有线数字电视条件接收系统应用研究硕士论文

1、有线数字电视条件接收系统应用研究葛样（太原有线电视网络有限公司，太原市漪汾街2号 030024）摘要：摘要内容（小5号宋体）关键词：ca、条件接收、数字电视1 引言1.1 课题研究背景及意义中国有线电视网络作为国家重要的信息化基础设施和信息传输媒质，经过20多年的建设和发展，已成为世界上用户规模最大的有线电视网络。目前全国拥有1.26亿有线广播电视用户、农村用户约为4600多万户，近 3300个有线电视前端；国家级光缆线路4万公里，省级及地市光缆线路超过10万公里，地市、县分配网近300万公里；百余家电视台开始播出有线数字电视， 2008年有线数字电视用户总量达到4000万户，多个省市完成了数

2、字电视整体转换，为用户提供多种功能的业务服务。作为有线电视运营系统的一个必备子系统，条件接收系统(以下简称ca系统)由前端和终端两部分组成，通过对授权信息进行有效控制管理，实现了用户只能收看经过运营商授权许可的电视广播业务和节目，解决了有线电视多年来的收费难问题，从而保障了业务提供商和广播者的利益。从ca系统的作用和在整个系统中所处的物理位置来看，ca系统是运营数字电视平台的核心组成部分，它能否得到合理科学地应用，对整个系统的运行水平至关重要，但出于对系统安全性和稳定性的考虑，一般运营商都将ca系统采取了封闭式的运行方式，很少对其进行操作，使其工作效率低、一些有益附属功能得不到充分利用，甚至出

3、现故障隐患也不能及时排除。本文将以太原有线数字电视系统4年80万用户的运行经验为例，通过研究总结，从实际应用的角度，对营运商如何灵活、合理地设置ca系统，建立监控体系，启用附属功能展开讨论并提供相关建议，从而为营运商提升系统综合性能、提高工作效率、减少故障发生概率，以及在系统选型方面提供有益帮助。1.2 ca系统概述1.2.1 ca系统的定义ca系统是数字电视系统的一个子系统，通过在数字电视节目传输过程中加密节目和下发授权，实现相应的用户收看相应的节目，使得运营商可以按不同情况对数字电视广播业务按时间、次数对产品进行授权管理和接收控制。通俗来讲，就是通过节目的加密控制，使得只有交费的用户才能够

4、得到授权解密收看。从技术角度看，ca系统是一个综合性的系统。集成了多种先进技术，包括系统调度管理、网络技术、数字压缩编码、加解扰技术、加解密技术、复用器技术、调制解调技术、机顶盒技术、智能卡技术等，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等数据库方面的应用技术。ca系统是数字电视实现收费和管理的核心保障体系，通过收费才能使得节目制作商有能力向我们提供更多更好的节目和各种新业务，如视频点播、电子商务、电子游戏，连接internet等。1.2.2 ca系统衡量标准衡量有条件接收系统好坏的重要指标关键有三点：一是系统的安全性，包括加扰加密算法的选用、密钥的生成与管理、相关硬件设备的安全级别；二是系统

5、的稳定性，主要体现在各模块的集成与连接上；三是系统的管理能力。为此我国广电总局早于2001年就颁布了行业标准化指导技术文件数字电视广播条件接收系统规范参考dvb规范对系统进行了详细的规范。1.2.3 ca系统发展过程ca系统经历过模拟和数字两代。模拟第一代特征是以设备为基础，一般用于模拟系统。早在多年前，为了实现有线电视的更有效收费，在头端对模拟信号进行了加扰，使得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，实现方法通常采用视频倒相、水平同步重叠、垂直同步重叠、数字随机视频行抖动等方法，他们通常

6、对信号产生损耗。第二代是随着数字电视的出现而产生的，基本原理采用加扰控制字（cw）加密传输的方法，用户端利用智能卡进行解密。由于采用了数字技术，加解密过程对信号没有损耗，同时系统的保密性能、可靠性均大提高。对传输流的加扰，dvb已有标准；控制字的加密算法一般采用rsa及3des算法加密体制，不同厂家的系统方法差别很大，技术大体有两种：一种是以irdeto系统为代表的密码循环体制，一种是以nds系统为代表的利用专有算法保护（由于牵涉到系统安全，厂家一般不会公开）。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以及解扰器，比较容易被破解和复制。第二代中，加密系统及密钥体系和设备是分开的，它

7、依靠智能卡的安全性来保障系统的安全，破解难度大。这二代的有条件接收系统都是通过对传输的加扰来实现防止收费授权的信息扩散，但在计算机和互联网络的环境下，很难防止用户端进行存储复制和非法扩散，需要一种新的体制来对内容的保护。这种机制应该与传输无关，可使用多种形式和层次。这就是所谓的第三代有条件接收系统，它将不考虑传输的通道与形式，对于各种媒体内容、数据如视/音频、多媒体文件、数据等，将实现统一的管理与授权，所有的服务将严格控制在有条件接收系统下。用户对于受保护的服务，必须提供授权的ic卡，才能享受。用户将无法进行无授权复制和观看。同时，可以实现现有的多种费方式。目前，国际上主要的条件接收系统有ca

8、nal+的mediaguard、irdeto公司的m-crypt、france telecom公司的viaccess、nds、nagra等等，在中国，这些ca都有应用，但国产ca系统如永新视博、天柏、数码视讯则更为突出，遍布全国各地。1.2.4 ca系统发展趋势双向ca系统：随着各地有线运营商积极推进双向网络改造，搭建增值业务开展平台，发展双向互动业务，双向ca将被有线运营商逐渐采用，可以利用双向通道提高整体的工作效率，服务于多种增值业务；机卡分离系统：也就是说，用户购买数字电视一体机，这种电视跟以往模拟电视不同的是，它具备一个或者几个扩展插槽，只要插上能够解密数字电视信号的cam卡，以及用户

9、身份认证的ic卡，就可以收看数字电视，而不再需要机顶盒。用于身份认证的ic卡一般被称为小卡，由广电运营商向其配发，用户持此卡向运营商缴纳收视费；具有解密功能的密匙卡一般被称为大卡，简称cam卡，现阶段都是作为元器件，配售给数字电视一体机的生产厂商。通过此种技术，可以使得终端（一体机或机顶盒）生产与ca无关，而减少单独定制带来的复杂性，同时也使得终端可以在各种网络环境下使用成为可能。无卡ca系统：将ca系统所有终端部分集成在机顶盒中，市场的发展受运营商影响因素较大，主要是基于安全等级的芯片，支持操作的逻辑简单，但是可能会造成机顶盒成本升高，同时运营商将被动，不能轻易更换ca厂商，如果更换，需配套

10、更换机顶盒。较适用规模小的运营商使用。ca和drm（digital rights management，数字版权管理 ）功能相结合：随着数字电视的不断发展，ca发展逐渐从运营商的视频业务向各种业务扩展，从支持视频安全到支持内容安全，通过ca能够解决内容及版权问题，既能保证内容的安全性，也能保证有线运营商能够获取应得的利润。1.3 论文的结构和内容论文分为引言、数字电视系统、ca系统结构和功能、太原有线ca系统、ca系统应用和结束语六个部分。其中第一部分引言介绍了课题研究的背景、意义，ca系统的定义、衡量标准、发展历程和发展趋势等；第二部分数字电视系统描述了数字电视系统的定义、优点、标准、组成、

11、发展数字电视的意义等基础性内容；第三部分ca系统原理描述了ca系统的有有关概念、组成、工作原理和关键技术；第四部分介绍了太原网ca系统的建设和使用情况；第五部分从系统安全性、稳定性保障、信息发送策略、多功能应用，以及监控体系、终端认证体系的建立等几个方面介绍了如何将ca系统更加合理充分地利用；最后章节总结全文，希望ca系统在各地电视网络中通过充分、合理、安全、有效地利用，为数字电视更好地服务于用户发挥其应有的作用。2 数字电视系统数字电视的定义数字电视是指在电视节目源的采集、制作、编辑、播出、传输及接收的全过程都采用数字编码与数字传输的技术，是数字技术、微电子技术、网络技术、软件技术、通信技术

12、等高新技术的综合应用，在信息化社会中占有重要的地位。数字电视系统将传统的模拟电视信号编码、压缩转换成由二进制数组成的数字信号进行传输，在接收端对接收到的数字信号进行处理、解码、转换，将音视频节目信号还原成模拟信号，并在电视机上播放视音频信号，显示各种数据。因此，数字电视是一个从前端到终端的全过程。数字电视的优点数字电视给电视节目的播发与接收带来一场技术革命，为改善声音和图像质量提供了新的方式，同时也大大提高了传送信号的频率资源的利用率，总结起来优势如下：1) 采用了先进的图像压缩编码技术，因而每套节目占用的频带窄，可以充分利用频道资源，而以前一个模拟频道传播所需的带宽可用来传播6-8个数字频道

13、。因而在不增加带宽的情况下，用数字电视传输方式可大大节省因增加电视节目频道而需要的传输和广播，提高经济效益。2) 采用数字形式传输和广播，抗干扰能力强，还可采用前向纠错的方式，接收端收到的电视图像便极为清晰。数字电视信号的信噪比与连续处理的次数无关，在传输过程中，不会降低信噪比，这和模拟信号在传输过程中噪声会逐渐积累不同，它不受地理因素的限制，几乎可以无限扩大覆盖面。3) 伴音质量大幅度提高。目前的模拟电视，伴音是单声道的，而数字电视可以提供双声道，甚至是5.1声道的环绕立体声。4) 易于实现信号的存储，而且存储时间与喜好的特征无关。5) 由于采用数字技术，数字电视有利于实现有线电视网与计算机

14、网络的融合，从而可以大大扩展服务内容。6) 很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术，便于开展各类收费业务，可以实现对用户的良好管理，确保了资金的有效回报。7) 具有交互性，数字电视的音频、视频及数据可以在同一个信道内传输并共用一个设备接收，传输方向是双向的。观众由被动接受转为积极参与，收看现场转播时，还可以选择不同的拍摄角度获得的图像。数字电视系统标准众所周知，模拟电视有ntsc、pal和secam三种标准。目前，数字电视也陷入这种局面，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准。美国的标准是atsc（advanced television system committee先进电视制式委员会

15、）；欧洲的标准是dvb（digital video broadcasting 数字视频广播）；日本的标准是isdb（integrated services digital broadcasting 综合业务数字广播）。现在，数字电视尚无统一的国际标准。目前，我国的卫星和有线电视的标准采用的标准是dvb-s和dvb-c。dvb是一种新的广播技术，按字头直译是：数字（digital）、视频（video）、广播（broadcast）通俗地讲就是：数字电视广播。以欧洲为主，他们自1993年开始规划“数字视频广播”以来，一直称之为dvb项目。此后，到目前为止已有200多个组织参加，包括欧洲和全世界的一些

16、制造商、研究机构，网络运营者和广播公司等。欧洲提出的dvb是具有自己特色的全数字化的电视（包括高清晰度电视）广播方案。dvb系统包括了卫星（dvb-s）、有线电视（dvb-c）、地面广播（dvb-t）、卫星共用天线系统（smatv）和数字多点分配系统 （mmds）。也就是说，它是一个综合利用各种传媒手段进行数字电视广播的完整方案。它采用mpeg-ii压缩编码的方法，把数字电视直接传播到千家万户。 dvb标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其周全的计划及广范的共识是其成功的关键。从一开始，大家就选定iso/iec mpeg-ii标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码

17、进行了统一，随后对 mpeg-ii码流进行打包形成传输流(ts)，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。1) dvb标准的核心（音、视频编码等），码流复用及服务信息（si）： 系统采用 mpeg压缩的音频，视频及数据格式作为数据源 系统采用公共 mpeg-ii传输流(ts)复用方式 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息(si) 系统的第一级信道编码采用 r-s前向纠错编码保护 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定 使用通用的加扰方式以及条件接收界面2) 视、音频编码特点：dvb系统的音频编码使用 mpeg-i layerii笫二

18、层音频编码，可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。对于视频,国际上采用标准的 mpeg-ii压缩编码，目前在世界上最常用的 mpeg-ii标准是 mp ml，即： main profle main level，这里的level是dvb标准中的根据图像清晰度定义的“等级”，dvb视频标准还定义了“档次”（profile）的概念，每一个不同的“档次”（profile）能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法)。main profle main level是第一代数字有线电视和数字卫星电视的基础，节目提供者可以提供 625线质量的节目，图像的长宽比可以是4: 3或 i 6: 9; 至于码

19、流率，它是由节目提供者根据节目质量来选定的，图像质量越高，所需码流率越高，反之则越低。3) mpeg-ii码流复用及服务信息图21 dvb系统结构音频、视频及数字信号首先经过 mpeg-ii编码器进行数据压缩，通过节目复用器形成基本码流(es)，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流(pes)。代表不同音频、视频信号的 pes流被送入传输复用器进行系统复用，复用后的码流叫做传输流（ts），传输流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统复用器上需要加入服务信息(si)，使接收端可以识别不同的节目。传输码流的长度定义为 188个字节长，见下图所示：图表 22 传输流结构每个传输流的前4

20、个字节为字头(header)，字头后面就是需要传送的有用信息，包括音频，视频或数据信息，通常是 184个字节长度，有时在有用信息(useful data)中插入一段适配区域(adaptation field)，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟(pcr)。传输流的字头是识别传输流的关键，由 32个比特组成，其含义见下图。净荷包头净荷含义同步字节传输差错指示有效负荷单元起动指示优先传输pid传输交织标识适配区域标识有效负荷标识连续计数器代号sync-byteeipusitprpidscr-flgsafpfcc比特数8111132114比特包头4字节字头各比特含义在字头32比特中，13位的

21、pid码特别重要，它是辨别码流信息性质的关键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节目和服务信息(si)对应有不同的 pid码。对于一台解码接收机而言，为了找到它所要接收的电视节目，它首先通过 pid码找到服务信息(si)所对应的不同表格(table),dvb标准定义了如下服务信息表格： pat: program allocation table 节目分配表 cat: conditional access table 有条件接收表 pmt: program map table 节目分布表 nit: network information table 网络信息表 sdt: service desc

22、ription table 服务描述表 eit: event information table 事件信息表 tdt：timeand date table 时间日期表通过这些服务信息表格，可以查到所要接收节目的pid码和对应的时钟pcr，节目就可以还原。4) 信道编码信道编码包括：前向纠错编码、解码、调制、解调和上下变频三部分。前向纠错码根据不同的传输媒介采用不同的组合。卫星传输采用 qpsk调制，有线传输采用 qam调制，开路传输采用 cofdm调制或 i6vsb调制。（1）dvb标淮卫星传输系统 dvb-s：数字卫星电视的传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而没计的。卫星系统

23、是一个单载波系统，如果我们将所要传输的有用信息称为核，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频以及数据被放入固定长度打包的mpeg-ii传输流中，然后进行信道处理，在卫星系统中，信道处理过程包括： 首先进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每 8个字节进行一次。 然后进行数据的能量扩散，数据随机化，避免出现长串的0或1。 为每个数据包加上前向纠错的 r-s编码，也叫做外码。 r-s编码的加入会使原始数据长度由原来的188字节增加到 204字节。 进行数据交织。 加入卷积码纠错，也称内码，内码的数量可以根据信号的传输环境进行调节。 最后对数据流进行 qpsk调

24、制。总之，传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入 r-s外纠错码保护，内纠错码是可以根据发射功率，天线尺寸以及码流率进行调节变化。举例来讲，一个36mhz带宽的卫星转发器采用3/4的卷积码可以达到的码流率是39mb/s，这一码流率可以传送5-6路高质量电视信号。如下图所示：（2）dvb标准有线传输系统 dvb-c：数字有线电视采用与卫星同样的核，即 mpeg-ii压缩编码的传输流。由于传输媒介采用的是同轴线，与卫星传输相比外界干扰小，信号强度相对高些，所以前向纠错码保护中取消了内码。调制方式改成 64-qam方式，有时也可以采用 i6-qam，32-qam或更高的 128-qam，256

25、-qam。对于 qam调制而言，传输信息量越高，抗干扰能力越低。在一个 8mhz标准电视频道内，如果使用 64-qam，所传输的数据速率为 38.5mb/s。dvb-c传输系统框图（3）dvb标准开路传输系统 dvb-t：开路传输系统的标准是1998年2月批准通过的。第一个正式的开路传输系统于1998年初开始运营。 mpeg-ii数字音频、视频压缩编码仍然是开路传输的核心。其它特点是，采用 cofdm调制方式，在这种调制方式内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2k载波方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。 cofdm调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、

26、视频广播dab上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输保护间隔。这些保护间隔会占用一部分带宽，通常 cofdm的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度。 由于cofdm调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中的相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。 从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性， dvb-t系统不仅包

27、含了内外码(outer code， inner code)。而且加入了内外交织( outer interleave， inner interleave )。数字电视系统的基本组成数字电视是一个大系统，从横向来说，数字电视是从节目制作（编辑）数字信号处理广播（传输）接收显示的端到端的系统；从纵向来说，数字电视是从物理层传输协议中间件标准信息表示信息使用内容保护的一系列系统问题。目前用于数字电视节目制作的设备主要有数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑机、数字字幕机及非线性编辑系统等；用于数字信号处理的技术有压缩编码和解码技术、数据加扰和解扰及加密和解密技术等；信号传输的方式有地面无限传输、

28、有线电视网传输及卫星广播等；用于显示的设备有阴极射线管显示器（crt）、液晶显示器（lcd）、等离子体显示器（pdp）及投影显示等。其中，有线数字电视系统的结构框图如图所示。图1-1 有线数字电视系统结构框图数字电视系统的组成除本文讨论的条件接收系统外，还包括如下子系统：前端信源子系统一般网络运营商没有足够的节目作为播出给最终用户的内容，需要从各节目集成平台获得节目资源和内容，作为运营所需要的内容。这就需要有一系列的接收设备和切换设备，主要有：编码器，接收和处理模拟源信号。数字卫星接收机，通过卫星传输的各电视台节目，有相当一部已经是一数字形式存在的，这部分的接收就需要数字卫星接收机实时获得，进

29、行播出。网络适配器，对于上下级的节目传输。例如，中央传到省，或者省传到地市，这里有相当一部分节目通过sdh/dwdm或者宽带ip的方式直接传输，对于这些节目的获得，则需要有相应的网络适配器来处理。存储播出子系统，可以播放一些许可的本地自办节目。si/psi子系统si/psi生成子系统根据有线数字电视节目信息产生各种si/psi表，包括生成epg基本信息等。对于个性化的epg扩展信息，用户可以根据具体情况通过专用数据传送。数据广播子系统数据广播子系统是指对数据广播业务进行管理和播出的系统。此系统可能包括数据广播服务器等。常见的数据广播业务有股票信息、网页、电子政务、天气预报等。中间件增值业务也是

30、通过数据广播播出的。复用加扰子系统复用和加扰子系统按照运营要求将各类节目和控制信息进行业务组合，完成对各路ts流的复用和加扰。该子系统可能包括复用器、加扰器以及负责ts流分配调度u的数字矩阵等设备。用户管理子系统用户管理子系统主要是对有线数字电视用户进行管理、计费、收费、授权的系统，包括对用户信息、产品信息、设备信息、授权信息、财务信息等进行记录、处理、维护和管理。它与条件子系统联合使用。传输子系统传输子系统主要包括：qam调制器、频道合成器和hfc传输网络等。该部分按照gy/t 170-2001规定的信道编码和调制方式实现有线数字电视信号从前端到接收终端的传输。从复用和加扰子系统到qam调制

31、器可能存在多种传输方式。网管子系统网管子系统包括前端设备管理和hfc 网络设备管理两部分。它们分别对前端设备和hfc网络设备进行管理和调度，能实现监控设备的参数、运行状态等，并且在出现故障时，能迅速进行诊断、定位和调度，在较短时间内使系统恢复正常工作。接收终端子系统接收终端子系统主要指机顶盒（带智能卡），包含了数字解调、信道解码、解复用、条件接收控制和信源解码等数字电视的核心技术，它可以把来自数字电视卫星广播、数字有线电视广播、数字电视地面广播及网络的信号接收下来，通过解调、信道解码、解复用及信源解码，转换成显示器或电视机可接收信号，满足终端用户收视。数字电视关键技术数字电视的信源编解码信源编

32、解码技术包括视频压缩编解码技术和音频压缩编解码技术。无论是高清电视还是标清电视，未压缩的数字电视信号都具有很高的数据率，包含有大量的信息冗余度，如在19201080显示格式下，数字化后的码率高达995mbps。为了能在有限的频带内传送电视节目，即提高系统的有效性，必须对电视信号先行进行压缩编码，使高清电视信号的传输量由995mbps减少为20-30mbps。视频编码计算时主要有以下客观依据：图像时间的相关性：视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量。图像空间的相关性：例如图像中有一大块单一颜色，那么就不必把所有像素存储。人眼的视觉特性：人眼对原始图像各处失真敏

33、感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的失真处理，及时这些信息全部丢失了，人员也可能觉察不到；相分，对人眼比较敏感的信息，则应尽量减少其失真。件间的统计特性：时间发生的概率较小，则其熵值越大，表示信息量越大，需分配较长的码字；反之，发生的概率越大，则其熵值越小，只需分配较短的码字。与视频解码相同，音频编解码主要是利用人耳的听觉特性完成声音信息的压缩，如听觉的掩蔽效应和人耳对声音的方向特性。国际上对数字图像编码统一采纳了mpeg-2标准。在音频压缩编码方面，欧洲、日本采用了mpeg-2标准；美国采纳了杜比公司的ac-3方案，将mpeg-2作为备用方案。数字电视复用加扰系统从发送端信息的流向来

34、看，复用器把音频、视频、辅助数据的码流通过一个打包器打包，然后再复合成单路串行的传输比特流，经加扰送给信道编码器及调制器。接收端接收信息的过程与此正好相反。数字电视信息复用采用mpeg-2系统规范。在mpeg节目和传输流中，音频和视频是作为分开的数据包传送的，为了使音频和视频在接收端同步，每个包都有表达时间信息的标记pts。而数字电视加扰技术将在以后章节详述。信道编解码及调制解调经过信源编码和复用生成的节目传送流(ts流)通常需要通过某种传输媒介才能到达用户接收机。传输媒介可以是广播电视系统（如有线电视系统、地面电视广播系统及卫星电视广播系统），也可以是电信网络系统或存储媒介（如磁盘、光盘等）

35、，这些传输媒介统称为传输信道。通常情况下，编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理使之变成适合在规定信道中传输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码与调制。任何信号经过任何信道传输后都会产生失真，这些失真将导致数字信号在传输过程中的误码。为了克服传输过程中的误码，针对不同信道的特点，必须采用不同的信道编码方案和调制方案。数字电视信道编码及调制的目的通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力。调制则把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。数字电视广播信道编码及调制标准规定了信号经信源编码和复用后在向卫星、有线电视及地面等传输媒介发送前所需要进行的处

36、理，涵盖了从复用器之后到最终用户的接收机之间的整个系统。对于卫星数字电视广播，国际上普遍采用可靠性强的qpsk（四相移键控）调制方式；对于有线电视广播普遍采用效率较高的64、256qam（正交调幅）方式。发展数字电视的重要意义有线电视网络是国家信息化的重要基础设施我国的有线电视网是从80年代逐渐发展起来的，其间经历了共用天线系统、闭路电视系统、局部连网、区域连网，现已基本形成整体连网。有线广播电视网作为国家的重要战略资源，是国家信息化工作中的重要组成部分。在发展历程中，有线电视为广大人民群众提供了质优价廉的广播电视公益服务，承载着党和政府的喉舌功能，同时也是传播文化信息的主要载体。1999年9

37、月，国办发199982号文件中明确指出：“广播电视及其传输网络，已成为国家信息化的重要组成部分。”有线电视网络作为广播电视节目的主要传输和覆盖手段之一，在实现社会信息化、发展文化产业、推动经济发展等方面具有不可替代的重要作用。它集计算机、网络通信、信息处理、广播电视等多种高新技术于一体，是数字化、信息化、网络化的集中体现，技术附加值高，增值潜力和发展空间广阔。数字电视发展受到全球的高度重视数字化已经成为全球广播电视业的必然发展方向，欧洲、北美及亚洲各国纷纷制定了由模拟向数字转换的计划，并出台了最终关闭模拟播出的时间表。这些行业管理规划都或多或少地包含了政府干预的色彩，对于广播电视的商业化业已相

38、对成熟的这些国家而言，时间表的确立从另一个角度显示了各国政府对数字电视产业的重视程度已经上升到了战略高度。美国将于2009年关闭模拟电视信号，中国计划于2015年关闭模拟信号。根据r&ti research的数据，截至2005年底，全球数字电视用户超过1.3亿，全球数字电视家庭渗透率达到13%；截至2006年底，全球数字电视用户超过1.6亿，数字电视家庭渗透率超过了15%。预计到2011年，全球数字电视渗透率将达到40%，数字电视用户总数将接近5亿户。根据最新的统计数据，截至2006年底，英国依然是全球数字电视渗透率最高的国家，达到了77.2%；美国为63.8%，日本也已经超过了50%。中国有

39、线数字电视用户在2006年底累计1305.8万，总体数字电视渗透率仅为3%多一点；2007年底我国有线数字电视用户预计达到2600万，占全国有线电视用户的17%，占全国电视用户的5.8%。图1-2 中国有线数字电视用户现状与预测（2002-2010）数字电视是跨越数字鸿沟的有效途径广播电视是广大人民群众获取信息的主要方式之一，而其中有线电视在城镇拥有很高的普及率。所以，有线电视的数字化是推进国家信息化建设的重要平台。根据相关统计数据，我国城市里电视机的普及率超过130%，而计算机的普及率仅为30%多，计算机的终端很多，但是大部分都是在单位里。在农村，计算机的普及率更低，只有1.1%。由此可见，

40、电视机的普及率远远高于计算机，这是一个中国国情。此外，电视机是最便捷的信息载体，电视机不仅仅普及率高，使用也远比计算机简单。因此，通过数字电视把电视机变成多媒体的信息终端，来实现信息化，对国家信息化有着巨大的意义，也是符合我们中国国情的举措。通过有线电视数字化，是我们跨越数字鸿沟的一个比较有效的途径，已得到国家各个部门的认可。因此，政府也大力支持和推动广播电视的数字化，中央领导多次做了批示及指示，要求加快广播电视数字化步伐。有线电视是三网融合的重要平台我国的“十一五”规划明确提出：“积极推进三网融合，建设和完善宽带通信网，加快发展宽带用户接入网，稳步推进新一代移动通信网络建设，建设集有线、地面

41、、卫星传输于一体的数字电视网络；构建下一代互联网，加快商业化应用；制定和完善网络标准，促进互联互通和资源共享。”有线电视网络在数字化之后，除电视服务之外，还可以提供宽带接入及语音服务。如上图所示，美国的有线电视行业目前已成为电视服务的最主要渠道；此外，其宽带用户也占据了美国近60%的宽带市场份额；通过有线电视网使用电话服务的用户也已有850万，而且这个数字还在增加。在中国，“三网融合”已经开始大力推动，有线电视网络的带宽及用户覆盖量均具备一定的优势，在网络结构、网络技术方面，在向下一代网络演进中也具备一定的优势。因此，应高度重视有线电视网络在“三网融合”中的重要作用，为政府及整个社会提供更加便

42、捷的融合服务。ca系统的组成和工作原理ca系统工作原理ca系统的有关概念条件接收系统：在有线电视传输过程中，保证有线数字电视广播业务仅被授权许可接收的用户所接收，未经授权的用户不能使用这一业务，其主要功能是对信号加扰，对用户电子密钥的加密以及建立一个确保被授权的用户能接收到加扰节目的用户管理系统。控制字（cw）：用在解扰器中的密钥。加密/解密：被用来在发送端提供一个加密信息，使被授权的用户端解扰器能以此来对数据解密，该信息受ca系统控制，并以加密形式配置在传输流信息中以防止非授权用户直接利用该信息进行解扰，不同的ca系统管理和传送该信息的方法有很大不同。 加扰/解扰：加扰是为了保证传输安全而对

43、业务码流进行加密。通常在广播前端的条件接收系统控制下改变或控制被传送业务的某些特性，使得未经授权的接收者不能得到正确的业务码流。解扰是加扰的逆过程，在用户接收端的解扰器中完成。加扰算法采用dvb通用算法，控制字（cw）在5-20秒内变化可调。产品（product）：cas对数字电视节目进行授权的最小单位。运营商在cas产品的基础上根据运营需要进行打包形成运营产品。ic卡：integrated circuit card，又称智能卡（smart card）。在本文档中，“ic卡”与“智能卡”含义相同，均指用于接收机中条件接收系统模块的集成电路卡。业务( service)：作为节目提供给用户的一套基

44、本流。它们通常由不同数据组成，如视频、音频、字幕、其它数据等，通过公共同步关联起来。传送流( transport stream)：在gb/t 17975.1-2000信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码 第1部分 系统中定义的一种系统流数据结构。同密(simulcrypt)：指通过同一种加扰算法和加扰控制信息，使多个条件接收系统一同工作的技术或方式。授权控制信息（ecm）：授权控制信息是一种特殊形式的电子密钥信号和信道寻址信息。它在发送端被加密以后与信号一道传送，在接收端ecm 被用来控制解扰器。授权管理信息（emm）：授权管理信息是一种授权用户对某个业务进行解扰的信息。它与授权控制信息一

45、样，在发送端被加密以后与信号一道传送，在接收端emm被用来打开/关闭单个解码器或一组解码器。条件接收表（cat）：含有加密信息的系统流中必须有cat表，cat表中含有一个或几个ca描述子，描述子中包含了ca 提供商的列表清单，在casystem-id域中显示出来，casystem-id的值必须到标准的制定者atsc 或etsi处申请注册。另外，描述子还指定了各自的emm流的pid 值，cat固定的pid值为0x0001。节目映射表（pmt）：对于加扰节目流，pmt包括一个或多个ca描述子，在ca描述子中定义该加扰节目流对应的ecm流的pid值，pmt的pid值由pat（节目相关表）定义。mpe

46、g2以及dvb标准中有关ca系统的规定mpeg2中与ca的有关规定mpeg2的系统部分在其传输流（ts）数据包的语法结构中，规定了两个加扰控制位。在打包基本流（pes）数据包的语法结构中，也规定了两个加扰控制位。这使得加扰既可以在ts层实施，也可以在pes层实施。但是不论在哪一层实施，ts包的头部信息（包括自适应域）总是不加扰的。在pes层实施加扰时，pes 包的头部信息是不加扰的。另外，mpeg2的psi表总是不加扰的。mpeg2为cas规定了两个数据流，即ecm和emm。其ts-id分别是0xf0和0xf1。ecm一般用来传输直接解扰信息，emm用来传送用户的付费情况和权限，包括对ecm进

47、行解密的信息。对ecm和emm进行加密的方法由各自cas自由选择。mpeg2在psi表中规定了cat，其pid固定为0x0001。cat通过一个或多个ca描述子提供一个或多个cas与它们的emm流以及特有参数之间关联。ca描述子也可以出现在pmt中，如果位于program-info-length之后，则其ca-pid域指出的是解扰整个节目的ecm；如果位于es-info-length之后，则其ca-pid域指出的是解扰相应基本流的ecm。dvb中与ca的有关规定dvb标准在mpeg2的基础上进一步规定了一些传输规范。首先，dvb规定了两个加扰控制位的含义（在ts层和在pes层一样）：00表示未

48、加扰；01表示保留；10表示使用偶密钥；11表示使用奇密钥。一个灵活的广播系统应当能够在pes层事实加扰。为了避免客户端的解扰设备太复杂，dvb对在pes层事实加扰做了一些限制，它们是：加扰不能同时在两个层次上实施；加扰的pes包头不能超过184字节；出了最后一个ts包外，携带加扰pes包的ts包不能有自适应域。当广播数据跨越广播媒体边界（例如从卫星到有线）的时候，经常需要用新的有线运营商ca信息替代原有卫星的ca信息。为了灵活高效地实现ca信息的替换，dvb运用了如下规定：某个ca描述子的ca-pid所对应的ts包只能携带本ca信息，不能携带其他信息。另一方面，ca信息也只能存在于ca描述子

49、的ca-pid所对应的ts包中，不能出现在其它地方。在同一个ts中，两个ca提供商不应使用相同的ca-pid。ca系统的组成按照位置，可以认为ca系统由前端（广播）和终端（接收）两个部分组成。前端完成广播数据的加扰和授权信息以及解扰密钥的加密等工作；终端完成解扰和解密，一般是一个解扰器（外加一个智能卡）。按照功能，ca系统由两个对立的部分组成，即加解扰部分和接收控制部分。加扰是在ca系统控制下将被传送节目数据由明文改为密文，使这些数据对未授权用户无用。接收控制是向授权用户提供解扰用得信息。该信息以加密的形式复用到mpeg2的传送流中。授权用户对它进行解密可以得到解扰密钥。不同的ca系统管理和传

50、送该信息的方法有很大不同。按照结构，ca系统由加扰器、解扰器、加密器、控制字产生器、节目信息管理、用户授权系统、用户管理系统和条件接收子系统等部分组成。其工作原理及组成如图所示：图3.3-1 条件接收系统逻辑结构各部分功能如下：节目信息管理系统节目信息管理系统的主要功能是为即将播出的节目建立节目表，其中包括将要播出的各个节目的ca信息。节目管理信息被si发生器用来生成si和psi信息，被节目控制系统来控制节目的播出，被ca系统用来做加扰调度和产生ecm。用户管理系统用户管理系统主要对用户和智能卡进行管理，包括管理和编辑用户信息，所有客户端的地址、智能卡号、证书和用户设备信息，同时还处理用户的节

51、目预定信息，用户授权信息，财务信息并将这些信息转成授权管理信息。加扰解扰器加扰时ca系统的重要组成部分。所谓加扰就是在前端ca系统的控制字的控制下，连续不断地对被传送的视频、音频或辅助数据及进行有规律的扰乱，如果直接显示将是杂乱无章的画面，只有经过解扰处理后才能恢复原始图像，而未授权的接收者无法进行解扰。数字电视ca系统通常使用伪随机序列对原始序列做运算，得到了加扰的视音频信号。解扰则是在接收端使用相同的伪随机序列和已经加扰的数据序列做相同的运算，将会恢复原始序列。控制字发生器控制字（cw）是用于加扰的控制信息，解扰的关键是要掌握伪随机序列发生器的初始条件，初始条件受控于控制字，有了控制字就可

52、以恢复加扰时使用的伪随机序列，对信号解扰。这个控制字可以说是一把钥匙，又称密钥。因此控制字的安全传送是ca系统的关键，为了保证安全，控制字每个5-20秒就要改变一次。授权控制信息发生器授权控制信息（ecm）是一种专用条件接收信息。它携带了控制字的加密编码和接收参数（如节目说明级接收节目所需的条件）等信息。ecm在发送端被加密后与信号一道传送到接收端，ecm用来控制解扰。授权控制信息发生器从节目管理系统获得节目标识信息、节目收视条件、节目加解扰算法及节目提供商信息等，同时从控制字发生器获得加扰控制字，然后按照一定的数据编码格式将上述信息生成一个完整的ecm数据包经过加密后送到复用器中。授权管理信

53、息发生器授权管理信息（emm）是一种授权用户对某个业务进行解扰的信息。它携带了用户订购节目信息，指定了用户对业务的授权登记，授权管理信息发生器从用户管理系统中获得基本用户授权信息包括用户的唯一标识，智能卡号，用户的授权信息等，同时还有业务密钥（sk）和用户端的公钥，然后按照一定的编码格式将上述信息生成emm数据包经过加密后送到接收端。ca系统的工作原理ca系统采用多重密钥传送机制将控制字安全地传送到经过授权的客户端。在信号的发送端，首先根据节目播放的授权要求，由控制字发生器通过安全算法去产生控制字（cw），由它来控制加扰器对来自复用器的mpeg-2传送流进行加扰。cw的字长一般为60比特，为了

54、保证安全，cw每隔520s改变一次，控制字就是加扰所用的密钥。ecm发生器收到来自控制字发生器的控制字后，加密器根据用户授权系统提供的业务密钥（sk）对控制字和控制参数进行加密运算，其输出即为经过加密以后的控制字和控制参数，它称为授权控制信息（ecm），用户端的解码器只有在得到现行有效的业务密钥，才能够对ecm解密得到控制字，从而实现对数据的解扰。业务密钥在送给ecm发生器的同时也提供给emm发生器。用户管理系统提供的用户地址信息，用户授权信息等和业务密钥一起被送入emm发生器，加密器利用分配密钥对这些信息进行加密运算，其输出即为经过加密以后的业务密钥和用户授权信息，它称为授权管理信息（emm

55、）。用户端的解码器只有在得到现行有效的分配密钥后，才能够对emm解密得到业务密钥，从而实现对控制字的解扰。ecm和emm信息被送至mpeg-2复用器中与送入复用器的图像，声音和数据信号比特流一起打包成mpeg-2传送流，加扰器对复用后的mpeg-2传送流进行加扰运算。分配密钥的传递一般通过非常安全的渠道传递给用户，其中智能卡是一种方便的方法。将分配密钥固化在智能卡中并以加密的形式存储，用户需提供口令才能供解密使用。在接收端，由于ecm和emm被置于mpeg-2传送流包的固定位置，因此，解复用器便很容易解出ecm和emm信号，机顶盒首先从解复调后得到的传送流中得到ecm和emm信息，其次在智能卡

56、中完成用分配密钥对emm解密得到业务密钥sk，然后业务密钥对ecm解密，得到控制字和控制参数，恢复出cw，并将它送至解扰器进行解扰。可见，整个数字电视ca系统的安全性得到了三重保护，如下图所示。图 7-2 ca系统的三重保护第一重保护：利用控制字对图像、声音和数据进行加扰。对图像、声音和数据进行加扰使没有得到授权的用户的接收机无法进行解扰，不能收看正常节目。第二重保护：利用业务密钥对授权控制信息ecm加密。控制字的安全传送依靠业务密钥，用户端的机顶盒只有在得到现行有效的业务密钥后，才能对ecm解密，从而获得控制字cw。这样控制字在传送给用户过程中即使被盗，盗窃者也无法对加密钥的控制字进行解密。

57、第三重保护：利用分配密钥对授权管理信息emm加密对emm加密使得整个系统安全性更强。非授权用户即使得到了加密的授权管理信息，但由于得不到分配密钥，无法对emm解密，得不到业务密钥，也无法得到控制字，仍旧无法解出并获得正常信号。ca系统实现的关键技术数字电视条件接收系统涉及多项技术，主要包括加扰、解扰技术，加密、解密技术，同密、多密技术，编码技术，复用技术，智能卡技术，网络技术，接收技术，此外还涉及到用户管理、节目管理、收费管理等信息技术。下面重点介绍其中的几项关键技术。加扰、解扰技术在数字电视条件接收中，加扰与解扰技术至关重要。加扰是为了保证传输安全而对业务码流进行的特殊处理，通常在广播前端的

58、条件接收系统控制下改变或控制被传送业务码流的某些特性，使得未经授权的接收者不能得到正确的业务码流。解码则是加扰的逆过程，在用户接收端的解扰器中完成。下面讨论在数字电视条件接收系统中加扰如何实现以及解扰如何恢复加扰前的视频与音频数据。在发送端，将伪随机发生器产生的伪随机码与原始数据进行异或运算，得到加扰的视频和音频数据。在接收端用相同的伪随机发生器，如果其起始点与发送端一样，则产生的伪随机码也与发送端完全一样，利用这个伪随机码和已经加扰的视频、音频数据同样做异或运算，即可得到与加扰前相同的信号。上述解扰过程表明，解扰的关键是要掌握伪随机码发生器的起始点。由于加、解扰发生器结构相同，只要二者起始点一样，即初始化一样，产生的伪随机码就相同。这个初始值作用