基于FPGA的通用加扰算法（CSA）的设计和实现

摘要

随着数字视频广播的发展，观众将会面对越来越多综合或专门频道的选择，欣赏到更高品质，更多服务的节目。而广播业者则要为这些节目的版权购买，制作而承受更高的成本，单纯的广告收入已经不够。要求对用户收取一定的收视费用，而另一方面，调查也显示用户是愿意预付一定费用以获得更好服务的。条件接受系统(Conditional Access system)就是为了商业目的而对某些广播服务实施接入控制，决定一个数字接受设备能否将特定的广播节目展现给最终用户的系统。CA技术要求既能使用户自由选择收看节目又能保护广播业者的利益，确算只有已支付了或即将支付费用的用户才能收看到所选的电视节目。在数字电视领域中，CA系统无疑将成为发展新服务的必需条件。但是在不同的运营商可能会使用不同的CA系统，在不同的CA系统之间进行互操作所必需共同遵守的最基本条件是：通用的加扰算法。每个用户接收设备中应集成相应的解扰模块。在我国国家标准--数字电视条件接收系统GY/Z 175-2001的附录H中有详细的描述。 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 首先本文简要介绍CA系统的目的和组成，FPGA的结构和原理，优势。然后介绍了利用FPGA来实现CA系统主要组成部分即加扰的原理和步骤，分析算法，划分逻辑结构，软件仿真，划分硬件模块，硬件性能分析，验证平台构建，硬件实现等。 然后对以上各个部分做详细的阐述。同时为了指导FPGA设计，给出了FPGA的结构和原理与FPGA设计的基本原则、设计的基本技巧、设计的基本流程； 最后给出了该加扰系统的测试与验证方法以及验证和测试结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 FPGA简介

1.3 CAS简介

1.4 CAS安全性分析

1.5 CSA系统的发展

1.6通用加扰系统的构成

1.7选题意义

1.8本文内容

第2章CSA通用加扰系统的原理性分析

2.1 TS流包格式

2.2密钥的传送

第3章CSA通用加扰系统的C语言模拟

3.1 MPEG2数据流的产生

3.2控制密钥的生成

3.3控制模块key_schedule模块

3.4块加密模块

3.5流加密模块

3.6 FILO模块

3.7结果分析模块

3.8本章小结

第4章CSA通用加扰系统的FPGA实现

4.1 FPGA的结构和原理

4.1.1 SRAM-查找表型FPGA结构

4.1.2反熔丝多路开关型FPGA结构

4.2 FPGA设计的基本原则

4.2.1基本原则之一：面积和速度的平衡与互换

4.2.2基本原则之二：硬件原则

4.2.3基本原则之三：系统原则

4.2.4基本原则之四：同步设计原则

4.3 FPGA设计的基本技巧

4.3.1乒乓操作

4.3.2串并转换设计技巧

4.3.3流水线操作设计思想

4.3.4数据接口的同步方法

4.4 FPGA设计流程

4.4.1功能仿真

4.4.2逻辑综合

4.4.3前仿真

4.4.4布局布线

4.4.5后仿真(时序仿真)

4.5各模块具体实现

4.5.1成帧器

4.5.2时钟管理模块

4.5.3密钥变换模块

4.5.4块加密模块

4.5.5流加密模块

4.6仿真验证

4.7综合

4.8本章小结

第5章CSA通用加扰系统的测试与优化

5.1测试环境的搭建

5.1.1测试环境

5.2通用加扰系统的优化

5.2.1多途径降低FPGA设计的功耗

5.2.2提高电路工作频率

5.3本章小结

结论

参考文献

附录

致谢