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        天津衛(wèi)視高清遠程加密技術(shù)原理與應用

        2019-03-05 19:54:22侯慶云
        傳播與制作 2019年2期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)

        侯慶云

        目前,通過衛(wèi)星傳輸?shù)母咔咫娨暪?jié)目主要為有線電視前端和發(fā)射臺站等播出單位提供信號源,為確保傳輸安全、避免非授權(quán)接收,總局要求衛(wèi)星傳輸?shù)母咔骞?jié)目必須進行加密,同時,為減少加密系統(tǒng)種類,方便節(jié)目接收,高清節(jié)目的加密應由已有的付費節(jié)目集成平臺集中進行。本文就數(shù)字電視條件接收加解擾的基本原理及將遠程加密技術(shù)應用到天津衛(wèi)視高清上星傳輸系統(tǒng)中加以論述,若有不妥,請各位同仁指正。

        一.數(shù)字電視條件接收加解擾與加解密的基本原理

        電視信號的條件接收(CA,Conditional Access),就是只允許一部分符合條件的用戶接收特定的電視節(jié)目。而條件接收系統(tǒng)的任務是保證有限制的數(shù)字電視廣播業(yè)務僅被授權(quán)接收的用戶接收,其主要功能是對信號加擾,對用戶電子密鑰的加密以及建立一個確保被授權(quán)的的用戶能接收到加擾節(jié)目的用戶管理系統(tǒng)。條件接收系統(tǒng)中對加、解擾技術(shù)的一般要求是:保密性、質(zhì)量還原性、高安全性、易擴展性、高性價比等。

        1.加解擾的基本過程

        數(shù)字電視信號加擾的方法是,在發(fā)送端有一個偽隨機數(shù)字序列(PRBS,Pseudo-Random Bina-ry Sequence)和欲加擾的數(shù)字電視信號進行模2加(即異或)運算,其輸出即是已加擾的數(shù)字電視信號;在接收端,使用與發(fā)送端同一個PRBS,再對已加擾的電視信號作一次模2加(即異或)運算,將會重新得到原始的數(shù)字電視信號。如圖1所示:

        設一串原始數(shù)字電視信號的碼元序列為:11011100101001;在進行加擾時,與之進行異或的一段偽隨機序列為:01001010101110,則加擾后的數(shù)字電視信號就變成:100101001110100,將是毫無意義的雜亂無章的“畫面”,達到了加擾的目的。

        解擾后重新得到原來的數(shù)字電視信號,上面就是加解擾的基本過程。

        2.加解密的基本過程

        (1)控制字

        從加、解擾過程可知,CAS中發(fā)送端和接收端的偽隨機數(shù)字發(fā)生器產(chǎn)生的PRBS,在時間上必須準確一致。即解擾的關(guān)鍵是要掌握偽隨機序列發(fā)生器的起始點。由于加、解擾的兩個偽隨機數(shù)字序列發(fā)生器是相同的,只要兩個起始點相同(初始化相同),產(chǎn)生的偽隨機數(shù)字序列就一樣,這個初始化的值稱為控制字(CW,Control Word),誰掌握了這個CW,誰就可以解擾。

        (2)對CW的加密

        為了使非法用戶難以掌握CW,應使CW經(jīng)常變化,如一分鐘變化十幾次,而且CW變化越快,就越難以破譯。在實際的CAS中,是將CW加密成授權(quán)控制信息(ECM,Entitlement Control Messages)后,和已加擾的數(shù)字電視信號復用在一起傳遞到接收端。這時符合條件接收的合法用戶還不能直接獲得CW,因為CW是加密的。欲從ECM中解密出CW,用戶還需獲得對ECM解密的的密鑰,這里的密鑰稱為授權(quán)密鑰(AK,Authorization Key),也稱為業(yè)務密鑰(SK,Service Key)。因此,在CAS的發(fā)送端,除了向接收端傳送加擾的數(shù)字電視信號、ECM外,還必須傳送SK。

        (3)業(yè)務密鑰、分配密鑰及其加密

        按CAS的要求,用戶獲得SK還應當具備如交費條件或其它等條件,這些條件又稱為分配密鑰(DK,)。通常的做法是,分配密鑰DK對授權(quán)密鑰AK加密形成授權(quán)管理信息(EMM,Entitlement Management Message)數(shù)據(jù)包,加擾的數(shù)字電視信號、ECM、EMM復用后從發(fā)送端傳送至接收端。而分配密鑰DK一般是通過非常安全的渠道傳送給用戶,如智能卡就是一種方便安全的傳送方法,DK固化在智能卡中并以加密的形式存儲。

        3.數(shù)字電視信號的加擾及對CW的加密過程

        在CAS的發(fā)送端,分配密鑰(DK)對業(yè)務密鑰(SK)加密后形成授權(quán)管理信息數(shù)據(jù)包(E M M);業(yè)務密鑰(SK)對控制字(CW)加密后形成授權(quán)控制信息數(shù)據(jù)包(ECM);偽隨機數(shù)據(jù)序列發(fā)生器對電視信號進行加擾形成加擾的數(shù)字電視信號,CW控制PRBS的起始點。EMM、ECM和已加擾的數(shù)字電視信號經(jīng)復用后形成基本數(shù)據(jù)流,對載波調(diào)制后發(fā)送出去。

        4.CW的解密與已擾數(shù)字電視信號的解擾的過程

        在接收端,機頂盒對接收的數(shù)字電視載波信號解調(diào)、解復用后,取出EMM和ECM信號;同時,在智能卡中完成用分配密鑰(DK)對EMM解密而得到業(yè)務密鑰(SK),然后用業(yè)務密鑰(SK)對ECM解密,得到CW,最后用CW對偽隨機數(shù)字序列發(fā)生器進行控制,產(chǎn)生出與發(fā)送端一致的PRBS并送至解擾器,完成解擾,恢復出原始的數(shù)字電視信號。

        二.遠程加密系統(tǒng)的基本原理

        遠程加密是指復用加擾器在本地,CA系統(tǒng)在異地遠端,通過專用的網(wǎng)絡通道將復用加擾器和CA 系統(tǒng)連通,實現(xiàn)對節(jié)目的加密,相當于將本地加密連接CA系統(tǒng)和復用加擾器的網(wǎng)絡向遠端進行了延伸。根據(jù)相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明,雖然SCS(同密同步機)設備與復用加擾機之間通過國干網(wǎng)遠距離連接,會產(chǎn)生網(wǎng)絡延時或網(wǎng)絡故障等情況,但根據(jù)SCS設備與復用加擾機的工作特性,在出現(xiàn)網(wǎng)絡中斷等異常情況下可以持續(xù)加密并保證授權(quán)用戶的正常接收。遠程加密示意圖如圖2所示。

        三.天津衛(wèi)視高清頻道遠程加密系統(tǒng)的設計

        廣電總局科技司在《高清同播頻道衛(wèi)星傳輸有關(guān)工作的通知》,要求各地高清同播頻道衛(wèi)星傳輸一律采用加密方式,加密系統(tǒng)可在北京鼎視、電影頻道、上海文廣三個付費節(jié)目集成平臺中自行選取。同時為降低遠程加密信號傳輸中斷對播出的影響,在技術(shù)方案中應考慮清流自動切換。根據(jù)以上要求,通過調(diào)研,我們選擇了上海文廣平臺完成遠程加密工作,同時對加密系統(tǒng)與本地編碼復用調(diào)制系統(tǒng)的結(jié)合、信號切換等環(huán)節(jié)進行了設計。

        1.加密信息傳輸鏈路的設計

        上海文廣平臺的CA系統(tǒng)輸出的ECM、EMM信號是IP信號,信息經(jīng)過E1/IP適配器轉(zhuǎn)換后,通過國干網(wǎng)2M 通道傳輸至傳輸機房,經(jīng)過E1/IP適配器轉(zhuǎn)換后送至復用加擾器對信號進行加密。其傳輸鏈路框圖如圖3所示。

        2.天津衛(wèi)視高清電視遠程加密技術(shù)傳輸系統(tǒng)設計

        根據(jù)總局的要求,為保障安全播出,復用加擾機應為主、備雙機配置。根據(jù)雙機的工作狀態(tài)可以分為雙機在線備份和雙機離線備份。相對于離線備份方案,在線備份方案安全保障級別較高,同時需要占用加密平臺較多的資源。根據(jù)實際需要,本系統(tǒng)使用雙機在線備份方案。天津衛(wèi)視高清電視遠程加密技術(shù)傳輸備系統(tǒng)與主系統(tǒng)是一樣的。下面以天津衛(wèi)視高清信號處理主系統(tǒng)為例進行說明,如圖4所示。

        3.天津衛(wèi)視高清編碼同密同步器遠程加密傳輸系統(tǒng)處理流程

        在對編碼復用調(diào)制系統(tǒng)及遠程加密系統(tǒng)的設備配置和系統(tǒng)搭建情況進行分析后,下面以主系統(tǒng)為例,對該系統(tǒng)的信號處理流程及各設備所起的作用進行分析。

        從電視臺傳送來的主、備兩路HD-SDI信號分別送入編碼器1和編碼器2進行MPEG-2編碼,編碼器輸出2路碼流分別送入復用器1和復用器2,同時,編碼器1和2各分別各輸出一路清流送入切換器2,復用器1和2各輸出的加擾信號流,送給切換器1。

        自動ASI切換器1和2輸出的碼流送入切換器3,正常情況下切換器3輸出加密流,送入調(diào)制器,一旦發(fā)現(xiàn)輸入的加密流丟失或出現(xiàn)符合切換條件的錯誤,切換器3將自動切換到清流輸出,保證送入調(diào)制器信號的穩(wěn)定連續(xù)。

        在主復用器內(nèi)部,首先由控制字發(fā)生器產(chǎn)生控制字CW,將它提供給本地加擾器和遠端的加密平臺。 本地加擾器根據(jù)控制字發(fā)生器提供的控制字,對來自編碼器1的TS流進行加擾運算,同時,加密平臺接收到來自主復用器的CW后,則根據(jù)用戶授權(quán)系統(tǒng)提供的授權(quán)密鑰對控制字進行加密運算,輸出授權(quán)控制信息ECM、授權(quán)管理信息EMM。ECM和EMM信息由專用網(wǎng)絡傳輸至主復用器,與視頻、音頻和數(shù)據(jù)的碼流一起打包成TS流輸出。天津衛(wèi)視高清遠程加密傳輸系統(tǒng)中的兩臺復用器為主、備工作模式,備復用器與主復用器進行同步來獲取CW、ECM、EMM等信息并對編碼器2送來的清流進行加擾,因此,從復用加擾器1和2輸出的碼流是相同的加擾流。

        四.天津衛(wèi)視高清頻道遠程加密系統(tǒng)實際運行

        天津衛(wèi)視高清上星傳輸系統(tǒng)自投入使用,設備運行穩(wěn)定,但是在系統(tǒng)維護過程中發(fā)現(xiàn)了信號切換后不能正常解擾的情況。

        1.問題的出現(xiàn)

        天津衛(wèi)視高清編碼調(diào)制系統(tǒng)在前期運行中發(fā)現(xiàn),當上星使用的信號在主、備系統(tǒng)的加密流之間進行切換時,由于兩系統(tǒng)控制字之間的差別會導致下行接收出現(xiàn)最長24秒(加擾周期)的黑場或靜幀;另外,從清流向加擾流切換時也會發(fā)生?場現(xiàn)象,只有加擾流向清流切換時,才不會出現(xiàn)下行信號黑場等情況。

        2.問題的分析

        因為主、備系統(tǒng)是獨立的系統(tǒng),各自產(chǎn)生的CW不同,所以兩個系統(tǒng)輸出的信號是用不同CW進行加擾而且攜帶不同ECM等加密信息的兩路TS流,因此在實施主、備系統(tǒng)信號切換時,在接收端會出現(xiàn)對TS流進行加擾的CW與接收機收到的CW不匹配,從而不能正常解擾導致接收端出現(xiàn)黑屏的情況。

        3.解決方法

        對現(xiàn)有系統(tǒng)做如下調(diào)整和操作:

        (1)將備系統(tǒng)改為不做加擾,始終輸出清流信號,這樣做為的是主系統(tǒng)有故障自動切到備系統(tǒng)時,在接收端下行信號不會出現(xiàn)黑場現(xiàn)象。調(diào)整后的天津衛(wèi)視高清遠程加密技術(shù)傳輸備系統(tǒng)如圖5所示。

        (2)當主系統(tǒng)恢復后,先向廣電總局說明情況,指定在0:00以后,由備系統(tǒng)切回主系統(tǒng)。在切換過程中有可能出現(xiàn)最長為24秒左右的黑場。這樣做可以將黑場現(xiàn)象控制在深夜收視率很低的情況下發(fā)生。

        經(jīng)過改造解決了由于系統(tǒng)切換造成的黑場現(xiàn)象,同時又能保障天津衛(wèi)視高清信號的加擾傳輸,滿足了廣電總局對高清信號上星傳輸?shù)陌踩コ龅囊蟆?img src="https://cimg.fx361.com/images/2019/03/07/qkimagescbzzcbzz201902cbzz20190213-5-l.jpg"/>

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