基于DVB標準CATV加擾系統的設計

鄭 瑋

(喀什師范學院，新疆 喀什 844006)

0 引言

目前，模擬電視廣播正面臨全面關閉的狀態。美國模擬電視廣播于2009年關閉，英國等歐洲國家2010年關閉模擬電視廣播，而中國將于2015年停止模擬電視廣播，全面實現數字電視的全國覆蓋[1]。

數字電視是從節目采集、編輯制作到信號的發送、傳輸和接收全部采用數字處理的全新數字系統，其利用先進的數字圖像壓縮技術、數字信號糾錯編碼技術、高效的數字調制技術等，使數字電視有較高的圖像質量以外，還便于開展多種數字信息服務如數字廣播、文字廣播等，也容易實現加密、加擾以開展各類收費業務[2]。

隨著數字電視整體轉換的快速推進，數字電視的安全問題也逐漸浮現。條件接收系統(CAS,Conditional Access System)是保證數字電視系統安全的核心部分，是數字電視收費的技術保障系統，因而其安全性、可靠性也就成為近年來研究的熱點之一。

1 條件接收系統組成

條件接收系統，即 CA 系統，其主要功能是對電視信號加擾、對用戶電子密鑰的加密以確保授權用戶能接收到電視節目而非法用戶無法接入的用戶管理系統[3]。

CA 系統的組成如圖1所示，主要由加解擾器、加解密器、控制字產生器、用戶授權系統、用戶管理系統、復用模塊和條件接收子系統等部分組成[4]。

圖1 CA 系統的組成

2 加擾原理

電視信號的加擾與控制字的加密統稱為條件接收系統的加密技術，是條件接收系統中的關鍵技術之一。所謂加擾就是對數據碼流中的視頻碼流、音頻碼流或輔助數據進行有規律的擾亂。加擾后的信息若直接顯示在屏幕上，將是雜亂無章的，只有在接收端經過解擾處理，才能恢復原始圖像及伴音。這使得未授權用戶無法接收到清晰的圖像和伴音，從而防止節目的自由接收[5]。

對電視信號的加擾，可以只對圖像或伴音加擾，也可對兩者都進行加擾。數字電視信號加解擾原理框圖如圖2所示。在數字電視前端的 CA 系統中，將原始信息（視、音頻流和數據流）用加擾器產生的加擾序列進行加擾，加擾序列的產生由控制字 (CW,Control word)控制。在用戶端也有一個和發送端相同的序列發生器，只要收發兩端間產生的加解擾序列同步（即用同一個初始值啟動），接收端的解擾序列就可以將被加擾的信息恢復成原始的信息。

圖2 數字電視信號加解擾原理框

一般來說，對加擾系統的要求，主要有保密性、高質量還原性、高安全性、易擴展性、高性能和高價格比等方面[6-7]。

3 電視信號加擾的實現

數字電視的數據碼流是一連串二進制數，因此就很容易對這些二進制數進行各種各樣的變換操作，這些變換不但包括對數據值本身的變換也包括對數據在碼流中位置的改變。

2.2.3 角尺度 角尺度用來描述相鄰樹木圍繞參照樹的均勻性，用角尺度描述林木個體在水平地面上的分布形式，或者說種群的空間分布格局(描述非規則性)。任意2個鄰接最近相鄰木的夾角有2個，小角為α，最近相鄰木均勻分布時的夾角設為標準角α0。對于n=4，標準角的可能取值范圍為(60°，90°)，最優標準角為72°[11]。角尺度被定義為α角小于標準角α0的個數占所考察的n個夾角的比例，其表達式式中：Wi為第i株參照樹的角尺度；Zij為離散性變量，其值定義為，當第j個α角小于標準角α0時，Zij=1，否則式中：W為樹種或林分平均角尺度；N為樹種或林分的林木總株數。

電視信號的加擾常用方法有2種：比特流的變換法和分段交織法。

(1)比特流的變換法

如圖3所示，圖中，ai表示處理前的比特流，bi表示處理后的比特流，比特流變換器則根據輸入的控制字對比特流進行隨機的處理，這種處理可以是隨機反相操作也可以是其他任何一種二進制操作。在這種方法中進行操作的基本單位通常是字節或者比特，它是對碼流數據的值進行了改變而未改變該數值在碼流中的位置。

圖3 比特流的變換

(2)分段交織法

分段交織是將碼流數據包分成 n 段，分割點由控制字確定，一個數據包被劃分成 n 段后，各段數據交叉換位從而達到加擾的目的。接收端解碼器只有在得到正確的控制字后才能知道數據段的分割點以及各個數據段的交織情況。此方法在實現時并不需要任何運算操作，只需要改變輸出數據包中數據的順序，因此實現起來比較簡單，軟硬件成本也較低[6-7]。

文中將采用這兩種方法相結合的分段交織變換法實現對電視信號的加擾處理。

分段交織變換法是將數據包隨機分成n段，隨機從中選取k段進行數據值的位操作變換，然后將變換后的k段數據與未進行變換的n-k個數據段進行隨機的段位置交換，這樣便完成了分段交織變換。

3.1 序列發生器的實現

在加擾技術中，普遍采用偽隨機二進制序列作為加解擾密鑰，而在現代密碼學中，反饋移位寄存器(FSR，Feedback Shift Register)被廣泛應用為偽隨機二進制序列發生器，反饋移位寄存器它一般是通過移位寄存器加反饋電路共同產生。在數字系統中，為了便于邏輯電路實現，通常將 FSR 的反饋函數設定為簡單的異或操作，那些被用來進行異或操作的比特位稱作抽頭序列，這種簡單的反饋移位寄存器被稱為線性反饋移位寄存器(LFSR, Linear Feedback Shifting Register)。

簡單易于實現是線性反饋移位寄存器的優點，但也很容易被破解，因此在數字電視 CA 系統等實際使用的系統中，通常會利用幾個或多個不同抽頭序列的 LFSR 來組合成一個較為復雜的偽隨機序列發生器，這種LFSR 的組合通常要求每個 LFSR 具有不同的長度以及不同的特征多項式，這樣可以保證整個發生器具有最大周期。

序列發生器的種類有很多，在滿足數字電視安全性要求的前提下，考慮到 CA 系統的規模成本等因素，該系統選取 Geffe 偽隨機序列發生器來實現數字電視信號的加擾。

Geffe 偽隨機序列發生器的結構圖如圖4所示，Geffe 偽隨機序列發生器由3個 LFSR 以非線性的方式組合而成，其中 LFSR1 和 LFSR2 作為發生器的輸入，LFSR3 則用來控制發生器的輸出。b1、b2、

b3分別是3個線性反饋移位寄存器產生的序列，經過復合器的復合，輸出序列a，用表達式表示為：

在應用 Geffe 偽隨機序列發生器時，發生器的輸入由多個 LFSR 組合而成，可以增加序列的復雜度。

圖4 Geffe偽隨機序列發生器

3.1.1 LFSR的設計

序列產生的一般結構模型如圖5所示。其中ak-i(i= 1,2,3,… ,n)表示各移位寄存器的狀態，ci( i= 1,2,3,… ,n)對應各移存器的反饋系數，它表示該級移位寄存器的是否參與反饋，若 ci=1則表示該級移存器參與反饋，若ci=0則表示該級移存器不參與反饋，其中c0和cn不能等于0，這是因為c0=0意味著移位寄存器無反饋，而cn=0則意味著反饋移存器蛻化為n-1級或更少級的反饋移存器。

圖5 n位反饋移位寄存器的結構

圖中n位反饋移位寄存器的反饋函數可表示為：

它是一個線性遞歸函數，反饋移存器的級數n不同，m序列的反饋系數也就不同。即當級數n和反饋系數一旦確定，則反饋移位寄存器輸出序列就確定了[8]。

該系統選用級數為7、9和10，反饋系數分別是211、1055、2033，經過復合運算而得的隨機序列對數字電視信號進行加擾。

4 綜合結果分析

本文利用 Modelsim 對加擾系統進行仿真，得到的仿真波形初步驗證了加擾功能的正確性，再選用 Altera 公司的QuartusII6.0 的環境下進行編譯、綜合、適配、仿真、并下載至 CycloneII 系列的 FPGA 中進行了硬件驗證。

仿真結果顯示，系統的硬件資源占用情況為，邏輯單元102個，寄存器54個，與比特流的變換法和分段交織法相比，此方法的軟硬件復雜度有所提高，同時發生器的輸入由多個 LFSR 組合而成，加擾強度也得到了很大的改善。

[1]劉曉峰,梁龍飛,方向忠.數字電視條件接收技術的研究與實現[J].信息安全與通信保密,2004(11):49-51.

[2]蔣天普,鄭世寶.數字電視條件接收系統的研究[J].通信技術,2003(02):25-27.

[3]王興東,余松煜,陳穎琪.數字電視數據廣播系統設計[J].通信技術,2002(05):46-48.

[4]陳文全.數字電視條件接收系統的關鍵技術研究[D].成都:電子科技大學,2004:2-75.

[5]陳文全,付國映,趙利,等.數字電視條件接收系統的安全性研究[J].電視技術,2004(01):53-55.

[6]丁劍,王菁.電視信號的加解擾[J].鹽城工業學院學報,1999（03）:56-58.

[7]張傳武,黃勤珍,張天騏.有線電視加解密系統研究[J].信息安全與通信保密,2005(10):55-56.

[8]段吉海,黃志偉.數字通信系統建模與設計[M].北京：電子工業出版社,2004:248-254.