鄭 瑋

(喀什師范學(xué)院，新疆 喀什 844006)

0 引言

目前，模擬電視廣播正面臨全面關(guān)閉的狀態(tài)。美國模擬電視廣播于2009年關(guān)閉，英國等歐洲國家2010年關(guān)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(shí)現(xiàn)數(shù)字電視的全國覆蓋[1]。

數(shù)字電視是從節(jié)目采集、編輯制作到信號的發(fā)送、傳輸和接收全部采用數(shù)字處理的全新數(shù)字系統(tǒng)，其利用先進(jìn)的數(shù)字圖像壓縮技術(shù)、數(shù)字信號糾錯編碼技術(shù)、高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)等，使數(shù)字電視有較高的圖像質(zhì)量以外，還便于開展多種數(shù)字信息服務(wù)如數(shù)字廣播、文字廣播等，也容易實(shí)現(xiàn)加密、加擾以開展各類收費(fèi)業(yè)務(wù)[2]。

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

1 條件接收系統(tǒng)組成

條件接收系統(tǒng)，即 CA 系統(tǒng)，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(quán)用戶能接收到電視節(jié)目而非法用戶無法接入的用戶管理系統(tǒng)[3]。

CA 系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由加解擾器、加解密器、控制字產(chǎn)生器、用戶授權(quán)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、復(fù)用模塊和條件接收子系統(tǒng)等部分組成[4]。

圖1 CA 系統(tǒng)的組成

2 加擾原理

電視信號的加擾與控制字的加密統(tǒng)稱為條件接收系統(tǒng)的加密技術(shù)，是條件接收系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂加擾就是對數(shù)據(jù)碼流中的視頻碼流、音頻碼流或輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行有規(guī)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(jīng)過解擾處理，才能恢復(fù)原始圖像及伴音。這使得未授權(quán)用戶無法接收到清晰的圖像和伴音，從而防止節(jié)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(jìn)行加擾。數(shù)字電視信號加解擾原理框圖如圖2所示。在數(shù)字電視前端的 CA 系統(tǒng)中，將原始信息（視、音頻流和數(shù)據(jù)流）用加擾器產(chǎn)生的加擾序列進(jìn)行加擾，加擾序列的產(chǎn)生由控制字 (CW,Control word)控制。在用戶端也有一個(gè)和發(fā)送端相同的序列發(fā)生器，只要收發(fā)兩端間產(chǎn)生的加解擾序列同步（即用同一個(gè)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(fù)成原始的信息。

圖2 數(shù)字電視信號加解擾原理框

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

3 電視信號加擾的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字電視的數(shù)據(jù)碼流是一連串二進(jìn)制數(shù)，因此就很容易對這些二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行各種各樣的變換操作，這些變換不但包括對數(shù)據(jù)值本身的變換也包括對數(shù)據(jù)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(gè)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(guī)則性)。任意2個(gè)鄰接最近相鄰木的夾角有2個(gè)，小角為α，最近相鄰木均勻分布時(shí)的夾角設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)角α0。對于n=4，標(biāo)準(zhǔn)角的可能取值范圍為(60°，90°)，最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)角為72°[11]。角尺度被定義為α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0的個(gè)數(shù)占所考察的n個(gè)夾角的比例，其表達(dá)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(dāng)?shù)趈個(gè)α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)，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(shù)。

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(jù)輸入的控制字對比特流進(jìn)行隨機(jī)的處理，這種處理可以是隨機(jī)反相操作也可以是其他任何一種二進(jìn)制操作。在這種方法中進(jìn)行操作的基本單位通常是字節(jié)或者比特，它是對碼流數(shù)據(jù)的值進(jìn)行了改變而未改變該數(shù)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(shù)據(jù)包分成 n 段，分割點(diǎn)由控制字確定，一個(gè)數(shù)據(jù)包被劃分成 n 段后，各段數(shù)據(jù)交叉換位從而達(dá)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(shù)據(jù)段的分割點(diǎn)以及各個(gè)數(shù)據(jù)段的交織情況。此方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)并不需要任何運(yùn)算操作，只需要改變輸出數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)的順序，因此實(shí)現(xiàn)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(jié)合的分段交織變換法實(shí)現(xiàn)對電視信號的加擾處理。

分段交織變換法是將數(shù)據(jù)包隨機(jī)分成n段，隨機(jī)從中選取k段進(jìn)行數(shù)據(jù)值的位操作變換，然后將變換后的k段數(shù)據(jù)與未進(jìn)行變換的n-k個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行隨機(jī)的段位置交換，這樣便完成了分段交織變換。

3.1 序列發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

在加擾技術(shù)中，普遍采用偽隨機(jī)二進(jìn)制序列作為加解擾密鑰，而在現(xiàn)代密碼學(xué)中，反饋移位寄存器(FSR，F(xiàn)eedback Shift Register)被廣泛應(yīng)用為偽隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)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(chǎn)生。在數(shù)字系統(tǒng)中，為了便于邏輯電路實(shí)現(xiàn)，通常將 FSR 的反饋函數(shù)設(shè)定為簡單的異或操作，那些被用來進(jìn)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(shí)現(xiàn)是線性反饋移位寄存器的優(yōu)點(diǎn)，但也很容易被破解，因此在數(shù)字電視 CA 系統(tǒng)等實(shí)際使用的系統(tǒng)中，通常會利用幾個(gè)或多個(gè)不同抽頭序列的 LFSR 來組合成一個(gè)較為復(fù)雜的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，這種LFSR 的組合通常要求每個(gè) LFSR 具有不同的長度以及不同的特征多項(xiàng)式，這樣可以保證整個(gè)發(fā)生器具有最大周期。

序列發(fā)生器的種類有很多，在滿足數(shù)字電視安全性要求的前提下，考慮到 CA 系統(tǒng)的規(guī)模成本等因素，該系統(tǒng)選取 Geffe 偽隨機(jī)序列發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號的加擾。

Geffe 偽隨機(jī)序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，Geffe 偽隨機(jī)序列發(fā)生器由3個(gè) LFSR 以非線性的方式組合而成，其中 LFSR1 和 LFSR2 作為發(fā)生器的輸入，LFSR3 則用來控制發(fā)生器的輸出。b1、b2、

b3分別是3個(gè)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列，經(jīng)過復(fù)合器的復(fù)合，輸出序列a，用表達(dá)式表示為：

在應(yīng)用 Geffe 偽隨機(jī)序列發(fā)生器時(shí)，發(fā)生器的輸入由多個(gè) LFSR 組合而成，可以增加序列的復(fù)雜度。

圖4 Geffe偽隨機(jī)序列發(fā)生器

3.1.1 LFSR的設(shè)計(jì)

序列產(chǎn)生的一般結(jié)構(gòu)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(tài)，ci( i= 1,2,3,… ,n)對應(yīng)各移存器的反饋系數(shù)，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?yàn)閏0=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(jié)構(gòu)

圖中n位反饋移位寄存器的反饋函數(shù)可表示為：

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

該系統(tǒng)選用級數(shù)為7、9和10，反饋系數(shù)分別是211、1055、2033，經(jīng)過復(fù)合運(yùn)算而得的隨機(jī)序列對數(shù)字電視信號進(jìn)行加擾。

4 綜合結(jié)果分析

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

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

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

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

[3]王興東,余松煜,陳穎琪.數(shù)字電視數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2002(05):46-48.

[4]陳文全.數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2004:2-75.

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

[6]丁劍,王菁.電視信號的加解擾[J].鹽城工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1999（03）:56-58.

[7]張傳武,黃勤珍,張?zhí)祢U.有線電視加解密系統(tǒng)研究[J].信息安全與通信保密,2005(10):55-56.

[8]段吉海,黃志偉.數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004:248-254.