（通信与信息系统专业论文）数字电视广播条件接收系统的原理和实现.pdf

浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 摘要 i 随着信息技术的飞速发展，广播电视的数字化已经提上议事日程。数字化 给了电视前所未有的灵活性和扩展性。新的数字电视广播平台可以开展更多更 诱人的服务，比如高清晰度电视、交互电视、i n t e m e t 介入等。然而如果没有另 外一项重要的技术一有条件接收系统技术的保障，新的业务不会变成现实，因 为电视运营商不愿意做没有回报的投资。 电视广播的条件接收系统就是这样一种技术，它保证只有被授权的用户才 可以接收广播服务。数字电视的条件接收总的思路是在前端对节目流进行数字 加扰，同时把加扰控制字加密后广播出去，条件接收系统采用一定的策略使得 只有授权用户可以解密控制字，然后用控制字解扰收看节目。数字电视标准组 织d v b 并没有对条件接收制定标准，因此开发安全高效的条件接收系统成为 数字电视领域最重要最有挑战的工作。y ， 国内电视广播的数字化已经启动，研究数字电视条件接收系统显得特别有 意义。本文就这个课题展开论述并提出一种先进的多层加密解决方案。具体内 容安排如下： 第一章论述了的条件接收系统的原理和作用、历史和现状，包括数字条件 接收系统和模拟条件接收系统。 第二章在d v b 规范下论述了数字电视条件接收系统的结构和原理、加密 算法、d v b 同密规范和通用接口规范。论述了条件接收系统的安全性。 第三章介绍了一种多层加密条件接收系统的详细设计方案，包括加解扰系 统、加解密系统。 第四章介绍了与条件接收系统密切相关的管理系统。 【关键字】条祥接收亩孑，b 塑堡奎堂竺主望些丝苎二二墼主皇塑塑塑叁堡垄些墨竺 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t a lt e l e v i s i o ns e r v i c e s n o w b e g i n t ob e r e a l i z e d d i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s tp l a t f o r mg i v e st h ep o s s i b i l i t yo f m u c hm o r ea t t r a c t i v es e r v i c e s ，s u c ha s h d t v , i n t e r a c t i v et e l e v i s i o na n di n t e r n e ra c c e s s b u tt h i sw i l ln o tb e c o m e r e a l i t yw i t h o u tt h es u r p o r to fa n o t h e rt e c h n o l o g y - c o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e m c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e mg u a r a n t e et h a to n l y t h o s ee n t i t l e dc o s t o m e rc a n a c c e s ss e r v i c e s c a ss c r a m b l e ss e r v i c es t r e a m sw i t hc o n t r o lw o r da th e a d e n da n d b r o a d c a s tt h ee n c r y p t e dc o n t r o lw o r d t o g e t h e rw i t hs e r v i c e ss t r e a m s i ti sc a s s r e s p o n s i b i l i t yt om a k e s u r eo n l ye n t i t l e dt e r m i n a lc a n d e c r y p tt h ec o n t r o lw o r da n d d e s c r a m b l es e r v i c es t r e a m s t h i s p a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fc o n d i t i o n a la c c e s s s y s t e n c h a p t e r 1 g i v e s a b r i e f d e s c r i p t i o no f d i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s ea n dc o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e m c h a p t e r 2d e s c r i b e sa l la s p e c t so f c o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e ni nd v ba r c h i t e c t u r e i n c l u d i n gs t r u c t ，p r i n c i p i u m ，e n c r y p ta r i t h m e t i c ，d v bs i m u l c r y p ta n dc o m m o n i n t e r f a c e t h e nd i s c u s s e st h es e c u r i t ya n d p r o t e c t i o no f c a s c h a p t e r3d e s c r i b e sd e t a i l e d l ya na d v a n c e ds o l u t i o no f c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ， i n c l u d i n g t h ed e t m l so f s c r a m b l e d e s c r a m b l ea n d e n c r y p t d e c r y p t c a s c h a p t e r 4d e s c r i b e st h e i m p l e m e n to f m a n a g es y s t e mw h i c h i sc l o s e l yr e l a t e dt o k e y w o r d s c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ，d v b 5 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 1 1 数字电视 1 1 1 数字电视的概念 第一章：绪论 数字电视，是一种全新的广播方式和电视未来的发掌趋势。它是一种需要新的思路和 新的商业经营模式的媒体。数字电视是模拟电视的继承者，今后所有的广播方式都要采取 这种方式。 在全球范围内，电缆、卫星和无线经营者都要转向数字领域。在美国的四家主要网络 - - a b c , n b c ，c b s 和f o x 都已经从1 9 9 9 年1 1 月开始数字广播。到2 0 0 6 年，美国的联邦通 讯委员会( f c c ) 要求不再发送模拟电视信号。在欧洲，法国、爱尔兰、西班牙、德国、 荷兰和英国的广播界以在1 9 9 9 年启动数字化技术。在中国，深圳已经启动了数字电视的无 线，“播。许多业界的分析家预测数字电视的传输将会是改变全球数千万家庭生活方式的革 命而不仅仅只是次进化。 对丁消费者，数字时代将通过电影质量的图片、c d 音质的声音、成千上万的频道、可 以改变的镜头角度和令人激动的新娱乐服务来提高他们的观赏经历。只有在很小的范同内 选择频道的时代一去不复返。电视将会变得更有趣、更有用，同时更简单、更友善。 新的数字化技术将允许电缆、卫星提供者和无线广播公司提供各种强大的盈利性服务， 包括： 快速的访问互联网 多用户的网络游戏 视频点播 视频和音频流 家庭银行服务 电子商务应用 p c 软件升级 播送大量的多媒体内容 电子报纸 1 1 2 数字电视的优点 数字电视拥有许多实在的优点。它们当中最重要的列举如下： 信道扩展一一数字电视可以将6 个或8 个频道压缩到一个模拟频道，使得大量的 多媒体内容的传递成为可能。 点播业务一一数字压缩提供了带宽经济，它使得点播业务成为可能。 质量一一尽管在数字压缩过程中存在固有的质量损失，但在数字化传输消除了由 于噪声和失真带来的质量损失。 安全一一数字的加扰和加密为有条件接收提供了一种十分安全且无质量损失的手 段。 灵活性一一数字压缩格式可以连续变化以适应节目素材，这意味着可以支持多个 6 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 视频和音频流。 数据传输一一数字传输系统对其所传输的有效载荷的性质是不知道的，有效载荷 可以是视频、音频和数据的组合、它可以传输任何性质的数据，这些数据可以用 于增强程序、下载程序、万维网播送和其他方面。 1 1 3 数字视频广播标准d v b d v b 方案是在1 9 9 1 年构思的，并且在1 9 9 3 年正式开始，有大约8 0 名成员。今天， d v b 方案取得了巨大的进步并且在全世界3 0 多个国家拥有超过2 3 0 个组织。其成员包括 电子制造商、网络提供者、广播公司、软件公司和各种团体。 d v b 在近几年制定的国际标准和解决方案可以分成f 面几类 准。 d v b s ：使用卫星传输数字电视的国际标准。 d v b - - c ：使用电缆传输数字电视的国际标准。 d v b - - t ：使用基于地面的无线传输数字电视的国际标准。 d v b - - m s c ：使用微波多点发送系统传输数字电视的国际标准。 d v b s i ：定义适应数字电视信号的数据结构的国际标准。 d v b - - c a ：定义数字电视安全性标准的国际标准。 d v b - - c i ：定义定义数字电视安全系统公共接口的国际标准。 d v b i ：配置交互式电视的国际标准。 d v b - - d a t a ：允许经营者向用户发送软件下载和告诉数据服务的国际标 1 1 3 数字电视系统构造原理 电视经营者通过各种不同的资源获得内容，包括本地节目、有线电视和卫星电视、内容需 要通过数字广播系统来广播。下面的图i 描述了数字广播系统的构造原理。 7 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 hf 谍彳i 襄1 t - 掩收限 ； 宇：也征瓣端系坑 在数字电视系统中，下面的一些关键组件。 压缩和编码 数字电视广播系统的中枢是压缩系统，它的任务是使用少量的网络带宽来向用户传输 高质量的视频和音频。任何压缩系统的主要目的都是使信息的存储容量最小化。这样可以 把多个数字节目压缩进个数字流。 个压缩系统包括编码器和复用器。编码器是用来对视频、音频和数据进行数字化、 压缩和编码的设备、数字编码器允许电视经营者在以前一路模拟带宽内广播几路高质量的 数字节目。 流。 调制 复用器，【 = i 来将从不同编码器来的输出和安全性和节目信息以及数据合并成一个数字 数字信号通过复用器的处理以后，就可以进行调制。对不同的环境由不同的调制方式。 q a m 是一种高效率的调制方式，可以达到4 0 m s 的传输速率。q a m 是电缆公司的首 选方式。 q p s k 对电磁噪声比q a m 由更强的抵抗力，并且通常用于卫星环境和有线电视系统 的回传信道。q p s k 可以提高网络的健壮性，但是只能达到1 0 m s 的传输速率。 c o f d m 在建筑物密集的区域非常有用，在这里数字传输经常被诸如楼房、桥梁和丘 陵等障碍所阻挡。c o f d m 使用多种信号载波从网络的一个节点向另个节点传输信息。 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 c o f d m 可以同时使用2 0 0 0 或8 0 0 0 个载波。欧洲基于地面的和m m d s 经营者主要采用这 种调制方式。 条件访问系统 广播电视经营者在许多层次上与观众进行交互，提供给他们更多的选择。此外，使用 安全性系统或条件访问系统( c a s ) 为他们提供了对观看内容和时间前所未有的控制。 c a 系统的主要目的是控制用户的付费电视的访问和保证经营者的收入。只有与网络 经营者有约定的用户才可以访问特殊的服务。通过c a 系统，网络经营者能够直接把规划、 广告莉1 增加用户作为目标。因此c a 系统是数字电视商业的重要方面。 网络传输技术 许多不同的技术用来传输数字电视。在全世界各国用来传输数字电视的不同发送系统 是每个市场的独特特征的反映，包括拓扑结构、人口密度、现有基础结构和社会文化因素。 光纤同轴混合网( h f c ) 多通道多点发送系统( m m d s ) 本地多点发送系统( l m d s ) 地面无线广播( d t t ) 直接卫星广播( d b s ) 网络管理 广播中心由许多复杂的部分组成、因为这些部分处理越来越多的服务，网络的问题必 须被迅速地发现和解决。为了监视发送给用户的服务，必须在广播中心安装网络监视和控 制系统。这种系统的主要目的是使数字电视用户服务的中断最少。典型前端控制系统的特 征包括： 监视设备的有效性 收集统计表 对支持人员发出警报 远程诊断 1 2 条件接收系统 上1 y 数字电视构造原理中可以看到条件接收系统是为了限制未授权崩户对特定服务的 访问。f 面介绍实现这个目的的方法。 对特定服务的限定通过密码技术来实现的。它通过将信号转换成一种不可读的格式来 保护数字服务。转换过程在数字环境下叫做加密，在模拟领域叫做编码。加密的信号可以 9 浙江人学顿i 毕业论文数字电视广播的条件接收系统 州机顶盒来进行解密，解密是一个把消息变回初始格式的过程，并且通过解密密钥来进行。 密钥是一种包含随机位串的保密数值。把密钥和加解密过程联系起来的数学公式称为算法。 机顶盒接收了接收和解密信号所需的硬件和软件系统。这些组件包括解密芯片。安全 处理器和一些适当的硬件驱动程序。解密芯片负责c a 的算法部分。安全处理器一般分配 给智能卡。这种处理器包含有解密和各种不同服务所需的密钥。 用户只有取得相关的授权才可以解码和访问数字信号。授权可以通过插入机顶盒的智 能卡的形式来实现。此外，在每付电视里，授权可以通过在广播流中的授权管理信息( e m m l 和授权控制信息( e c m ) 来发送。e m m 携带了授权和用户的详细资料。需要通过网络发送 e m m 信息的数目和网络中的机顶盒数目成正比。除了向特定用户发送e m m 外，经营者还 可以向在不同地理区域中的组广播e m m 。e c m 携带节目和服务的详细资料，包括智能卡 州来解密相关节目的控制字( c w ) 。如果用户没有被授权观看此。仃目，确认节目没有被授 权进行解密的信号被发送给智能g - 。智能 检查访问权限并且解码所需的数字服务。为了 增加数字网络的安全性，e c m 的值可能每1 0 秒变化一次。 除了加密数字服务，c a 还与一下分系统相连接。 用户管理系统( s u b s c r i b e rm a n a g e m e n ts y s t e m ) 为了开发数字广播的商业潜力，电视经营者需要将他们的技术系统与用户管理系统 ( s m s ) 相联系。s m s 提供了正确管理数字电视业务模型所需的支持。它处理用户数据库 并向用户授权系统( s a s ) - - c a 系统的技术管理系统，发送请求。s m s 软件应用系统的 典型功能包括： 机项盒设备和智能卡的目录管理 用户跟踪 服务的销售 与银行和信用卡公司联系 故障处理 多语言和多货币能力 帐单准备和格式化 电子帐单的递送 记帐和审核工具 任何s m s 系统的主要目的是保证用户真正看到他们花钱所购买的东两。 用户授权系统( s u b s c r i b e ra u t h o r i z a t i o ns y s t e m ) s a s 的主要任务是将从s m s 来的请求转化成e m m 。这些授权信息通过复用器与 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 甘目流合成一个数字流，它们以规定的间隔发送给用户来更新智能卡上的订阅信息。 在每视付费( p p v ) 应用中，s a s 向智能卡发送特定数量的电子记号来让用户购买不 同的p p v 节目。s a s 包括能够存贮如下条目信息的数据苦： 付费电视产品的信息 支持电视t v 向导的数据 智能卡的识别号 用户情况 进度数据 此外，可以通过定期改变广播给用户的授权密钥来提高s a s 的安全性。一些知名 的c a 系统包括： p h i l i p s 的c r y p t o w o r k s 法国电信的v i a e c e s s n a g r a v i s i o n 的n a g r a c a n a l + t e c h n o l o g i e s 的m e d i a c u a r d n d s 的v i d e o g u a r d 通用仪器的d i g i c i p h e r m i n d p o r t 的i r e d e t o 1 3 条件接收系统的历史沿革 有条件接收经历了模拟和数字两代的发展，模拟第一代的特征是以设备为基础，一般 用于模拟系统。多年前，为了实现有线电视的有效收费，在前端将模拟信号进行加扰，使 普通电视机无法收看，只有安装了解扰器的用户才能正常收看。这样的系统可以通过前端 的寻址来控制单个用户的解扰器开关。系统可实现全频段加扰和频道加扰，实现的方法通 常是采刚视频倒相、水平同步重叠、垂直同步重叠、数字随机视频行抖动等技术，他们通 常会对信号产生损耗。 第二代是随着数字电视的出现而产生的，基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法， 用户端利用i c 卡解密。由于采用的是数字技术，对信号没有损耗，系统的保密性、可靠性 均大大提高。对传输流的加扰，d v b 已有标准：对控制字的加密算法一般采用r s a 以及 3 d e s 算法；对加密体制，不同厂家的系统差别很大，其技术大体有两种：一种是以爱迪德 系统为代表的密码循环体制，另种是以n d s 系统为代表的利用专有算法来进行保护，由 丁牵涉到系统安全性，厂家一般不会公开。 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 衡鼍有条件接收系统好坏的重要指标包括：安全性、规模、功能完整性、使用性能等。 系统安全性保证系统不被黑客攻破，如果攻破，系统能尽快恢复。一个系统能管理的用户 数量体现了一个系统的能力。通常，系统管理的用户数量越多，对系统运行速度和服务质 量越会产生影响。 在第一代有条件接收系统中，由于系统的密钥体系依赖于设备及解扰器，比较容易被 破解和复制。在第二代，由于加密系统、密钥体系与设备是分开的，它依靠i c 卡的安全性 米保障系统的安全，闪此破解难度大。 1 4 我国电视广播条件接收系统的现状 1 4 1 广播电视的现状 在国际上广播电视是数字传输和模拟传输两者并存，并存期为6 1 0 年不等。现在， 我国是天上以数字传输为主，地面则以模拟传输为主。国家广电总局张海涛副总局长在 b i r t v 2 0 0 0 研讨会的报告中指出：“广播影视力争到2 0 1 0 年基本实现制作、播出数字化；节 目传输、交换网络化”，也就是说两者并存期至少要1 0 年以上。“十五”计划这个目标是符 合我国国情的，冈为： ( 1 ) 由模拟传输转为数字传输的升级费用十分庞大， ( 2 ) 数字化传输之后的市场前景却不是很透明，这一点通过此次i c t c 研讨会上国内外 的报告可以明显地感觉到。 有条件接收系统( c a s ) 也有模拟技术和数字技术两种，这两种技术的并存期也不会 少于1 0 年。 1 4 2 我国的条件接收系统( c a s ) 现状 国内c a s 的启动已有7 8 年时间，c a t v 用户虽己达8 0 0 0 万户以上，但c a s 市场 的开拓极不理想。造成这种局面的因素很多，但主要原因是增值服务的切入点不能满足用 户的需要。而国外c a s 的使用已有2 0 多年历史，发展的势头一直很好，到目前为止模拟 c a s 还有相当数量用户在使用，这个事实应该引起关注。我们庶清醒地认识到，在我国c a t v 网中模拟c a 技术还有着广阔的发展天地，具有很强的生命力。c a t v 经营者在瞄准和跟踪 数字化热点的同时，千万不要忽视现有模拟传输网络的增值潜力，要看到专业性服务的增 值效益就在你的脚f 。 国际上条件接收系统的运行已有2 0 多年历史，取得了巨大的商业成功。随着1 9 9 4 年 m p e g 2 数字压缩国际标准和1 9 9 7 年d v b 条件接收标准的推出和广泛采用，市场要求模 拟加解扰系统转向全数字条件接收系统，即节目经过数字压缩后再经过数字加密处理，而 不是直接对模拟信号加扰或者对模拟信号简单数字化后加扰，因而在频谱利用效率、节目 还原质晕、系统安全性方面具有模拟所无法比拟的优势。 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 目前，数字电视节目、i p 广播节目、准视频点播节目已经在一些发达国家蓬勃发展起 来。特别是i p 厂播，它将计算机技术、i n t e m e t 技术及视音频技术有机的结合起来，扩展 了增值服务，受到了节目提供商、网络运营商、网站及电视台的青睐，同样也受到了广电 用户的喜爱。在很多发达国家里，全数字c a 系统已经开始使用，有偿的信息收视服务已 经开通。 在我国，广播电视作为大众化的宣传媒体，已经深入人们的日常生活，收费电视己经 开始被人们接受。但是由于政策的约束及节目的单一化，限制了收费电视的发展，因此节 目的多样化，及i p 增值服务的开展将会为有线电视开辟一个新的天地。通过在传统的r 播 电视体系中加入多媒体业务和c a 系统，将促进电视网、电视台运营，电视和信息节目制 作的良性互动，从而大幅度提高这些产业的规模，并促进面向家庭的网络教育和电子商务 等信息服务产业的形成和壮大。 1 4 3 模拟条件接收技术 目前有线电视收费问题的解决方案主要可分为以下2 种 1 可寻址分支分配系统 这类系统采用可寻址分支分配器对电视信号进行通断控制对电视信号不作任何变换没 有信号失真的问题而且电路简单成本低廉适合于小规模的有线电视台可寻址分支分配系统 主要由收费控制中心和可寻址分支分配器两部分组成收费控制中心完成对用户信息和付费 信息的输入和管理将这些信息经过加密处理后形成寻址信息寻址信息中包括密钥可寻址分 支分配器地址码和用户状态码其中状态码为有线电视信号的开关状态信息调制器将寻址信 息调制到一定的频率由混合器添加到有线电视信号中经有线电视网进入可寻址分支分配器 可寻址分支分配器对己调制的寻址信息进行处理从而控制每个用户端信号的开关 可寻址分支分配系统成本较低系统简单只需在有线电视台前端增加用户管理系统在用 户端增加寻址信号分配矩阵因为可寻址分支分配系统只需在有线电视信号中增加用户编码 并不对有线电视信号进行处理所以不会造成信号的失真这也是这类系统的一大优点但是也 因此使这类系统在安全性和可靠性方面存在很大的缺陷由于对电视信号没有任何加密措施 用户可以绕过分支分配器直接获取电视信号进行窃视另外为了降低每个用户的平均成本必 须将原有并接模式网络改造成集中分配式网络系统改造的费用也要由各个用户分担这样实 际上每户的成本将达到2 0 0 元左右由于有线电视收费系统最重要的性能指标是要安全可靠 所以尽管这类系统成本较低仍然很难进入实用只能应用在小规模的有线电视台 2 模拟加解扰收费管理系统 这类系统的设计思路是有线电视台对电视信号进t t , b n 扰没有解扰器或者有解扰器而未 被授权的用户只能看到加扰后无可视效果的杂乱图像只有按规定交费的用户由有线台对其 解扰器授权对电视信号进行解扰后才能看到清晰的图像采_ h 这类系统对现有的有线电视网 络不_ l i 】改造只需在前端增加加扰设备在用户终端增加解扰设备由于对电视信号进行了加密 这类系统具有较高的安全性同时通过对全频道电视信号统一进行加解扰降低了系统的成本 冈此具有较高的性价比适合我国现阶段的国情有很好的发展前景当然这种方案也并非十全 十美采川这种方案要求每个用户都必须安装专用的解扰设备需要投入一定的资金此外由丁 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 这类系统对电视信号进行了多次变换必然造成信号不同程度的失真而且成本稍高 模拟图像的加密主要有两类：一类是在发端直接改变图像信号或已调图像信号的某一 波形，寻址和控制信息采用数字信号同时传送，在收端解密后重新恢复图像信号。这类方 法必然会对图像质量产生一定影响。另一类是在发端先使用a d 将模拟图像信号转换为数 字电视信号，然后对数字信号加扰，同时所有控制信息、授权信息一并传送，在接收端， 解扰装置根据授权情况解扰并由d a 将数字信号转换为模拟电视信号输出，这类方法由加 解密造成的图像损失要小得多，保密性强，目前模拟电视的加密主要使用这类方法。 加扰方式 总的来说模拟视频加扰有三种方式：行扭曲、行扰乱和同步反转彳亍反转。 行扭曲对传输路径回波敏感，非常不适于电缆或地面传输。 行扰乱需要解码器中有昂贵的内存，并且优质的编密器需要昂贵的去阶梯过滤器。只 有机顶盒中有存储至少半场的足够内存时才能传送。 同步反转视频反转使机顶盒增加的费用最少。对传送路径中能量放大器的线性错误敏 感，并需要调制器在黑电平而非同步接点箝位。在与同步数字加密声频混合时，同步反转 视频反转是成本效益最佳的视频加扰技术。 共有三种模拟声频加扰方式：频谱反转，频谱转移和同步数字加密。频谱反转和转移 不值得采用。同步加密声频传送，提供立体声和双语声频，并使声音载波能载“b a r k e r ” 信息和节目。 1 4 4 数字条件接收技术 数字加密技术有两种完全不同的方法：机密密钥方法和公开密钥方法。前者具有完全 的可逆性和对称性，在保密性方面具有很强优势，但在通用性方面就差一些。后者是一种 仆对称系统，加密和解密的算法是不同的，需要用一种密钥加密而用另一种不同的密钥来 解密。虽然公开法的密钥可以公开，但人们无法通过它去发现解密密钥。公开密钥系统有 两个重要的好处：一是只要记住自己的解密密钥就可解密，这样可以极大简化密钥的分配 和管理：二是具有实现“电子签名”的能力，这在诸如家庭银行购物系统和电子邮件等应 用领域是一个特别重要的特征。尽管公开密钥加密技术具有很明显的技术优势，但机密密 钥系统却一直享有更为广泛的应用，这是因为公开密钥算法要求有大得多的计算资源才能 赶得上机密密钥系统的加解密速度，而这会导致成本增高，所以付费电视加解扰系统目前 大都采用机密密钥技术。公开密钥技术虽然还处于发展阶段，但它是一种很有前途的密码 体制。数字电视的加解密在理论上不会对信号造成损失，且保密性非常强。 1 4 5 全数字传输c a s 的现状和前景 我们既要着眼现在更要预见将来，c a t v 网络是未来社会发展中最重要的网络资源。 处丁t h ：纪之交的c a t v 网未来面对的是数字化、网络化、综合信息交互化的机遇和挑战；正 处丁从模拟转向数字、单向广播朝双向互动式转变；基本业务向扩展、增值服务的拓展。 4 浙江大学硕士毕业论文数字屯视广播的条件接收系统 数字化是调整传输信息的工具，网络化是达到信息资源全民共享，信息化就是开展增值扩 展服务。其中c a 则是达到这个目标的技术基础，也是我国广播电视业向高层次发展的一 条必经之路。 如果说在模拟传输时代还可以靠基本收视费、广告拉动来支撑c a t v 的运营，在数字 传输时代则只有靠c a 技术来奠定经济基础。 全数字传输系统c a s 有以。卜几个特征 ( 1 ) c a 技术是一种高科技技术，它不像彩电、录像机、d v d 那样有规范的技术标准可 循。因此无论对开发商或运营商都具有投资风险技术风险、财务风险、市场风险。 ( 2 ) c a s 运行的网络是公开网络，基本上是点对面的非对称传输，所以是最不安全的 网络。 ( 3 ) 信息是连续不断传输的，因此人们可以长期、公开、合法地对它进行分析研究。 ( 4 ) 广电系统中的c a s 不是针对信息内容本身，而是对增值服务的入场授权。这和保 密通信、电子商务中的c a 有很大差别。它要求密码的密级虽然不高，但对其防破密的安 全可靠性的要求却很高( 由系统公开性决定) 。 ( 5 ) c a s 是由两个相互独立部分组成：即加解扰和接收控制，其中每一部分均是一个特 殊的信息处理过程。c a s 不是一个独立系统，是附加在信息传输系统中的，既是点对面( 信 息) ，义是点对点的( 可寻址方式的接收控制数据) 。在全数字传输系统中c a 和m p e g 2 码 流的结合复用，特别是在i r d 和s t b 中的分接要经过市场运行的考验。 ( 6 ) 结合c a s 的运作还要有一套网络用户管理系统和其紧密组合，其用户至少应有近 万户甚至几百万户。因为即使加密算法很先进，密码管理再好，如果没有一套经过市场运 行、成熟、经受考验的网管系统，c a s 也是运行不好的。 ( 7 ) 最重要的一点就是c a s 本质上具有垄断排他性，这在模拟传输系统中是无法解决 的。这也是c a t v 运营商的最大风险。 因此，发展规划我国全数字c a s 的关键问题就是要排除垄断排他性，能引进有序的竞 争机制。有序不是去控制竞争，这会造成不公平竞争，有序就是要求政府部门只制定法规 和依法进行管理，而不参与和干涉竞争。 目前我国只有广播电视村村通卫星传输系统和远程教育卫星传输系统两个传输平台， 采_ | = 4 了m p e g 2 d v b s 全数字传输标准，两家都要采用c a s 。例如，村村通采用了爱迪 德的c a s 。去年1 0 月，国务院下发了第2 7 3 号令“商用密码管理条例”，对密码产品加强 了管理，要引导向具有我国自主知识产权的c a s 发展。 到目前为止，国内厂商开发的全数字c a 产品即便是在加密算法方面比较先进( 这一点 笔者还无根据来苟同) ，但还没有在一定规模的c a t v 网络环境中成熟运行的记录。试想， 谁肯把一个处于实验室阶段的c a 系统，冒险在正常运行的较大规模网络传输平台上进行 试验呢? 朝歌公司有鉴于此，他们从社区、酒店入手，在模拟c a 成熟的基础上开发出数 字产品，以逐步取得在实际市场运作方面的经验和成熟性，现己取得一定的成果。值得庆 浙江火学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 幸的是在模拟电视传送体制中所采用的用户管理系统( 包括计费) ，在全数字传送系统中不 会全部废弃，而只需要再集成提高，一切有关的操作和管理经验以及市场运作的成熟性都 可以继承发展使之更加完善。这是从生产商角度来看的策略，那么从c a q w 经营商角度应 当如何来思考呢? 首先要正确客观评估国外的舆论导向，他们强调的是技术先进性、成熟性、覆盖性， 都想独家吃个大蛋糕。在国内这种全国“统”( 和“统一”有本质区别) 的想法也很强烈， 笔者认为这种概念也是不妥当的，它会抑制竞争、导致垄断，而且不利于民族工业发展， 更不利于技术创新。再说中国地大人多，没有必要清一色，多姿多彩更好。但从网络化要 求来看，不能没有一个统一的标准。因此，要求既能保障网络经营者的选择权f 容易以低代 价来更换c a s ) ，又能容许生产厂商进行公平竞争，还能促进我国民族工业的发展，这个矛 盾如何解决? d v b 的同密多密c a 模式为我们提供了这方面的解决思路。中国教育电视台在今年远 程教育卫星系统招标项目中就首先提出了采用d v b 同密c a s 系统。 d v b 同密c a s 的核心是采用一个通用加扰算法( c o m m o m s c r a m b l i n ga l g o r i t h m ， c s a ) ，不同的c a s 厂商可以对各自的密钥数据采用各自的加密算法，但都要遵循通用加 扰算法来加扰信息，这就为在一个传输系统中运行三个或以上的c a s 提供了条件，也给国 内民族工业提供了一个加快成熟的阶梯。 使用d v b 的c s a 要向d v b 组织提出申请，还要付钱。我国有线电视台大小有好几 千庸，都去向d v b 组织申请c s a 的使用权，要花国家多少钱? 因此这是不可行的。c s a 的核心是数学，这恰好是我国科技界的强项，我国从事密码算法研究的院十有好儿位，专 业教授也不少。国际上著名的加密算法都是由数学家牵头研发出来的，但是在我国相关领 域之间却没有任何沟通和往来。因此，当前的关键是要接通学术界、产业界、政府和使_ u ：j 部门之间的纽带。笔者建议有关部门信息产业部、广电总局、教育部、公安部、保密 局和国家商用密码管理委员会等部门联合起来，第一步先研制开发有我国自主知识产权的 通用加扰算法的加扰器，并以此作为我国数字c a 技术的通用标准，从而积极带动数字电 视时代的启动，这样还不失时机。等到既成事实积重难返时就晚了，至少会损失惨重。欧 盟是跨国组织，他们能做到将竞争对手( v u 家厂商) 团结在一起研发出c s a ，我国难道不能 将全方位的力量团结起来? 那种各自为政、老死不相往来的局面千万不能继续下去了。我 们有责任把信息安全控制的钥匙掌握在我国自己的手里。 1 5 有条件接收系统的应用 广播电视的数字化使网络运营商能充分利用电缆网络，在提供电视基本业务的同时， 开展多种增值服务，在为家庭和商务用户开展宽带服务的行业中，占有无可争议的领导地 僦，而这些必须依靠一个强大的有条件接收系统。 1 5 1 有条件接收系统是实现收费的基础 在世界范用内，付费电视业务己被认为是电视发展的动力和结构变化的方向。有条件 6 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 接收系统的基本功能是使有授权的用户能正常接收被加扰的节目，通过授权信息和客户服 务数据库的相关信息实现计费。无论实现何种服务，对于信息提供商、运营商等参与者来 说，没有收益则无法保证用户服务的周到和进步，无法保障系统的正常运营。井然有序的 管理是实现各种服务的核心。数字电视及增值业务是以有条件接收系统为核心，结台相应 设备与应用运行平台，向用户提供服务。 1 5 2 有条件接收系统是实现个性化服务的系统 进入数字化时代的今天，人们对有线电视提出了更高的要求。尤其是i n t e m e t 的异军 突起，靠“按需服务”和交互功能极大地改变了人们的生活方式，我们不仅期望通过有线 电视收看数字高清晰度电视，而且想要具有交互能力和i n t e m e t 相结合的服务，也就是说， 有线电视迎来的不仅仅是“数字电视”时代，同时即将面临“数据电视”时代利刚r 播电视平台提供全面数据业务。另方面，有线电视的迅速发展以及电视用户消费倾向的 转变，不仅推动了电视广播技术的进步，更重要的是导致了电视广播运营机制的变革。 由于i c 卡的使用，在用户端有了一个能受前端安全而完全控制的存储区域，通过卡可 以识别不同的用户；用户的个人信息可以通过加密通道传输，保证了在广播媒体上传输的 安全性。 1 5 3 有条件接收系统为实现电视直接购物提供良好的渠道 利用有条件接收系统可以开展电视购物。我们知道，有条件接收系统最大的特点是能 实现授权与收费。充分利用它的这特点，可实现基于有线电视网的电子商务。对于b 2 c 方式，此项技术可以将购物平台延伸到家庭。它具有操作简单、快速方便等优点，易被家 庭主妇等主要购物者采纳。在传统的电视购物之上增加立即订货、付费的功能，便能捕捉 到埘户的第一购买欲。 1 6 本章小结 尽管在我国数字电视还远没有普及，但显然数字电视是未来的发展方向。数字电视给 了电视广播前所未有的灵活性和增值潜力。但数字电视要真正的推广，没有条件接收系统 的保障是不可能成功的。条件接收系统给了电视经营者前所未有的控制力，从技术上保证 了投资者的投资回报。有了条件接收系统，经营者的精力就可以集中在发展用户和开展增 值业务上。 条什接收就是只有经过授权的用户才能收看特定的广播节目。条件接收系统就是为达 到以上目的采取的技术手段的总和。 本章介绍了数字电视系统的概念、系统组成。从数字电视的概念引出条件接收的概念。 作为广义的条件接收，介绍了条件接收的发展历史、模拟r 播条件下的条件接收技术、数 字j “捅条件接收技术以及条件接收技术的应用。 7 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 第二章：条件接收系统的总体设计 2 1 条件接收系统概念 数字视频和音频业务势不可挡的增长以及新的多媒体广播业务的发展，给内容的接入 控制带来了重大问题。主要由于经济上的原因，新的数字业务都要求用户获得接入权限， 在这种强大的商业趋势下t 需发展和实施具体、有力的技术，保证这类商业控制的可靠性 和安全性。整个技术环境包括：运营者管理中心、广播基础设施和大量的接收机。 当运营者希望对一个节目进行接入控制时，他必须通过使广播信号变为不可理解的东 两的办法来防i k 自由接入这个节目，没有适合的终端，不可能自由地观看节目。有专用终 端和从提供者获得了具体权限的用户才允许解码，观看他喜爱的电影和体育节目。 为此，必须在广播之前对节目进行加扰。加扰改变了视频和音频信号的内容，使得不 能对它们解码。此操作在前端进行，使用的加扰算法要求加扰中保持复用码流的的结构， 而将信号成分内的有用部分转换为一种不可预测的二进制数据流。 在接收终端实施解扰工作，将信号成分恢复为初始内容，并正确解码。此工作是通过 使州与加扰功能对等的解扰算法进行的。如果满足有条件接收的要求，则允许解扰。 加扰，解扰的原因是简单的，对成对算法的选择取决于下列几项强大的要求：这些算法 麻当足够有力，以防止基于直接信号分析或系统测试达到未授权解扰：加扰信号由终端看 来像是误码，误码程度应比终端的纠错能力高得多；加扰信号应是不透明的，即检测不到 加扰信号中原始图像或声音编码的固有冗余；加扰算法应支持随时的改变，以防止通过对 解扰方法的系统性搜索，从而在下个加扰器初始化后已找到解扰方法；加扰算法的复杂 性取决于所需的保护程度以及将信号破碎所需的计算能力。最后的一个准则明显地是技术 方面的，即运算应符合加扰信号的参考时钟( 例如4 0 m h z 左右) ；还应避免要求终端具备太 复杂的计算能力和过分的成本。 许多加扰算法适用于数字电视并遵守以上的要求。它们能产生非常复杂的加扰信号， 并能运行在速度高达5 0 m b s 的数字电视信号中。它们通过外部提供的称为“控制字”的 初始字来改变算法，此控制字可保持几秒钟的时间；它们还能集成在电路中以降低实现成 本。 m p e g ，2 标准中不推荐任何具体的加扰算法，只对传送流中运用的加扰方案规定了框 架。但是，世界范围内主要的数字电视规划已经规定或推荐了一些有效的算法：欧洲d v b 规划中规定了通用加扰( c o m m o ns c r a m b l i n g ，6 4 b 控制字) 技术规范，美国的一个规划中选 择了3 - d e s 算法( 1 6 8 b 控制字) ，也能实施d e s 算法，一些前端制造商建议使用有专利权的 方案。但很明显，为了增强前端终端的互操作性和降低机顶盒的成本，使用标准的或推荐 的算法是最好的方式。 通过使用这样的算法，运营者已经在电视节目接入控制方面实现了第一步。由于加扰 浙江大学硕士毕业论文数字电视广播的条件接收系统 机理，使视频和音频不能直接解码，其节目不能被自由接收。但是加扰过程带来了下面的 问题，且另一个问题也没有解决。第一，前端和终端应同时使用相同的控制字，以一致的 方式采用加扰和解扰算法；第二，终端应只在某些商业状态下才得到解扰控制字。这些问 题由另一功能层来解决，这就是有条件接收系统的任务。 2 1 1 条件接收系统的任务 由以上可见，对运营者来说，加扰不是目的，而只是进行商业控制的个步骤。最终 的目标是有条件接收系统提供的另外的功能：控制字提供、接入条件申明以及用户的权限 管理。 终端的解扰过程必须与前端的加扰同步。尤其是应将加扰算法中随机和周期性改变算 法的控制字传输到终端，它们附加在同一信号和几个复用结构中的节目内，并解析规则以 允许终端在准确时刻恢复和运用好控制字。很明显，这些控制字是不明显的，而是被加密 的，在有条件接收系统中，它们被携带在称为e c m ( 授权检验信息) 的信息中。 但是，接收控制字时，终端不直接用它起解扰作用，控制字供给取决于接入条件，也 就是运营者在商业上对节目接入进行控制的地方。根据运营者的政策，他可规定如何出售 节目：预约，按次付费，视频点播等。有条件接收系统建议，这种接入条件应附于节目上 并用附加参数来描述( 预约类型、p p v 费用、预览时间等) 。一般，它们像控制字那样被携 带丁e c m 信息中。 在终端，可将接入条件与用户已获得的权限进行对比，如果接入条件与用户权限相匹 配，或者用户购买了节目，那么就由控制字提供解扰功能，允许接入节目， 现在，我们已经认识了有条件接收系统支持的3 种新功能：安全地携带控制字，给节 目附加商业条件，验证用户已获得节目接入的权限。另一重要功能是商业运营者具有能遥 控管理每一个用户权限的能力，例如对用户更新其下一个月的预约授权，或者发给他们新 的p p v 信用卡。这些数据在称为e m m ( 授权管理信息) 的信息中传输给终端，由有条件接 收系统来提供。 如此，有条件接收系统支持所有这些功能。如果仔细地识别，可以发现它们并不是标 准化的，并且存在几种运行包。每一个有条件接收系统建议对作为控制字的敏感数据的安 全给出原始解决方法，并建议将不同的接入条件组合，用于建立改变算法的商业事务。今 天，一些主要的有条件接收系统共享着世界市场。 2 1 2 有条件接收系统特性 安全是有条件接收系统性能的核心。敏感数据必须在运营者和用户之间交换，在同传 通道中交换是可选的。此安全性包括