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DAB的数据加密和能量扩散
这 一 讲 讨 论DAB 的
数 据 加 密 和 解 密 技 术 以 及 能 量 扩 散
和 解 扩 散。 由 于DAB 是 透 明 的 数 字 传 输
系 统， 这 里 所 说 的“ 数 据” 包 括 音 频
广 播 节 目 的 数 据、 数 据 业 务 的 数 据、
图 像 信 息 的 数 据 等 等， 它 们 使 用 相 同
的 加 密、 解 密 技 术。
---- 所 谓 数 据 加 密， 是 一 种 比 特 方 式
的 变 化， 这 种 方 式 的 变 化 仍 是 总 的 数
据 率 保 持 不 变。 接 收 机 如 果 授 予 了 使
用 权， 就 知 道“ 密 码”， 可 以 使 加 密
的 数 据 流 复 原， 称 为 解 密。 加 密、 解
密 有 时 也 称 为 加 扰 和 解 扰。
---- 加 密 通 常 在 两 种 情 况 下 使 用， 一
是 节 目 或 数 据 的 提 供 者 要 向 用 户 收
取 费 用， 通 过 加 密 有 意 限 制 使 用 权；
另 一 种 是 在 数 据 业 务 时， 业 务 内 容 含
有 秘 密 的 信 息， 例 如 个 人 电 文 呼 叫 业
务 等， 需 进 行 通 信 保 密。
---- 业 务 和 业 务 成 分， 从 原 理 上 说 可
以 独 立 地 加 密。PAD 数 据 不 是 独 立 的 业
务 成 分， 因 此 只 能 同 它 的 声 音 信 号 一
起 加 密。
---- 在DAB 系 统 中， 目 前 还 没 有 规 定 专
用 的 加 密 和 解 密 系 统， 我 们 主 要 介 绍
一 般 原 理， 讨 论 可 以 实 现 的 使 用 权 限
制 及 可 以 在DAB 系 统 之 内 传 输 的 相 应 的
参 数、 使 用 权 接 口。
---- 数 据 流 的 加 密 和 解 密 原 理
---- 在 数 字 系 统 中， 数 据 是 以 比 特 序
列 表 示 的。 因 此， 对 于 一 个 比 特 个 别
的 加 密 来 说， 只 有 两 种 可 能 性： 要 么
该 比 特 变 为 反 码（ 即 由1 变 为0 或 由0 变
为1） 或 者 不 变。 所 以， 相 应 于 每 种 数
字 的 加 密， 最 终 是 一 个 用 于 加 密 的 比
特 序 列（ 该 序 列 本 身 也 加 密） 与 欲 传
送 的 数 据 比 特 序 列 进 行 模2 相 加（ 模2
相 加 的 规 则 是：1+1=0，1+0=1，0+1=1，0+0=0），
加 密 处 理 之 后 的 比 特 序 列 包 含 与 欲
传 信 息 正 好 一 样 多 的 位 数。
---- 在 通 常 情 况 下， 通 过 一 个 密 码（
又 叫 控 制 字） 来 控 制 一 个 伪 随 机 比 特
序 列 发 生 器， 该 发 生 器 产 生 用 于 加 密
的 比 特 序 列。 伪 随 机 序 列 发 生 器 通 常
由 许 多 个 相 互 连 接 的 移 位 寄 存 器 构
成， 这 样， 相 似 的 控 制 字 会 产 生 出 完
全 不 同 的 伪 随 机 比 特 序 列， 并 且 从 伪
随 机 比 特 序 列 不 可 能 推 断 出 控 制 字。
此 外， 要 求 伪 随 机 比 特 序 列 的 周 期 相
对 于 要 进 行 加 密 的 数 据 块 的 长 度 要
长。 这 是 因 为， 同 一 伪 随 机 序 列 的 起
始 相 位 不 同， 也 不 能 解 密， 序 列 周 期
越 长， 为 了 破 密 而 要 搜 索 起 始 相 位 所
花 费 的 时 间 也 就 越 长。 在DAB 中， 可 将
一 个 公 共 交 织 帧（55296 比 特） 的 长 度 视
为 一 个 数 据 字 的 最 大 长 度， 它 用 一 个
伪 随 机 比 特 序 列 加 密。 相 比 之 下， 应
用 的 伪 随 机 比 特 序 列 的 周 期 长 度 大
于1035 比 特， 是 相 当 长 的。
---- 伪 随 机 比 特 序 列 发 生 器， 可 以 以
软 件 或IC 硬 件 实 现， 这 取 决 于 加 密 和
解 密 的 信 道 的 数 据 率 和 可 能 的 实 时
要 求。 在 现 今 的 技 术 水 平 下， 对 于 广
播 节 目 的 加 密 和 解 密 来 说， 可 以 用 一
个 专 用 的 芯 片 作 为 伪 随 机 比 特 序 列
发 生 器； 面 具 有 低 比 特 率 的 数 据 和 无
实 时 处 理 要 求 的 数 据， 可 以 借 助 软 件
解 密。
---- 因 为 伪 随 机 比 特 序 列 发 生 器 的
结 构 一 般 情 况 下 是 已 知 的（ 例 如 在 一
个 标 准 中 公 开）， 因 此， 加 密 系 统 的
可 靠 性 只 在 于 用 作 加 密 的 控 制 字 的
保 密。
---- 图1 所 示 是 加 密 和 解 密 的 系 统 原
理 图。 收 端（ 解 密 端） 和 发 端（ 加 密
端） 的 伪 随 机 比 特 序 列 发 生 器 的 构 成
完 全 一 样， 在 同 样 的 控 制 字（ 密 码）
的 控 制 下， 产 生 相 同 的 伪 随 机 比 特 序
列， 相 同 的 比 特 序 列 模2 相 加 两 次， 等
于 不 加， 例 如 图1 中 给 出 的 欲 加 密 的
数 据 流 为1101 1010 1011， 伪 随 机 比 特 序 列
为0100 1001 1101， 则 加 密 后 的 数 据 流 为1101
1010 1011 0100 1001 1101=1001 0011 0110。 该 数 据 流 如
果 在 接 收 端 再 与 和 发 射 端 相 同 的 伪
随 机 比 特 序 列 相 加， 就 恢 复 出 发 端 原
始 的 数 据 流， 即1001 0011 0110 0100 1001 1101=1101
1010 1011。
---- 伪 随 机 比 特 序 列 的 控 制 字 的 管
理
---- 在 广 播 应 用 中， 用 户 可 能 在 任 意
时 刻 打 开 他 的 接 收 机， 直 到 产 生 解 密
字， 不 应 等 待 长 的 时 间。 因 此， 加 密
过 程 必 须 以 短 的 时 间 间 隔 用 一 个 新
的 控 制 字 来 控 制 伪 随 机 比 特 序 列 发
生 器。 为 此， 在DAB 中， 每 个 音 频 帧（24ms）
的 数 据， 用 一 个 新 的 控 制 字 加 密。 但
是 另 一 方 面， 由 于 控 制 字 本 身 也 要 加
密 传 送 到 接 收 端， 又 不 允 许 每24ms 都 应
用 完 全 新 的 不 同 的 控 制 字。 因 此， 一
般 情 况 下， 一 个 控 制 字 要 用 于 若 干 秒
时 间， 然 而 总 是 以 确 定 的 方 式 变 化。
每 当 需 要 重 新 激 发 伪 随 机 比 特 序 列
发 生 器 时， 控 制 字（ 加 密） 附 加 到 在
快 速 信 息 信 道（FIC） 中 传 送 的 公 共 交
织 帧（CIF） 计 数 指 示 部 分， 以 此 确 保
接 收 机 可 以 快 速 同 步 并 开 始 解 密。
---- 对 数 据 块（ 例 如 音 频 帧， 数 据 包
或 快 速 数 据 组 数 据 区） 加 密 的 控 制
字（ 本 身 同 样 加 密） 传 送 给 接 收 机，
可 以 在FIC 中 实 现， 在 包 模 式 时 处 于 一
个 专 用 的 子 信 道 和 一 个 专 用 的 地 址
中， 或 者 在 包 模 式 数 据 业 务 时 甚 至 可
以 处 在 它 的 组 成 成 分 之 内。 如 果 数 据
和 加 密 的 控 制 字 在 同 一 的 包 数 据 流
中 传 送， 有 可 能 对 数 据 进 行 加 密 存
储， 且 以 后 可 以 进 行 脱 机 解 密。
---- 控 制 字 用 一 种 加 密 算 法 和 一 个
密 码 加 密， 并 作 为 授 权 控 制 信 息（ECM）
传 送。 用 于ECM 的 解 码 算 法 取 决 于 当 时
的 加 密 系 统， 并 且 可 通 过IC 卡（ 智 能
卡） 的 形 式 实 现。 在 用 户 不 能 接 近 的
存 储 器 中，IC 卡 包 含 了 在 什 么 条 件 下
才 允 许 解 密 的 参 数， 例 如 预 订 的 使 用
有 效 期 或 预 订 的 有 效 地 区。 在ECM 中 除
了 加 密 的 控 制 字 外， 也 要 传 送 解 密 所
需 的 参 数， 而 且， 只 有 当 这 些 参 数 处
于 在IC 卡 中 存 储 的 参 数 所 覆 盖 的 范 围
之 内， 控 制 字 才 被 计 算 出。 被 计 算 出
的 控 制 字 传 送 给 用 作 数 据 本 身 解 码
的 伪 随 机 比 特 序 列 发 生 器， 以 便 产 生
与 发 端 相 同 的 比 特 序 列。
---- 使 用 权 的 管 理
---- 正 如 前 面 所 谈 到 的， 在 接 收 机 必
须 存 在 决 定 对 控 制 字 进 行 实 际 解 密
的 参 数。 如 果 用 户 想 延 长 他 的 预 订，
可 以 给 节 目 提 供 者 打 电 话， 告 诉 对 方
自 己 的 信 用 卡 号 码。 如 果 预 订 是 短 期
的， 会 得 到 一 个 新 的IC 卡， 它 有 别 于
老 的 存 储 的 参 数。 然 而 不 如 通 过DAB 向
用 户 传 送 一 个 新 的 参 数 组（ 被 加
密）， 这 时， 只 有 授 权 的 接 收 机 才 可
以 读 出 这 些 参 数。 很 显 然， 解 码 器 分
别 响 应 是 可 能 的， 因 为 对 每 一 个 这 样
的 信 息 都 可 以 传 送 一 个 明 确 的40 比 特
的 地 址。 同 样， 为 整 个 用 户 群 传 送 一
个 新 的 参 数 组 也 是 有 意 义 的， 这 可 以
通 过24 比 特 或16 比 特 的 群 地 址 实 现。 在ECM
中 选 择40 比 特、24 比 特 或16 比 特 的 地 址
数 据 区， 这 相 当 于1.0995 ×1012、1677.72 万 个
或65536 个 分 别 可 响 应 的 用 户 或 群。 这
种 信 息 被 称 为 授 权（ 或 使 用 权） 管 理
信 息（EMM）， 它 的 传 输 信 道 相 应 于 它
的ECM。
---- 对 于 每 种 加 密 系 统 来 说， 授 权 控
制 信 息（ECM） 的 内 容 是 特 定 的， 用 户
寻 址 例 外。 在 任 何 情 况 下， 在 快 速 信
息 信 道（FIC） 中 传 送 的 复 合 结 构 信
息（MCI） 必 须 标 志 出 加 密 的 业 务 并 对
加 密 技 术 给 出 说 明。
---- 使 用 权 接 口
---- 不 同 的 声 音 广 播 节 目 和 数 据 业
务 的 提 供 者 想 使 用 不 同 的 加 密 系 统，
这 些 系 统 在ECM 和EMM 的 加 密 算 法 方 面 有
区 别。 因 此， 使 用 权 系 统 固 定 安 装 在
接 收 机 中 是 不 合 适 的。 比 特 合 适 的 方
法 是 可 以 集 成 在IC 卡 上， 同 时， 上 述
的 参 数 可 以 事 后 装 载。 因 此， 已 经 备
有 对 节 目 或 数 据 业 务 可 进 行 解 密 的
接 收 机， 需 要 有 一 个 接 纳IC 插 入 卡 的
接 口。 只 有 当IC 卡 插 入 接 收 机， 接 收
机 才 起 作 用。
---- DAB 接 收 机 和IC 卡 之 间 的 双 向 接
口， 可 以 有 不 同 的 安 排。 为 了 避 免 高
的 数 据 率 通 过 接 口， 此 时， 仅ECM 和EMM
以 及 少 数 其 它 信 息 从 接 收 机 向 插 入
卡 传 送 是 有 利 的， 在 插 入 卡 上 计 算 控
制 字， 该 控 制 字 再 转 交 给 接 收 机。 这
样 做 的 前 提 条 件 是， 伪 随 机 比 特 序 列
发 生 器 应 固 定 安 装 在 接 收 机 中。 在 这
种 情 况 下， 通 过 接 口 的 数 据 率 两 个 方
向 代 数kb/s。 另 一 种 方 案 是， 除 了ECM 和EMM
外， 还 需 通 过 接 口 传 送 加 密 的 和 解 密
的 数 据 流。 这 种 方 案 的 技 术 花 费 大，
两 个 方 向 需 要 很 多Mb/s 的 数 据 率。 但
是， 这 种 方 案 可 以 提 供 大 的 灵 活 性 和
将 来 的 可 靠 性， 且 用 作 解 密 的 接 收 机
的 附 加 费 用 很 低。
---- 对 于 接 口 的 实 际 实 施 来 说， 可 以
考 虑PCMCIA（ 个 人 计 算 机 存 储 卡 国 际 协
会） 标 准。
---- 能 量 扩 散 与 解 扩 散
---- 经 过 加 密 的 数 据 在 送 往 卷 积 编
码 器 之 前， 通 常 要 经 过 能 量 扩 散 处 理
， 也 称 为“ 扰 码”。 其 作 用 是 减 少 连“0”
码 和 连“1” 码， 以 确 保 比 特（ 位） 定
时 恢 复。 工 作 原 理 是 将 二 进 制 数 字 序
列 进 行 随 机 化 处 理， 限 制 连“0” 码 和
连“1” 码 的 长 度， 使 信 号 频 谱 弥 散 而
保 持 稳 恒。
---- 经 过“ 扰 码” 处 理， 虽 然 改 变 了
原 来 数 字 序 列 的 形 式。 但 有 既 定 的 规
律。 经 过“ 解 码”（ 解 扩 散） 能 完 全 无
误 恢 复 原 来 的 数 据 序 列。 1、 伪 随 机
二 进 制 序 列 发 生 器
---- PRBS 发 生 器 由 反 馈 移 位 寄 存 器 构
成， 其 生 成 多 项 式 为9 阶：
---- P（X）=X9+X5+1
---- 如 果 所 有 移 位 寄 存 器 级 的 输 出
都 置1， 便 得 到PRBS 的 第 一 个 比 特。 表1
所 示 是 第1 个16 比 特PRBS。
表1 PRBS 的 第1 个16 比 特 比特序号 0 1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
比特值 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0
---- 需 进 行 能 量 扩 散 的 数 据 序 列 与PRBS
模2 相 加， 便 得 到“ 加 扰” 输 出 信 号。
在 接 收 端，“ 加 扰” 信 号 再 与 图4 所 示
相 同 的PRBS 发 生 器 产 生 的PRBS 相 加， 便 重
新 恢 复 出 能 量 扩 散 以 前 的 数 据 序 列，
即 完 成 了 解 能 量 扩 散 或 解 扰。
---- 2、 能 量 扩 散 在 快 速 信 息 信 道 中
的 应 用
---- 快 速 信 息 信 道（FIC） 是 由 许 多 快
速 信 息 块（FIB） 组 成， 现 以DAB 模 式 Ⅰ 为
例， 说 明 能 量 扩 散 的 处 理 过 程。
---- 在 模 式 Ⅰ 中， 每 个 传 输 帧（96ms）
有12 个FIB， 有4 个 公 共 交 织 帧（CIF）， 每
个 公 共 交 织 帧（ 相 应 于24ms） 对 应3 个FIB，
在 快 速 信 息 块 组 合 器 的 输 出， 组 成768
比 特 格 式 的 矢 量， 该 矢 量 是3 个FIB 的 毗
连。 该 矢 量 的 第1 个 比 特 是 第1 个FIB 的
第1 个 比 特。 该 矢 量 用PRBS 加 扰， 矢 量 的
第1 个 比 特 与 第0 号PRBS 比 特 模2 相 加； 矢
量 的 第2 个 比 特 与 第1 号PRBS 比 特 模2 相
加， … … 依 此 类 推。
---- 3、 能 量 扩 散 在 主 业 务 信 道 中 的
应 用
---- 包 模 式 的 业 务 信 息、 经 加 密 的 音
频 信 息、 经 加 密 的 包 模 式 数 据 业 务 和
流 模 式 数 据 业 务， 都 要 在 主 业 务 信 道
中 传 送。 各 自 在 进 行 卷 积 编 码 前， 先
送 到 能 量 扩 散 器 进 行 加 扰。 处 理 过 程
是： 涉 及 到 的 给 定 子 信 道 的 每 个 逻 辑
帧 的 第1 个 比 特 与 第0 号 的PRBS 比 特 模2 相
加， 逻 辑 帧 的 第2 个 比 特 与 第1 号 的PRBS
比 特 相 加， … … 依 此 类 推。
---- （ 作 者 为 北 京 广 播 学 院 教 授）
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