基于DVB标准CATV加扰系统的设计

2012-10-27郑玮

通信技术 2012年5期

郑玮

(喀什师范学院，新疆喀什 844006)

0 引言

目前，模拟电视广播正面临全面关闭的状态。美国模拟电视广播于2009年关闭，英国等欧洲国家2010年关闭模拟电视广播，而中国将于2015年停止模拟电视广播，全面实现数字电视的全国覆盖[1]。

数字电视是从节目采集、编辑制作到信号的发送、传输和接收全部采用数字处理的全新数字系统，其利用先进的数字图像压缩技术、数字信号纠错编码技术、高效的数字调制技术等，使数字电视有较高的图像质量以外，还便于开展多种数字信息服务如数字广播、文字广播等，也容易实现加密、加扰以开展各类收费业务[2]。

随着数字电视整体转换的快速推进，数字电视的安全问题也逐渐浮现。条件接收系统(CAS,Conditional Access System)是保证数字电视系统安全的核心部分，是数字电视收费的技术保障系统，因而其安全性、可靠性也就成为近年来研究的热点之一。

1 条件接收系统组成

条件接收系统，即 CA 系统，其主要功能是对电视信号加扰、对用户电子密钥的加密以确保授权用户能接收到电视节目而非法用户无法接入的用户管理系统[3]。

CA 系统的组成如图1所示，主要由加解扰器、加解密器、控制字产生器、用户授权系统、用户管理系统、复用模块和条件接收子系统等部分组成[4]。

图1 CA 系统的组成

2 加扰原理

电视信号的加扰与控制字的加密统称为条件接收系统的加密技术，是条件接收系统中的关键技术之一。所谓加扰就是对数据码流中的视频码流、音频码流或辅助数据进行有规律的扰乱。加扰后的信息若直接显示在屏幕上，将是杂乱无章的，只有在接收端经过解扰处理，才能恢复原始图像及伴音。这使得未授权用户无法接收到清晰的图像和伴音，从而防止节目的自由接收[5]。

对电视信号的加扰，可以只对图像或伴音加扰，也可对两者都进行加扰。数字电视信号加解扰原理框图如图2所示。在数字电视前端的 CA 系统中，将原始信息（视、音频流和数据流）用加扰器产生的加扰序列进行加扰，加扰序列的产生由控制字 (CW,Control word)控制。在用户端也有一个和发送端相同的序列发生器，只要收发两端间产生的加解扰序列同步（即用同一个初始值启动），接收端的解扰序列就可以将被加扰的信息恢复成原始的信息。

图2 数字电视信号加解扰原理框

一般来说，对加扰系统的要求，主要有保密性、高质量还原性、高安全性、易扩展性、高性能和高价格比等方面[6-7]。

3 电视信号加扰的实现

数字电视的数据码流是一连串二进制数，因此就很容易对这些二进制数进行各种各样的变换操作，这些变换不但包括对数据值本身的变换也包括对数据在码流中位置的改变。

2.2.3 角尺度角尺度用来描述相邻树木围绕参照树的均匀性，用角尺度描述林木个体在水平地面上的分布形式，或者说种群的空间分布格局(描述非规则性)。任意2个邻接最近相邻木的夹角有2个，小角为α，最近相邻木均匀分布时的夹角设为标准角α0。对于n=4，标准角的可能取值范围为(60°，90°)，最优标准角为72°[11]。角尺度被定义为α角小于标准角α0的个数占所考察的n个夹角的比例，其表达式式中：Wi为第i株参照树的角尺度；Zij为离散性变量，其值定义为，当第j个α角小于标准角α0时，Zij=1，否则式中：W为树种或林分平均角尺度；N为树种或林分的林木总株数。

电视信号的加扰常用方法有2种：比特流的变换法和分段交织法。

(1)比特流的变换法

如图3所示，图中，ai表示处理前的比特流，bi表示处理后的比特流，比特流变换器则根据输入的控制字对比特流进行随机的处理，这种处理可以是随机反相操作也可以是其他任何一种二进制操作。在这种方法中进行操作的基本单位通常是字节或者比特，它是对码流数据的值进行了改变而未改变该数值在码流中的位置。

图3 比特流的变换

(2)分段交织法

分段交织是将码流数据包分成 n 段，分割点由控制字确定，一个数据包被划分成 n 段后，各段数据交叉换位从而达到加扰的目的。接收端解码器只有在得到正确的控制字后才能知道数据段的分割点以及各个数据段的交织情况。此方法在实现时并不需要任何运算操作，只需要改变输出数据包中数据的顺序，因此实现起来比较简单，软硬件成本也较低[6-7]。

文中将采用这两种方法相结合的分段交织变换法实现对电视信号的加扰处理。

分段交织变换法是将数据包随机分成n段，随机从中选取k段进行数据值的位操作变换，然后将变换后的k段数据与未进行变换的n-k个数据段进行随机的段位置交换，这样便完成了分段交织变换。

3.1 序列发生器的实现

在加扰技术中，普遍采用伪随机二进制序列作为加解扰密钥，而在现代密码学中，反馈移位寄存器(FSR，Feedback Shift Register)被广泛应用为伪随机二进制序列发生器，反馈移位寄存器它一般是通过移位寄存器加反馈电路共同产生。在数字系统中，为了便于逻辑电路实现，通常将 FSR 的反馈函数设定为简单的异或操作，那些被用来进行异或操作的比特位称作抽头序列，这种简单的反馈移位寄存器被称为线性反馈移位寄存器(LFSR, Linear Feedback Shifting Register)。

简单易于实现是线性反馈移位寄存器的优点，但也很容易被破解，因此在数字电视 CA 系统等实际使用的系统中，通常会利用几个或多个不同抽头序列的 LFSR 来组合成一个较为复杂的伪随机序列发生器，这种LFSR 的组合通常要求每个 LFSR 具有不同的长度以及不同的特征多项式，这样可以保证整个发生器具有最大周期。

序列发生器的种类有很多，在满足数字电视安全性要求的前提下，考虑到 CA 系统的规模成本等因素，该系统选取 Geffe 伪随机序列发生器来实现数字电视信号的加扰。

Geffe 伪随机序列发生器的结构图如图4所示，Geffe 伪随机序列发生器由3个 LFSR 以非线性的方式组合而成，其中 LFSR1 和 LFSR2 作为发生器的输入，LFSR3 则用来控制发生器的输出。b1、b2、

b3分别是3个线性反馈移位寄存器产生的序列，经过复合器的复合，输出序列a，用表达式表示为：

在应用 Geffe 伪随机序列发生器时，发生器的输入由多个 LFSR 组合而成，可以增加序列的复杂度。

图4 Geffe伪随机序列发生器

3.1.1 LFSR的设计

序列产生的一般结构模型如图5所示。其中ak-i(i= 1,2,3,… ,n)表示各移位寄存器的状态，ci( i= 1,2,3,… ,n)对应各移存器的反馈系数，它表示该级移位寄存器的是否参与反馈，若 ci=1则表示该级移存器参与反馈，若ci=0则表示该级移存器不参与反馈，其中c0和cn不能等于0，这是因为c0=0意味着移位寄存器无反馈，而cn=0则意味着反馈移存器蜕化为n-1级或更少级的反馈移存器。