有线数字电视前端基础知识.docx

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有线数字电视前端基础知识

有线数字电视前端基础知识

 数字电视广播（DVB）分为有线数字电视广播（DVB-C）、卫星数字电视广播（DVB-S）和地面数字电视广播（DVB-T），其信源编码都是MPEG-2标准的数据传输流，信道调制分别采用QAM、QPSK和COFDM（或VSB）方式。

基于MPEG-2标准的DVB-C以有线电视网作为传输介质，当采用64-QAM正交调幅调制时，一个8MHz模拟PAL电视频道可供6-8套数字电视节目复用传输。

地市级有线数字电视广播系统（以下简称DVB-C系统）主要由DVB前端、宽带传输网络、用户终端DVB接收系统三大部分组成。

  1 DVB前端

   DVB前端是DVB-C系统的信息交换中心，负责信号的接收、处理和控制，完成信号输入、信号处理、信号输出和条件接收、节目管理、用户管理、系统管理等功能。

为提高DVB-C系统的安全可靠性，DVB前端中重要的设备可采用“用1备1”自动切换的热备份，一般的设备可用“用N备1”自动切换备份。

   1.1 信号源

   DVB前端的信号源有：

本地播出的模拟和数字电视信号、模拟和数字卫星电视信号、演播室信号、Internet数据流、SDH网络的模拟和数字电视信号等。

DVB/MPEG-2数字卫星电视接收机（解码器）负责对DVB-S节目进行QPSK解调，输出标准的数字电视节目传输流（TS）。

而TS码流输入器则负责接收、选出上级广电SDH光纤传输网的多节目传输流（MPTS）中相应节目并与其它TS传输流复用成一路MPTS。

   1.2 视频服务器

   视频服务器负责将接收或采集到的不同信号源、不同格式（文本、数据流、视音频）的信息转换为符合DVB/MPEG-2标准的TS传输流数据，并采用大容量的硬盘阵列，用于存储和传输DVB/MPEG-2TS传输流数据。

视频服务器还负责对本地数字电视节目素材数据库进行有效的管理，并由自动播控系统控制，实现多路节目的自动（或人工手动）播出。

   1.3 自动播控系统

   自动播控系统负责将本地电视节目上载录入并存储在视频服务器的硬盘阵列中，并编制节目播出列表，在指定的时间按自动播控软件进行定时自动（或人工手动）控制、调用和播出视频服务器硬盘阵列中的数据或节目，自动播控系统主要由上载工作站、播控工作站及其相应控制和管理软件组成。

   1.4 DVB/MPEG-2实时编码器

   DVB/MPEG-2实时编码器负责对模拟视音频信号源进行数字化采集和MPEG-2压缩编码，输出符合DVB标准的MPEG-2数字视音频基本流（ES），再进行视频实时数字预处理、时基校正、打包（分组）等处理，打包后的视音频ES流称为视音频PES流，然后将视音频PES流送往节目复用器。

MPEG-2编码器由视音频接口、视音频压缩编码和复用三个模块组成。

视音频接口模块是将模拟视音频输入信号转换为数字格式输入至编码模块，视频接口支持模拟复合信号、S-Video模拟信号、YUV模拟分量信号和SDI串行数字分量信号，并支持PAL、NTSC和SECAM三大制式。

音频接口支持一路模拟立体声或两路单声道模拟音频。

音频编码由音频编码软件将音频接口输入的模拟音频信号按MPEG-2标准进行编码，得到音频ES基本流送往音频打包器打包成音频PES流，打包后的音频PES流也送往节目复用器。

节目复用器将视频PES流、音频PES流和辅助数据PES流复用（节目级复用）成单节目传输流（SPTS），再将SPTS送至DVB/MPEG-2传输流复用器。

   1.5 DVB/MPEG-2传输流复用器

   DVB/MPEG-2的复用分为节目级复用和系统级复用两个层次，节目级复用指从PES流到SPTS流的复用，系统级复用指从SPTS流到多节目传输流（MPTS）的复用，DVB/MPEG-2实时编码器中节目复用器的复用是节目级复用，DVB/MPEG-2传输流复用器的复用是系统级复用。

   DVB/MPEG-2传输流复用器负责将来自视频服务器、DVB/MPEG-2实时编码器和DVB-S的多路DVB/MPEG-2SPTS（单节目传输流）复用（系统级复用）为一路MPTS（多节目传输流），也就是将多个SPTS复用为一个MPTS，以节省和优化带宽资源，提高信道容量，实现在一个8MHz模拟PAL电视频道上传输6-8套数字电视节目。

DVB/MPEG-2传输流复用器的每路SPTS输入中包括视频PES、音频PES和辅助数据PES，其输出为MPTS，MPTS中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统级复用时需要加入业务信息（SI），使接收端可以识别不同的节目。

DVB/MPEG-2传输流复用器在接收多路SPTS并将其复用成一路MPTS的同时，需去除零或不需要的包，必要时重新变换包识别符（PID），并抽取和处理所收到的节目说明信息（PSI）和业务信息（SI），将其和DVB前端产生的本地这类数据传输流集成起来，由条件接收（CA）系统进行加扰处理，已加扰的数字电视信号输出到QAM调制器。

   1.6 DVB前端EPG子系统

   DVB前端EPG（电子节目指南）子系统由SIServer（SI服务器）负责完成DVB前端SI数据的组织和生成，SI数据的组织要符合DVB-SI的语法定义和MPEG-2的语法定义，同时要涵盖所有的业务信息，并把生成的SI数据与节目的其它数据进行系统级复用，在TS传输流中传输。

在DVB前端，SI数据段可以三种方式送入复用器：

（1）将SI数据段通过复用器的API（应用程序接口），由复用器插入节目码流。

其优点是结构简单、系统稳定，缺点是需要复用器厂家提供硬件支持和接口资料，对不同厂家复用器需要编写不同的软件。

（2）将SI数据段按MPEG-2标准打包，通过码流播出卡输出只包含SI信息的MPEG-2码流，再将之送入复用器的ASI（异步串行接口）与节目码流复用。

其优点是不需要复用器厂家支持，有一定的通用性，缺点是系统复杂，稳定性、可靠性不如方式

（1）。

（3）加扰器厂家在复用器后端的加扰器提供接口，将SI数据段送入加扰器，由加扰器向节目码流中插入SI数据。

其优缺点与方式

（1）类似。

   1.7 DVB前端CA服务器

   条件接收（CA）系统（简称CAS）是数字电视广播实行收费所必须采用的系统，也是数字电视综合利用不可缺少的部分，CAS负责完成用户授权控制与管理信息的获取、生成、加密、发送以及节目调度控制等工作，保证只有已付费的被授权的用户才能收视节目，从而保护节目制作商和广播运营商的利益。

   CAS在DVB前端采用CA服务器负责ECM（授权控制信息）及EMM（授权管理信息）的获取、生成、发送等处理。

（1）CARouter（CA路由器）负责CAS的中心调度工作，对请求连接的SMS（用户管理系统）和EPG系统进行安全性认证，实现CAS和SMS、EPG系统之间的接口，以便接收SMS的授权信息和EPG系统的节目计划信息。

（2）CA加密机存储有运营商的根密钥，通过CA加密程序及加密算法对授权信息进行加密。

（3）ECMG（ECM发生器）和EMMG（EMM发生器）根据CARouter的命令，读取CAS数据库后生成ECM和EMM，并将ECM、EMM发送给加扰与复用模块。

（4）加扰与复用模块负责定义与ECMG、EMMG、SIServer等的接口，对视频、音频和辅助数据进行加扰处理，并与ECM、EMM复用在一起从发送端传送给接收端用户。

（5）CAS数据库服务器则负责存储和管理CAS数据库，CAS数据库包含节目信息、节目分组信息、智能卡（SmartCard）个人化信息和分组信息、智能卡授权信息、系统日志等。

（6）集成管理系统（IMS）负责设置CAS系统参数，连接CAS中各组成部分，查看CAS系统日志，监测CAS各个部分运行状态，管理和控制CAS的运行。

   1.8 CAS的CA管理功能

   CAS的CA管理功能分为节目管理和用户管理两大类，节目管理负责提供数字电视运营的各种收视付费方式，用户管理负责对用户智能卡和用户收费等进行收视控制和管理。

（1）按频道付费收视（PPC）:

运营商指定某些数字频道供用户按月/季/年定购，运营商通过SMS将授权信息发送给智能卡，用户可以在指定的时间观看指定频道。

（2）按次付费收视（PPV）:

运营商指定某些数字频道中的一次性节目单独收费，用户通过EPG选择想要观看的PPV节目，并通过电话、互联网等途径通知SMS要购买此节目，SMS将此节目的授权信息发送给对应的智能卡，不管用户有没有最终观看此节目，都要收费。

（3）即兴点播按次付费收视（IPPV）:

运营商指定某些一次性节目为即兴点播按次付费收视，用户通过EPG查看、选择并购买感兴趣的IPPV节目，用户使用智能卡内的电子现金来购买，如果节目没有观看，则用户不需要付钱。

即兴点播使用户可以直接购买节目，不需要和SMS交互，可以节约SMS的运营成本。

IPPV可分为：

（a）按节目即兴点播按次付费收视（IPPV/P），用户只要收看了此节目，不管观看时间长短，都收同样的价格。

（b）按时间段即兴点播按次付费收视（IPPV/T），用户所花的费用和观看时间长短有关系，且运营商可以在前端设置各个时段的费率。

（4）预订付费收视（OPV）:

运营商指定某些节目供用户进行预订付费收视，根据用户预订方式和CAS授权方式不同，OPV可分为按时间段预订付费收视（OPV/T）、按次预订付费收视（OPPV）等。

（5）节目打包:

运营商可以把一些节目或频道打包形成产品一起出售，用户购买单位是节目包（节目组），节目打包可以减少运营商的管理成本。

（6）免费预览:

用户可以不缴费就观看节目中的一段，运营商可指定免费节目段的起始时刻和时间长度，也可在每天、每周或每月的固定短时间段提供免费预览。

（7）回传功能：

STB（机顶盒）通过回传通道将IPPV的收看和购买情况详细列表、PPC和PPV的收看情况详细列表、用户智能卡内的电子现金情况等发送给DVB前端。

（8）区域控制：

对某一指定范围的用户实施收视管制。

（a）区域禁播：

运营商可以控制某个区域的用户不能收看某个节目或频道。

（b）区域准播：

运营商可以控制某个节目或频道只能由某个区域的用户收看。

（c）录像控制：

运营商可以指定某个频道或节目不能被用户录制。

（d）区域管制：

对某一指定范围的用户实施收视管制，强制关闭或开启收视授权。

（9）指纹技术：

将用户的智能卡卡号显示在电视机屏幕上，可以控制集体用户不能使用个人用户智能卡来在公共场合播放节目或转播节目。

（10）节目级别：

运营商对每个节目或频道都指定一个家长级别，家长可以用遥控器通过密码设置和修改级别，控制节目的收看。

（11）机卡配对：

机卡配对由运营商激活或取消，一张智能卡只能应用于一个特定的STB，用户不能在多个STB上使用同一张卡，不能将智能卡带到其它区域使用，可以阻止盗版STB的发行，实现STB和智能卡的通讯加密，防止接收设备录制节目。

（12）屏显信息（OSD）：

OSD用于通知用户正在收看的节目的CA信息，如无权观看、现金不足、家长级别不足、其它即时应急消息等。

（13）应用程序下载：

下载应用程序到STB或智能卡上，改变STB的接收和控制功能，如集成EPG生成系统、PMS（节目管理系统）、SMS（用户管理系统）、智能卡发行与管理系统等。

（14）用户管理：

基于CA系统的SMS负责对用户信息、用户设备信息、节目预定信息、用户计费和结算及授权信息进行处理和管理，为CAS其它部件提供用户授权管理的基本数据。

CAS通过SMS能迅速对大量用户进行控制，并利用DVB/MPEG-2标准码流将ECM和EMM等数据传送给接收端。

（15）智能卡发行与管理系统：

发行CAS中所需的各种智能卡，支持机卡配对，未配对的接收设备无权收视加密节目。

   1.9 QAM调制器

   QAM调制器负责对经过DVB/MPEG-2压缩编码、信道编码、复用、加扰等处理后的数字电视信号进行64-QAM调制。

64-QAM调制器接收多节目数据传输流（MPTS），对其进行帧交织、RS编码和64-QAM调制，输出中频调制信号到上变频器，变换为RF射频信号，与传统模拟电视RF射频信号以及扩展业务信号的RF射频信号一起送入混合器实现频分复用。

   1.10 混合器

   不同的已复用DVB/MPEG-2TS流经过QAM调制后，将占用不同频带的8MHz模拟电视频道，DVB前端的混合器负责对QAM调制器输出的DVB-C数字电视RF射频信号、扩展业务信号的RF射频信号和传统模拟电视RF射频信号进行混合（即进行频分复用），混合器输出的混合RF射频信号送入广电宽带传输网络进行传输。

1.11 系统管理

   系统管理部分主要负责对DVB前端的输入和输出设备的工作状态、DVB前端的输入和输出信号进行实时监测和智能化、自动化控制和管理，以确保DVB前端安全可靠、高质量地运作。

系统管理部分主要由DVB前端设备管理服务器、监测工作站、控制工作站及其相应控制和管理软件组成。

  2 CAS的多级分层密钥加密体系

   在DVB前端CAS将经节目级复用器复用后的节目内容即DVB/MPEG-2视频、音频和辅助数据传输流（SPTS）与一个加扰伪随机序列做XOR运算，这个伪随机加扰序列的生成由控制字发生器提供的控制字（CW）确定。

由业务密钥（SK）加密处理后的CW在授权控制信息（ECM）数据流中传送，由用户个人分配密钥（PDK）加密处理后的SK在授权管理信息（EMM）数据流中传送，而PDK存放在用户智能卡中。

已加扰的DVB/MPEG-2视频、音频和辅助数据传输流（SPTS）与ECM和EMM数据流以及节目说明信息（PSI）和业务信息（SI）等数据流，经系统级复用器复用为MPTS传输流，从发送端经传输信道传送给接收端STB。

对于已经缴费的用户，其智能卡就会被授权，STB从接收到的已加扰传输流中经系统级解复用器解复用出ECM和EMM数据流后送给智能卡，智能卡首先读取PDK，用PDK对EMM解密，取出SK，再用SK对ECM解密，取出CW以生成解扰伪随机序列，由解扰器对已加扰传输流进行解扰后，再进行节目级解复用。

CAS通过在DVB前端对节目进行加扰处理、对用户进行寻址控制、在用户终端进行可寻址解扰，确保已付费的授权用户能收视节目，未授权用户则无法收视。

   加密算法和加密体系是确保CAS安全有效工作的关键，可通过更换加密算法、提高加密算法强度和密钥长度、或者密钥的多级分层来保证CW和CAS的安全。

以四层加密体系（CW、SK、PDK、智能卡）为例，CW用于加扰节目内容，SK用于加密CW并通过ECM传送给用户终端，PDK用于加密SK并通过EMM传送给用户终端，而PDK也以加密形式存储在智能卡中。

在用户终端，已授权用户用智能卡按照相反的次序依此解出PDK、SK、CW，最终完成对节目内容的解扰。

  2.1 加密算法

   对加密算法的基本要求是不能轻易地被破译，且解密算法运行所需的时间不应太长。

加密算法主要有：

（1）秘密密钥加密算法：

在密钥源产生密钥之后，采用秘密信道将秘密密钥传送给用户，发送者加密与接收者解密要使用同一密钥，发送者不仅要传送加密后的数据，还要将密钥传送给接收者。

秘密密钥加密算法主要有DES算法和DES的各种改进算法。

（2）公开密钥加密算法：

有公开密钥和秘密密钥两个密钥，只有二者搭配使用才能完成加密和解密的全过程，发送者利用公开密钥加密，只有具有秘密密钥的用户才能解密，公开密钥加密算法虽然处理速度较秘密密钥加密算法慢，但公开密钥加密算法中各个用户在接收端进行解密所用的密钥不必通过信道传送，因此具有更高的安全性和加密强度，公开密钥加密算法还可实现数字签名，数字证书、在线支付等功能。

目前应用较广的公开密钥加密算法主要有RSA算法等。

多级分层密钥加密体系的上一层密钥用来对下一层密钥加密，因需要传输加密信息，所以应将两种加密算法相结合使用。

  2.2 对传输流的加扰和解扰

   对DVB/MPEG-2视频、音频和辅助数据传输流（SPTS）的加扰和解扰是CAS多级分层密钥加密体系中较底层的加密措施，加扰是在发送端将节目内容（即SPTS）和伪随机序列发生器产生的伪随机序列做XOR运算，伪随机序列发生器的初始条件受控于CW。

用户终端拥有收视授权的STB在解扰时具有相同的伪随机序列发生器，如果用户终端伪随机序列发生器获得这个CW，那么它产生的伪随机序列和发送端的就完全一样，拿这个伪随机序列和已加扰的SPTS同样做XOR运算，就得到和加扰前一样的信号。

对加解扰起决定作用的伪随机序列要具备如下统计特性：

（1）0和1的数目在循环序列中相近。

（2）没有太长连续的0和1。

（3）应有足够长的周期。

对加解扰的基本要求是：

（1）隐匿性：

所加扰的SPTS要有充分的保密性。

（2）质量还原性：

解扰后的视频、音频质量劣化应在允许范围之内。

（3）高安全性：

黑客不易将加扰信息解扰。

（4）扩展性：

要考虑到将来功能的扩展。

（5）廉价性：

应尽量地降低接收机或STB的成本。

   加解扰系统分为可寻址的和不可寻址的，可寻址的加解扰系统可以对用户进行更多的控制，其策略是通过排除所有未授权的解码器，为所有授权的解码器服务，只有那些已被授权、并通过接收到的一个脉冲信号激活的解码器才会处于工作状态，否则解码器就会关闭。

也可实行只要未收到关闭的冲击信号，被授权的解码器就一直处于工作状态的策略。

  2.3 控制字的加密

   为获得尽量高的安全性，控制字（CW）应该足够长且几秒钟就应更新（变化）一次，对CW加密的SK也应经常更新。

在利用SK对CW加密时，需要采用快速运算的加密算法，如秘密密钥加密算法。

CW的加解密方式有两种：

（1）在发送端由SK对CW加密后得到ECM，并将ECM和已加扰的视频、音频和辅助数据传输流等复用在一起从发送端经传输信道传送给接收端，用户取得了ECM后，还必须使用与发送端加密时所用的同样的SK才能解出CW，从而对视频、音频和辅助数据传输流进行解扰。

（2）在发送端还是由SK对CW加密后得到ECM，接收端用户在获得SK后，在收到要求更新CW的请求信号后，使用一个单向Hash函数，并利用SK和当前CW获得下一个CW，发送端也用同样的方法来同步更新CW，只要SK不泄密，CW就是安全的，实际上ECM没有被传输，只是发送端和接收端都在SK的控制下同步生成CW。

  2.4 业务密钥的加密

   业务密钥（SK）也称授权密钥，SK的更新频率要小于CW，因此在利用PDK对SK加密时，运算速度可以较慢，由于SK要使用相对较长的时间，其安全性要求更高，可采用公开密钥加密算法。

在发送端由用户授权系统通过用户的PDK，或者用SmartCard将SK加密成EMM并将EMM和已加扰的视频、音频和辅助数据传输流等复用在一起从发送端经传输信道传送给接收端。

在接收端如果用户已被授权，则用户就有了PDK，就可以用PDK对EMM解密得到SK，然后用SK对ECM解密，得到CW等控制参数，才能对已加扰的视频、音频和辅助数据传输流进行解扰。

运营商不必传输用户的秘密密钥，只需知道用户的公开密钥就可对SK进行加密，用户使用自己的秘密密钥即可解密。

  2.5 个人分配密钥的传递

    数字电视广播运营商必须通过非常安全的渠道将个人分配密钥（PDK）传递给用户，一般将PDK以加密形式存储或固化在智能卡中，智能卡由微处理器、MaskedROM、EEPROM、RAM等组成，用户获得智能卡后必须提供口令才能解密使用，智能卡的发卡体系可遵循金融卡发卡体系。

  2.6 同密方式

   同密（SimulCrypt）方式能保证多级运营商选择CAS时的灵活性，同密方式在DVB前端使用多个CAS，每个CAS可以使用不同的加密系统加密各自的授权信息并同时传输，但对节目内容的加扰必须采用同一个加扰算法和加扰CW，以保证接收端能使用不同的解码器接收用不同的CAS处理过的相同的节目。

DVB前端加扰器要能够同时支持两个及两个以上CAS，加扰后的节目传输流是一套，不同的CAS在同一个DVB前端上运行，保护相同的节目，管理各自的用户，多个CAS之间需调度和共享节目计划信息、设备配置信息、设备调度信息等公共信息。

  2.7 多密方式

   多密（MultiCrypt）方式是将需要保密的授权信息集中于一个可拆卸的CA模块中，DVB解码器中只包含解调器、MPEG-2解码器等必须的设备，解码器通过多个通用接口可同时与多个CA模块相连并通讯，用户接收端只需要一个DVB解码器，使用通用接口协议，就可以接收任意不同的CAS控制的不同的节目。

当CA模块需要更新时，解码器可以保持不变，在CA模块的设计和生产方面具有更大的灵活性，解码器中不包含任何需要保密的信息，可以对DVB解码器进行标准化设计，甚至可以把解码器直接嵌入电视机中。

 3 CAS设计和实施时注意事项

   应用于付费DVB业务的CAS涉及到DVB/MPEG-2压缩解压缩与编解码、加解扰、加解密、复用解复用、调制解调、机顶盒、智能卡、系统调度管理、网络管理、用户管理、节目管理、收费管理等技术，因此设计和实施CAS时应注意：

（1）DVB-C系统前端除了CAS，还包括编码器、复用器、调制器、加扰器等设备，为满足DVB运营商对用户管理和收费管理的复杂要求，CAS厂商有必要和其他厂商的加扰器和SMS等系统或设备进行集成，并且为便于DVB-C系统和CAS的升级和维护，DVB-C系统的集成最好由CAS厂商完成。

（2）CAS要基于DVB/MPEG-2标准设计和实施，要符合广电总局制定的DVB系统的CAS规范。

（3）要确保CAS的开放性和模块化，必须要能集成多种前端设备和STB，其STB和智能卡应支持双向功能和多种寻址方式。

（4）CAS必须要有足够高的安全性和可靠性。

（5）要考虑分级运营模式，并综合考虑集成化和本地化的功能。

（6）DVB-C运营商设计、选择和实施CAS，不单是设计或选择一个系统或产品，更是选择一个长期的合作伙伴（CAS厂商），DVB-C运营商和CAS厂商必须要有一个共同的长久战略，必须要能共同应对复杂环境和新技术挑战。

DVB-C运营商必须要仔细考察CAS厂商的技术实力和研发能力，调研其CAS是否能支持或通过无缝升级实现百万级规模的用户系统，等等。

 4 EPG系统方案

   用户收看DVB数字电视节目的方式不同于模拟电视节目，在DVB系统中，多个节目被复用到一个MPEG-2传输流（MPTS）中，每个节目只占有MPTS中的部分包，一个物理的频道包含多个节目的SPTS，要观看其中的某个节目，必须从MPTS中提取（解复用）该节目对应的传输包，然后再进行解码。

EPG（电子节目指南）对业务提供商和用户都具有十分重要的意义，DVB-C系统必须在前端将必要的业务信息（SI）插入TS中，SI应携带EPG所需的全部数据，用户终端STB从TS中取出SI即可构成（实现）EPG，由EPG把节目播出时间表和节目介绍等信息直观地显示出来，以帮助用户按照自己的喜好选择收看数字电视节目。

 4.1 MPEG-2的节目说明信息（PSI）

   DVB系统的MPEG-2传输流（MPTS）中包含了多个节目的SPTS，每个SPTS又包含多个基本码流（ES），ES被打包（分组）成固定长度的包，称为打包的基本码流（PES），每个PES都有一个PID（包识别符）。

MPEG-2使用PSI来传送节目和PID的相互关系、节目的组成结构、各个包的作用和标识等，PSI提供了解复用和解码的信息，PSI能自动设置和引导解码器对TS进行解复用和解码。

PSI由节目关联表（PAT）、条件接收表（CAT）、节目映射表（PMT）和网络信息表（NIT）等组成，每个表分成若干段映射（变换）到TS中传输。

 4.2 DVB的业务信息（SI）

   MPEG-2在PSI中提供了不少有关节目组成和相互关系的信息，这些信息在