於 輝，敖發(fā)良，石 濤

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

1 引言

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，截至2009年底中國有線數(shù)字電視用戶已超過6 500萬戶。隨著人們生活水平的提高，家庭中有2臺及以上電視的現(xiàn)象極為普遍，然而當今推廣的機頂盒產(chǎn)品只能支持1臺電視信號的接收，并已成為當前阻礙數(shù)字電視推廣的重大因素之一。人們要求新一代數(shù)字機頂盒具有類似“路由”的功能，可以同時支持家庭中多臺電視接收不同節(jié)目的信號。因此，對于雙解碼甚至多解碼機頂盒的研發(fā)勢在必行。文獻[1]提出了一種多顯示數(shù)字電視機頂盒的設(shè)計方案，已獲國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)。

在過去的近20年里，DSP處理器的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也得到相應(yīng)發(fā)展，價格大幅下降，應(yīng)用也越來越廣泛。本設(shè)計的重點就是要把2路數(shù)字電視信號的解擾算法應(yīng)用于以TMS320VC5410DSP芯片為內(nèi)核的單板硬件環(huán)境。在增加一定硬件開銷的前提下，快速提高解擾算法。DSP芯片同時為2塊解碼模塊實現(xiàn)解擾運算，滿足系統(tǒng)要求，實現(xiàn)了雙解碼機頂盒。

2 機頂盒條件接收基本原理

國內(nèi)有線數(shù)字電視采用DVB-C作為行業(yè)標準，以MPEG-2作為音視頻編碼方式。為保證收費電視可被合法用戶正常收看，數(shù)字電視傳輸時通常采用對傳輸流（TS）進行加擾的條件接收系統(tǒng)。因此解擾模塊的實現(xiàn)是機頂盒中的一項關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)包括3層結(jié)構(gòu)[2]：1）利用控制字（CW）對原始電視信號（圖像、聲音和數(shù)據(jù)）進行加擾，得到加擾后的電視信號。CW通常為64 bit，它在 5～20 s內(nèi)變化可調(diào)[3]。2）利用業(yè)務(wù)密鑰（SK）對CW加密成為授權(quán)控制信號（ECM），其中還包括節(jié)目來源、時間、內(nèi)容分類和節(jié)目價格等節(jié)目信息。CW由于數(shù)據(jù)量大，變化比較快，通常使用對稱密鑰算法加解密，如DES算法。3）利用分配密鑰（PDK）對SK進行加密，形成授權(quán)管理信息（EMM）數(shù)據(jù)包，包括地址、用戶授權(quán)信息、用戶付費情況等。由于SK變化周期比較長，通常為1個月，一般采用RSA算法加密。

ECM，EMM和加擾的音視頻信號復用在一起傳送到接收端。接收端根據(jù)智能卡提供的信息在TS流中過濾出屬于自己的EMM和對應(yīng)節(jié)目的ECM數(shù)據(jù)包后，利用固化在智能卡中的PDK依次解密出SK和CW，最后通過解擾器還原出標準的MPEG-2音視頻信號供解碼電路進行解碼后輸出聲音和圖像信號。

3 雙解碼機頂盒硬件平臺設(shè)計

本設(shè)計方案中采用兩塊ST公司的單片信源解碼器芯片STi5518[4]實現(xiàn)標清數(shù)字電視解碼。該芯片主要由高頻調(diào)諧器、QAM解調(diào)器、硬件TS流解復用器、MPGE-2音視頻解碼器、條件接收模塊、存儲器模塊、紅外遙控接收模塊和各種接口電路組成。

STi5518有線數(shù)字電視雙解碼機頂盒的硬件平臺如圖1所示。工作過程如下：2路高頻調(diào)諧器接收來自有線電視網(wǎng)絡(luò)的射頻信號，2路信號分別經(jīng)過QAM解調(diào)完成信道解碼，從載波中解調(diào)出含有音視頻和其他數(shù)據(jù)的MPEG-2格式的傳輸流，2片STi5518芯片內(nèi)部的解復用器根據(jù)所選擇的頻道在傳輸流中提取相應(yīng)的音視頻數(shù)據(jù)流（ES包）和一些控制數(shù)據(jù)包。ES包即可以被送往各自內(nèi)部對應(yīng)的音視頻解碼器解碼，經(jīng)軟硬件解碼后輸出至電視顯示終端。從圖1中可以看出，雙解碼機頂盒中最關(guān)鍵的技術(shù)是2路數(shù)字電視信號條件接收系統(tǒng)的實現(xiàn)，即通過DSP芯片與智能卡片的接口電路實現(xiàn)對用戶密鑰（PDK）的讀取，同時計算出2路電視信號的解擾密鑰CW1和CW2，并實時傳送至2塊STi5518解碼芯片中。

圖1 基于STi5518雙解碼機頂盒硬件平臺

4 基于TMS320VC5410的解擾系統(tǒng)

4.1 硬件設(shè)計

基于TMS320VC5410的雙解擾系統(tǒng)的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。除了采用TMS320VC5410作為主控芯片外，還有專用的電源芯片、Flash芯片及智能卡接口芯片。系統(tǒng)啟動后，DSP通過與智能卡的接口電路讀取固化在卡片中的PDK，同時實時接收來自2片STi5518解碼芯片的ECM信息和EMM信息，利用內(nèi)存中讀取到的PDK運行解密算法后得到CW1與CW2，并反饋到各自的STi5518芯片中供解擾電路使用。TMS320VC5410提供了3個多通道緩沖串口 McBSP0，McBSP1和 McBSP2。McBSP與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換，通過DX引腳發(fā)送，RX引腳接收。通信的時鐘與幀信號由CLKX，CLKR，F(xiàn)SX及FSR引腳來控制[5]。DSP通過BDX0，BDX1，BDX2向外圍接口發(fā)送數(shù)據(jù)；通過BDR0，BDR1，BDR2接收外圍芯片發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

圖2 基于TMS320VC5410條件接收系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括以下4個模塊：

1）電源管理模塊。TMS320VC5410DSP芯片的電源分為CPU 內(nèi)核電源（CVDD，2.5 V）和 I/O 電源（DVDD，3.3 V），而實際常用的電源都是5 V，所以必須采用合適的電源轉(zhuǎn)換芯片，本系統(tǒng)選用TI公司的TPS73SD325電壓調(diào)節(jié)器為電源適配。

2）外部存儲器模塊。采用了可工作在3.3 V的Flash芯片SST39VF400A作為外部程序存儲器來實現(xiàn)DSP的并行自舉加載，其存儲容量為256×103×16 bit。它有A0～A17共18個地址引腳和DQ0～DQ15共16條數(shù)據(jù)引腳，連接時只需將這些地址與數(shù)據(jù)引腳連至TMS320VC5410對應(yīng)的地址和數(shù)據(jù)引腳即可。將TMS320VC5410的讀寫狀態(tài)信號引腳R/W直接接到SST39VF400A的寫使能引腳WE，并在反相后接到讀使能引腳OE，即可實現(xiàn)TMS320VC5410對Flash的讀寫控制。同時將TMS320VC5410的外部存儲器選通信號MSTRB引腳接到SST39VF400A的片選信號CE。這樣當需要外部存儲器進行操作時MSTRB信號有效就可選中Flash。

3）智能卡接口模塊。IC卡接口需要外接一個IC卡接口芯片才能與DSP芯片進行通信。本設(shè)計采用了Philips公司的TDA8004芯片。TDA8004是一種IC卡接口芯片，該芯片可以提供一個低成本的異步智能卡模擬接口。TDA8004的OFF引腳與DSP芯片的外部中斷信號引腳相連，用于在智能卡插入時向DSP發(fā)出中斷；由DSP芯片的通用輸出引腳XF控制TDA8004的供電使能引腳；通過I/OUC引腳將數(shù)據(jù)送入DSP的BDR0引腳，實現(xiàn)了智能卡中數(shù)據(jù)的讀取。

4）STi5518連接模塊。TMS320VC5410與STi5518芯片主要進行解密數(shù)據(jù)的交換，DSP通過BDR1和BDR2這2個引腳接收來自STi5518送來的待解密數(shù)據(jù)包EMM和 ECM。DSP內(nèi)部完成解密后,將CW通過BDX1和BDX2反饋給STi5518。

4.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主要功能是快速解密EMM和ECM這2個數(shù)據(jù)段，得到CW。前端信源系統(tǒng)在形成EMM時一般采用的是RSA加密算法，在形成ECM時則是采用DES加密算法。因此，軟件設(shè)計主要包括以下兩方面：

1）RSA解密算法的實現(xiàn)

RSA加解密算法是一種公鑰（非對稱）密碼體制。通常是首先生成一對RSA密鑰，其中之一是保密密鑰，由用戶保存；另一個為公開密鑰，可對外公開，人們用公鑰加密文件發(fā)送給個人，個人就可以用私鑰解密接收，為提高保密強度，RSA密鑰長度至少為512 bit[6]。RSA加密過程如圖3所示。

圖3 RSA加解密流程圖

首先選擇2個大素數(shù)p和q，計算N＝p×q。然后隨機選擇加密密鑰 e，要求 e 和（p-1）×（q-1）互質(zhì)，最后利用Euclid算法計算解密密鑰d，滿足

式中： N和d也要互質(zhì)，e和N是公開密鑰，d是私密密鑰，2個素數(shù)p和q不再需要，可以丟棄，因此加密算法為

而解密算法則為

在數(shù)字電視傳播系統(tǒng)中，前端信源通過事先確定的密鑰對SK進行RSA加密運算后形成EMM包。同時解密密鑰PDK已經(jīng)固化在智能卡中并發(fā)放給用戶。DSP接收到來自STi5518的EMM包后，即可讀取智能卡中的PDK，通過解密運算得到SK，并進行下一階段解密。為加快運算速度，在進行算法程序編寫時采用了冪模算法的二進制移位運算實現(xiàn)，大大節(jié)省了運算處理的時間。

2）DES解密算法的實現(xiàn)

DES加解密算法是一種私鑰（對稱）密碼體制。DES使用長度為56 bit的密鑰加密64 bit的明文，獲得長度為64 bit的密文[7]。加密時給定一個明文x，通過一個固定的初始置換IP來置換x而獲得x0，可以將其記為x0=IP（x）=L0R0（L0代表左邊 32 bit，R0代表右邊 32 bit）。 然后進行16輪完全相同的運算。根據(jù)下列規(guī)則計算LiRi（1≤i≤16）

式中：f是函數(shù)，ki是密鑰k的函數(shù)，長度為48 bit。DES加密移位過程如圖4所示。

圖4 DES加密移位圖

對比特串R16L16應(yīng)用初始置換IP的逆轉(zhuǎn)換IP-1作用之后獲得密文y，即y=IP-1（R16L16）。以上算法可同時用于DES加密和解密。電視前端信源以SK對CW采用DES加密后形成ECM包。DSP芯片接收到ECM包后利用已經(jīng)解密出的SK對ECM包進行解密后即可得到CW。

本設(shè)計系統(tǒng)的工作流程描述如下：

（1）當IC卡插入接口電路后，通過TMS320VC5410DSP芯片對其進行上電復位，置TDA8004芯片的使能信號有效，并約定傳輸協(xié)議（采用T=0，傳輸速率為9 600 bit/s）。IC卡完成初始化后，DSP讀取IC卡的各種信息，并傳輸至2片STi5518芯片中。

（2）STi5518根據(jù)IC卡的CA_system_ID在TS流中過濾出PID為0x0001的條件接收表 （CAT），然后根據(jù)CAT找到該CA系統(tǒng)中EMM對應(yīng)的PID，獲取EMM碼流后送至DSP芯片，并觸發(fā)DSP的外部中斷；DSP用讀取到的IC卡中固化的PDK運行RSA算法解密出SK，由于2個解碼芯片共用1個SK，且SK變化周期長（一般為1個月），因此將SK暫存在DSP的RAM中。

（3）STi5518解碼器根據(jù)節(jié)目信息表（PMT），得到節(jié)目ECM碼流的PID，過濾出ECM包并傳給DSP，觸發(fā)DSP外部中斷。DSP利用得到的用戶密鑰SK對ECM進行DES解密即可得到CW，并傳送給STi5518解擾電路保存并且使用。通常CW在5～20 s變化1次。若在解密過程中第2塊解碼器芯片觸發(fā)DSP外部中斷，則進入中斷等待狀態(tài)。

（4）DSP解密出1路電視信號的CW后，緊接著響應(yīng)第2片STi5518芯片的中斷請求。按照先來先處理的中斷響應(yīng)原則進行2路信號控制字的解密，從而完成多路數(shù)字電視解擾系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

5 小結(jié)

隨著數(shù)字電視技術(shù)在我國各地的推廣與普及，機頂盒產(chǎn)業(yè)存在廣闊的市場，各大公司相繼投入大量資源開發(fā)新一代產(chǎn)品，希望可以在競爭中占據(jù)有利地位。本設(shè)計中的產(chǎn)品成本低，可以同時為家庭中2臺電視機提供不同的信號接收，滿足人們的需求，加之廣電部門出臺相應(yīng)管理措施，必然有著非常巨大的市場價值。

[1]敖發(fā)良.多顯示數(shù)字電視機頂盒：中國，200810073780[P].2009-01-28.

[2]JIANG Tianpu，HOU Yongmin，ZHENG Shibao.Secure communication between set-top box and smart card in DTV broadcasting[J].IEEE Trans.Communications，2004，50（3）：882-886.

[3]鄭雯，翟希山，王志廣，等.數(shù)字電視原理、傳輸與接收[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]陳穎琪，陳軍華，王旭，等.單片式DVB－C/S機頂盒的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2003（6）：54－56.

[5]彭啟琮，李玉柏，管慶.DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]楊曉云.現(xiàn)代密碼學[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[7]張萍.機頂盒中智能卡通信的實現(xiàn)[J].電子應(yīng)用技術(shù)，2005（10）：54-55.