基于DSP的兩路DVB條件接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

於 輝，敖發(fā)良，石 濤

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截至2009年底中國(guó)有線數(shù)字電視用戶已超過6 500萬(wàn)戶。隨著人們生活水平的提高，家庭中有2臺(tái)及以上電視的現(xiàn)象極為普遍，然而當(dāng)今推廣的機(jī)頂盒產(chǎn)品只能支持1臺(tái)電視信號(hào)的接收，并已成為當(dāng)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(jī)頂盒具有類似“路由”的功能，可以同時(shí)支持家庭中多臺(tái)電視接收不同節(jié)目的信號(hào)。因此，對(duì)于雙解碼甚至多解碼機(jī)頂盒的研發(fā)勢(shì)在必行。文獻(xiàn)[1]提出了一種多顯示數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)方案，已獲國(guó)家知識(shí)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(jià)格大幅下降，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是要把2路數(shù)字電視信號(hào)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(shí)為2塊解碼模塊實(shí)現(xiàn)解擾運(yùn)算，滿足系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)了雙解碼機(jī)頂盒。

2 機(jī)頂盒條件接收基本原理

國(guó)內(nèi)有線數(shù)字電視采用DVB-C作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以MPEG-2作為音視頻編碼方式。為保證收費(fèi)電視可被合法用戶正常收看，數(shù)字電視傳輸時(shí)通常采用對(duì)傳輸流（TS）進(jìn)行加擾的條件接收系統(tǒng)。因此解擾模塊的實(shí)現(xiàn)是機(jī)頂盒中的一項(xiàng)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(duì)原始電視信號(hào)（圖像、聲音和數(shù)據(jù)）進(jìn)行加擾，得到加擾后的電視信號(hào)。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(duì)CW加密成為授權(quán)控制信號(hào)（ECM），其中還包括節(jié)目來(lái)源、時(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目?jī)r(jià)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(duì)稱密鑰算法加解密，如DES算法。3）利用分配密鑰（PDK）對(duì)SK進(jìn)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(fèi)情況等。由于SK變化周期比較長(zhǎng)，通常為1個(gè)月，一般采用RSA算法加密。

ECM，EMM和加擾的音視頻信號(hào)復(fù)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2音視頻信號(hào)供解碼電路進(jìn)行解碼后輸出聲音和圖像信號(hào)。

3 雙解碼機(jī)頂盒硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中采用兩塊ST公司的單片信源解碼器芯片STi5518[4]實(shí)現(xiàn)標(biāo)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(fù)用器、MPGE-2音視頻解碼器、條件接收模塊、存儲(chǔ)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(jī)頂盒的硬件平臺(tái)如圖1所示。工作過程如下：2路高頻調(diào)諧器接收來(lái)自有線電視網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)，2路信號(hào)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(fù)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(duì)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(jī)頂盒中最關(guān)鍵的技術(shù)是2路數(shù)字電視信號(hào)條件接收系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，即通過DSP芯片與智能卡片的接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶密鑰（PDK）的讀取，同時(shí)計(jì)算出2路電視信號(hào)的解擾密鑰CW1和CW2，并實(shí)時(shí)傳送至2塊STi5518解碼芯片中。

圖1 基于STi5518雙解碼機(jī)頂盒硬件平臺(tái)

4 基于TMS320VC5410的解擾系統(tǒng)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

基于TMS320VC5410的雙解擾系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)實(shí)時(shí)接收來(lái)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(yùn)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(gè)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(shí)鐘與幀信號(hào)由CLKX，CLKR，F(xiàn)SX及FSR引腳來(lái)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(lái)的數(shù)據(jù)。

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

硬件系統(tǒng)主要包括以下4個(gè)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP的并行自舉加載，其存儲(chǔ)容量為256×103×16 bit。它有A0～A17共18個(gè)地址引腳和DQ0～DQ15共16條數(shù)據(jù)引腳，連接時(shí)只需將這些地址與數(shù)據(jù)引腳連至TMS320VC5410對(duì)應(yīng)的地址和數(shù)據(jù)引腳即可。將TMS320VC5410的讀寫狀態(tài)信號(hào)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(shí)現(xiàn)TMS320VC5410對(duì)Flash的讀寫控制。同時(shí)將TMS320VC5410的外部存儲(chǔ)器選通信號(hào)MSTRB引腳接到SST39VF400A的片選信號(hào)CE。這樣當(dāng)需要外部存儲(chǔ)器進(jìn)行操作時(shí)MSTRB信號(hào)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(gè)IC卡接口芯片才能與DSP芯片進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)引腳相連，用于在智能卡插入時(shí)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(shí)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(jìn)行解密數(shù)據(jù)的交換，DSP通過BDR1和BDR2這2個(gè)引腳接收來(lái)自STi5518送來(lái)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(jì)

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

1）RSA解密算法的實(shí)現(xiàn)

RSA加解密算法是一種公鑰（非對(duì)稱）密碼體制。通常是首先生成一對(duì)RSA密鑰，其中之一是保密密鑰，由用戶保存；另一個(gè)為公開密鑰，可對(duì)外公開，人們用公鑰加密文件發(fā)送給個(gè)人，個(gè)人就可以用私鑰解密接收，為提高保密強(qiáng)度，RSA密鑰長(zhǎng)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(gè)大素?cái)?shù)p和q，計(jì)算N＝p×q。然后隨機(jī)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(jì)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(gè)素?cái)?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(duì)SK進(jìn)行RSA加密運(yùn)算后形成EMM包。同時(shí)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(lái)自STi5518的EMM包后，即可讀取智能卡中的PDK，通過解密運(yùn)算得到SK，并進(jìn)行下一階段解密。為加快運(yùn)算速度，在進(jìn)行算法程序編寫時(shí)采用了冪模算法的二進(jìn)制移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了運(yùn)算處理的時(shí)間。

2）DES解密算法的實(shí)現(xiàn)

DES加解密算法是一種私鑰（對(duì)稱）密碼體制。DES使用長(zhǎng)度為56 bit的密鑰加密64 bit的明文，獲得長(zhǎng)度為64 bit的密文[7]。加密時(shí)給定一個(gè)明文x，通過一個(gè)固定的初始置換IP來(lái)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(jìn)行16輪完全相同的運(yùn)算。根據(jù)下列規(guī)則計(jì)算LiRi（1≤i≤16）

式中：f是函數(shù)，ki是密鑰k的函數(shù)，長(zhǎng)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(duì)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(shí)用于DES加密和解密。電視前端信源以SK對(duì)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(duì)ECM包進(jìn)行解密后即可得到CW。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程描述如下：

（1）當(dāng)IC卡插入接口電路后，通過TMS320VC5410DSP芯片對(duì)其進(jìn)行上電復(fù)位，置TDA8004芯片的使能信號(hào)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(duì)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(yùn)行RSA算法解密出SK，由于2個(gè)解碼芯片共用1個(gè)SK，且SK變化周期長(zhǎng)（一般為1個(gè)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(duì)ECM進(jìn)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(jìn)入中斷等待狀態(tài)。

（4）DSP解密出1路電視信號(hào)的CW后，緊接著響應(yīng)第2片STi5518芯片的中斷請(qǐng)求。按照先來(lái)先處理的中斷響應(yīng)原則進(jìn)行2路信號(hào)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(guó)各地的推廣與普及，機(jī)頂盒產(chǎn)業(yè)存在廣闊的市場(chǎng)，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(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。本設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品成本低，可以同時(shí)為家庭中2臺(tái)電視機(jī)提供不同的信號(hào)接收，滿足人們的需求，加之廣電部門出臺(tái)相應(yīng)管理措施，必然有著非常巨大的市場(chǎng)價(jià)值。

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