如何用FPGA实现数字电视条件接收系统？

　　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。
　　
　　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：
　　（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。
　　2．1　加扰器的实现
　　加扰器在条件接收中是一个关键部分，他关系到整个系统的保密程度，所以需要一个安全性较高的加扰器。图2所示加扰器是在FPGA内部实现：他是以可预置线性反馈寄存器（LFSR）为基础，与数据选择器共同形成。4个LFSR的阶数要求互质，每个LFSR的反馈多项式要求是本原的，这样产生的伪随机序列具有最大周期。总线是控制码发生器（一个伪随机序列发生器）产生的选择器控制码，有8个抽头并行输出，每2位对应一个选择器的选择端。每个选择器的输出是选出的4个LFSR反馈之一，作为与之相连的LFSR时钟。这是Gollmann级连的改进型，通过数据选择消除了Gollmann级连易受锁定攻击的缺点。4个LSFR输出的XOR（这是FPGA中的一个器件，当输入有奇数个1时输出为1），除去LFSR的线性影响，通过数字选择器选取这些XOR的输出之一作为加扰序列的输出。数字选择器滤除了加扰器的代数特性避免相关（线性代数）攻击。
　　
　　选择码生成器可由CW产生器代替，CW一部分作为选择器的选择码，一部分写入4个可预置的LFSR。这样，加扰器寄存器不是很多，周期又较长，达到节约硬件且保密程度较高的目的。
　　2．2　条件接收发送端FPGA实现
　　用户管理信息需要PC机处理和保存，既然他是必须的，就可以在PC机中做些其他的事情，以便降低硬件的复杂度，增强信息的保密性。服务密约SK和控制字CW发生器初始值可以在PC机中通过伪随机序列生成程序生成。在PC机中生成SK和CW初值的优点就是程序容易改动，伪随机序列周期可以足够长，保密性高。
　　在一些文献中，ECM在PES层已经加入，对于PES层加扰当然很适合；但是对于TS层加扰，完成ECM包中含有的CW和写入加扰器的CW一致性（实际就是加扰和解扰的同步）比较困难。采用ECM也在TS层加入，实现加解扰同步就容易得多。
　　TS流是连续不断的实时信号，条件信号并不可以任意加入其中。不过，TS流中存在大量的空包，可以通过空包替换的方法实现条件包的加入。空包替换器实际就是一个数据选择器，在需要条件包的地方，让条件包代替空包。
　　ECM包PID寄存器存放从PMT中读取的ECM包的PID，以便形成ECM包时利用。ECM包和EMM包的形成是给EMM和ECM加上包头、PID和Table＿id等。ECM包的Table＿id有两个，0x80和0x81，是为了方便接收端解扰，只有ECM包含新的CW时，他才发生变化。如果Table＿id 没发生变化，接受端就可以不处理这个ECM包，还用以前的CW。EMM只有一个时，可以把他放入CAT包；如果有多个时，可单独形成EMM包，通过CAT 包中的描述子确定他的PID。其实，为了节约硬件，在加入TS流前条件包并不一定是一个完整的TS包，他包含必要的信息就行了。在代替空包时，有用信息代替空包中的前一部分，和余下的空包中内容共同构成TS包。SK信息变化很慢，EMM包和CAT包只需满足刚开机用户能迅速找到SK就行。ECM包替代空包比CAT包或EMM包严格的多，因为CW变化快，并且要使ECM包内的CW和写入加扰器的CW同步，以便保证正确解扰。
　　CW的加密采用DES（Data Encryption　Standard）算法，DES速度快，加密强度较高，硬件容易实现，适合CW变化较快的要求。SK的加密采用RSA算法，RSA 算法速度比DES慢的多，硬件实现只是DES速度的千分之一，但是加密强度大。SK的变化频率低，使用时间长，安全性要求高，RSA正好满足这些要求。 TS流的加扰，采用上述的加扰器，通过加扰控制，使之不对条件包、私有数据包、空包、TS包头、PID等不可加扰的数据进行加扰。
　　
　　3 结语
　　本文介绍了条件接收系统的基本原理，并提出一种复接和条件接收相分离的实现方法。这种方法使条件接收系统不受复接的约束，实现起来比较灵活，便于调试。并且这种结构不仅可以对单节目TS流加扰，也可以对多节目TS流进行加扰。采用空包替换，在TS层加入ECM条件包，容易实现加解扰的同步。在实现条件接收的过程中，设计出安全性较高的加扰器成功应用于系统，实现了信息的加、解扰。