基于Linux嵌入式卫星接收机及第三方条件接收系统的移植

1、引言
随着人们生活水平的不断提高以及嵌入式技术的日益成熟，数字电视作为一项全新的电视服务系统，已经走进了千家万户，给我们带来了视觉上的冲击享受。目前应用较为广泛的数字电视标准标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）[1]两种，其中SDTV已趋于成熟，HDTV也正在迅速发展。由于嵌入式Linux操作系统[2]的强大优势，Linux的开源性、免费性和可裁减性而且能够适应多种CPU和多种硬件平台，所以成为了数字机顶盒一个理想的选择。条件接收系统CAS[3]，作为该系统的一个模块，可以通过第三方CA提供商封装的接口，以函数库的形式实现在嵌入式Linux系统中移植。
2、机顶盒系统架构
2.1硬件架构
我们采用的是相对比较普及的标准清晰度电视机顶盒平台，选用了国芯（GX）公司的DVB-S标准的机顶盒芯片GX3113B来作为主芯片，搭配选择AIROHA的AV2012高频头和GX的GX1131卫星解调芯片，构成卫星接收机的硬件架构，如图1所示。该DTV机顶盒方案即可作为优良的卫星接收机方案还可以作为地面和有线机顶盒方案，具有多样性和很强实用性。
GX公司的这款主芯片是32-bitARM926EJ-S嵌入式CPU，这款CPU应用领域很广，价格低廉，集成度很高，最主要的是嵌入式操作系统移植简单方便，该芯片还集成了音视频解码器，电路设计相对简单。该芯片采用国芯公司自主开发的GoXceed体系结构，最高频率可以达到300MHZ;支持包括H.264、MPEG-2/1/4、基于硬件加速的JPEG/MJPEG解码在内的多种视频和图像解码标准；支持包括MPEG1/2LayerI/II/III,MPEG2/4AAC音频标准；其中该芯片还提供了丰富的外设接口，包括CA、SDR/DDR、SPIFLASH、前面板、IR、USB接口。Tuner用来对卫星天线接收来的数字电视信号通过内部电压增益（AGC）和锁相环（PLL）电路转换成第二中频信号，然后送到正交检相器分解出I、Q两路模拟信号，接着经过A/D转换变成数字信号。IQ数字信号通过卫星解调芯片Demodulator进行QPSK解调等信号处理，最后解调出包含音频和视频以及其他数据信息的传输流（TS）进入主芯片。
2.2软件架构
接收机的软件系统采用GX公司自主研发的软件体系架构，如图2所示，我们可以清晰的看到该架构从下至上分为硬件层、设备驱动层、通用接口层、子系统层、中间服务层和方案层。其中硬件层包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash）、通用设备接口和I/O接口（USB、SPI、GPIO、I2C等）、音视频解码器等。以及具体各种型号的SOC芯片。设备驱动层负责各类设备的驱动程序、驱动框架，具体操作系统的实现，文件系统支持。AVCDI，即Audio/VideoCommonDriverInterface。是完成GoXceed框架中对音频、视频编码及解码的驱动框架，定义了音视频框架中各类子模块的接口，实现不同类型的芯片的统一。同时AVCDI是一个与操作系统无关性的音视频驱动框架，可以方便地在各类操作系统上移植。通用接口层是GoXceed平台的最底层的应用程序接口。设备驱动层及其以下层是面象GoXceed框架开发者，而通用接口层是面向应用程序开发。它包括：操作系统接口(GxCore-OS)、文件及设备操作接口(GxCore-FS)、网络接口(GxCore-Net)、通用接口(GxCore-Common)、音视频接口(GxCore-AV）、测试接口(GxCore-Test)。子系统层中，实现了通用的独立模块。中间服务层提供一套应用方案的软件框架。同时，采用服务的概念将应用的各类应用独立。使用BUS来传递各个服务之间的消息，实现对服务的操作。方案层是用户在使用GoXceed时需要自行开发的部分。在GoXceed平台上，已经实现DVB-S、DVB-T、Player等具体方案的实现。
GoXceed内核能够很好的融入嵌入式Linux中，我们只需要对系统进行少量的裁减和设置以适应这种家用式的卫星接收机产品，就可以实现对GX3113B的支持。文件系统可以采用以下几种：FAT32/16/12、NTFS、CRAMFS、JFFS2、YAFFS2、ROMFS等文件系统。
3、DVB条件接收系统原理介绍
3.1条件接收系统的组成部分
CAS由前端（广播）和终端（接收）两部分组成[4]：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TS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）并实现对信号的解扰和解密。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。其工作原理及框图如图3所示
3.2条件接收系统的加、解密流程
首先需要对CW进行加密，直接对CW加密的第一层加密所产生的密文为授权控制信息ECM，通过复用器与加扰的码流一起传送，ECM还包含有时间、节目价格、节目授权控制信息，因此ECM是面向节目的管理信息。对CW加密的密钥称为业务密钥SK,通常每月换一次，每换一次SK，系统都要重新对所有用户进行授权。
接着第二层是用PDK（个人分配密钥公钥）对SK进行加密，所产生的密文和从SMS获取的授权指令通过SMS生成的授权信息组成授权管理信息EMM，EMM还包含有智能卡号、授权时间、授权等级等用户授权信息。这些信息主要是完成对用户的授权，因此EMM是面向用户的管理信息，EMM对用户在什么时间看、看什么频道进行授权，它也通过复用器与加扰码流一起传送。
4、第三方CAS实例
4.1如何移植第三方CAS
由GoXceed系统框图可知，ServiceBus是为一系列新开发的STB信道、信源芯片开发的解决方案的架构Goxceed的一个组成部分。ServiceBus位于GoXceed架构中GXcore_API与解决方案层之间，为GoXceed中的各种通用服务（CA服务、EPG服务、search服务、player服务、Update服务等）提供一个封装。方案开发者通过调用统一的ServiceBus的消息发送API接口实现来调用各种不同功能，使得方案开发者不需要关心服务API接口实现，从而简化方案开发，缩短方案的开发周期。
移植一个第三方CAS可以按照以下步骤进行：(1)首先要先查看第三方CAS的相关文档；(2)使用CA模块的API实现第三方CAS需要的Demux，SmartCard，NVRAM，Descrambler，OS接口；(3)使用GxCA_OnEvent()接口实现第三方CAS向应用程序发送的状态及数据接口，并为个接口定义EVENTKEY及基参数结构体；(4)将第三方CAS接收应用程序发送的状态和数据每个接口定义成IOCTRLKEY和参数；(5)定义GxCA_System结构体变量，将其成员函数填入；(6)将CA服务加载以BUS，并将GxCA_System变量使用GMSG_CA_REGOSTER_CAS消息注册到CA服务;(7)使用GXMSG_CA_ON_IOCTRL消息向CAS发送数据和状态;(8)接收GXMSG_CA_ON_EVENT消息响应CAS发送的数据和状态。
4.2如何使用CA服务
使用CA服务必须按照以下步骤：(1)查看gxservices.h，得到CA服务的操作函数结构体变量为externGxServiceOpsca_service;(2)将CA服务利用GxBus_Init()加载到BUS；(3)发送消息GMSG_CA_REGOSTER_CAS，将移植的第三方CAS操作函数结构体变量注册到CA服务；(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，应用程序接收CA服务发出来的消息GXMSG_CA_ON_EVENT，响应CAS事件。
5、结语
基于嵌入式Linux系统的开源性和免费性的优点，各种机顶盒的采用这种技术是必然的趋势。条件接收系统是为了商业目的的对广播服务实施接收控制，确保只有已付费或将付费的用户才收看节目，既能使用户自由选择节目，又能保护广播业者的利益。本文的解决方案已应用于某公司的卫星接收机并实现量产且远销国外。
参考文献
[1]郑志航.数字电视原理与应用.北京：中国广播电视出版社.2000年1月:10-50.
[2]王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用[M].北京:清华大学出版社,2001.
[3]胡宏平.基于数字电视机顶盒的嵌入式Linux操作系统的设计[J].电视技术,2005(8):52-57.