基于Linux嵌入式衛(wèi)星接收機及第三方條件接收系統(tǒng)的移植

1、引言
隨著人們生活水平的不斷提高以及嵌入式技術(shù)的日益成熟，數(shù)字電視作為一項全新的電視服務(wù)系統(tǒng)，已經(jīng)走進了千家萬戶，給我們帶來了視覺上的沖擊享受。目前應(yīng)用較為廣泛的數(shù)字電視標準標準清晰度電視（SDTV）和高清晰度電視（HDTV）[1]兩種，其中SDTV已趨于成熟，HDTV也正在迅速發(fā)展。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)[2]的強大優(yōu)勢，Linux的開源性、免費性和可裁減性而且能夠適應(yīng)多種CPU和多種硬件平臺，所以成為了數(shù)字機頂盒一個理想的選擇。條件接收系統(tǒng)CAS[3]，作為該系統(tǒng)的一個模塊，可以通過第三方CA提供商封裝的接口，以函數(shù)庫的形式實現(xiàn)在嵌入式Linux系統(tǒng)中移植。
2、機頂盒系統(tǒng)架構(gòu)
2.1硬件架構(gòu)
我們采用的是相對比較普及的標準清晰度電視機頂盒平臺，選用了國芯（GX）公司的DVB-S標準的機頂盒芯片GX3113B來作為主芯片，搭配選擇AIROHA的AV2012高頻頭和GX的GX1131衛(wèi)星解調(diào)芯片，構(gòu)成衛(wèi)星接收機的硬件架構(gòu)，如圖1所示。該DTV機頂盒方案即可作為優(yōu)良的衛(wèi)星接收機方案還可以作為地面和有線機頂盒方案，具有多樣性和很強實用性。
GX公司的這款主芯片是32-bitARM926EJ-S嵌入式CPU，這款CPU應(yīng)用領(lǐng)域很廣，價格低廉，集成度很高，最主要的是嵌入式操作系統(tǒng)移植簡單方便，該芯片還集成了音視頻解碼器，電路設(shè)計相對簡單。該芯片采用國芯公司自主開發(fā)的GoXceed體系結(jié)構(gòu)，最高頻率可以達到300MHZ;支持包括H.264、MPEG-2/1/4、基于硬件加速的JPEG/MJPEG解碼在內(nèi)的多種視頻和圖像解碼標準；支持包括MPEG1/2LayerI/II/III,MPEG2/4AAC音頻標準；其中該芯片還提供了豐富的外設(shè)接口，包括CA、SDR/DDR、SPIFLASH、前面板、IR、USB接口。Tuner用來對衛(wèi)星天線接收來的數(shù)字電視信號通過內(nèi)部電壓增益（AGC）和鎖相環(huán)（PLL）電路轉(zhuǎn)換成第二中頻信號，然后送到正交檢相器分解出I、Q兩路模擬信號，接著經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號。IQ數(shù)字信號通過衛(wèi)星解調(diào)芯片Demodulator進行QPSK解調(diào)等信號處理，最后解調(diào)出包含音頻和視頻以及其他數(shù)據(jù)信息的傳輸流（TS）進入主芯片。
2.2軟件架構(gòu)
接收機的軟件系統(tǒng)采用GX公司自主研發(fā)的軟件體系架構(gòu)，如圖2所示，我們可以清晰的看到該架構(gòu)從下至上分為硬件層、設(shè)備驅(qū)動層、通用接口層、子系統(tǒng)層、中間服務(wù)層和方案層。其中硬件層包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash）、通用設(shè)備接口和I/O接口（USB、SPI、GPIO、I2C等）、音視頻解碼器等。以及具體各種型號的SOC芯片。設(shè)備驅(qū)動層負責各類設(shè)備的驅(qū)動程序、驅(qū)動框架，具體操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，文件系統(tǒng)支持。AVCDI，即Audio/VideoCommonDriverInterface。是完成GoXceed框架中對音頻、視頻編碼及解碼的驅(qū)動框架，定義了音視頻框架中各類子模塊的接口，實現(xiàn)不同類型的芯片的統(tǒng)一。同時AVCDI是一個與操作系統(tǒng)無關(guān)性的音視頻驅(qū)動框架，可以方便地在各類操作系統(tǒng)上移植。通用接口層是GoXceed平臺的最底層的應(yīng)用程序接口。設(shè)備驅(qū)動層及其以下層是面象GoXceed框架開發(fā)者，而通用接口層是面向應(yīng)用程序開發(fā)。它包括：操作系統(tǒng)接口(GxCore-OS)、文件及設(shè)備操作接口(GxCore-FS)、網(wǎng)絡(luò)接口(GxCore-Net)、通用接口(GxCore-Common)、音視頻接口(GxCore-AV）、測試接口(GxCore-Test)。子系統(tǒng)層中，實現(xiàn)了通用的獨立模塊。中間服務(wù)層提供一套應(yīng)用方案的軟件框架。同時，采用服務(wù)的概念將應(yīng)用的各類應(yīng)用獨立。使用BUS來傳遞各個服務(wù)之間的消息，實現(xiàn)對服務(wù)的操作。方案層是用戶在使用GoXceed時需要自行開發(fā)的部分。在GoXceed平臺上，已經(jīng)實現(xiàn)DVB-S、DVB-T、Player等具體方案的實現(xiàn)。
GoXceed內(nèi)核能夠很好的融入嵌入式Linux中，我們只需要對系統(tǒng)進行少量的裁減和設(shè)置以適應(yīng)這種家用式的衛(wèi)星接收機產(chǎn)品，就可以實現(xiàn)對GX3113B的支持。文件系統(tǒng)可以采用以下幾種：FAT32/16/12、NTFS、CRAMFS、JFFS2、YAFFS2、ROMFS等文件系統(tǒng)。
3、DVB條件接收系統(tǒng)原理介紹
3.1條件接收系統(tǒng)的組成部分
CAS由前端（廣播）和終端（接收）兩部分組成[4]：前端完成廣播數(shù)據(jù)的加擾并生成授權(quán)信息以及完成解擾密鑰的加密工作，從而將傳送的節(jié)目數(shù)據(jù)由明碼變?yōu)槊艽a，加擾后的數(shù)據(jù)對未授權(quán)的用戶無用，而向授權(quán)用戶提供解擾用的信息，這些信息以加密的形式復(fù)用到TS流中，授權(quán)用戶對它進行解密后即可得到解擾密鑰（即控制字CW）并實現(xiàn)對信號的解擾和解密。終端由智能卡（或其他CA卡）和解擾器完成解密和解擾。CAS是實現(xiàn)付費電視廣播的技術(shù)保障。其工作原理及框圖如圖3所示
3.2條件接收系統(tǒng)的加、解密流程
首先需要對CW進行加密，直接對CW加密的第一層加密所產(chǎn)生的密文為授權(quán)控制信息ECM，通過復(fù)用器與加擾的碼流一起傳送，ECM還包含有時間、節(jié)目價格、節(jié)目授權(quán)控制信息，因此ECM是面向節(jié)目的管理信息。對CW加密的密鑰稱為業(yè)務(wù)密鑰SK,通常每月?lián)Q一次，每換一次SK，系統(tǒng)都要重新對所有用戶進行授權(quán)。
接著第二層是用PDK（個人分配密鑰公鑰）對SK進行加密，所產(chǎn)生的密文和從SMS獲取的授權(quán)指令通過SMS生成的授權(quán)信息組成授權(quán)管理信息EMM，EMM還包含有智能卡號、授權(quán)時間、授權(quán)等級等用戶授權(quán)信息。這些信息主要是完成對用戶的授權(quán)，因此EMM是面向用戶的管理信息，EMM對用戶在什么時間看、看什么頻道進行授權(quán)，它也通過復(fù)用器與加擾碼流一起傳送。
4、第三方CAS實例
4.1如何移植第三方CAS
由GoXceed系統(tǒng)框圖可知，ServiceBus是為一系列新開發(fā)的STB信道、信源芯片開發(fā)的解決方案的架構(gòu)Goxceed的一個組成部分。ServiceBus位于GoXceed架構(gòu)中GXcore_API與解決方案層之間，為GoXceed中的各種通用服務(wù)（CA服務(wù)、EPG服務(wù)、search服務(wù)、player服務(wù)、Update服務(wù)等）提供一個封裝。方案開發(fā)者通過調(diào)用統(tǒng)一的ServiceBus的消息發(fā)送API接口實現(xiàn)來調(diào)用各種不同功能，使得方案開發(fā)者不需要關(guān)心服務(wù)API接口實現(xiàn)，從而簡化方案開發(fā)，縮短方案的開發(fā)周期。
移植一個第三方CAS可以按照以下步驟進行：(1)首先要先查看第三方CAS的相關(guān)文檔；(2)使用CA模塊的API實現(xiàn)第三方CAS需要的Demux，SmartCard，NVRAM，Descrambler，OS接口；(3)使用GxCA_OnEvent()接口實現(xiàn)第三方CAS向應(yīng)用程序發(fā)送的狀態(tài)及數(shù)據(jù)接口，并為個接口定義EVENTKEY及基參數(shù)結(jié)構(gòu)體；(4)將第三方CAS接收應(yīng)用程序發(fā)送的狀態(tài)和數(shù)據(jù)每個接口定義成IOCTRLKEY和參數(shù)；(5)定義GxCA_System結(jié)構(gòu)體變量，將其成員函數(shù)填入；(6)將CA服務(wù)加載以BUS，并將GxCA_System變量使用GMSG_CA_REGOSTER_CAS消息注冊到CA服務(wù);(7)使用GXMSG_CA_ON_IOCTRL消息向CAS發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài);(8)接收GXMSG_CA_ON_EVENT消息響應(yīng)CAS發(fā)送的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
4.2如何使用CA服務(wù)
使用CA服務(wù)必須按照以下步驟：(1)查看gxservices.h，得到CA服務(wù)的操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體變量為externGxServiceOpsca_service;(2)將CA服務(wù)利用GxBus_Init()加載到BUS；(3)發(fā)送消息GMSG_CA_REGOSTER_CAS，將移植的第三方CAS操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體變量注冊到CA服務(wù)；(4)查看移植的第三方CASIOCTLKEY值列表，使用消息GXMSG_CA_ON_IOCTRL，控制CAS；(5)查看移植的第三方CASEVENTKEY值列表，應(yīng)用程序接收CA服務(wù)發(fā)出來的消息GXMSG_CA_ON_EVENT，響應(yīng)CAS事件。
5、結(jié)語
基于嵌入式Linux系統(tǒng)的開源性和免費性的優(yōu)點，各種機頂盒的采用這種技術(shù)是必然的趨勢。條件接收系統(tǒng)是為了商業(yè)目的的對廣播服務(wù)實施接收控制，確保只有已付費或?qū)⒏顿M的用戶才收看節(jié)目，既能使用戶自由選擇節(jié)目，又能保護廣播業(yè)者的利益。本文的解決方案已應(yīng)用于某公司的衛(wèi)星接收機并實現(xiàn)量產(chǎn)且遠銷國外。
參考文獻
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[3]胡宏平.基于數(shù)字電視機頂盒的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)計[J].電視技術(shù),2005(8):52-57.