基于CIMAX和CAM卡的雙TS流解擾系統(tǒng)在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

袁三男

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

基于CIMAX和CAM卡的雙TS流解擾系統(tǒng)在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

袁三男

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對(duì)數(shù)字電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳輸流TS的解擾問(wèn)題,分析了TS流的加擾和解擾原理,提出了基于CIMAX接口芯片和大小CAM卡、同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立TS流的解擾方案,解擾系統(tǒng)采用硬件和軟件相結(jié)合的方式,并在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用.

數(shù)字電視監(jiān)測(cè); 傳輸流TS; 解擾; 接口芯片CIMAX; 大小CAM卡

數(shù)字電視采用數(shù)字處理技術(shù)將模擬的電視信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,在系統(tǒng)傳輸運(yùn)行過(guò)程中,數(shù)字信號(hào)的完整性和接收效果比模擬電視信號(hào)好,因此目前已經(jīng)大規(guī)模發(fā)展起來(lái)了.傳統(tǒng)的模擬電視監(jiān)測(cè)方式主要是針對(duì)模擬電視信號(hào),對(duì)數(shù)字電視播出過(guò)程中數(shù)字信號(hào)的故障和隱患不能做出判斷,因此數(shù)字電視監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的建立是保障數(shù)字電視系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件[1].然而在發(fā)展過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題,利用數(shù)字電視傳播不合法的增值業(yè)務(wù)甚至傳播不良內(nèi)容這些現(xiàn)象也在日益增加,因此數(shù)字電視的監(jiān)測(cè)除了碼流層和信道傳輸層引起的出錯(cuò)監(jiān)測(cè)外,還需要進(jìn)行大量的視音頻內(nèi)容的監(jiān)測(cè),以便為大家提供一個(gè)良好的環(huán)境.

為了實(shí)現(xiàn)視音頻內(nèi)容的監(jiān)測(cè),在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中還需要對(duì)數(shù)字電視TS流進(jìn)行解碼、視音頻內(nèi)容監(jiān)測(cè)(包括視頻同步頭、黑場(chǎng)、藍(lán)屏、彩條;音頻音量及靜音檢測(cè);特殊圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等),然后按照設(shè)定的碼率、幀率等要求重新對(duì)解碼后的視音頻進(jìn)行編碼,以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲(chǔ)等,這就是視音頻的轉(zhuǎn)碼處理.當(dāng)前數(shù)字電視TS流通常都進(jìn)行加擾,所以若要對(duì)TS流解碼,先需要對(duì)TS流實(shí)施解擾以獲取干凈的TS流,之后由專(zhuān)用解碼器實(shí)現(xiàn)解碼,輸出視音頻數(shù)據(jù).

1 數(shù)字電視條件接收

數(shù)字電視為了保證傳輸?shù)哪承┨囟ㄐ畔⒌陌踩?只允許具備條件的用戶(hù)接收,因而采用加擾措施.數(shù)字電視的條件接收(Conditional Access,CA)就是只允許符合條件的用戶(hù)接收特定的電視節(jié)目.加擾就是對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行規(guī)律的變換或增加信號(hào)的復(fù)雜性,其基本過(guò)程是在發(fā)送端電視信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制前,將欲加擾的數(shù)字電視信號(hào)和一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)字序列(Pseudo random number sequence,PRBS)做“異或”運(yùn)算,輸出就是加擾的數(shù)字電視信號(hào).在接收端使用同一個(gè)偽隨機(jī)序列對(duì)加擾的電視信號(hào)作“異或”運(yùn)算,從而重現(xiàn)原始視信號(hào).因此,收發(fā)端偽隨機(jī)序列在時(shí)間上必須一致,跟原先設(shè)定的初始值一樣,又稱(chēng)為控制字(Control Word,CW),正確的CW是解擾的關(guān)鍵.為了安全起見(jiàn),需要增加獲取CW的復(fù)雜程度,因此對(duì)其進(jìn)行加密,形成授權(quán)控制信息(Entitlement Control Message,ECM),該過(guò)程中的加密密鑰稱(chēng)為授權(quán)密鑰(Authorization Key,AK)或業(yè)務(wù)密鑰(Service Key,SK)[2].發(fā)送端與接收端傳送的信息包括加擾的數(shù)字電視信號(hào),ECM,SK[3],缺一不可.CW的具體加擾實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示.

圖1 加擾實(shí)現(xiàn)方式

用戶(hù)獲得SK需要具備一定的條件,如交費(fèi).這些條件形成分配密鑰(Distribution Key,DK),DK對(duì)SK加密形成授權(quán)管理信息(Entitlement Management Message,EMM),一起傳送給用戶(hù).用戶(hù)授權(quán)管理系統(tǒng)和用戶(hù)之間DK的交互,一般會(huì)通過(guò)相當(dāng)安全的渠道,如DK固化并以加密形式存儲(chǔ)的智能卡方式[4].用戶(hù)作為接收端,對(duì)接收的數(shù)字電視載波信號(hào)進(jìn)行一層一層、一環(huán)一環(huán)的處理,ECM和EMM信息的取出必須在解調(diào)、解復(fù)用后[4].在智能卡中用DK解密EMM獲取SK,再用SK解密ECM得到CW和電視節(jié)目的其他相關(guān)控制參數(shù),最后利用解出來(lái)的CW對(duì)偽隨機(jī)序列發(fā)生器進(jìn)行控制,解出與發(fā)送端相一致的偽隨機(jī)序列并送至解擾器[4],與加擾的電視信號(hào)進(jìn)行異或,恢復(fù)出原始的數(shù)字電視信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的解碼或轉(zhuǎn)碼,這樣便于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析處理,有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行.

2 CIMAX芯片介紹

CIMAX是NUERATECH公司生產(chǎn)的DVB-CI/Cable CARD多功能接口芯片,支持DVB-CI/CI Plus以及S-CARD/M-CARD標(biāo)準(zhǔn),支持多高頻頭或多個(gè)插槽接收端設(shè)計(jì),支持多種串行接口(如SPI,USB,TS并USB接口)橋接功能,其核心架構(gòu)是帶內(nèi)置緩沖和中斷處理的MIPS指令處理器,可過(guò)濾高達(dá)16個(gè)PID的TS包碼流處理器,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合碼流或調(diào)整后碼流的同步收看與錄像功能,同時(shí)可應(yīng)用于帶多高頻頭接收機(jī)/PVR設(shè)計(jì)、USB-DVB-CI橋接系統(tǒng)或多碼流源帶CI+/CI PVR/一體機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng).

CIMAX的主機(jī)接口包括SPI接口或USB接口,通信按照主機(jī)發(fā)命令、CIMAX響應(yīng)的方式,處理的信息主要有兩種,即CAM信息(主機(jī)和CA間)、REG信息(主機(jī)和CIMAX間).數(shù)據(jù)傳輸可選擇TS接口或USB接口中任意一種完成.

3 解擾系統(tǒng)及其在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

數(shù)字電視監(jiān)測(cè)總系統(tǒng)如圖2所示.圖2中獨(dú)立輸入兩路有線(xiàn)電視信號(hào)進(jìn)入高頻頭,總控CPU通過(guò)I2C接口控制選擇高頻頭頻率后,分別進(jìn)行解調(diào),輸出兩路獨(dú)立的TS流.此TS流一般包含多套節(jié)目,以及節(jié)目的管理信息(包括加解擾信息)[5].該TS流由原始信息進(jìn)行加擾后形成,為了能夠解碼,必須首先解擾.解擾采用CIMAX接口芯片配合大小CAM卡實(shí)現(xiàn),通過(guò)總控CPU配置CIMAX后,大小CAM卡協(xié)同完成TS流的解擾工作.

圖2 解擾系統(tǒng)及其在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用系統(tǒng)

我國(guó)數(shù)字電視采用DVB標(biāo)準(zhǔn),為了實(shí)現(xiàn)DVB解碼器和CA的獨(dú)立運(yùn)行,DVB在解碼器和CA系統(tǒng)之間定義了一個(gè)公共接口,選用個(gè)人計(jì)算存儲(chǔ)卡國(guó)際協(xié)會(huì)PCMCIA連接方式,同時(shí)規(guī)定了CA模塊的形式、參數(shù)和性能.因此,本文的數(shù)字電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PCMCIA的連接方式,通過(guò)DVB_CI模塊與主機(jī)進(jìn)行連接,具體如圖3所示.

公共接口包括兩個(gè)分層結(jié)構(gòu)的邏輯接口,即TSI數(shù)據(jù)流接口和CMD命令接口.TSI接口是主機(jī)將解調(diào)出的TS數(shù)據(jù)送入外部CA模塊,加密和未加密的TS數(shù)據(jù)流處理方式不一樣,如果數(shù)據(jù)未加密,模塊將對(duì)信息不作處理,直接將該包原樣返回;如果數(shù)據(jù)包是加密或?qū)儆谠谶x定的服務(wù)列表中,則模塊需要將加密包進(jìn)行解擾并返回結(jié)果.CMD命令接口主要負(fù)責(zé)傳送CA模塊和主機(jī)之間通信的命令、密鑰、地址等,接口從上到下可分為5層,分別為應(yīng)用層、會(huì)話(huà)層、傳輸層、鏈路層、物理層.命令接口層如圖4所示.應(yīng)用層基于資源實(shí)現(xiàn)一整套協(xié)議,包括資源管理器RM、應(yīng)用信息AI和條件接收支持CA 3個(gè)基本資源,以及主機(jī)控制、日期/時(shí)間、人機(jī)接口、低速通信等輔助資源,將其定義為應(yīng)用可以使用的功能單元.會(huì)話(huà)層的功能主要給應(yīng)用提供資源的利用機(jī)制,即先與主機(jī)或其他模塊建立會(huì)話(huà)連接,再使用提供的資源[6].傳輸層采用命令響應(yīng)的形式,主機(jī)將C_TPDU命令發(fā)送給模塊,模塊接收到命令后向主機(jī)發(fā)送R_TPDU表示響應(yīng),但是對(duì)中斷方式的命令不支持[7].鏈路層位于物理層和傳輸層中間,主要對(duì)下面物理層傳來(lái)的LPDU(鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和上面?zhèn)鬏攲觽鱽?lái)的TPDU(傳送協(xié)議數(shù)據(jù)單元)進(jìn)行處理,對(duì)TPDU進(jìn)行拆分和重組,使其大小控制在初始化時(shí)主機(jī)預(yù)先設(shè)定的緩沖區(qū)范圍內(nèi),同時(shí)把多個(gè)傳輸連接整合成一個(gè)鏈路連接,便于傳輸.物理層主要是接收處理鏈路層發(fā)來(lái)的LPDU,同時(shí)是與大卡直接相連的層,也會(huì)負(fù)責(zé)與其相關(guān)的一些操作.

圖3 DVB_CI模塊和主機(jī)連接結(jié)構(gòu)

命令接口(Command Interface,CI)作為公共接口,其功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于底層驅(qū)動(dòng)模塊、CI協(xié)議棧和上層應(yīng)用的協(xié)調(diào)并共同完成.底層驅(qū)動(dòng)模塊主要是針對(duì)大卡設(shè)計(jì)的,當(dāng)有大卡插入或拔出時(shí),底層驅(qū)動(dòng)模塊要提供相應(yīng)的服務(wù);當(dāng)大卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí),亦是如此[8].CI協(xié)議棧部分完成命令接口中的物理層、鏈路層、傳輸層、會(huì)話(huà)層、應(yīng)用層之間的通信,一般有6個(gè)任務(wù),即:Physical,Link,Transport,Session,RM,Timer,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)層和定時(shí)器的功能[3],其中,各層之間的通信選用消息隊(duì)列的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).上層應(yīng)用要完成的任務(wù)有兩項(xiàng):一是在按要求切換節(jié)目時(shí),分析所選節(jié)目的PMT表,提取CA_PMT并將其發(fā)送給相應(yīng)的CA模塊,并判定是否為符合條件的節(jié)目,若是,則將進(jìn)行解擾,否則直接返回;二是將CA模塊通過(guò)人機(jī)接口進(jìn)行傳輸顯示.

圖4 命令接口層

常用的CA接入方式有3種:一是采用機(jī)卡分離的小卡方式;二是CA系統(tǒng)集成到解碼芯片中;三是CA和機(jī)頂盒解調(diào)、解碼完全分離的大卡方式.目前市場(chǎng)上條件接收系統(tǒng)的主流是第3種方式,它將所有CA信息和功能都集成到一個(gè)可插拔分離的條件接收組件(CA模塊大卡)中[9],解調(diào)解碼過(guò)程是透明的,因此可以批量生產(chǎn),節(jié)約成本.系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)CA大卡和智能小卡協(xié)同進(jìn)行,采用DVB_CI公共接口,硬件接口和軟件接口都符合行業(yè)規(guī)范,便于與其他設(shè)備連接.DVB_CI接口功能強(qiáng)大,可同時(shí)支持兩個(gè)獨(dú)立的CA模塊,當(dāng)然也可只支持一個(gè)CA模塊,本系統(tǒng)采用的CIMAX就是支持兩個(gè)獨(dú)立CA模塊的DVB_CI/Cable CARD的多功能接口芯片,以提高系統(tǒng)的接口能力.

由于數(shù)字電視信號(hào)傳播形式、傳播媒介的不同,增大了接收模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,從節(jié)約資源和大范圍符合多種形式信號(hào)接收要求方面考慮,本系統(tǒng)的CA接入方式采用機(jī)卡分離方案,將數(shù)字電視終端中的通用部分(硬件)獨(dú)立出來(lái),做成“機(jī)”的形式[10],而把各地廣電運(yùn)行商的條件接收系統(tǒng)CA,以及中間件、數(shù)據(jù)廣播、電子節(jié)目指南EPG等諸多增值服務(wù)部分做成“卡”.如今對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),“機(jī)”好比一把智能“鎖”,“卡”就相當(dāng)于“鑰匙”,將CA和機(jī)頂盒分離,有利于更好地保護(hù)節(jié)目制造商的產(chǎn)權(quán).

PCMCIA接口方案采用DVB-CI大卡,將其解擾、解密等需要保密的專(zhuān)有功能集中在一個(gè)可拆卸的CA模塊(PC卡)中,而機(jī)頂盒只包含調(diào)諧器、解調(diào)器、解復(fù)用器和MPEG2解碼器等必須的設(shè)備,其功能趨于通用化[11],可插入不同廠家、不同類(lèi)型的PC卡,機(jī)頂盒與CA模塊之間通過(guò)一個(gè)公共接口CI來(lái)連接和通信,完成節(jié)目解密.公共接口在邏輯上分為傳輸流接口(TSI)和命令接口,它們協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)都是分層的.傳輸流接口主要承擔(dān)TS流的傳輸,比較專(zhuān)一;命令接口需要承擔(dān)建立和維護(hù)機(jī)卡之間的所有通信連接,所以其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些.

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的建立由硬件和軟件部分共同協(xié)調(diào)完成,實(shí)現(xiàn)CIMAX解擾TS流的軟件模塊主要有CI初始化、主機(jī)與應(yīng)用建立連接、主機(jī)與CA進(jìn)行交換等.模塊流程如圖5所示.

由圖5可知,CI初始化主要是將解擾過(guò)程中所用到的參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置,比如對(duì)CAM插入的檢測(cè),主機(jī)與CA模塊所設(shè)定的緩沖區(qū)大小等信息的設(shè)定;主機(jī)與應(yīng)用之間根據(jù)資源及所提供的管理機(jī)制建立正常通信,在建立過(guò)程之中,主機(jī)查詢(xún)所有傳輸連接上的輪廓并得到響應(yīng),列出所有可用資源列表并繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)用信息以及CA信息的查詢(xún);主機(jī)與CA模塊的交換主要是發(fā)送命令,并得到回應(yīng),比如發(fā)送CAPMT,獲取選定節(jié)目的相關(guān)信息.

命令接口傳輸層協(xié)議中主機(jī)及模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖6所示.主機(jī)及模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移,一般是處在空閑狀態(tài)下,當(dāng)收到主機(jī)命令時(shí),需要建立請(qǐng)求進(jìn)入工作狀態(tài),即切換到有效狀態(tài),有效請(qǐng)求建立完成以后發(fā)送請(qǐng)求內(nèi)容,相反,若超時(shí),則直接到空閑狀態(tài).發(fā)送完畢后會(huì)進(jìn)行刪除請(qǐng)求回到空閑狀態(tài),刪除過(guò)程若是超時(shí)也會(huì)自動(dòng)切換到空閑狀態(tài),以節(jié)省空間,提高CPU運(yùn)行效率.模塊一般是在收到主機(jī)命令Create_T_C時(shí),發(fā)送C_T_C_Reply請(qǐng)求,并建立有效請(qǐng)求,當(dāng)有效請(qǐng)求完成任務(wù)時(shí),會(huì)發(fā)送D_T_C_Reply,收到Delete_T_C后,直接切換到空閑狀態(tài),或者處于“正在刪除”過(guò)程中,若此過(guò)程超時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài).

圖5 軟件模塊流程

圖6 主機(jī)及模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,TS流的解擾是關(guān)鍵環(huán)節(jié).本文分析了TS流的加擾和解擾的原理,采用CIMAX接口芯片和大小CAM卡,實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立TS流的解擾功能,對(duì)于解擾后的TS流可以直接送給通用解碼器進(jìn)行解碼以實(shí)現(xiàn)視音頻識(shí)別處理等功能,也可以傳送至網(wǎng)絡(luò),從而分配給不同的解碼器實(shí)現(xiàn)解碼或直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ),以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化,方便值班人員對(duì)信息及故障的查詢(xún).該方案功能強(qiáng)大,系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高,具有很高的實(shí)用價(jià)值.

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ApplicationofDoubleTSStreamsDescramblerBasedonCIMAXandCAMCardsinDigitalTVMonitoringSystem

YUAN Sannan

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090)

Digital TV system monitoring and descrambling of Transport Stream(TS) is introduced,and the principle of scrambled and descrambled TS stream is analyzed.Interface chip cards based on CIMAX and big/small CAM cards are proposed to achieve two independent TS stream.This descrambling system combines hardware and software to realize the completion of descrambling,and has been successfully used in digital television monitoring system.

digital TV monitoring; transport stream(TS); descrambler; interface chip CIMAX; Big/small CAM cards

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.019

2016-03-18

袁三男(1967-),男,博士,副教授,江蘇蘇州人.主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng),流媒體網(wǎng)絡(luò),數(shù)字電視,嵌入式系統(tǒng).E-mail:samuel.yuan@shiep.edu.cn.

TN949.197

A

1006-4729(2017)05-0505-06

(編輯 桂金星)