號(hào)送到QPSK解調(diào)器。,解調(diào)出I和Q兩路信號(hào)，經(jīng)基帶濾波和AD轉(zhuǎn)換后送到解收縮器和維特比譯碼器，經(jīng)軟判決譯碼形成單路比特序列。,（5）其它部分,維特比譯碼器輸出的序列在同步字節(jié)檢測(cè)器中檢出同步字節(jié)；然后去交織、RS譯碼和解能量擴(kuò)散，完成基帶數(shù)字信號(hào)的信道解碼，再經(jīng)基帶物理接口輸出到MPEG解復(fù)用部分。解復(fù)用后再進(jìn)行視頻信源解碼和音頻信源解碼，完成數(shù)字電視信號(hào)的接收過(guò)程。,2. 數(shù)字有線電視的接收,(1) 調(diào)諧器,(2) QAM解調(diào)器,將來(lái)自有線電視前端的射頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為38MHz的中頻；,解調(diào)出I、Q兩路基帶信號(hào)。,經(jīng)匹配濾波器均衡放大，補(bǔ)償近似與頻率平方根成正比的電纜損耗，減少碼間干擾。I、Q信號(hào)經(jīng)判決再生后映射為m比特的數(shù)字信號(hào)。m的數(shù)值對(duì)于64QAM、32QAM和16QAM分別為6、5和4。,圖73 數(shù)字有線電視信道解碼方框圖,(3) 差分解碼,差分解碼后的m比特符號(hào)變換成以8比特長(zhǎng)度劃分的字節(jié)，送交織器，然后再經(jīng)RS譯碼、同步反轉(zhuǎn)和解能量擴(kuò)散，完成基帶數(shù)字信號(hào)的信道解碼。最后經(jīng)基帶物理接口輸出到MPEG解復(fù)用部分。,m比特的數(shù)字信號(hào)需進(jìn)行差分解碼處理，因?yàn)樵诎l(fā)送端進(jìn)行QAM調(diào)制時(shí)要對(duì)m個(gè)比特中的前2個(gè)比特進(jìn)行差分編碼。,3、交互式電視的接收,對(duì)于接入因特網(wǎng)和視頻點(diǎn)播（VOD）等交互應(yīng)用，要考慮上行數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼問(wèn)題。WebTV 機(jī)頂盒是利用普通電話線接入因特網(wǎng)。,7.2 數(shù)字電視機(jī)頂盒STB(Set Top Box),是可將數(shù)字電視信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的變換設(shè)備，它對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)字化壓縮的圖像和聲音信號(hào)進(jìn)行解碼還原，產(chǎn)生模擬的視頻和聲音信號(hào)，通過(guò)電視顯示器和音響設(shè)備給觀眾提供高質(zhì)量的電視節(jié)目。,機(jī)頂盒是一種接收轉(zhuǎn)換裝置，用來(lái)充當(dāng)數(shù)字電視與模擬電視機(jī)之間的橋梁。,7.2.1 機(jī)頂盒的分類(lèi),模擬電視 機(jī)頂盒,數(shù)字電視 機(jī)頂盒,解擾機(jī)頂盒,上網(wǎng)機(jī)頂盒,早期主要為有線電視提供專門(mén)收費(fèi)服務(wù)。,利用電話網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺(tái)，電視機(jī)作為顯示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Internet的接入功能。,衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒,地面數(shù)字電視機(jī)頂盒,有線數(shù)字電視機(jī)頂盒,它們基本原理相同，主要差別在于解調(diào)部分。,(1) 衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒,(2) 地面數(shù)字電視機(jī)頂盒,(3) 有線數(shù)字電視機(jī)頂盒,又稱集成接收解碼器(Integrated Receiver Decoder，IRD)，用于接收衛(wèi)星數(shù)字電視廣播，同時(shí)也支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播、圖文電視等應(yīng)用。衛(wèi)星數(shù)字電視大多采用DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星數(shù)字電視的傳輸平臺(tái)是衛(wèi)星信道，支持交互式應(yīng)用相對(duì)而言比較困難。,各國(guó)地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)不同，使用的調(diào)制與信道編碼方案不同。,用于接收經(jīng)全電纜網(wǎng)絡(luò)或光纖/同軸混合網(wǎng)傳輸?shù)挠芯€數(shù)字電視。有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較高、信道帶寬較寬，有線數(shù)字電視機(jī)頂盒可支持各種廣播和交互式多媒體應(yīng)用。,從功能上可分基本型、增強(qiáng)型和交互式三種:,(1) 基本型機(jī)頂盒：,(2) 增強(qiáng)型機(jī)頂盒：,由數(shù)字調(diào)諧器、主芯片、Flash、 SDRAM、開(kāi)關(guān)電源、標(biāo)準(zhǔn)接口、AV接口、S-Video接口、IC卡座、嵌入式軟件、 CA系統(tǒng)組成。 它能接收數(shù)字電視信號(hào)到模擬電視機(jī)并實(shí)現(xiàn)付費(fèi)收看。,除采用基本型的所有部件外，還增加了中間件和其它應(yīng)用軟件。它能接收數(shù)字電視信號(hào)到模擬電視機(jī)、 實(shí)現(xiàn)付費(fèi)收看、 多種有線電視增值業(yè)務(wù)及簡(jiǎn)單交互式應(yīng)用。,增加Internet瀏覽功能，只需要在機(jī)頂盒硬件上增加CPU及相關(guān)應(yīng)用軟件即可。,(3) 交互式機(jī)頂盒,(1) 第一代數(shù)字電視機(jī)頂盒,(2) 第二代數(shù)字電視機(jī)頂盒,(3) 第三代數(shù)字電視機(jī)頂盒,按數(shù)字電視機(jī)頂盒發(fā)展過(guò)程，可分：,是硬件機(jī)頂盒，基于嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編制應(yīng)用程序。硬件機(jī)頂盒一般沒(méi)有中間件系統(tǒng)，沒(méi)有回傳信道，只有簡(jiǎn)單本地交互功能，可擴(kuò)展性差。,在硬件機(jī)頂盒的基礎(chǔ)上增加中間件，基于中間件編制應(yīng)用程序。這種數(shù)字電視機(jī)頂盒具有回傳信道和一定的交互功能，具有條件接收（CA）系統(tǒng)。,具開(kāi)放的中間件系統(tǒng)，基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件及Java語(yǔ)言編制應(yīng)用程序。這種數(shù)字電視機(jī)頂盒具有回傳信道和高級(jí)交互功能，具有開(kāi)放的條件接收（CA）系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)同密和多密接收。,7.2.2 機(jī)頂盒輸出接口端子,(1) RF射頻端子,(2) AV端子,RF射頻端子連接的電視機(jī)的圖像效果最差。機(jī)頂盒、錄像機(jī)、LD機(jī)與電視機(jī)連接時(shí)，盡量不要用RF接口， 要用A/V接口或其它更高檔的接口。,由3個(gè)獨(dú)立的RCA插頭 ( RCA jack，又叫蓮花插頭)組成。其中V接口連接復(fù)合視頻信號(hào) C V B S（Composite Video Burst Sync）, 為黃色插口；L接口連接左聲道聲音信號(hào)，為白色插口； R接口連接右聲道聲音信號(hào)，為紅色插口。,(3) S端子,(4) 分量色差端子V,又稱為超級(jí)視頻端子(Super Video) ,使用專用五芯連接線及結(jié)構(gòu)獨(dú)特的4針插頭MINI DIN。 因S端子傳輸?shù)囊曨l信號(hào)保真度比V端子更高，因此用S端子連接到的視頻設(shè)備， 其水平清晰度最高可達(dá)400480線。 ,使用三條電纜， 連接亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)R-Y和B-Y。通過(guò)分量色差端子還原的圖像水平清晰度比S端子更高。,7.2.3 數(shù)字電視機(jī)頂盒的基本原理,1. 數(shù)字電視機(jī)頂盒的原理與結(jié)構(gòu),硬件是數(shù)字電視機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)音視頻的解碼。而電視,由硬件和軟件組成。分為4層:硬件、底層軟件、中間件和應(yīng)用軟件。,節(jié)目?jī)?nèi)容重現(xiàn)、操作界面與數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，以及機(jī)頂盒和Internet互聯(lián)等都需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。,(1) 工作過(guò)程,1)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口選擇頻道、解調(diào)和信道解碼處理。,2)解碼出的MPEG2多節(jié)目傳輸碼流送解復(fù)用器，從 傳輸碼流中抽出一個(gè)節(jié)目的打包視音頻基本流 （PES）數(shù)據(jù)（含視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)PES）。,經(jīng)調(diào)諧、信道和信源解碼，將接收的數(shù)字碼流轉(zhuǎn)化,為壓縮前的分量數(shù)字視頻信號(hào)，再經(jīng)DA轉(zhuǎn)換和視頻編碼轉(zhuǎn)換為模擬全電視信號(hào)，送到普通模擬電視接收機(jī)。,3) 條件接收CA可在傳輸流層和PES層對(duì)加擾的數(shù) 據(jù)進(jìn)行解擾，輸出已解擾的視音頻PES。,4) 視頻解碼器對(duì)視頻PES數(shù)據(jù)解碼，經(jīng)模擬編碼器編 成模擬視頻信號(hào)輸出；,5) 同時(shí)音頻解碼器對(duì)音頻PES數(shù)據(jù)解碼，解碼出的 PCM音頻數(shù)據(jù)經(jīng)D/A輸出模擬立體聲音頻信號(hào)。,(2) 機(jī)頂盒組成,從信號(hào)處理和應(yīng)用操作上看，數(shù)字機(jī)頂盒包含以下層次:,物理層和鏈接層,傳輸層,包括高頻調(diào)諧器、信道解調(diào)（QPSK、QAM、OFDM、VSB 解調(diào)）、信道解碼（卷積解碼、去交織、RS 解碼和能量擴(kuò)散）。,包括解復(fù)用，把傳輸流分成視頻、音頻和數(shù)據(jù)包。,節(jié)目層,用戶層,輸出接口,信源解碼：包括MPEG - 2 視頻解碼，MPEG/ AC - 3 音頻解碼。,包括服務(wù)信息、電子節(jié)目指南、 圖形用戶界面 (GUl)、瀏覽器、遙控、條件接收和數(shù)據(jù)解碼。,包括模擬視音頻接口、數(shù)字視音頻接口、數(shù)據(jù)接口、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等。,1) 機(jī)頂盒硬件,網(wǎng)絡(luò)接口模塊：,調(diào)諧器通過(guò)I2C總線來(lái)控制，完成高頻調(diào)諧并輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)輸出幅度通常較小，需要經(jīng)過(guò)中頻放大器，然后送入解調(diào)器。,從輸入的多個(gè)8 MHz 數(shù)字調(diào)制頻道中選擇一個(gè)所需的頻道，下變頻為中頻信號(hào)。,高頻頭/調(diào)諧器：,信道解調(diào)和信道解碼：,信道解碼經(jīng)去交織器和RS 解碼，同步反轉(zhuǎn)和去隨機(jī)化，輸出包含視音頻和其,信道解調(diào)器根據(jù)中頻信號(hào)幅度，通過(guò)AGC 信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)諧器輸出的中頻信號(hào),幅度，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。,衛(wèi)星數(shù)字電視采用RS碼和卷積碼進(jìn)行信道編碼，并用QPSK調(diào)制；有線數(shù)字電視因信道質(zhì)量好，只采用RS碼進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，并用QAM調(diào)制；而地面數(shù)字電視則采用COFDM或VSB調(diào)制。,他數(shù)據(jù)信息的已加擾、加密的壓縮的MPEG2多節(jié)目傳輸流（TS）。,解復(fù)用器：,區(qū)分不同的節(jié)目，從傳輸碼流TS中抽出一個(gè)節(jié)目的已打包的視音頻基本流（PES）數(shù)據(jù)。,條件接收CA模塊：,對(duì)付費(fèi)電視，CA對(duì)音視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識(shí)別用戶和記憶功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。,從解復(fù)用器輸出的加擾、加密MPEG 傳送流TS，通過(guò)條件接收模塊、處理信息認(rèn)證授權(quán)、安全及解擾后，按用戶所選擇的業(yè)務(wù)來(lái)拆分?jǐn)?shù)據(jù)包，提取壓縮的數(shù)字音頻、視頻或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)流（所需的業(yè)務(wù)信息和節(jié)目?jī)?nèi)容）。,解擾器能夠按照條件接受智能卡中對(duì)加擾業(yè)務(wù)/節(jié)目?jī)?nèi)容的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾。,（ conditional Access）,視音頻解碼器和后處理：,MPEG2解碼器完成對(duì)音視頻信號(hào)的解壓縮即還原成非壓縮的數(shù)字音/ 視頻解碼信號(hào)-音/ 視頻ES/PES 流。 再經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換，還原出模擬音視頻信號(hào)，在模擬電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。,視頻解碼器外接128Mbit 的SDRAM，用于解碼過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。,嵌入式CPU、存儲(chǔ)器模塊和接口電路：,接口電路包括通用串行接口USB，以太網(wǎng)接口及RS232，模擬、數(shù)字視音頻接口，數(shù)據(jù)接口等。,主控CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)軟件系統(tǒng)，通過(guò)8bit數(shù)據(jù)接口或I2C接口對(duì)和操作系統(tǒng)一起完成網(wǎng)絡(luò)、顯示管理和條件接收、電視與數(shù)據(jù)解碼、視頻信號(hào)的上下變換等功能。 進(jìn)行控制。,2) 機(jī)頂盒軟件系統(tǒng),底層軟件,提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動(dòng)程序。,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，可在實(shí)時(shí)環(huán)境中工作，并能在較小內(nèi)存空間中運(yùn)行。用戶通過(guò)它下達(dá)指令。常用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有VxWorks、OS9、OS20、Windows CE以及Power TV等。,硬件驅(qū)動(dòng)是軟件使用STB 功能模塊的軟件接口，供上層軟件程序調(diào)用外圍硬件設(shè)備，如射頻解調(diào)器、傳輸解復(fù)用器、A/V解碼器、視頻編碼器、鍵盤(pán)、遙控器等。,軟件系統(tǒng)是重要組成部分，采用分層體系結(jié)構(gòu)，主控制器CPU工作通過(guò)軟件執(zhí)行來(lái)完成。,中間件,中間件以應(yīng)用程序接口API 形式存在（ 存儲(chǔ)于閃存FLASH 中），將應(yīng)用軟件與依賴于硬件的底層軟件分隔開(kāi)來(lái)，使應(yīng)用不依賴于具體的硬件平臺(tái)，便于應(yīng)用程序移植。,節(jié)目服務(wù)商先將各服務(wù)項(xiàng)目以應(yīng)用程序(如EPG)形式經(jīng)傳輸信道發(fā)布，用戶打開(kāi)電視機(jī)經(jīng)機(jī)頂盒瀏覽選擇節(jié)目，用戶需求信息(如VOD)上傳到視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器據(jù)用戶需求選擇相應(yīng)業(yè)務(wù)，以應(yīng)用程序形式下載到機(jī)頂盒閃存Flash中，應(yīng)用程序調(diào)用Flash內(nèi)的中間件所含的API，執(zhí)行應(yīng)用程序，完成用戶請(qǐng)求的功能。, 應(yīng)用軟件,包括本機(jī)存儲(chǔ)和用戶即時(shí)下載的應(yīng)用程序。,用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)商提供各種功能，如:電子節(jié)目指南、準(zhǔn)視頻點(diǎn)播、視頻點(diǎn)播、IP電話和可視電話等等。,上層應(yīng)用軟件獨(dú)立于STB 的硬件,它可用于各種STB硬件平臺(tái),消除應(yīng)用軟件對(duì)硬件的依賴。此外,用戶可編程接口由操作系統(tǒng)提供(中間層或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)) , 使用戶能夠?qū)浖M(jìn)行修改。,3) 機(jī)頂盒功能,接收數(shù)字電視廣播,電子節(jié)目指南（EPG）,為用戶提供了一種界面友好、使用方便，可快速訪問(wèn)想看節(jié)目的方式，便于用戶使用和控制。用戶可以通過(guò)該功能看到各頻道近期將播放的電視節(jié)目。EPG還可以提供分類(lèi)功能，幫助用戶瀏覽和選擇各種類(lèi)型的電視節(jié)目。,提供高質(zhì)量的視頻和音頻輸出。,支持高速數(shù)據(jù)廣播,DVB四種數(shù)據(jù)廣播方式:,為用戶提供股市行情、票務(wù)信息、電子報(bào)紙及熱門(mén)網(wǎng)站等各種信息。,數(shù)據(jù)管道(Data Pipe)：,支持異步端到端數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；,數(shù)據(jù)流(Data Stream)：,可在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)面向數(shù)據(jù)流的端到端數(shù)據(jù)傳輸；,多協(xié)議封裝(Multiple Protocol Encapsulation)：,對(duì)需要在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中傳送的符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持；,數(shù)據(jù)/對(duì)象輪流傳送(Data/Object Carousel)：,可支持需要周期性地傳送數(shù)據(jù)模塊的各種應(yīng)用。,軟件在線升級(jí),具有回傳信道,條件接收（CA）系統(tǒng),數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器按照DVB數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)，將升級(jí)軟件傳送給機(jī)頂盒，機(jī)頂盒對(duì)該軟件的版本號(hào)進(jìn)行識(shí)別，在版本不同時(shí)接收該軟件，并更新存儲(chǔ)器中保存的軟件。,支持交互式多媒體應(yīng)用，包括Internet接入、電子郵件、IP電話、準(zhǔn)視頻點(diǎn)播、視頻點(diǎn)播、互動(dòng)游戲及網(wǎng)上購(gòu)物等。,有條件接收的核心是加擾和加密，數(shù)字電視機(jī)頂盒應(yīng)具有相應(yīng)的解擾和解密功能。,7.3數(shù)字電視的條件接收 CA,7.3.1 概述,1、CA功能,（Conditional Access）,條件接收CA系統(tǒng)指只容許被授權(quán)的用戶才能收看規(guī)定的電視節(jié)目，未經(jīng)授權(quán)用戶不能收看這些電視節(jié)目。CA是數(shù)字有線電視系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是對(duì)終端用戶接收控制和開(kāi)展數(shù)字有線電視增值業(yè)務(wù)的核心技術(shù)保障系統(tǒng)。,(1)對(duì)用戶阻止終端用戶接收未經(jīng)授權(quán)的節(jié)目；,(2)運(yùn)營(yíng)者從用戶處收取費(fèi)用。,2、條件接收CA的發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)有線電視收費(fèi)，在其前端對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行加擾，系統(tǒng)通過(guò)前端尋址來(lái)控制用戶的解擾器，使正常交費(fèi)用戶才能正常收看節(jié)目。加擾原理主要是破壞水平和垂直的同步信號(hào)，常采用視頻倒相、水平同步重疊、垂直同步重疊等技術(shù)，但通常會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生損傷，使圖像質(zhì)量下降。,第一代模擬電視CA系統(tǒng),第二代數(shù)字嵌入式CA系統(tǒng),發(fā)送端對(duì)節(jié)目加擾，加擾密鑰和授權(quán)信息加密傳輸，用戶端用智能卡完成解密和解擾。采用數(shù)字技術(shù)，對(duì)信號(hào)無(wú)損傷，同時(shí)保密性、可靠性也提高，但如更換加密算法就須更換整個(gè)機(jī)頂盒，因此升級(jí)較困難。,第三代可分離式CA系統(tǒng),第四代軟件CA系統(tǒng),將解密、解擾模塊與MPEG2 TS流解復(fù)用、視音頻解碼器等分離開(kāi)，單獨(dú)組成一可插拔CA控制模塊，可支持多密工作模式。這種系統(tǒng)大大提高系統(tǒng)靈活性和可升級(jí)性。,把加密體系建立在通用運(yùn)算平臺(tái)上，采用軟件實(shí)現(xiàn)加解擾算法。由于軟件可不斷更新，CA系統(tǒng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)不斷對(duì)加密算法、密鑰進(jìn)行更換，極大提高系統(tǒng)安全性。且因軟件加密方案擴(kuò)展性強(qiáng)，易于支持新的標(biāo)準(zhǔn)和新的應(yīng)用，可兼容不同的加密方案，形成開(kāi)放CA系統(tǒng)。,7.3.2 條件接收CA系統(tǒng)原理,典型的條件接收系統(tǒng)由前端子系統(tǒng)、終端接收子系統(tǒng)等組成，并與用戶管理系統(tǒng)、節(jié)目管理系統(tǒng)等進(jìn)行交互，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。,圖7.1 條件接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu),前端子系統(tǒng),終端子系統(tǒng),1、 CA系統(tǒng)構(gòu)成,圖7-2 條件接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,前端完成廣播數(shù)據(jù)的加擾和授權(quán)信息以及解擾密鑰的加密等工作;,終端完成解擾和解密,一般是一個(gè)解擾器(可能外加一個(gè)智能卡) 。,2、前端子系統(tǒng)（發(fā)送端）工作原理,由加擾器、解擾器、加密器、控制字產(chǎn)生器、 用戶授權(quán)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)和接收機(jī)中的條件接收子系統(tǒng)等部分組成。,加擾是將傳輸碼流（TS）中的視頻音頻碼流或輔助數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進(jìn)行擾亂，使未授權(quán)用戶無(wú)法對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行解碼，從而防止節(jié)目的自由接收。,對(duì)加擾對(duì)象（TS）要求實(shí)時(shí)加擾，加擾使用的序列密碼算法中Mi是被加擾的數(shù)據(jù)流，Ki是密鑰序列，Mi和Ki進(jìn)行模2加運(yùn)算得到Ci，即是加擾后的數(shù)據(jù)流。,(1) 加擾器,偽隨機(jī)序列發(fā)生器,接收端有一與發(fā)送端結(jié)構(gòu)相同的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，只要使收發(fā)兩端的偽隨機(jī)序列同步(即用相同初始值啟動(dòng))，則解擾時(shí)接收端的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列PRBS就與發(fā)送端的完全相同。將產(chǎn)生的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列與被加擾的數(shù)據(jù)流進(jìn)行同樣的模2加運(yùn)算，就可恢復(fù)加擾前的原始數(shù)據(jù)流。,加擾是在發(fā)送端將原始數(shù)據(jù)流與偽隨機(jī)二進(jìn)制序列PRBS進(jìn)行模2加運(yùn)算，得到被加擾的數(shù)據(jù)流。,(PRBS，PseudoRandom Binary Sequence),(2) 控制字發(fā)生器CW,發(fā)送端由控制字CW來(lái)控制加擾器對(duì)輸入的視音頻和數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行加擾處理，此時(shí)其輸出結(jié)果即為加擾后的MPEG - 2 傳送比特流，控制字就是加擾器加擾所用的密鑰。,用于收發(fā)兩端偽隨機(jī)序列同步的初始值。使收發(fā)兩端偽隨機(jī)序列同步，以確保解擾恢復(fù)加擾前的原始數(shù)據(jù)流。,(Control Word),用戶授權(quán)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制字典型字長(zhǎng)為64 bit,一般每隔520 s改變1次。,(3) 加密器, 控制字CW的加密,接收端為解擾產(chǎn)生的與發(fā)送端結(jié)構(gòu)相同的偽隨機(jī)序列，控制字 CW須隨加擾數(shù)據(jù)一起送接收端。為使CW安全地傳送到經(jīng)過(guò),授權(quán)的用戶端， CW由業(yè)務(wù)密鑰SK（Service Key）加密處理后在授權(quán)控制信息ECM（Entitlement Control Message）中傳送 。,加密器, 業(yè)務(wù)密鑰SK的加密,CA系統(tǒng)對(duì)CW安全傳送，采用多重密鑰機(jī)制。接收端為得到CW，對(duì)CW進(jìn)行加密的業(yè)務(wù),密鑰SK也需傳送。SK由用戶個(gè)人分配密鑰PDK（Personal Distribution Key）進(jìn)行加密處理，然后在授權(quán)管理信息EMM中傳送至用戶端。,加密器,PDK是每個(gè)頂盒解擾器或智能卡的地址碼相關(guān)聯(lián)的數(shù)列 ，一般以加密形式固化在用戶的智能卡中 。,CA系統(tǒng)的3層安全性保護(hù),1) 第一層保護(hù),用控制字CW對(duì)復(fù)用器輸出的圖像、聲音和數(shù)據(jù)信號(hào)比特流TS進(jìn)行加擾，擾亂正常比特流，使其在接收端不解擾就收看或收聽(tīng)不到正常的圖像、聲音及數(shù)據(jù)信息;,通過(guò)用業(yè)務(wù)密鑰（SK）對(duì)控制字加密CW，使控制字在傳送給用戶的過(guò)程中即使被盜，被盜者也無(wú)法對(duì)加密后的控制字進(jìn)行解密;,2) 第二層保護(hù),3) 第三層保護(hù),用分組密鑰或個(gè)人密鑰PDK對(duì)業(yè)務(wù)密鑰SK的加密，使整個(gè)系統(tǒng)的安全性更強(qiáng)。非授權(quán)用戶即使在得到加密的業(yè)務(wù)密鑰的情況下也不能輕易解密；解不出業(yè)務(wù)密鑰SK就解不出正確的控制字CW，沒(méi)有正確的控制字就無(wú)法解出并獲得正常信號(hào)的比特流TS。,(4) 授權(quán)控制和管理信息傳輸, 授權(quán)控制信息 ECM, 授權(quán)管理信息EMM,MPEG傳輸流中傳輸?shù)呐c控制字相關(guān)兩個(gè)數(shù)據(jù)流：,ECM中除由業(yè)務(wù)密鑰SK加密的CW，還含節(jié)目來(lái)源、時(shí)間、內(nèi)容分類(lèi)和節(jié)目?jī)r(jià)格等節(jié)目信息。它與加擾的節(jié)目碼流復(fù)用一起傳接收端。,EMM中除由用戶個(gè)人分配密鑰PDK加密的SK，還含地址、用戶授權(quán)信息，如用戶可看的節(jié)目或時(shí)間段，用戶付的收視費(fèi)等。,節(jié)目專用信息PSI,PSI相應(yīng)表,（Program Specific Information）,包括每個(gè)節(jié)目的基本碼流信息（視頻、音頻信息和多家同密CA的ECM授權(quán)控制信息）的PID值。針對(duì)節(jié)目加密，含加密的CA系統(tǒng)類(lèi)型CA_System_ID和搜索ECM 方式的ECM_PID。,1)節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT,含 TS中所有節(jié)目頻道號(hào)和每頻道對(duì)應(yīng)的節(jié)目映射表PMT的PID；,2)節(jié)目映射表PMT,為識(shí)別多路節(jié)目的碼流在傳輸流TS中加入的特定引導(dǎo)信息PID 。其作用是從攜帶多節(jié)目的TS流中正確找到特定的節(jié)目。,(Program Association Table),(Program Map Table),包含有標(biāo)識(shí)具體CA系統(tǒng)的CA_System_Id和用于獲取EMM信息的索引EMM_Pid，通過(guò)這兩項(xiàng)內(nèi)容就可以獲得用戶所在CA系統(tǒng)的EMM信息。,3）條件接收表CAT,機(jī)頂盒根據(jù)PMT和CAT表中的CA_descriptor，可獲得EMM和ECM的PID值，據(jù)該P(yáng)ID值可解出相應(yīng)的視音頻和數(shù)據(jù)等基本碼流，解碼后復(fù)原出原始信號(hào)。,4）網(wǎng)絡(luò)信息表NIT,給出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信息。,(Conditional Access Table),(Network Information Table),（Service Information）,含節(jié)目類(lèi)型、服務(wù)商、節(jié)目相互關(guān)系等用戶有用信息。,是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有TS流的描述，機(jī)頂盒解碼器從中提取播出節(jié)目列表和播出參數(shù)，以直觀形式顯示給用戶，便于用戶接收、選擇數(shù)字電視節(jié)目。,業(yè)務(wù)信息SI,節(jié)目管理信息被SI發(fā)生器用來(lái)生成SI/PSI信息，用于被播控系統(tǒng)控制節(jié)目的播出，同時(shí)送入SMS系統(tǒng)。,(5) 節(jié)目信息管理系統(tǒng),節(jié)目表,為即將播出的節(jié)目建立節(jié)目表。,包括頻道、日期和時(shí)間安排，也包括要播出的各個(gè)節(jié)目的CA信息。,(6) 用戶管理系統(tǒng)SMS,根據(jù)用戶訂購(gòu)節(jié)目和收看節(jié)目的情況,一方面向授權(quán)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，決定哪些用戶可以被授權(quán)收看哪些節(jié)目或接收哪些服務(wù);另一方面它還可以向用戶發(fā)送賬單。,（Subscriber Management System）,包括對(duì)用戶信息、 用戶設(shè)備信息、 用戶預(yù)訂信息、 用戶授權(quán)信息、 財(cái)務(wù)信息等進(jìn)行記錄、處理、維護(hù)和管理。,CA系統(tǒng)發(fā)送端工作基理,根據(jù)用戶要求形成授權(quán)信息 加擾系統(tǒng)產(chǎn)生控制字 對(duì)控制字進(jìn)行加密生成ECM 對(duì)授權(quán)信息處理生成EMM 加擾后碼流、ECM、EMM復(fù)用輸出,3. 接收端工作原理,(1) 解復(fù)用器,ECM和EMM信號(hào)被放置于MPEG - 2傳送比特流包頭的固定位置，因此解復(fù)用器很容易地解出ECM和EMM信號(hào)。,(2) 解密模塊與智能卡 ( Smart Card),(3) 解擾器,解密模塊與智能卡中的安全處理器共同工作，從ECM和EMM信號(hào)恢復(fù)出控制字，并將它送至解擾器。,由解密模塊恢復(fù)出的控制字加至解擾器，使加擾比特流恢復(fù)成正常的MPEG - 2比特流。,智能卡存儲(chǔ)序列號(hào)、唯一識(shí)別碼、授權(quán)等相關(guān)信息，主要功能是解密授權(quán)和訪問(wèn)權(quán)限，同時(shí)向機(jī)頂盒授權(quán)。,條件接入系統(tǒng)接收端工作基理,從碼流中解出PSI/SI，找到CAT 根據(jù)CAT表中的字段，找出ECM、EMM 在智能卡中，根據(jù)EMM檢查用戶是否被 授權(quán)，并得到解密ECM的方法 對(duì)ECM解密，得到加擾控制字 用控制字對(duì)碼流解擾，得到明碼碼流,5 數(shù)字機(jī)頂盒有條件接收的工作過(guò)程,(1) ECM 消息處理,數(shù)字機(jī)頂盒有條件接收系統(tǒng)的主要功能是處理ECM 和EMM 消息，為受權(quán)用戶提供加擾節(jié)目的解擾參數(shù)。,ECM 消息提供了能否收看加擾節(jié)目的判斷數(shù)據(jù)和解擾參數(shù)等信息。,步驟1 :用戶通過(guò)電子節(jié)目指南( EPG) 尋找要收 看的節(jié)目;,步驟2 :用戶選擇要收看的付費(fèi)節(jié)目,數(shù)字機(jī)頂盒從 該節(jié)目PMT 表中的CA 描述子找到控制該 節(jié)目解擾的ECMs 消息的PID ,建立解擾參 數(shù)表(表中參數(shù)包括配屬該ECM 的PlDs、 奇偶控制字等) ;,步驟3 :CA 模塊根據(jù)CA 系統(tǒng)專有的篩選參數(shù)和 指令設(shè)置ECM 表段篩選器,將ECM 消息 取出送給智能卡;,步驟4 :智能卡從ECM 消息中得到接收加擾節(jié)目 的判斷數(shù)據(jù),與智能卡保存的收視權(quán)力比 較,如果判斷數(shù)據(jù)不在收視權(quán)力范圍內(nèi),則 通過(guò)響應(yīng)信息告訴用戶無(wú)權(quán)收看;,步驟5 :如果判斷數(shù)據(jù)落在收視權(quán)力中,智能卡將 ECM 消息中的解擾參數(shù)解密,得到控制 字,通過(guò)響應(yīng)信息送給數(shù)字機(jī)頂盒使用;,步驟6 :數(shù)字機(jī)頂盒將控制字保存在解擾參數(shù)表中;,步驟7 :數(shù)字機(jī)頂盒收到傳輸包,如果包頭的加擾控制位為10 或11 ,則根椐傳輸包的PID 查找解擾參數(shù)表,如果加擾控制位的奇偶性與當(dāng)前控制字奇偶性相同,則用當(dāng)前控制字解擾;如果奇偶性不同,則更新當(dāng)前控制字,將下一個(gè)控制字設(shè)定為當(dāng)前控制字,并用于解擾。,步驟8 :數(shù)字機(jī)頂盒將新的ECM 包傳給智能卡, 為了避免向智能卡重復(fù)傳送ECM 消息, 數(shù)字機(jī)頂盒只在更新當(dāng)前控制字時(shí)才向 智能卡傳送新的ECM 消息。,(2) EMM 消息處理,主要向用戶提供收看付費(fèi)電視的授權(quán)和管理信息。,步驟3 :CA 模塊根據(jù)CA 系統(tǒng)專有的篩選參數(shù)和 指令設(shè)置EMMs 消息篩選器,將EMM 消 息取出送給智能卡;,步驟4 :智能卡將EMM 消息解密,得到授權(quán)和管 理信息;,步驟2 :數(shù)字機(jī)頂盒從CAT 表中的CA 描述子找 到控制該節(jié)目解擾的EMMs 消息的PID ;,步驟1 :數(shù)字機(jī)頂盒從CA 模塊或智能卡中取得 CA- System- ID ;,步驟5 :返回步驟3 ,等待新的EMM 消息。,7.3.3 CA加解密算法,1、概述,(1) 密碼體系必須滿足的基本要求：,1) 對(duì)于所有的密鑰，加密和解密都必須快速有效。,2) 加解密算法必須容易使用，不能過(guò)于復(fù)雜； 且密碼體系的加密算法和解密算法都需要有足 夠的強(qiáng)度，不易破解。,3) 加解密算法必須便于實(shí)現(xiàn)，能有效運(yùn)行， 適用于各種不同的應(yīng)用。,(2) 加密和解密數(shù)據(jù)的算法類(lèi)型,2、加密和解密算法,(1) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES,1) 加密原理,(Data Encryption Standard),為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的加密算法，是對(duì)稱密碼體系中的一種分組密碼。,將輸入數(shù)據(jù)以64 bit為塊進(jìn)行分組，作為加密單元;,用一64位字長(zhǎng)的密鑰(56位加8位校驗(yàn))分組后經(jīng)16次左 移得16個(gè)子密鑰;,在子密鑰(每個(gè)子密鑰長(zhǎng)度為48 bit)控制下，對(duì)64 bit 數(shù)據(jù)塊進(jìn)行16次迭代運(yùn)算，從而得到加密后的一組64 bit長(zhǎng)的密文。,64 bit的密鑰源中只有56 bit是隨機(jī)的，第8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64位是奇偶校驗(yàn)位，不參與DES運(yùn)算。,2) DES算法的三個(gè)入口參數(shù),Key為8個(gè)字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；,Data也為8個(gè)字節(jié)64位，是要進(jìn)行加密或解密的 數(shù)據(jù)；,Mode為DES的工作方式，分為加密和解密兩種。 如果Mode為加密，則用Key對(duì)數(shù)據(jù)Data進(jìn)行加 密，生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸 出結(jié)果；如果Mode為解密，則用Key對(duì)密碼形式 的數(shù)據(jù)Data解密，還原為Data的明碼形式（64 位）作為DES的輸出結(jié)果。,3)DES算法的加解密過(guò)程,通信網(wǎng)絡(luò)兩端，雙方約定一致密鑰Key，發(fā)送端用Key對(duì)數(shù)據(jù)Data進(jìn)行DES加密，再將加密數(shù)據(jù)(密文)通過(guò)公共通信網(wǎng)（如電話網(wǎng)）傳輸?shù)浇邮斩?，接收端收到密文后，用同樣密鑰Key對(duì)密文進(jìn)行解密，重現(xiàn)明文形式的數(shù)據(jù)。只要密鑰Key不被破解，即可保證數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)中傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｍㄟ^(guò)定期更新Key，能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)保密性。,DES算法最有效的破解手段是采用窮舉法。數(shù)字電視廣播中大多將DES算法用于對(duì)授權(quán)控制信息ECM的加密。,4) TripleDES（3DES）基本原理,兩個(gè)密鑰既可相同，也可不同。也可將一個(gè)128位密鑰分割成兩個(gè)64位的密鑰，分別輪換用這兩個(gè)64位密鑰去完成加密/解密運(yùn)算。,用兩個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次的加密/解密運(yùn)算：,首先使用第一個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，,然后用第二個(gè)密鑰對(duì)其進(jìn)行解密，,最后再用第一個(gè)密鑰對(duì)其進(jìn)行加密。,TripleDES算法特點(diǎn):,保留了DES算法運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，通過(guò)增加運(yùn)算次數(shù)和密鑰長(zhǎng)度來(lái)增加破解者的破解時(shí)間，但從密碼學(xué)角度，其安全強(qiáng)度并沒(méi)有增加。,(2)國(guó)際數(shù)據(jù)加密算法IDEA,(International Data Encryption Algorithm),是一種速度快且安全性強(qiáng)的分組密碼算法，具有良好的應(yīng)用前景。,IDEA是由8個(gè)循環(huán)和一個(gè)輸出變換組成的迭代算法。密鑰長(zhǎng)度為128 bit，數(shù)據(jù)塊大小為64 bit。加密前，先將128 bit的密鑰擴(kuò)展為52字節(jié)（Byte）的加密密鑰EK(Encryption Key)，然后由EK計(jì)算出解密密鑰DK(Decryption Key)。EK和DK分為8組半密鑰，每組長(zhǎng)度為6字節(jié)（Byte），其中前8組密鑰用于8圈加密，最后半組密鑰(4 Byte)用于輸出變換。IDEA的解密過(guò)程和加密過(guò)程相同，只是使用的密鑰不同，加密時(shí)用EK，解密時(shí)用DK。,1) IDEA密鑰擴(kuò)展的過(guò)程,將128 bit密鑰作為EK的前8字節(jié)； 將128 bit的密鑰循環(huán)左移25 bit，得到第二個(gè)8字節(jié)； 將步驟重復(fù)6次； 在第6次循環(huán)左移時(shí)，取前4字節(jié)作為EK的最后4字 節(jié)，至此生成52字節(jié)的EK。,IDEA使用128位的密鑰和8個(gè)循環(huán)的迭代分組密碼實(shí)現(xiàn)，比DES的安全性要高。IDEA屬“強(qiáng)”加密算法，至今還沒(méi)有出現(xiàn)對(duì)該算法的有效攻擊算法。,2）IDEA 特點(diǎn),(3) RSA算法,1)RSA安全性理論依據(jù),RSA是Rivest、Shamir和Adleman三人提出的基于數(shù)論支持變長(zhǎng)密鑰的非對(duì)稱性(公鑰)的加密算法，其算法的基礎(chǔ)是數(shù)論中大整數(shù)素因子分解難題。,求兩個(gè)大素?cái)?shù)(如大到100位的十進(jìn)制數(shù))的乘積在計(jì)算上很容易實(shí)現(xiàn)，但要分解兩個(gè)大素?cái)?shù)的乘積(即由乘積求它的兩個(gè)素?cái)?shù)因子)在計(jì)算上幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。,RSA算法是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數(shù)字簽名的算法，易于理解和操作，有多種專用芯片。,選取兩個(gè)很大的素?cái)?shù)p和q，令模數(shù)N=pq； 求N的歐拉函數(shù)(N)=(p-1)(q-1)，從2至(N)-1 中任選一個(gè)數(shù)作為加密指數(shù)e； 解同余方程(ed)(mod(N)=1，求得解密指數(shù)d； (e，N)為公開(kāi)的加密密鑰，(d，N)為秘密的解密密鑰。,2) RSA算法密鑰設(shè)計(jì)的具體步驟 ：,例1:,在RSA算法中，取p=11，q=17，e=13，試計(jì)算解密密鑰(d，N)，并對(duì)x=2進(jìn)行加密。,由p=11，q=17，得N=pq=1117=187 (N)=(p-1)(q-1)=1016=160 由(13d) mod 160=1，可解得d=37 于是y=x e (mod N)=213 mod 187=151得d=37 解密時(shí)x=y d (mod N)=15137 mod 187=2=x,解：,2)RSA算法加解密過(guò)程：,通過(guò)3個(gè)參數(shù)e，d，N來(lái)實(shí)現(xiàn)RSA的加解密過(guò)程:,加密運(yùn)算為：y = x e ( mod N ) 解密運(yùn)算為：x = y d ( mod N ),甲將公鑰 (e，N) 傳給乙，而私鑰 (d，N) 自己收藏。當(dāng)乙給甲方發(fā)送保密信息時(shí)，可用公鑰并采用公式 y = x e (mod N) 對(duì)信息 x 進(jìn)行加密，乙將 y 傳遞給甲，甲收到消息后就可用私鑰 ( d，N ) 并采用公式 x = y d (mod N) 將 y 轉(zhuǎn)換為原信息 x。因模數(shù) N公開(kāi)，如能由N分解出 p 和 q，就可算出(N)，進(jìn)而找出解密私鑰 d。,3)RSA算法特點(diǎn)：,RSA算法安全性依賴于分解大數(shù)的難度，用RSA算法時(shí)，須足夠大的模數(shù) N。如模數(shù)N足夠大，就無(wú)法簡(jiǎn)單地由模數(shù) N 得到(N)，也無(wú)法簡(jiǎn)單地由 e 推算出d，因此N 和 e 公開(kāi)后并不會(huì)泄露(N) 和 d。保密關(guān)鍵在私鑰 d，因此須注意保管私鑰 d 。,RSA的加密強(qiáng)度較高，但受限于素?cái)?shù)產(chǎn)生技術(shù)，產(chǎn)生密鑰較麻煩，加解密速度慢，比對(duì)稱密碼算法慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。CA系統(tǒng)中，因EMM對(duì)加密處理的速度要求不高，但安全性要求較高，所以常采用RSA算法對(duì)信息進(jìn)行加密。,(4)AES標(biāo)準(zhǔn),1）AES算法依據(jù):,（Advanced Encryption Standard）,是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）制定的下一代加高級(jí)密算法標(biāo)準(zhǔn)。,基于排列和置換運(yùn)算。排列是對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行安排，置換是將一數(shù)據(jù)單元替換為另一個(gè)。,AES使用幾種不同方法執(zhí)行排列和置換運(yùn)算。AES是一迭代、對(duì)稱密鑰分組的密碼，可用128、192和256位