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La televisione digitale
La digitalizzazione ha coinvolto tutti i sistemi di comunicazione in una sorta di rivoluzione
digitale. Il motivo di questo successo è da ricercarsi nella capacità che la tecnica digitale
consente ai dati così trattati di essere immagazzinati, manipolati, compressi ed inviati in modo
più efficiente e meno costoso.
La trasmissione del fax è divenuta digitale fra gli anni '70 e '80. L'audio digitale dei compact
disc ha da tempo rimpiazzato quello dei dischi di vinile e delle compact cassette, relegandone
l'uso ad applicazioni di nicchia. I DVD stanno riscuotendo un successo crescente giorno dopo giorno.
Questo processo di digitalizzazione non poteva risparmiare la televisione. Il seme per la nascita
della tv digitale si può far risalire all'inizio degli anni '90 quando il Motion Picture Expert
Group (MPEG) ha sviluppato il primo standard di compressione digitale comune per audio e video.
Infatti senza tecniche di compressione, la diffusione della televisione in modo digitale non
sarebbe praticabile per l'elevato flusso di dati che la sua trasmissione richiede. Ma è con la
definizione del Digital Video Broadcasting (DVB), che ha creato il complesso insieme di standards,
che si sono poste le basi per la TV digitale. Il DVB ha adottato l'MPEG-2 come standard di
compressione dei dati per il sistema, e differenti adattamenti a seconda dei diversi canali di
distribuzione: DVB-Satellite; DVB-Cavo; DVB-Terrestre.
La diffusione via satellite:
Una delle applicazioni pratiche della conquista dello spazio è rappresentato dalla messa in orbita
dei satelliti artificiali. Usati in un primo tempo solamente per scopi militari e di ricerca, i
satelliti artificiali per applicazioni civili hanno avuto un tale sviluppo che attualmente vi è
una miriade di satelliti orbitanti intorno la terra in zona geostazionaria. La posizione
geostazionaria è quella particolare zona celeste, distante circa 35.800 Km dalla superficie
terrestre, che permette ai satelliti di ruotare solidarmente al globo in modo che essi siano
sempre situati al di sopra di un determinato punto, sull'equatore, senza che vi sia necessità
di energia per mantenere la posizione (equilibrio gravitazionale). Vi sono satelliti adibiti
per gli scopi più disparati. Esistono satelliti meteorologici, per le comunicazioni telefoniche,
per la comunicazione di dati, e da una ventina d'anni per la trasmissione televisiva e radiofonica.
Ma, il più conosciuto è certamente il sistema satellitare GPS (Global Position System) senza il
quale parecchi sistemi di trasporto sarebbero ciechi. Teoricamente con un satellite si riesce a
coprire circa il 40% della superficie terrestre, quindi con un sistema composto di solo tre
satelliti si potrebbe coprire l'intero globo terrestre ad esclusione di alcune fascie intorno
ai poli. Il vantaggio della trasmissione televisiva satellitare rispetto a quella terrestre è
facilmente intuibile. Infatti, oltre ad assicurare la copertura, senza zone d'ombra, a praticamente
tutto il territorio "illuminato", un solo satellite sopperisce alla complessa rete di ripetitori
altrimenti necessari. In Europa esistono due grandi gruppi possessori di satelliti per le trasmissioni
televisive, Eutelsat e
Astra. Ognuno con la propria flotta di
satelliti situati a diversi gradi di longitudine. Quelli che maggiormente interessano i
telespettatori italiani sono i satelliti denominati Hotbird (situato a 13° Est) che diffonde i
canali Rai, Mediaset e Sky, e Astra 1b/c/e/f/g/h-2c (situato a 19,2° Est) che diffonde canali
televisivi francesi, tedeschi, etc.
I canali televisivi satellitari inizialmente diffusi in modalità analogica sono stati quasi
completamente convertiti alla nuova tecnica di diffusione digitale in quanto economicamente più
conveniente. Infatti, nella frequenza dove era presente un solo canale analogico con vari canali
audio, con la tecnica digitale se ne possono trasmettere molti di più. Come vedremo in seguito
il numero di canali tv e radiofonici trasmissibili in un solo canale, che prende il nome di
trasponder, dipende da alcuni parametri del flusso dei dati trasmessi quali FEC, Symbol Rate etc.
Differenza tra trasmissione analogica e digitale, terrestre e satellitare:
Come sappiamo, vedi pagina sui principi di funzionamento
della TV, la trasmissione televisiva analogica a colori PAL avviene tramite la diffusione
di 25 quadri (immagini) al secondo, composte di 625 righe. Le righe vengono trasmesse in maniera
alternata, prima tutte le dispari e quindi tutte le pari, con una frequenza di 50 Hz a formare
25 quadri completi al secondo. Nel mondo digitale si ragiona in pixel, che è l'unità di informazione
visualizzabile sullo schermo. In particolare, per la diffusione televisiva, si utilizza una
risoluzione di 720 x 576 pixel. Il che sta a significare che ogni quadro è composto da 720
pixel in orizzontale e 576 in verticale. Un altro dato importante è la larghezza di banda di
un canale televisivo. Per la trasmissione terrestre che utilizza la modulazione di ampiezza,
sono necessari 7 MHz in VHF, e 8 MHz in UHF. Per la diffusione via satellite si usa la modulazione
di frequenza che garantisce una migliore qualità, necessaria vista la distanza che deve percorrere
il segnale. La larghezza di banda necessaria per la trasmissione di un canale televisivo analogico
modulato in frequenza può variare tra 26 e 54 MHz, ma quelle più usate sono 27, 33, e 36 MHz.
I valori tipici di un canale digitale sono (per la spiegazione dei vari parametri, vedi paragrafo seguente):
- Larghezza di banda: 33 MHz
- QPSK bit rate: 41.25 Mbps
- SymbolRate: 27.5 MSps
- FEC: 3/4
Considerando che con la compressione MPEG-2 si ottiene un canale televisivo digitale di buon livello con
solo 8 Mbps, è facile calcolare quanti canali si possono trasmettere in vece di un canale
analogico.
Modulazione nella trasmissione digitale:
Come sappiamo la modulazione è quel procedimento di far variare la portante (in Ampiezza o Frequenza)
secondo una certa legge con un segnale contenente i dati da trasferire. Nella trasmissione
digitale, anche se il concetto è ancora valido, la modulazione è completamente diversa da quella
radio-televisiva analogica. Intanto è da far presente che questa è diversa per i tre tipi di
diffusione, satellitare, via cavo, terrestre ed è funzionale alla larghezza di banda disponibile.
Come conseguenza, un ricevitore adatto per la ricezione via satellite non lo è per gli altri
tipi di diffusione e viceversa. Per la diffusione satellitare si utilizza la modulazione
Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Ciò sta a significare che vengono irradiate due portanti
in quadratura di fase (sfasate di 90°). In questo modo abbiamo la trasmissione di due bit,
valore 0, e valore 1. La coppia di bit prende il nome di Symbol Rate. Generalmente il SymbolRate
viene indicato nella grandezza di MSps (Mega Symbol per Second), cosichè un SynbolRate di 27.5
MSps corrisponde a 55 Mbps. Trasmettendo anche le portanti Sfasate di 180° riusciamo a raddoppiare
la capacità trasmissiva in modo da avere 4 valori di 2 bit ciascuno (2 Symbol). Nel ricevitore
lo stadio demodulatore si occupa della discriminazione dei dati, filtrandoli dalla portante
prima e dal segnale sinusoidale dopo per ricavare dei semplici valori binari.
La figura che segue riporta sinteticamente gli stadi necessari per la trasmissione di un canale
televisivo digitale.
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Sinteticamente: uno stadio per i dati video ed uno per i dati audio, al cui ingresso viene
applicato il relativo segnale, si occupa di comprimere i dati in MPEG-2. Questi due segnali
insieme ai dati di servizio (EPG, etc.) vengono fatti confluire in un modulo che si occupa di
pacchettizzarli, di sincronizzarli, in modo che l'audio sia sincrono alle immagini, e di
miscelarli per ottenere un unico flusso di dati (Transporter Stream). Il miscelamento viene
realizzato con la tecnica multiplexing. Il flusso di dati così composto viene utilizzato per
modulare il segnale di alta frequenza (carrier) che verrà irradiato dalla stazione emittente
verso il satellite, e da qui verso i potenziali spettatori. Da notare che nello stadio dove è
presente il modulatore vi è un sistema di protezione di errore che altri non è che il cosidetto
FEC (Forward Error Correction). Quando nei parametri di sintonizzazione di un canale televisivo
troviamo, per esempio, FEC=3/4, significa che il flusso dei dati è composto da 3 parti di dati
utili alla visione e da 1/4 di dati per il controllo degli errori. Nel ricevitore avviene il
procedimento inverso, vi è lo stesso numero di stadi con l'aggiunta dello stadio con cui
l'utilizzatore imposta alcuni parametri, tipo parental control, lingua, PPV, etc.
Quanto illustrato rappresenta la trasmissione di un tipico canale FTA (Free To Air), ciò
significa che qualunque ricevitore digitale (anche chiamato decoder) è in grado di ricevere e
correttamente visualizzare sullo schermo di un televisore il segnale captato, senza alcun
sistema di decodifica. Le TV commerciali irradiano il segnale in modo criptato per consentire
la visione dei programmi trasmessi solamente ai propri abbonati, che normalmente ricevono una
smart card a fronte della sottoscrizione di un contratto di fornitura di servizio e al pagamento
del relativo canone.
I sistemi di criptaggio sono diversi, ma tutti hanno in comune un sistema di codifica basato
su un algoritmo di criptaggio del segnale (scrambling) che può essere decodificato attraverso
un sistema di chiavi memorizzate nella smart card.
Sistemi di Codifica:
I sistemi di codifica più utilizati in Europa sono:
- BetaCrypt
- Conax
- Irdeto
- Mediaguard (anche conosciuto come SECA)
- NDS
- TPScript
- Viaccess
nel tempo alcuni di questi sistemi si sono evoluti per combattere il fenomeno della pirateria
satellitare. Questa tra gestori e i pirati dell'"etere" è una battaglia che si svolge giorno
per giorno. Attualmente esiste la versione 2 del SECA, Viaccess e dell'Irdeto, ma recentemente,
il management del maggiore provider italiano "SKY", non contento del grado di sicurezza che il
SECA2 garantiva, ha implementato un sistema proprietario chiamato NDS. Per ognuno di questi
sistemi (Accesso Condizionato) è necessario un modulo CAM (Conditional Access Module) nel
quale inserire la smart card rilasciata dal broadcaster, che funzionerà solo per quel determinato
provider e per quel determinato sistema di codifica. La CAM può essere integrata nel decoder
(Goldbox) che quindi può mettere in chiaro solo trasmissioni irradiate con quel sistema, o
inseribili in ricevitori atti a ricevere, attraverso apposite slot, più CAM e quindi essere
abilitati a decriptare più sistemi. Questi ricevitori sono i cosidetti Common Interface. Vi
sono gestori che, per ampliare la platea di possibili abbonati, utilizzano la trasmissione con
la doppia codifica. Per esempio SECA e Viaccess, in questo modo sia i possessori di Goldbox che
i possessori di Common Interface con CAM Viaccess, sono in grado di decodificare il segnale di quel gestore.
SECA MEDIAGUARD
Questa è una breve descrizione della struttura del sistema di codifica Mediaguard (SECA).
La smart card gioca un ruolo preminente nel processo di comunicazione tra la CAM e la smartcard
stessa, nel senso che la smartcard dirige il modo in cui la comunicazione deve avvenire. Dopo
ogni reset (accensione del ricevitore), la smartcard viene riconosciuta dal ricevitore/CAM.
Un'altro modo di resettare le comunicazioni è quello di estrarre la smartcard e di reinserirla.
Dopo un reset dicevamo, la smartcard comunica al decoder come può essere aggiornata. Questa
notificazione è standardizzata e rigida, cioè deve avvenire nel solo modo specificato dalla
ISO di riferimento. Il tipo di informazioni comunicate sono, per esempio, la velocità di
trasmissione, se la trasmissione è del tipo sincrono o asincrono, la tensione e l'amperaggio
necessari per l'aggiornamento, etc.
L'algoritmo del Mediagurd
L'algoritmo del SECA è basato su una chiave, chiamata "Crypted Controlword" (Parola di controllo
codificata), di otto byte. Da questa chiave si ottiene la così chiamata "Decrypted Controlword"
(Parola di controllo decodificata). Per effettuare questa operazione sono necessarie due altre
chiavi chiamate: "Primary Key" PK (chiave primaria); "Secondary Key" SK (chiave secondaria).
Queste ultime due chiavi sono utilizzate insieme a formare una chiave a 16 bytes per decriptare
la chiave di controllo. Ci sono altre due set di chiavi oltre quelle elencate: La "Operational
Key" OP (chiave operativa) e la "Managment Key" MK (chiave di amministrazione). La chiave operativa
è quella che effettivamente mette in chiaro il canale sintonizzato, mentre la chiave amministrativa
è quella che si occupa di cambiare automaticamente la chiave operativa, secondo le direttive
del broadcaster. L'operazione di modifica della chiave operativa ad opera della chiave amministrativa
è chiamata Auto Update (AutoAggiornamento). Per finire, ma per questo non meno importanti, sono
da menzionare le "Provider Keys" (chiavi del gestore) e le "SECA Keys" (chiavi del SECA). Le prime,
sono le chiavi che consentono al provider di attivare, modificare e disabilitare la smartcard,
mentre le seconde, sono le chiavi che autorizzano ad effettuare cambiamenti alla smartcard, a
tutti i livelli. Da precisare che mentre possono esistere Provider Keys per un solo gestore,
con le giuste SECA Keys si possono aggiungere e rimuovere più providers e non solo modificarli
(canali facenti parte del bouchet, ma appartenenti ad altro provider o broadcaster).
Come prima detto dopo un reset la smartcard inizia la comunucazione con la CAM. Questa prima
comunicazione prende il nome tecnico di ATR (Answer To Reset), risposta dopo reset. Come l'ATR
è ricevuto dalla CAM, questa inizia a richiedere informazioni alla smartcard. Le istruzioni che
la CAM invia alla smartcard sono chiamate Instruction Byte o abbreviato INS Byte. Per la lista
delle istruzioni supportate clicca quì.
Di seguito viene riportato un esempio di comunicazione tra CAM e smartcard per rendere l'idea a
chi non ha cognizioni di programmazione. L'esempio riguarda la richiesta delle informazioni sui
providers supportati dalla smartcard. La relativa istruzione è la INS 12. Siccome le cifre
numeriche sono in esadecimale (hex), la notazione prevede che queste siano precedute dai segni 0x
per distinguerle dalle cifre decimali. Quindi 0x12 indica la cifra 12 in esadecimale che corrisponde
al numero 19 decimale.
C1 12 00
00 19 dove:
- C1 12 = INS 0x12 (Instruction Byte 0x12)
- 00 = Provider Number (il numero del provider per cui si richiede le info)
- 00 = SECA (numero identificativo del sistema SECA)
- 19 = Answer Bytes (numero di bytes che ci si aspetta in risposta, 0x19 = 25)
La risposta sarà qualcosa come:
12 00 00
4C 49 54 49 FF 4C FF 4C 4C 49 54 49 FF 4C FF 4C
F5 49 99
FF FF 90 00 dove:
- 12 = 0x12 Answer(risposta alla richiesta INS 0x12)
- 00 00 = Provider ID (il numero identificativo del provider)
- 4C 49 54 49 FF 4C FF 4C 4C 49 54 49 FF 4C FF 4C = Provider Name (Il nome del provider)
- F5 49 = Smartcard Address (L'indirizzo della smartcard)
- 99 = Informazione ancora sconosciuta
- FF FF = Data di scadenza dell'abbonamento
- 90 00 = Caratteristica dello standard SECA che significa, tutto OK (a fine comunicazione)
Premesso che la sezione riguardante la descrizione del sistema SECA è una traduzione dall'inglese
di una pagina di un sito che si occupa dell'argomento, non si assume nesuna responsabilità circa
l'esattezza dei dati contenuti, nè dell'uso che degli stessi se ne può fare. I dati reperibili
sull'argomento sono, per ovvie ragioni, molto scarsi. Ad ogni modo mi auguro di aver contribuito
a dare un'idea sulla comunicazione tra smartcard e decoder/CAM e del sistema SECA a quanti, come
me, sono curiosi e amano conoscere le cose del mondo in cui vivono. Ricordando che le informazioni
riportate sono fornite a solo scopo didattico, chi volesse approfondire l'argomento può provare ad
effettuare delle ricerche nel mare nostrum INTERNET di cui, spero degnamente, questo sito fa parte.
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