DVB-T2標準中幀配置參數的最優值算法設計

王昭婧，于鴻洋，張 萍

（電子科技大學 電子科學技術研究院，四川 成都 611731）

DVB－T2是繼DVB－T[1]之后的歐洲第二代地面數字電視廣播傳輸標準，于2008年6月由DVB組織正式發布，以下簡稱T2[2]。它采用先進的編碼調制技術進行數字地面傳輸，以實現音視頻和數據服務的高效傳輸[3]。為了適應不同信道的特性，T2系統中許多功能模塊的工作模式都是靈活多變的，在不同的工作模式組合下，相應的數據幀配置參數也有所不同。但是T2標準對于部分決定數據成幀的重要參數（幀配置參數）只給出了取值范圍和最優值的選擇原則，并未提供具體值。因此，如何確定幀配置參數的最優值是一個值得研究的課題。筆者主要基于文獻[4]提出的幀配置參數最優值的選擇原則，對如何求解其最優值的算法進行研究。

1 DVB－T2系統、幀結構及參數簡介

1.1 T2系統概述

T2系統的頂層結構框圖如圖1所示。該系統有輸入處理、比特交織編碼與調制、組幀和OFDM生成4大模塊。系統的輸入可以是一個或多個MPEG－2的TS流（傳輸流）或GS流（通用流），它們首先經過預處理模塊的輸入處理，被分割成一個或多個滿足T2系統要求的邏輯數據流進入系統，之后由PLP（物理層管道）進行運輸[5]。其中，輸入預處理模塊不是T2系統的一部分，可以由業務分割器或TS流的解復用器構成[2]。

T2系統支持SISO（單入單出）、MISO（多入單出）和TFS（時頻分片）模式。通常情況下，T2系統采用SISO模式，系統的輸出是在單個射頻通路上傳輸的單天線信號[2]。在MISO模式下，系統通過空頻編碼生成2組輸出信號，分別用2個發射天線進行發射，接收端使用1個天線接收。在TFS模式下，系統的輸出是在多個RF通路上傳輸的多路信號，同時要求接收端也使用多個天線進行接收[6]。

1.2 T2系統中的幀結構簡介

T2系統中幀結構可分為兩種：物理幀結構和邏輯幀結構[3]。其中物理幀結構由超幀、T2幀和符號組成，適用于整個T2系統；邏輯幀結構包括基帶幀（BB幀）、交織幀和TI塊（時間交織塊），它是PLP所特有的概念，不同的PLP的邏輯幀結構參數可以不同。

1.2.1 物理幀結構

T2系統的物理幀結構如圖2所示。其中，超幀是T2系統中最大的實體。一個超幀由若干個T2幀和若干個未來擴展幀（FEF）組成。FEF幀位于超幀中兩個T2幀之間或超幀的結尾處。而一個T2幀由多個OFDM符號組成。

具體來說，一個T2幀由一個P1符號、若干個P2符號和多個數據符號組成，其中P1符號格式固定，攜帶7 bit信令，用于識別前導符號；一個P2符號包含若干個P2符號單元；一個數據符號包含多個數據OFDM單元（以下簡稱數據單元）。通常，T2幀中最后一個數據符號與其他數據符號的參數和導頻插入位置會有所不同，稱為幀結束符號（Frame Closing Symbol）[2]。

1.2.2 邏輯幀結構

T2系統的邏輯幀結構如圖3所示。其中基帶幀是T2系統中邏輯幀結構的最基本組成單元，它是由輸入處理模塊根據相關的配置參數，將輸入的邏輯數據流加上基帶頭，重新封裝而成的。一個完整的基帶幀經過向前糾錯編碼模塊的處理，最后生成16200 bit或64800 bit的碼字，稱為FEC幀。一個FEC幀中的數據通過比特到星座點的分解、映射和星座點旋轉模塊，生成多個星座點（也可稱為OFDM單元）；其中由一個FEC幀映射成的星座點序列稱為一個FEC塊。之后根據T2系統中一些配置參數，將一定數目的FEC塊分配給一個交織幀，然后將一個交織幀中的FEC塊進一步分成若干個TI塊，時間交織就在每個TI塊中進行。

1.2.3 物理幀結構與邏輯幀結構的關系

T2系統中，OFDM單元是物理幀結構與邏輯幀結構的公共部分，是聯系二者之間的橋梁。最初的輸入數據流經過一系列變換形成相應的交織幀中的OFDM數據單元，而后加上相應的P1符號單元和L1信令數據單元，按一定規則放入T2幀中相應符號的符號單元中，繼而形成T2幀，最后由若干個T2幀再組成一個超幀。其中一個交織幀可以分布在一個T2幀中，也可以分布在多個T2幀中。

1.3 T2系統中相關配置參數簡介

T2系統中的參數根據其作用的不同可分為模式配置參數和幀配置參數。

1.3.1 模式配置參數

模式配置參數是指示各功能模塊工作模式的參數。具體參數介紹如下。

Omod：MISO處理子模塊的工作模式參數。指示T2系統的信號輸出模式，有SISO（單入單出模式）和MISO（多入單出模式）2種模式。

fft_size：IFFT子模塊的工作模式參數。指示FFT的點數，有1k，2k，4k，8k，8ke（擴展的8k模式），16k，16ke（擴展的16k模式），32k，32ke（擴展的32k模式）。

GI：保護間隔插入子模塊的工作模式參數。指示插入保護間隔的類型，有1/128，1/32，1/16，19/256，1/8，19/128，1/4，共7種模式。

SP：導頻插入的工作模式參數。指示插入離散導頻的類型，有PP1，PP2，PP3，PP4，PP5，PP6，PP7，PP8，共8種。

TRen：虛擬子載波預留子模塊的工作模式參數。指示是否使用虛擬子載波預留技術降低峰均比，有TR（使用）和noTR（不使用）2種模式。

LDPCmod：LDPC編碼子模塊的工作模式參數。指示所使用的LDPC編碼長度，有16200 bit和64800 bit，共2種模式。

QAMmod：單元到星座點映射子模塊的工作模式參數。指示所使用的QAM星座映射方式，有QPSK，16QAM，64QAM，256QAM，共4種模式。

L1qam：L1后信令的單元到星座點映射子模塊的工作模式參數。指示對L1后信令所使用的QAM星座映射方式，有BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，共4種模式，通常使用64QAM模式。

CR：LDPC編碼子模塊的工作模式參數。指示所使用的LDPC編碼方式的碼率，有1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，共6種模式。

MAmod：模式匹配子模塊的工作模式參數。指示模式匹配模塊的工作模式，有NM（正常模式）和HEM（高效模式）。

ISSY：流同步化子模塊的工作模式參數。指示ISSY域大小及是否使用了流同步化，有shortISSY（域長度為2個字節）、longISSY（域長度為3個字節）和noISSY（不使用流同步化）3種模式。

NPD：空包刪除子模塊的工作模式參數。指示是否對輸入的TS流進行了空包刪除處理，有NPD（使用空包刪除處理）和noNPD（不使用空包刪除處理）2種模式。

其中，MISO處理子模塊、IFFT子模塊、保護間隔插入子模塊、導頻插入和虛擬子載波預留子模塊屬于OFDM生成模塊，LDPC編碼子模塊和單元到星座點映射子模塊屬于比特交織編碼與調制模塊，模式匹配子模塊、流同步化子模塊和空包刪除子模塊屬于輸入處理模塊，L1后信令的單元到星座點映射子模塊屬于L1信令生成模塊。

1.3.2 幀配置參數

幀配置參數是指構成T2系統中幀結構的各組成部分之間數量關系的參數，具體如下。

我國剖宮產率目前呈現出非理性的增長狀態，不合理的剖宮產手術極大浪費了有限的醫療衛生資源，并增加了產后并發癥的發生，對廣大婦女的健康造成嚴重影響[9]。我國剖宮產率近20年已超過WTO推薦標準(15%)的3倍，其中有1/3的剖宮產手術可以避免[10]。中華醫學會圍產學會提出，要嚴格掌握剖宮產指征，將郊縣剖宮產率降至10%以下，其他地區剖宮產率降至15%，重復剖宮產率降至60%。目前，我國剖宮產現狀與此標準相差甚遠，為實現這一目標，不僅需要廣大醫務工作者的努力，還需要社會各界共同努力。

NP2：1個T2幀中包含的P2符號的個數。其大小由fft_size決定。

LF：1個T2幀的長度，指一個T2幀所包含的OFDM符號的個數。其最大值由GI和fft_size共同決定。

Ldata：1個T2幀中含有的數據符號的個數。Ldata＝LFNP2。

CP2：1個P2符號中所含有的有效數據單元的個數。其大小由fft_size和Omod共同決定。

Cdata：1個數據符號中所含有的有效數據單元的個數。其大小由fft_size，SP和TRen共同決定。

CFC：1個幀結束符號中所含有的有效數據單元的個數。其大小由fft_size，SP和TRen共同決定。

NTI：1個交織幀中所含有的時間交織塊的個數。其值不定。

NT2：1個超幀中包含的T2幀的個數。一般情況下為2。

TF：1個T2幀的時間周期。

Tu：1個OFDM符號的有效時間周期。其值由GI和fft_size共同決定。

Ts：1個OFDM符號的時間周期，包括插入的保護間隔。Ts＝Tu（1+GI）。

PI：1個交織幀映射到得T2幀的個數。

Ijump：幀間隔數，指示該PLP的數據在每Ijump個T2幀中出現。

NBLOCKS_IF：1個交織幀中所包含的FEC塊的個數。其值不定。

可見T2系統中，模式配置參數決定部分幀配置參數的取值。不同的模式配置參數組合下，得到的幀配置參數的取值會有所不同，具體值可在文獻[6]中查表得到。有些幀配置參數如LF，NTI，NBLOCKS_IF的值，可能只是一個范圍，也可能根本就不確定。

1.4 系統小結

由以上背景知識分析可知：設計T2系統的關鍵在于確定其各種幀結構之間的數量關系，例如，一個超幀中有多少個T2幀（NT2），一個T2幀中有多少個OFDM符號（LF），一個交織幀中有多少個FEC塊（NBLOCKS_IF）以及應分成幾個TI塊（NTI）等，只有確定了這些數值才能對輸入數據進行相應的處理封裝成幀。在T2系統中這些數值由相應的幀配置參數表示。這些幀配置參數中，有一部分的值可以直接由相應的模式配置參數決定，但如LF，NTI，NBLOCKS_IF等幀配置參數在T2標準中只規定了大概的范圍，而它們又對數據成幀起著舉足輕重的作用，在實際工程應用中它們的取值必須為一個確定值才行。所以筆者在單輸入流的情況下，針對如何求解這些幀配置參數的最優值問題進行研究，并給出相應的算法。

2 T2系統中幀配置參數最優值的算法

2.1 幀配置參數最優值的選擇原則

根據文獻[4]所述，在實際工程應用中，T2系統的輸入為單輸入流時，選擇幀配置參數LF，NTI，NBLOCKS_IF的最優值必須遵循以下2個基本原則：

1）保證T2幀的長度盡可能的大，以減少P1前導符號、L1信令及P2導頻的開銷，以盡可能地增大總的有效數據速率。

2）保證時間交織的深度盡可能的大。

因此，能夠保證總的有效數據速率和時間交織深度都相對較大的LF，NTI，NBLOCKS_IF的值，即為最優值。

2.2 幀配置參數最優值的求解算法

根據以上最優值的選擇原則，單輸入流（即模式A[6]）、無FEF幀、無輔助流，且空單元（dummy cell）數量最小的前提下，可以設計如下最優值求解算法：

1）根據相關的模式配置參數組合，確定相關的幀配置參數NP2，CP2，Cdata，CFC，Ncells，Tu的值及LF的取值范圍。通常情況下LF可取[NP2+3，LFmax]范圍內的任意整數，當fft_size為32k時，LF取[NP2+7，LFmax]范圍內的任意偶數。

2）針對LF取值范圍內每一個可用值，分別計算相應的最大有效數據率RNO_FEFS和最大交織深度DepCI。具體計算方法如下：

（1）計算最大有效數據率為

式（1）是根據文獻[4]中的最大有效數據率計算公式改進而來。式中BMA的值取決于模式適配處理中增加或移除的字節數，具體取值方法見文獻[4]；Kbch是指所選用CR下的BCH編碼的信息碼字的比特位數，具體數值可在文獻[6]查表得到；NB_max是指一個交織幀中所能容納的FEC塊數的最大值，其具體求法見文獻[4]。PI和Ijump的值在單輸入流和多時間交織塊的條件下都為1。NIB是指帶內信令的比特數，在單輸入流的條件下，無帶內信令，所以為0。

由公式（2）和（3）計算出相應的TF，并根據文獻[4]中算法計算出NB_max的值，代入式（1）中即可求得相應的RNO_FEFS的值，且NBLOCKS_IF＝NB_max。

（2）計算最大交織深度

根據對T2標準中的時間交織算法的分析可知，交織深度含義為：一個TI塊中的數據單元經過時間交織后所覆蓋的數據符號的個數。因此，當一個交織幀中TI塊數最小時，交織深度最大。則其計算步驟為：

① 計算NTImin，即NTI的最小值。由于T2標準中規定給每個TI塊的最大數據存儲空間[6]MTI＝219+215，所以

3）分別求2）中得到的RNO_FEFS和DepCI的平均值VR和VD。

4）分別求出每個RNO_FEFS和DepCI相對于其平均值的增量百分比IR和IDep，公式為

5）分別將對應于同一個LF的IR和ID相加得到It。

6）選出 It最大的那個值所對應的 LF，NTI，NBLOCKS_IF，即為最優值。若有1組以上的LF，NTI，NBLOCKS_IF的值所對應的It相等且為最大值，則選取LF最大時對應那一組LF，NTI，NBLOCKS_IF，作為最優值。對以上算法分析可知，BMA和Kbch的取值對DepCI的值無影響，即MAmod，ISSY，NPD和CR的取值對DepCI的值無影響。

3 仿真結果及分析

3.1 單個模式配置參數組合下仿真結果及分析

根據以上算法，編寫相關的MATLAB程序，計算在單個模式配置參數組合下的相關幀配置參數最優值，并繪制相關的變化曲線圖用以驗證算法是否正確。

以單輸入流、32ke、GI=1/32、PP8、不使用TR、無FEF、無輔助流、LDPC編碼長度為64800 bit、碼率為3/5、256QAM、HEM的模式參數組合為例，程序計算出的幀參數最優值組合為 LF＝60，NTI＝3，NBLOCKS_IF＝201。其變化曲線如圖4所示。

觀察圖4中曲線可知，當LF＝60的時候，最大有效數據率和最大交織深度相對其他值都比較大，因此，此時的幀配置參數取值為最優值。由圖中數據表格得知，NTI＝3，NBLOCKS_IF＝201，與程序計算出最優值相同，從而驗證了以上最優值算法的正確性。

此外，在32ke、不使用TR、GI＝1/128、PP7情況下計算出的結果與文獻[4]中DVB組織給出的參考值一致，更加驗證了該算法的正確性。

3.2 所有模式下的幀配置參數最優值計算結果及分析

在以上MATLAB程序的基礎上，修改程序遍歷所有模式配置參數的組合，最后將全部最優值組合繪制成表格，部分結果如表1所示。

表1 部分幀配置參數最優值

通過表1中的數據對比可知：MAmod，ISSY，NPD和CR的改變只會影響到具體RNO_FEFS的取值，但不會影響其相對于LF的變化趨勢，對最大交織深度也沒有影響。且在其他配置參數組合的情況下也滿足上述結論，與算法理論分析結果一致。所以幀配置參數最優值的計算可以忽略這4個參數的影響，將它們設置成一個固定值即可。這樣最優值的組合就由原先的485772種減少到10656種。

4 結論

T2標準中不同模式配置參數組合決定著幀配置參數的不同取值，但對于一些幀配置參數并未給出其確定的值，而只規定了一個范圍或是給出了一些限制，而在工程應用中，卻需要獲取這些參數的最優值。文中根據文獻[4]中給出的一些參數選擇原則，提出了一種在單輸入流的情況下求解幀配置參數最優值的算法。通過MAT?LAB仿真實驗結果及與T2標準中給出的相關參考值的對比，驗證了此算法的正確性。并通過對各種模式配置參數組合下的數據結果分析得出：MAmod，NPD，ISSY和CR這4個模式配置參數對幀配置參數最優值的確定并無影響，可以不予考慮。

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

[2]周曉，彭克武，宋健.DVB－T2標準的技術進展[J].電視技術，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.

[4]DVB Document A133（Blue Book)，Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB－T2）[S].2009.

[5]邱石，彭克武.DVB－T2物理層管道及其對國標系統的啟示[J].電視技術，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.