DVB-T2标准中帧配置参数的最优值算法设计

王昭婧，于鸿洋，张 萍

（电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都 611731）

DVB－T2是继DVB－T[1]之后的欧洲第二代地面数字电视广播传输标准，于2008年6月由DVB组织正式发布，以下简称T2[2]。它采用先进的编码调制技术进行数字地面传输，以实现音视频和数据服务的高效传输[3]。为了适应不同信道的特性，T2系统中许多功能模块的工作模式都是灵活多变的，在不同的工作模式组合下，相应的数据帧配置参数也有所不同。但是T2标准对于部分决定数据成帧的重要参数（帧配置参数）只给出了取值范围和最优值的选择原则，并未提供具体值。因此，如何确定帧配置参数的最优值是一个值得研究的课题。笔者主要基于文献[4]提出的帧配置参数最优值的选择原则，对如何求解其最优值的算法进行研究。

1 DVB－T2系统、帧结构及参数简介

1.1 T2系统概述

T2系统的顶层结构框图如图1所示。该系统有输入处理、比特交织编码与调制、组帧和OFDM生成4大模块。系统的输入可以是一个或多个MPEG－2的TS流（传输流）或GS流（通用流），它们首先经过预处理模块的输入处理，被分割成一个或多个满足T2系统要求的逻辑数据流进入系统，之后由PLP（物理层管道）进行运输[5]。其中，输入预处理模块不是T2系统的一部分，可以由业务分割器或TS流的解复用器构成[2]。

T2系统支持SISO（单入单出）、MISO（多入单出）和TFS（时频分片）模式。通常情况下，T2系统采用SISO模式，系统的输出是在单个射频通路上传输的单天线信号[2]。在MISO模式下，系统通过空频编码生成2组输出信号，分别用2个发射天线进行发射，接收端使用1个天线接收。在TFS模式下，系统的输出是在多个RF通路上传输的多路信号，同时要求接收端也使用多个天线进行接收[6]。

1.2 T2系统中的帧结构简介

T2系统中帧结构可分为两种：物理帧结构和逻辑帧结构[3]。其中物理帧结构由超帧、T2帧和符号组成，适用于整个T2系统；逻辑帧结构包括基带帧（BB帧）、交织帧和TI块（时间交织块），它是PLP所特有的概念，不同的PLP的逻辑帧结构参数可以不同。

1.2.1 物理帧结构

T2系统的物理帧结构如图2所示。其中，超帧是T2系统中最大的实体。一个超帧由若干个T2帧和若干个未来扩展帧（FEF）组成。FEF帧位于超帧中两个T2帧之间或超帧的结尾处。而一个T2帧由多个OFDM符号组成。

具体来说，一个T2帧由一个P1符号、若干个P2符号和多个数据符号组成，其中P1符号格式固定，携带7 bit信令，用于识别前导符号；一个P2符号包含若干个P2符号单元；一个数据符号包含多个数据OFDM单元（以下简称数据单元）。通常，T2帧中最后一个数据符号与其他数据符号的参数和导频插入位置会有所不同，称为帧结束符号（Frame Closing Symbol）[2]。

1.2.2 逻辑帧结构

T2系统的逻辑帧结构如图3所示。其中基带帧是T2系统中逻辑帧结构的最基本组成单元，它是由输入处理模块根据相关的配置参数，将输入的逻辑数据流加上基带头，重新封装而成的。一个完整的基带帧经过向前纠错编码模块的处理，最后生成16200 bit或64800 bit的码字，称为FEC帧。一个FEC帧中的数据通过比特到星座点的分解、映射和星座点旋转模块，生成多个星座点（也可称为OFDM单元）；其中由一个FEC帧映射成的星座点序列称为一个FEC块。之后根据T2系统中一些配置参数，将一定数目的FEC块分配给一个交织帧，然后将一个交织帧中的FEC块进一步分成若干个TI块，时间交织就在每个TI块中进行。

1.2.3 物理帧结构与逻辑帧结构的关系

T2系统中，OFDM单元是物理帧结构与逻辑帧结构的公共部分，是联系二者之间的桥梁。最初的输入数据流经过一系列变换形成相应的交织帧中的OFDM数据单元，而后加上相应的P1符号单元和L1信令数据单元，按一定规则放入T2帧中相应符号的符号单元中，继而形成T2帧，最后由若干个T2帧再组成一个超帧。其中一个交织帧可以分布在一个T2帧中，也可以分布在多个T2帧中。

1.3 T2系统中相关配置参数简介

T2系统中的参数根据其作用的不同可分为模式配置参数和帧配置参数。

1.3.1 模式配置参数

模式配置参数是指示各功能模块工作模式的参数。具体参数介绍如下。

Omod：MISO处理子模块的工作模式参数。指示T2系统的信号输出模式，有SISO（单入单出模式）和MISO（多入单出模式）2种模式。

fft_size：IFFT子模块的工作模式参数。指示FFT的点数，有1k，2k，4k，8k，8ke（扩展的8k模式），16k，16ke（扩展的16k模式），32k，32ke（扩展的32k模式）。

GI：保护间隔插入子模块的工作模式参数。指示插入保护间隔的类型，有1/128，1/32，1/16，19/256，1/8，19/128，1/4，共7种模式。

SP：导频插入的工作模式参数。指示插入离散导频的类型，有PP1，PP2，PP3，PP4，PP5，PP6，PP7，PP8，共8种。

TRen：虚拟子载波预留子模块的工作模式参数。指示是否使用虚拟子载波预留技术降低峰均比，有TR（使用）和noTR（不使用）2种模式。

LDPCmod：LDPC编码子模块的工作模式参数。指示所使用的LDPC编码长度，有16200 bit和64800 bit，共2种模式。

QAMmod：单元到星座点映射子模块的工作模式参数。指示所使用的QAM星座映射方式，有QPSK，16QAM，64QAM，256QAM，共4种模式。

L1qam：L1后信令的单元到星座点映射子模块的工作模式参数。指示对L1后信令所使用的QAM星座映射方式，有BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，共4种模式，通常使用64QAM模式。

CR：LDPC编码子模块的工作模式参数。指示所使用的LDPC编码方式的码率，有1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，共6种模式。

MAmod：模式匹配子模块的工作模式参数。指示模式匹配模块的工作模式，有NM（正常模式）和HEM（高效模式）。

ISSY：流同步化子模块的工作模式参数。指示ISSY域大小及是否使用了流同步化，有shortISSY（域长度为2个字节）、longISSY（域长度为3个字节）和noISSY（不使用流同步化）3种模式。

NPD：空包删除子模块的工作模式参数。指示是否对输入的TS流进行了空包删除处理，有NPD（使用空包删除处理）和noNPD（不使用空包删除处理）2种模式。

其中，MISO处理子模块、IFFT子模块、保护间隔插入子模块、导频插入和虚拟子载波预留子模块属于OFDM生成模块，LDPC编码子模块和单元到星座点映射子模块属于比特交织编码与调制模块，模式匹配子模块、流同步化子模块和空包删除子模块属于输入处理模块，L1后信令的单元到星座点映射子模块属于L1信令生成模块。

1.3.2 帧配置参数

帧配置参数是指构成T2系统中帧结构的各组成部分之间数量关系的参数，具体如下。

我国剖宫产率目前呈现出非理性的增长状态，不合理的剖宫产手术极大浪费了有限的医疗卫生资源，并增加了产后并发症的发生，对广大妇女的健康造成严重影响[9]。我国剖宫产率近20年已超过WTO推荐标准(15%)的3倍，其中有1/3的剖宫产手术可以避免[10]。中华医学会围产学会提出，要严格掌握剖宫产指征，将郊县剖宫产率降至10%以下，其他地区剖宫产率降至15%，重复剖宫产率降至60%。目前，我国剖宫产现状与此标准相差甚远，为实现这一目标，不仅需要广大医务工作者的努力，还需要社会各界共同努力。

NP2：1个T2帧中包含的P2符号的个数。其大小由fft_size决定。

LF：1个T2帧的长度，指一个T2帧所包含的OFDM符号的个数。其最大值由GI和fft_size共同决定。

Ldata：1个T2帧中含有的数据符号的个数。Ldata＝LFNP2。

CP2：1个P2符号中所含有的有效数据单元的个数。其大小由fft_size和Omod共同决定。

Cdata：1个数据符号中所含有的有效数据单元的个数。其大小由fft_size，SP和TRen共同决定。

CFC：1个帧结束符号中所含有的有效数据单元的个数。其大小由fft_size，SP和TRen共同决定。

NTI：1个交织帧中所含有的时间交织块的个数。其值不定。

NT2：1个超帧中包含的T2帧的个数。一般情况下为2。

TF：1个T2帧的时间周期。

Tu：1个OFDM符号的有效时间周期。其值由GI和fft_size共同决定。

Ts：1个OFDM符号的时间周期，包括插入的保护间隔。Ts＝Tu（1+GI）。

PI：1个交织帧映射到得T2帧的个数。

Ijump：帧间隔数，指示该PLP的数据在每Ijump个T2帧中出现。

NBLOCKS_IF：1个交织帧中所包含的FEC块的个数。其值不定。

可见T2系统中，模式配置参数决定部分帧配置参数的取值。不同的模式配置参数组合下，得到的帧配置参数的取值会有所不同，具体值可在文献[6]中查表得到。有些帧配置参数如LF，NTI，NBLOCKS_IF的值，可能只是一个范围，也可能根本就不确定。

1.4 系统小结

由以上背景知识分析可知：设计T2系统的关键在于确定其各种帧结构之间的数量关系，例如，一个超帧中有多少个T2帧（NT2），一个T2帧中有多少个OFDM符号（LF），一个交织帧中有多少个FEC块（NBLOCKS_IF）以及应分成几个TI块（NTI）等，只有确定了这些数值才能对输入数据进行相应的处理封装成帧。在T2系统中这些数值由相应的帧配置参数表示。这些帧配置参数中，有一部分的值可以直接由相应的模式配置参数决定，但如LF，NTI，NBLOCKS_IF等帧配置参数在T2标准中只规定了大概的范围，而它们又对数据成帧起着举足轻重的作用，在实际工程应用中它们的取值必须为一个确定值才行。所以笔者在单输入流的情况下，针对如何求解这些帧配置参数的最优值问题进行研究，并给出相应的算法。

2 T2系统中帧配置参数最优值的算法

2.1 帧配置参数最优值的选择原则

根据文献[4]所述，在实际工程应用中，T2系统的输入为单输入流时，选择帧配置参数LF，NTI，NBLOCKS_IF的最优值必须遵循以下2个基本原则：

1）保证T2帧的长度尽可能的大，以减少P1前导符号、L1信令及P2导频的开销，以尽可能地增大总的有效数据速率。

2）保证时间交织的深度尽可能的大。

因此，能够保证总的有效数据速率和时间交织深度都相对较大的LF，NTI，NBLOCKS_IF的值，即为最优值。

2.2 帧配置参数最优值的求解算法

根据以上最优值的选择原则，单输入流（即模式A[6]）、无FEF帧、无辅助流，且空单元（dummy cell）数量最小的前提下，可以设计如下最优值求解算法：

1）根据相关的模式配置参数组合，确定相关的帧配置参数NP2，CP2，Cdata，CFC，Ncells，Tu的值及LF的取值范围。通常情况下LF可取[NP2+3，LFmax]范围内的任意整数，当fft_size为32k时，LF取[NP2+7，LFmax]范围内的任意偶数。

2）针对LF取值范围内每一个可用值，分别计算相应的最大有效数据率RNO_FEFS和最大交织深度DepCI。具体计算方法如下：

（1）计算最大有效数据率为

式（1）是根据文献[4]中的最大有效数据率计算公式改进而来。式中BMA的值取决于模式适配处理中增加或移除的字节数，具体取值方法见文献[4]；Kbch是指所选用CR下的BCH编码的信息码字的比特位数，具体数值可在文献[6]查表得到；NB_max是指一个交织帧中所能容纳的FEC块数的最大值，其具体求法见文献[4]。PI和Ijump的值在单输入流和多时间交织块的条件下都为1。NIB是指带内信令的比特数，在单输入流的条件下，无带内信令，所以为0。

由公式（2）和（3）计算出相应的TF，并根据文献[4]中算法计算出NB_max的值，代入式（1）中即可求得相应的RNO_FEFS的值，且NBLOCKS_IF＝NB_max。

（2）计算最大交织深度

根据对T2标准中的时间交织算法的分析可知，交织深度含义为：一个TI块中的数据单元经过时间交织后所覆盖的数据符号的个数。因此，当一个交织帧中TI块数最小时，交织深度最大。则其计算步骤为：

① 计算NTImin，即NTI的最小值。由于T2标准中规定给每个TI块的最大数据存储空间[6]MTI＝219+215，所以

3）分别求2）中得到的RNO_FEFS和DepCI的平均值VR和VD。

4）分别求出每个RNO_FEFS和DepCI相对于其平均值的增量百分比IR和IDep，公式为

5）分别将对应于同一个LF的IR和ID相加得到It。

6）选出 It最大的那个值所对应的 LF，NTI，NBLOCKS_IF，即为最优值。若有1组以上的LF，NTI，NBLOCKS_IF的值所对应的It相等且为最大值，则选取LF最大时对应那一组LF，NTI，NBLOCKS_IF，作为最优值。对以上算法分析可知，BMA和Kbch的取值对DepCI的值无影响，即MAmod，ISSY，NPD和CR的取值对DepCI的值无影响。

3 仿真结果及分析

3.1 单个模式配置参数组合下仿真结果及分析

根据以上算法，编写相关的MATLAB程序，计算在单个模式配置参数组合下的相关帧配置参数最优值，并绘制相关的变化曲线图用以验证算法是否正确。

以单输入流、32ke、GI=1/32、PP8、不使用TR、无FEF、无辅助流、LDPC编码长度为64800 bit、码率为3/5、256QAM、HEM的模式参数组合为例，程序计算出的帧参数最优值组合为 LF＝60，NTI＝3，NBLOCKS_IF＝201。其变化曲线如图4所示。

观察图4中曲线可知，当LF＝60的时候，最大有效数据率和最大交织深度相对其他值都比较大，因此，此时的帧配置参数取值为最优值。由图中数据表格得知，NTI＝3，NBLOCKS_IF＝201，与程序计算出最优值相同，从而验证了以上最优值算法的正确性。

此外，在32ke、不使用TR、GI＝1/128、PP7情况下计算出的结果与文献[4]中DVB组织给出的参考值一致，更加验证了该算法的正确性。

3.2 所有模式下的帧配置参数最优值计算结果及分析

在以上MATLAB程序的基础上，修改程序遍历所有模式配置参数的组合，最后将全部最优值组合绘制成表格，部分结果如表1所示。

表1 部分帧配置参数最优值

通过表1中的数据对比可知：MAmod，ISSY，NPD和CR的改变只会影响到具体RNO_FEFS的取值，但不会影响其相对于LF的变化趋势，对最大交织深度也没有影响。且在其他配置参数组合的情况下也满足上述结论，与算法理论分析结果一致。所以帧配置参数最优值的计算可以忽略这4个参数的影响，将它们设置成一个固定值即可。这样最优值的组合就由原先的485772种减少到10656种。

4 结论

T2标准中不同模式配置参数组合决定着帧配置参数的不同取值，但对于一些帧配置参数并未给出其确定的值，而只规定了一个范围或是给出了一些限制，而在工程应用中，却需要获取这些参数的最优值。文中根据文献[4]中给出的一些参数选择原则，提出了一种在单输入流的情况下求解帧配置参数最优值的算法。通过MAT⁃LAB仿真实验结果及与T2标准中给出的相关参考值的对比，验证了此算法的正确性。并通过对各种模式配置参数组合下的数据结果分析得出：MAmod，NPD，ISSY和CR这4个模式配置参数对帧配置参数最优值的确定并无影响，可以不予考虑。

[1]ETSI EN 302744，Frame structure channel coding and modulation for digital terrestrial television broadcasting system（DVB－T）[S].2001.

[2]周晓，彭克武，宋健.DVB－T2标准的技术进展[J].电视技术，2009，33（5）：20－24.

[3]SANGCHEA L，YOUNGIN P，EONPYO H，ea al.Implementation of FPGA－based DVB－T2 modulator with multiple PLPs[C]//Proc.the 11th International Symposium on Communications and Information Technologies.[S.l.]：IEEE Press，2011：78－93.

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[5]邱石，彭克武.DVB－T2物理层管道及其对国标系统的启示[J].电视技术，2009，33（12）：6－8.

[6]ETSI EN 302755，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting sys⁃tem（DVB－T2）[S].2009.