数字电视条件接收系统CAS原理

DVB-CAS工作原理介绍目录一、 CAS简介 (1)二、 DVB数字电视广播系统简介1、DVB数字电视广播系统信号处理流程 (2)2、数字电视信号的特点和EPG (4)三、条件接收系统（CAS）工作原理1、CAS系统组成 (7)2、CAS系统加、解密流程 (8)3、CAS授权流程及授权类型 (10)4、智能卡的安全性能 (12)5、CA的运行模式 (13)6、CAS系统的应用模式 (13)7、机卡分离 (14)附录附录一、智能卡的结构及其技术特点介绍 (16)附录二、加密技术介绍 (19)附录三、数字认证原理介绍 (20)附录四、条件接收系统实例介绍（ChinaCrypt） (23)DVB-CAS系统工作原理介绍一、CAS简介条件接收系统CAS（Conditional Access System）是付费数字电视广播的核心技术，其主要功能是阻止非法入侵数字广播网络，并允许被授权的用户收看特定的节目而使未被授权的用户无法收看。

CAS的主要任务是阻止用户接收未被授权的节目和如何从用户处收费的问题，而在广播电视系统中，在发送端对节目进行加扰（Scrambling）、加密（Encryption），在接收端对用户进行寻址控制和授权解密、解扰是解决这个两个问题的基本途径。

CAS由前端（广播）和终端（接收）两个部分组成：前端完成广播数据的加扰并生成授权信息以及完成解扰密钥的加密工作，从而将被传送的节目数据由明码变为密码，加扰后的数据对未授权的用户无用，而向授权用户提供解扰用的信息，这些信息以加密的形式复用到MPEG-2 的传送流中，授权用户对它进行解密后即可得到解扰密钥（即控制字CW，Control word）并实现对信号的解扰和MPEG-2解码。

终端由智能卡（或其他CA卡）和解扰器完成解密和解扰。

CAS是实现付费电视广播的技术保障。

为了对数字广播中与CAS相关的环节有一个大致的了解，以便于理解CAS系统的工作流程，在介绍DVB-CAS前，首先有必要对DVB数字电视广播系统的工作原理及数字电视广播信号的构成作一个简要介绍。

二、DVB数字电视广播系统简介目前在国际上占主流的数字电视广播标准有欧洲的DVB标准、北美国家的ATSC标准及日本的ISDB标准，该三种标准的主要技术差异如下表：由上表可以看出，该三种标准的信源编、解码都基本采用MPEG-2编、解码标准（只有ATSC的音频压缩编码标准为AC-3标准），各种标准的差异主要在于调制方式的差异、图象清晰度等级不同和编码分类不同（ATSC标准为MP@HL（主类、高级）、高清标准；DVB、ISDB标准为MP@ML（主类、主级）、标清标准）。

在本篇中主要介绍国内数字信号广播所采用的DVB 标准相关内容。

（一）DVB 数字电视广播系统信号处理流程DVB 数字电视广播系统的信号处理流程框图如下：图一、 DVB 发射系统信号处理流程图上述处理过程中的名词解释信源编码：对模拟音视频信号及数据信号进行采样、量化、编码的A/D 转换处理后，再按照MPEG-2标准进行压缩编码的数字化处理过程。

信源编码通过各种编码方式尽可能地去除信号中的冗余信息，提高数字通信的传输效率。

基本流： 将某一路节目的视频、音频或其他数据经信源编码后即形成音、视频和数据基本码流ES ，系统层再将不同的ES 流加包头（含有包标识符PID ）打包（即分组）成为分组基本码流PES 。

节目复用：将属于某一路节目的所有视频PES 包、音频PES 包和其他辅助数据（包括增值服务业务信息）的PES 包按照MPEG-2编码规范，按一定的比特率复合成为单路的节目TS 流即称为节目复用，该TS 流中包含了某一路节目的所有音、视频信息和辅助信息。

系统复用：由于在数字电视广播中，一路常规的模拟电视信号通道中可传输多路数字电视节目，因此在数字电视信号调制前要将多路数字电视节目的传输流进行再复用，将多路节目的码流和数据广播码流打包并复合成一路单一的码流进行传输。

这种将多路数字节目码流复合为一路单一的传输码流的过程即称为系统复用或传输复用。

后端处理图二、节目复用和系统复用示意框图根据MPEG-2编码标准，TS流中的TS包的长度固定为188字节，其前4个字节为字头(Header)，字头后面就是需要传送的有用信息，包括音频，视频或数据信息，通常是184个字节长度，有时在有用信息(Useful Data)中插入一段适配区域(Adaptation Field)，用于补充长度不完整的传输流，同时也用于放置解码时钟(PCR)。

图三、传输码流的结构信道编码：也叫纠错编码，是为了增强数字信号对在长距离传输过程中产生的码元失真（误码）和传输信道受各种噪声干扰的抵抗能力，提高数字通信传输的可靠性而采取的措施。

信道编码实际是通过牺牲信息传输效率来换取传输可靠性的提高。

纠错编码的基本思想是在所要传输的信息序列上附加一些码元，附加码元与信号的信息码元之间以某种确定的规则（各种纠错码的编码方式）相关联。

接收端按照这种关联规则对接收的码元进行校验，一旦确定码元之间的确定关系受到破坏，便按照既定规则来恢复原有的码元间关系，从而达到纠正误码的目的。

数字电视通常采用前向纠错编码FEC（Forward Error Correction）方式，包括能量扩散、RS编码、交织和卷积编码四个部分。

这种纠错方式中，接收端能够根据接收到的码元自动检出错误并纠正错误。

由于纠错编码时在原有的TS包中加入了纠错码，因此经信道编码后TS包的固定长度由188字节增加为204字节。

加扰：基于数字比特流中的“0”和“1”的概率相等的假设，传输系统首先采用随机化电路对输入的TS流进行随机化扰乱，使传输流中传输的“0”和“1”不再按照原始TS流中信息（可能出现一长串的“0”或“1”）中的顺序传输，以实现对传输功率频谱的分散，从而实现了信号的能量扩散，即加扰，也叫随机化。

加扰、加密具有相似性，但又是两个不同的概念。

数字调制：数字调制是指为了提高频谱利用率，把宽带的基带数字信号变换成窄带的高频载波信号的过程。

由于数字调制是由时间上离散和幅度上离散的数字信号去改变高频载波信号的某个参量（频率、相位或幅度），使载波信号作相应的离散变化，被认为是载波信号是受到了键控，所以数字调制信号也称为键控信号。

数字调制可以对载波的幅度、频率和相位三个特征分量进行单独调制，或进行三者之间的联合调制，相应的得到幅移键控 ASK、频移键控FSK 和相移键控PSK，以及幅度相位联合键控或称为正交幅度调制QAM（QuadratureAmplitude Modulation）。

目前在数字电视传输系统，常用的数字调制方式是 PSK 和QAM 方式，或它们的变种，最常用的数字调制有以下几种：1、正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输；2、四相相移键控调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星（DVB-S）广播；3、残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播；4、编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。

在用户接收端，接收设备对信号的处理流程正好与广播系统对信号的处理流程相反，即：数字调谐—解调制—解纠错—解扰—解复用—MPEG解码—D/A转换—音、视频信号。

（二）数字电视信号的特点和EPG在数字电视中，所有视频、音频、文字、图片等经数字化处理后都转变为数据，并按照MPEG-2的标准打包、复用形成传输流（TS），TS流中同时还包括ECM、EMM等传送信号授权管理信息的MPEG-2标准包。

通常一个频道对应一个传输流，该TS流又由多个完整的单路节目及业务流组成。

在TS流中如果没有节目的引导信息，数字电视的终端设备将无法找到需要的码流，所以在MPEG-2中，专门定义了PSI（Program Specific Information）信息，其作用是自动设置和引导接收机进行解码。

PSI信息在系统复用时插入TS流，并用特定的PID（包标识符）进行标识。

在MPEG-2标准中定义的节目信息PSI，是对单一传输TS流的描述，由于数字广播系统存在多个传输流，为了使使用者能在多码流中快速地找出自己需要的业务，DVB对MPEG-2的PSI进行了扩充，在PSI信息表的基础上再增加了九个信息表，形成SI(Service Information)。

SI是对整个系统所有码流的描述，描述系统传输内容、广播数据流的编排和时间表等的数据，它包括PSI信息。

SI一般在系统复用时插入传输TS流。

上述内容中的名词解释PID（Packet Identifier）：包标识符，它是识别码流信息性质的关键，是节目信息的"身份证"，不同的电视节目和业务信息（SI）对应不同的PID码。

当接收机要接收某一个指定节目时，它首先从节目关联表中取得这个节目的节目映射表的PID值，然后从TS中找出与此PID值相对应的节目映射表，从这个节目映射表中获得构成这个节目的基本码流的PID值和对应的时钟PCR，根据这些PID值滤出相应的视频、音频和数据等基本码流，解码后复原为原始信号；PID在TS流中的位置固定在每个TS包的包头，其长度也是固定的，为13bit。

PCR（Program clock reference）：节目时钟基准。

PCR以固定频率插入包头，表示编码端的时钟，并反映了编码输出码率，解码端根据PCR来调整解码系统时钟，因而PCR的正确传送直接关系到解码端系统时钟的恢复，进而影响到音、视频的同步回放。

通常一路节目只有一个PCR时间基准与之关联。

在PSI的PMT中，指出了每路节目中带有PCR字段的TS包的PID值以利于接收端识别并提取PCR，该PID值也称为PCR PID。

由于各路节目的TS流都有自己的PCR，因而在进行系统复用时系统都将对每一路节目的PCR进行修正，以消除PCR抖动。

图四、TS包包头各比特的含义A、节目信息（PSI）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）组成。

PSI指定了如何从一个携带多个节目的传输流中正确找到特定的节目，其对节目的指定过程见PID的名词解释。

PAT（Program Association Table）：给出了每一路节目所对应的PMT的PID，还给出了NIT 的PID。

因此，要保证TS流能正常接收，在该TS流中至少有一个完整的PAT；PMT(Program Map Table)：完整地描述了一路节目由哪些PES组成，各个PES的PID分别是什么等；PMT同时还给出了每一路节目的解码时钟PCR；CAT(Conditional Access Table)：给出了CAS的有关信息，描述了节目的加密方式，它包含了节目EMM的识别PID，只有授权的解码器才能由CAT收到密钥并解码相应的数据流；NIT(Network Information Table)：给出了物理传输网络的有关信息，如节目的频道调谐参数、频率、符号率等物理传输网信息，这些信息使得接收机可以按照用户的选择以很少的延时或无延时地改变频道、调谐参数，正确解码TS。