基于DVB-C的数字电视条件接收系统的设计与实现
2021-12-31
来源:意榕旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第7卷第15期2007年8月 科学技术与工程 Vo1.7 No.15 Aug.2007 1671—1819(2007)15—3722—06 Science Technology and Engineering @2007 Sci.Tech.Engng. 基于DVB.C的数字电视条件接收 系统的设计与实现 谢完成 (娄底职业技术学院,娄底417000) 摘要针对我国数字电视广播的机卡分离产业政策,提出了一种基于智能卡条件接收接口(SCAI)的数字电视接收机(包括 机顶盒和一体机)机卡分离技术。该技术不需要改变现有数字电视接收机的硬件配置,只需要在接收机中嵌入一个符合SCAI 规范的条件接收软件插件就可以配合相应的条件接收智能卡实现条件接收功能,从而使得接收机成为与发射端特定条件接 收系统无关的通用接收平台。该技术与国内外提出的基于PCMCIA卡或USB2.0卡的机卡分离方案相比,成本更低,实现更 简洁。该技术方案也是我国数字电视广播的候选行业标准之一。 关键词数字电视广播 数字电视接收机 文献标识码智能卡 A 条件接收机卡分离 中图法分类号TN949.147; 自1995年国家科技部启动高清晰度数字电视 广播重大科技产业化项目以来,中国的数字电视广 播产业取得了很大成就,但也面临着许多困难。其 中最先投入实际运营的有线数字电视广播并未取 得预期的成功,许多试点城市出现了“驻点现 机卡分离作为数字电视广播的一个产业政策,因为 机卡分离可以疏通广电运营商、接收机制造厂商、 CAS厂商和用户之间的产业链关系。首先,接收机 制造厂商可以生产和销售通用数字电视接收机,随 之带来的规模化生产可以有效地降低接收机的价 格。其次,广电运营商可以专心致力于发展数字电 视业务,发展用户数量和提供更多的增值服务,用 户也可以选择适合自身需要的接收机。最后,对于 CAS厂商而言,由于机卡分离技术在国内是一项新 兴技术,国内外CAS厂商在同一起跑线上展开技术 象”——用户量在2万户左右无法快速增长。造成 这种结果的很大一部分因素是因为现有的数字电 视接收机必须与某家特定的条件接收系统(CAS)绑 定生产和销售,由当地广电运营商承担开展数字电 视广播所需要的数字电视接收机的发放、管理和维 护,而这些并不是广电运营商所擅长的业务。与某 家特定的CAS绑定的数字电视接收机只能接收和 解码对应CAS加扰的节目,用户如果想要收看由不 同CAS加扰的节目必须购买额外的数字电视接收 机,这对普通用户而言是个不必要的负担。此外, 数字电视接收机生产厂商只能生产用于某地的广 电运营商的接收机,而不能大规模生产和自由销售 适合于不同用户需要的接收机。为了促进数字电 视广播产业的发展,信息产业部于2003年提出了将 2007年4月4日收到 竞争,可以提高国内厂商的市场占有率,同时机卡 分离所带来的条件接收卡芯片需求可以促进国内 集成电路产业的发展。整个信息产业将因为数字 电视的机卡分离而带来巨大的发展空间。 基于上述背景,本文提出了一种基于智能卡条 件接收接口(SCAI)的数字电视接收机机卡分离技 术,这种技术使用廉价的8位智能卡有效地实现了 接收机端的条件接收子系统与数字电视接收机的 分离。该技术对现有接收机产品带来的改动非常 小,成本最低,非常适合于需要大量廉价接收机的 我国数字电视“整体平移”工程。 作者简介:谢完成(1966一),男,湖南双峰人,副教授,研究方向: 电子与通信技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com 15期 谢完成:基于DVB-C的数字电视条件接收系统的设计与实现 3723 位于数字电视接收机中的部分以已编译的程序库 1现有的条件接收子系统 数字电视广播所涉及的大部分技术要素都已 的形式提供给接收机生产厂商用于系统集成。因 为不同CAS厂商的CASS不相同也不兼容,所以以 这种方式集成的数字电视接收机与某家CAS绑定, 由国际或国内的标准化组织实行了标准化。例如, 用于数字电视节目源编码的MPEG_2…和 MPEG__4_2 系列国际标准,用于已编码节目传输的 DVB_3 JATSC_4 和ISDB_5 系列国际标准。中国的 、只能收看该CAS加扰的节目。接收机厂商必须向 CAS厂商支付昂贵的授权费之后才能使用该CASS。 由于目前数字电视用户的数量不多,接收机厂商必 须为每个广电运营商生产可能包含不同CASS的产 品,由此带来的授权费和研发费用使得接收机很难 降低成本。高昂的接收机价格也导致用户不愿购 地面数字电视广播传输标准正处于制定阶段,而有 线数字电视广播传输标准实际采用的是DVB—C 囡 标准。为了控制用户对这些标准化了的节目的 接收和解码,从而保证广电运营商的利益,在广播 前端一般都要选用一种CAS用于对收费节目进行 加扰。在广播接收端的数字电视接收机必须使用 与该CAS对应的条件接收子系统(CASS)才能正确 解扰和播放这些加扰节目。 不同的CAS厂商提供的大部分商用CASS根据 条件接收安全模块(CAM)和接收机之间的接口在 CASS中位置的不同可以分为两类,这两个接口位 置如图1中的I 和I 所示。 射 电 信 输 数字电视 接收机 条件接收子系统 图1 CAM与数字电视接收机接口的不同位置 如果CAM与数字电视接收机接口位于图1所 示的I 处(大部分在我国使用的CAS厂商都采用 这种方式),那么数字电视接收机必须包含CASS的 一部分并与一张条件接收卡(一般为智能卡,也称 为CAM)互相配合才能完成接收端各种与条件接收 有关的功能。在机卡分离之前,CAS厂商将CASS 买和使用,从而不愿意接受数字电视广播,这就造 成了数字电视广播产业的恶性循环。 欧洲和美国在推广数字电视广播的前期也都 遇到了上述的问题,为了解开该循环,欧洲的DVB 标准化组织制订了用于广播前端加扰节目的通用 加扰算法(CSA),并把CAM与数字电视接收机之间 的接口放在图1中I 所示的位置。在该方案中, 整个CASS被放人一个CAM中,该CAM采用标准 化的DVB—CI 接口与数字电视机交互。该方案 由于接收机中没有任何与CASS有关的内容,CASS 与接收机达到了完全分离的目的。同时,由于CAM 中的CASS处于CAS厂商的完全控制之下,CASS的 安全性和隐秘性得到了最大限度的保护。因此,这 种方案在欧洲和美国得到了广泛的应用。但是,这 种方案使用的CAM(一般称为大卡)的硬件成本大 大高于智能卡(一般称为小卡),并且大卡必须包含 解复用器、解扰器和复用器这些一般已经完整包含 在接收机解码芯片中的硬件单元,从而造成了不必 要的硬件重复,也增加了大卡的成本。使用大卡的 CASS的价格一般与一台普通的机顶盒价格相当, 这种机卡分离反而造成了用户购买接收机和条件 接收卡的总价上升。DVB标准化组织也提出了两 种利用廉价智能卡作为安全模块的机卡分离方案, 即多密(muhicrypt)和同密(simulcrypt),但这两种方 案同样未能有效解决机卡分离的问题 。 国内目前共提出了3种机卡分离方案,其中的 两种采用与DVB—cI相似的原理,分别使用基于 PCMCIA卡和USB2.0卡的大卡作为安全模块。由 维普资讯 http://www.cqvip.com 科学技术与工程 7卷 于大部分现有的数字电视接收机未配备PCMCIA或 者USB2.0硬件接口,故使用这两种方案的接收机 必须增加新的硬件接口,已经发放的接收机也不能 再使用。本文提出的使用廉价的8位智能卡的机卡 分离方案属于第3种方案,该方案提出了新的SCAI 接口,在技术上为接收机性能和价格作了一个较好 的平衡。 2 SCAI接口的架构 SCAI接口将CAM与数字电视接收机之间的接 口放在I 的位置并规定了CAM与接收机之间的 标准通信协议。图2示出了采用SCAI接口的数字 电视接收机与CAM之间的信号逻辑关系。由图可 见,接收机充分利用了已有的硬件单元(见图2中 阴影部分),只增加了一些必要的软件功能单元(见 图2中无阴影部分)来与智能卡协作,从而完成各 项与条件接收有关的功能。 射频电视信号 f音视频输出i遥控器输入 码器ll :i 数字电视接收机 游卜_]囤匠 智能卡 SCAI接口 CA消息 图2采用SCAI接口的数字电视接收机与 智能卡之间的信号逻辑关系 按照图2所示的信号逻辑关系,原来完全属于 CAS厂商私有的CASS被分割为两部分:位于接收 机中的公共部分和位于智能卡的私有部分。私有 部分完全由CAS厂商设计和实现,主要包括CA消 息(主要是传输解扰控制字的授权控制信息 (ECM)、传输用户授权信息的授权管理消息 (EMM)和由CAS厂商自定义的各种消息)的解密 和解析、用户授权管理、用户消费记录、智能卡管 理、CA消息过滤条件管理等。位于接收机中的公 共部分为私有部分的正常工作提供必要的数据和 功能支持,主要包括按照智能卡给出的CA消息过 滤条件过滤各种智能卡需要的数据、作为智能卡与 用户之间交互的渠道、解扰节目等。这两部分通过 标准的SCAI接口互相交互,公共部分作为一个软 件插件被集成在接收机系统程序中,从而使得接收 机成为一个与特定CAS无关的通用接收平台。CI.., l SCAI接口按照ISO开放系统互连(OSI)模型分 层设计,从而保证了SCAI接口的通用性和易扩展 性。SCAI接口所使用的物理接口符合ISO/ IEC7816--3标准 J,并使用T=0和T=1传输协议 类型。由于接收机和智能卡通信时智能卡只能处 于被动模式(即不能主动发送数据给接收机),因 此,接收机和智能卡必须采用命令一响应对的形式 进行通信,SCAI接口根据机卡分离应用的要求设计 了5个应用协议数据单元(APDU)命令用于在接收 机和智能卡之间传输协议数据。所有这5个命令及 其响应都被设计成支持对其负载域内数据的分割 和链接,这样SCAI接口就充分利用了现有CASS中 使用的数据大多是短数据的特点,提高了比较慢速 的智能卡物理接口的通信效率,同时又保持了传输 长数据的能力。 SCAI接口的应用层按照机卡分离所涉及到的 数据类型而分为4类,这些数据都按照ASN.1句法 的TLV—BER编码规则 编码为数据对象。这些 数据对象作为APDU命令一响应对的负载域数据通 过智能卡物理接口传输。SCAI接口的应用层数据 对象的4种数据类型为:与SCAI接口安全机制相关 的数据、与CA消息过滤和处理相关的数据、与智能 卡属性和增值服务相关的数据、可能的回传信道和 公共加载器相关的数据。 SCAI接口规定了一个公共的安全机制用于保 证SCAI接口的安全性不会因为公开通信协议细节 而降低。这个安全机制包括一个基于数字证书的 机卡双向身份认证协议和协商建立数据安全通道 协议。机卡双向身份认证是为了验证通过SCAI接 口通信的双方的身份合法性,避免与伪装的一方进 维普资讯 http://www.cqvip.com 15期 谢完成:基于DVB.C的数字电视条件接收系统的设计与实现 行有损安全性的协议交互。协商建立数据安全通 道则是为了保护通过智能卡物理接口的通信内容 不会被窜改或者截获,这是通过在接收机和智能卡 之间协商选择一种对称加密算法来实现的,而加密 密钥则是在双向身份认证时建立。这个一体化的 公共安全机制可以有效地保护SCAI接口免于受到 如Oracal类型攻击、重放攻击、签名攻击、源替代攻 击和部分选择密钥攻击等大多数典型攻击类型。 同时,通过控制发行数字电视接收机的数字证书的 方式,广电运营商可以有效地控制其广播网络上所 使用的接收机的入网和节目接收。 由于数字电视的源编码方式、传输方式和加扰 方式的标准化,SCAI接口可以规定一个统一和通用 的CA消息过滤机制。不同CAS厂商提供的智能卡 可以向接收机提出各自的CA消息过滤条件,由接 收机过滤出这些数据给智能卡并按照智能卡返回 的要求设置接收机。智能卡可以根据在智能卡物 理接口上传输的数据的安全敏感性选择是否通过 数据安全通道传输数据。 为了方便机卡分离后CAS厂商或者广电运营 商对条件接收智能卡的管理,SCAI接口规定了一套 与智能卡属性有关的数据对象。SCAI接口也为常 用的基于文本的增值服务,如短消息、电子邮件等 定义了数据对象。SCAI接口还为智能卡和用户之 间的交互定义了人机接口(MMI)数据对象,通过 MMI数据对象,智能卡可以在需要时(如IPPV或 PPV应用)在接收机上发起一个对话框来提示用户 进行相应的操作或者显示一些文本。SCAI接口所 定义的MMI数据对象与DVB2CI规定的高抽象层 次MMI数据对象完全一致,因此可以支持绝大多数 的与文本显示有关的应用。考虑到利用将来在有 线数字电视广播网上可能存在的回传信道对接收 机软件进行在线升级的问题,SCAI接口正在考虑和 定义与回传信道和公共加载器有关的数据对象。 由于目前的广播网和接收机系统程序的局限性, SCAI接口目前还不能对这些对象进行仔细的定义 和试验。 3 SCAI接口的机卡分离参考实现 由于采用SCAI接口的数字电视接收机中与 CASS有关的部分可以实现为一个公共软件插件 (CA插件),按照SCAI接口技术规范实现了该CA 插件并与CAS厂商提供的符合SCAI接口的条件接 收智能卡一起实现了基于SCAI接口的机卡分离参 考实现。由于SCAI接口不对CASS智能卡部分的 实现细节做任何规定,故只对位于接收机中的CA 插件的实现进行描述。图3示出了CA插件的系统 架构和在接收机系统程序中的逻辑位置。 数字电视接收机 数字电视接收机应用程序 CA插件 (可选) 安全I cA消息1人 啦品模块l控制l通信中间倬 模式I 过滤和 I处理模块I模块I模块 数字电视接收机的操作系统和驱动程序 }调谐暑嚣{I解复用剁I解扰暑导I圈能卡接口lOSDI精视频解码烈 智能卡硬件 CSA/接口 智能卡操作系统和驱动程序 II功能耦合部分l SA_蜂 的l私有的CA内核 (CAK) 智能卡 图3 CA插件的系统架构和逻辑功能模块 由图3可见,CA插件与数字电视接收机的其他 部分通过标准的应用程序接口(API)函数交互。 CA插件通过图3中所示的CA插件的应用接口层 所描述的接口函数向接收机系统程序提供与条件 接收有关的功能支持或者与可能存在的中间件相 集成。CA插件也需要接收机提供图3中所示的CA 插件的移植接口层所描述的接口函数的支持。按 照这种架构,接收机制造厂商可以按照集成未机卡 分离之前的CASS一样的流程将CA插件集成到系 统程序中,这可以节省接收机制造厂商的开发时间 和费用。同时,使用CA插件可以使得接收机制造 厂商不再需要向CAS厂商支付昂贵的授权费。 CA插件根据SCAI接口所定义的数据类型可 维普资讯 http://www.cqvip.com 科学技术与工程 7卷 以从逻辑上分为多个功能模块(见图3),这些模块 包括:安全模块、通信模块、CA消息过滤和处理模 块、人机接口模块和控制模块。安全模块实现了 SCAI接口所规定的公共安全机制所涉及的安全算 法,同时为CA插件的其他模块提供数据安全支持。 CA插件的通信模块将所有涉及到通过智能卡物理 接口和数据安全通道进行数据传输的细节封装起 现细节,也没有涉及到与CAS厂商私有的CA内核 有关的内容,因此,CAS厂商可以保持其CASS的特 征和安全性,从而也易于被CAS厂商接受。 在我国提出的3种机卡分离方案中,本文提出 的基于SCAI接口的方案是成本最低、实现较简洁 的方案,因此特别适于需要大量廉价机顶盒的中国 数字电视整体平移工程,并与其他两种方案形成了 来,使得CA插件的其他模块可以不必理解这些细 节而完成与智能卡的数据交互。同时,通信模块也 将安全模块所提供的安全通道封装起来,使得CA 插件的其他模块不必知道安全通道所使用的具体 安全算法和加密密钥,这也同时增强了整个CA插 件的系统安全性。CA消息过滤和处理模块负责根 据智能卡给出的CA消息过滤条件过滤出智能卡所 需的数据,同时也负责处理智能卡所返回的结果。 例如:根据返回的控制字设置接收机的解扰器,根 据返回的新CA消息过滤条件更新CA消息过滤器 等。人机接口模块负责处理智能卡与用户之间的 交互,如接收用户的遥控器输入、显示智能卡对用 户的提示等。因为CA消息处理的结果与当前节目 的授权状态提示息息相关,所以人机接口模块与CA 消息过滤和处理模块的联系比较紧密。控制模块 负责从接收机应用程序接收数据和指令,并负责将 CA插件作为一个整体进行工作状态和流程控制。 4结语 本文提出了一种使用廉价的8位智能卡实现数 字电视接收机机卡分离的技术方案。该方案通过 将数字电视接收机和条件接收安全模块(CAM)之 间的接口标准化为SCAI接口,从而使得接收机只 需嵌入一个公共的CA插件就可以成为一个独立于 特定CAS的通用接收平台。由于SCAI接口并不规 定智能卡如何实现与CA插件耦合的功能部分的实 较好的性能与价格互补。目前,基于SCAI接口的 数字电视接收机机卡分离方案项目组已经完成了 包括技术规范制订、测试规范制订、样机研制的大 部分工作。经过实验室测试和实际有线广播网络 的在线测试,基于SCAI接口的机卡分离方案证明 是可行有效的。 参考文献 1 ISO/IEC 13818--2000.Information technology--Generic coding of moving pictures and associated audio information 2 ISO/IEC 1 ̄96--2001.Ifnormation technology--Coding of audio—— visual objects 3 Reimers U.Digital video broadcasting(DVB))the international standard for diigtal television.Ber21in:Springer,2001 4 Whitaker J C.DTV handbook:The revolution in digital video.3rd ed.NewYork:Mc Graw Hil1.2001 5 Asami H.Sasaki M.Outline of ISDB systems.Proceedings of the IEEE,2006,94(1):248—250 6 EN 5o221—1997.Common interface speciifcation for conditional CCeSS and other diigtal video broadcasting decoder applications 7 Xie Q.Zheng S B.Yu X J.A sman——card——based condiitonal access subsystem separation scheme for digital TV broadcasting.IEEE Trans on Consumer Elec,2005,51(3):925—932 8 ISO/IEC 7816/3--1997.Information technology-ldentfication cards--lntegrated circuit(S)cards with contacts Part3:Elcetronic sig— nals and transmission protocols 9 ISO/IEC 8825/1--2002.Information technology ASN.1 encoding rules:Speciifcation ofBasic Encoding Rules(BER),Canonical Enco— ding Rules(CER)and Disitnguished Encoding Rules(DER)S 维普资讯 http://www.cqvip.com 15期 谢完成:基于DVB.C的数字电视条件接收系统的设计与实现 3727 Design and realization for Digital Television Receiver Conditional Access System Based on DVB-C XIE Wan—cheng (Loudi Vocational and Technical College,Loudi 417000,P.R.China) [Abstract] According to the national conditional access sub system separation(CASS)industrila policy for digit— la television(TV)broadcasting,this paper proposes a smartcard conditional access interface based CASS technique scheme for the diigtal TV receiver(including the set—top—box and the integrated receiver).The proposed ̄heme has no additional requirement of any hardware configuration modiifcation orf the most current commercillay available diigtal TV receivers in order to make them be common receiving platform independent of any speciifc CAS used by n the broadcasting head—end.The only prerequisite is an inclusion of common condiitonal access software plug—i。(CCAP)compliant with the SCAI speciifcation in the diigtla TV receiver and the corresponding conditional access smartcard.Compared to the schemes using PCMCIA—card or USB2.0一card,the proposed one is cost—effective and more succinct.This scheme is also one of the candidate national standards for Chinese diigtla TV broadcasting in— dustry. [Key words]diigtla television broadcstaing sub--system separation 舢舢舢舢 舢 舢舢舢舢舢舢舢舢舢舢 舢 舢diigtla television receiver 舢舢 舢 smartcard conditional access 舢舢 舢 (上接第3721页) 3赵阳生,黄晁,刘明业。应用于AVS视频解码器的VLD设计. 2005;9 参考文献 微机发展,l Avs专家组.cB/T2oo90.2—2006,信息技术,先进音视频编码, 第二部分视频。20o6 2 ISO/IEC 13818—’2.Video.视频.描述视频编码方法. 4侯金亭,董胜富,呼大明等・并行AVs实时编解码器设计与实 现,电视技术,2006;5 Method to Realize the Part of Intra Prediction of AVS WANG Zhen—peng,LI Xia,HUANG Xuan,ZHOU Li (Institute of Micreclectrbnic,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,P.R.China) [Abstract]The intra—frame prediction part of AVS video decoder Was mainly studied nd ahte method to realize this part Was iven.In gthe experiment this part Was described in Verilog HDL,simulated and synthesized in the en— vironment provided by synopsys.After comparing the simulation results wih tthe data generated by C program pro— vided by AVS organization,the results of experiment show he tscheme is availblae and the speed of hits part reaches the real time decoding requirement of stndaard definition. [Key words] AVS intra—lfame prediction parallel pocress decode simulation synthesis