百年清华

记我系数字通信研究工作的肇始与发展

吴佑寿(1948电机)

1958年10月间, 北京市在钢铁学院刚建成的大楼内，举办了一次高校科研成果展览，我系（清华大学无线电系——编者注）研制的“14路话音编码终端”也参加展出。这是我国通信事业值得纪念的一件事, 它标志着我国采用多年的“模拟通信”从此向“数字通信”方向转变, 打开了我国通信数字化的发展征程。

五十多年来,我系通信教研组新老相传, 锲而不舍, 坚持不懈，在数字通信各个主要环节, 如话音编码(信源数字化)、数据传输(信道编码)和数字通信系统研发等方面, 做了不少工作,开拓了一个有重大影响的发展方向,也为国家经济与国防建设作出了贡献、培养了数字通信方面人才。在纪念我校百年校庆的时候, 对有关工作加以整理总结,向学校汇报,是有意义的。

无线电系通信教研组的建立

1952年无线电系成立时全系教工很少, 只有14位，分设为无线电技术和电真空技术两组；1953年无线电技术组按课程名称划分为:“发送”、“接收”、“基础”和“电磁波与天线”4个教研组, 其后又按应用领域, 改为雷达、通信、电视和基础教研组。这样的组织机构后来虽略有改变,但几十年来基本上没有什么变化。

通信教研组是在接收组的基础上建立的，教师约十几个人, 人数不多, 任务却不少: 当时教研组有鲍里索夫和别宁两位苏联专家,讲授信息论、随机过程和通信方面的课程,大家都要参加学习；教学方面有接收设备课程的讲课、实验和毕业设计；此外还担任全系正在研制的气象雷达接收机研发和国家110工程等任务。 更突出的问题是, 教师都很年轻,平均年龄大约是23-24岁，不但没有科研工作经验和训练，好几位提前任教的新教师大学还没有念完,需要补课。与此同时, 1956年国家制定了12年科学发展规划，号召全国向科学进军；1957年全校按照苏联教学计划进行教学改革的5年制学生按期毕业, 蒋南翔校长宣布,学校教学工作已经“过河”, 要求全校在做好教学工作的同时, 开展科研工作。在这样的条件下, 如何把教研组的教学和科研工作都做好, 确实不太容易。

但是当年的年轻人有一种“迎难而上” 的豪迈气慨，朝气蓬勃,“在工作中学习,在战斗中成长”的口号, 振奋人心,催人奋进。不过, 决心是一回事, 如何选择正确的学科方向和课题，则是另一回事。为此, 我们也曾进行不少尝试, 做过几个小题目, 如为部队研制用于测量飞机油量和高度等参数的传输系统, 但因缺少配套的传感器等客观原因而无法做到底。当时学校提倡毕业设计要“真刀真枪”，要“理论联系实际”，但如何结合实际来选择课题, 也不容易。当时有一个比较流行的“任务带学科” 的口号, 对我们颇有影响。今天我仍然认为, 这个提法虽然不够全面, 对于以工程为主的学科来说, 还是很有参考意义。

“脉码调制”研究是怎样开展的

解放前我国通信事业十分落后，只有为数不多的短波通信电台和收发信机，有线通信方面也只有3路、12路等载波电话，都是模拟制式, 技术落后, 性能不高, 远不能满足国家经济建设的需要。50年代中期，北京广播器材厂引进苏联“春天”牌60/300路微波接力机, 也是模拟制式, 通信距离有限，性能也不理想；中科院电子所计划开展H01波导的多路通信研究。这是苏联科学院正在研究的项目，技术要求很高, 线路不易铺设,估计很难付诸实用。当时我们从国外杂志上了解到“时分多路通信”具有不少特点，特别是“脉冲编码调制”PCM（即现在所说的数字通信）是一种抗干扰性能很高的制式，用于接力通信时理论上通信距离可以无穷远。鲍里索夫专家也认为这是一种很有前途的方案,是一个崭新的、正在发展的领域, 国际上的研制工作也刚刚开始, 关键技术问题很多, 整个通信系统的各个环节, 如信源、信道等等, 都必须“数字化”。可以说, 这将是通信技术的一次“革命”。选择这样的方向进行研究工作, 确实有点冒险。

其实, 当时我们决定开展“脉码调制” 研究, 并没有真正认识到它的重要性和困难, 只是朦胧的知道研究工作要有“Something new”! 要有新意，要有发展前途。“初生牛犊不怕虎”, 以PCM脉码调制(数字通信)为题开展研究就是这样确定的。剩下的问题是找任务和经费。

应该感谢原通信兵部孙俊人同志给予我们的指导和支持。他根据部队通信的需要，着重指出话音信号数字化便于数字加密，在国防通信方面非常有用。我们的想法也得到十院十所童志鹏总工的响应，他立即决定给我们立项, 并拨给叁万元科研经费。四十多年前，叁万元人民币可不是一个小数目，当时大学毕业的新教师，每个月工资只有46元。叁万元人民币相当于一个青年教师54.3年的收入。他们的支持使我们能够很快有了任务, 可以开展研究工作了。上面扼要描述我们选定研究课题的过程与指导思想, 对我们几十年来的工作是很有影响的。

我系脉码调制通信系统的研究工作是1958年初开始的，开始时研究的内容只是话音信号(信源)数字化，参加工作的教师主要是程佩青和研挺等青年教师，利用暑假期间教学任务较少的机会, 夜以继日, 加班加点,不停工作。记得为了支持我们的工作, 全校”大炼钢铁”的活动, 我们也没有参加。1958年秋季开学时,“14路话音编码终端”样机初步完成, 暑假回苏联休假后回到清华的鲍里索夫专家看到样机, 大为赞叹, 他说, 中国“大跃进”真是了不起。1958年底在原钢铁学院刚建成的大楼内，北京市组织了一次高校内部展览，我系有12项研究成果展出，其中除射电天文望远镜、微波实验系统、硅材料和晶体管等成果外，“14路话音编码终端”也参加展出。刘少奇、邓小平、聂荣臻和许多中央有关同志都来参观，给我们很大鼓舞。

应该说, 这部终端样机的整体设计还很粗造, 由于电子器件的限制, 体积庞大,线路复杂, 性能也不太理想, 但技术上有不少创新,主要是采用我们提出的利用电子管线路制成的“串联式编码电路”, 代替国外当时采用的十分笨重复杂的编码管。在话音信号的压(制)扩(张)技术系统同步以及量化噪声的理论分析与计算等方面, 也做了不少工作, 解决了一些关键技术问题。在第一台样机基础上, 我们锲而不舍, 坚持不懈, 对系统不断加以改进, 经艰苦努力, 制成了实用样机, 1962年通过技术鉴定, 编写了一本“实验脉冲编码通信终端机”的总结报告，还在《电信科志》杂志发表了综合介绍“时分多路通信”的文章, 为我系通信教研组几十年来从事数字通信打下了较好的基础,揭开了我国通信数字化的序幕。

初战告捷, 对我们很大鼓舞, 也得到有关单位的肯定, 使我们能有更多的参加数字通信研究的机会。

关于SCA型数传机的研究

蒋南翔校长于上世纪60年代初, 曾经提出有名的“三阶段、两点论”。按照他的分析, 1957年在学习苏联进行教改“过河”以后的清华大学, 就进入“走自己的路”的第三阶段了。

1958至1966的8年中, 全国各种政治活动连绵不断, 对学校正常工作影响不小。值得庆幸的是, 在校党委正确领导和妥善安排下, 我们的教学和科研工作,仍有较大进展: 东主楼已经竣工, 我系有了很好的工作环境和明亮宽敞的实验室；更为重要的是: 1958至1960届等提前抽调的同学先后毕业,可以全时参加工作, 教研组教工队伍迅速得到加强；从1959年开始, 学校又决定招收研究生, 这是极其重要的举措,对我系的教学与研究工作都起了很大作用。

教师队伍的壮大,使我们能承担更多的任务,在话音编码之外,又开展数字信号传输和处理,以及参量放大器与最佳接收等研究工作。

60年代初, 国防部门急需解决数据传输问题。吴佑寿被聘任为154工程副总设计师, 负责卫星遥测数据传输的研制工作。从技术上说, 这是数字通信系统关键环节之一。卫星遥测数据数量大、传输距离远，误码要求高，用于传输的信道频带又十分有限，在确保误码率足够小的前提下，如何提高信号传输速率, 是较难解决的问题, 国外也还没有很好解决。例如, 当时有一种采用音叉作为机械滤波器的无线数据传输系统(RAKE系统), 采用40个音叉滤波器, 在一个4000Hz的话音频带中传送3000波特的数据。这种系统十分复杂庞大, 可靠性也很差。吴佑寿根据数字调相频谱窄、抗干扰能力强等特点，决定采用相位键控(PSK)技术。为了验证技术的可行性, 他从数码率较低的600 b/s数据开始, 开展工作。通过反复探索试验，解决了相干解调、同步信号提取以及设备小型化等问题，于1962年制成我国第一台数据率为600/1200 b/s的晶体管化数传终端机，并在北京一沈阳之间往返约1700公里的有线通信干线上进行试验，取得大量统计数据，为开展更高数据传输的研究打下了坚实的基础。1965年初攻克了脉冲四相调制(4PSK)技术难题。研制成功码率为1200/2400 b/s的SCA型数传终端机，在19所和738厂及南京江苏无线电厂的密切配合下,批量投产，为我国卫星测控系统及时提供传输数据的手段，也为我国通信事业掌握了实现数字信道调制的关键技术。

应该指出，1958年开始先后招收的研究生, 在科研工作中起了很好作用。数传机方面, 潘宗後同学提出采用负阻式的锁相环代替音叉机械滤波器, 研制成功和RAKE 系统性能相当的数据传输系统, 在理论和实用方面都很有意义。研究生董荔贞和我们一起从事低噪声参量放大器研究工作, 取得凸出的成果, 用于某雷达系统时, 使雷达接收机的噪声系数改善了6-7分贝，作用距离增加30-40%。这对后来我们研制微波数字通信系统也起了很好作用。

遗憾的是, 本来我们还计划研制数码率为4800b/s的数传机, 由朱雪龙同志负责。可惜1966年初, 他被派下乡参加四清, “文革” 开始后, 学校工作陷于停顿, 提高数传机性能的研究工作, 也被迫中断。

120路数字微波无人值守接力机的研制

我国数字通信系统的研发和推广应用是从1975年间四机部主持的 “二次群数字微波通信系统”国家重点工程正式开始的。

1966年至1976年的十年动乱中, 清华大学是重灾区, 无线电系更是水深火热 , 被迫迁往绵阳. 1952年院校调整时学校领导顶住苏联专家的压力、艰难地创建起来的无线电系, 将在清华园“消失”! 这不能不受到无线电系师生的反对和抗拒,人心思散. 这是当年绵阳分校刮起“散伙风”的根源。

尽管如此, 留在绵阳的无线电系教师,在分校基建基本完成后,除了努力做好工农兵学员的教学外, 还都想方设法做点科研工作。四川有不少通信和雷达的工厂与研究所，教师们借着带学生下厂实习机会,或者主动下厂联系, 争取能为国家做点研究工作。

文革之前的通信教研组, 在数字通信方面曾做了不少工作,其中SCA型数传机还由南京江苏无线电厂与738厂大量生产, 用于1970年初我国发射第一颗人造卫星测控系统的数据传输，这对通信教研组的师生是极大的鼓舞。到分校后, 虽然研究工作被迫中断, 但大家仍努力寻找有关课题, 争取能多做一些力所能及的工作。1975年初, 我们从716厂得知, 四机部已决定立项, 研制一个和国家重点工程——“川沪输气工程”配套的“数字微波通信系统”，这是王铮部长重新主持四机部工作后的重大决策。当时“四人帮”还没有垮台,“抓革命、促生产”只是一句空话。王铮部长认为, 必须尽快抓一个有影响的、符合科学技术发展方向的项目, 既为国家经济建设提供装备, 也可以促进电子行业, 特别是电子材料、器件和相关装置的发展。以研制“数字微波通信系统”为抓手,可以起到一举多得的作用。

当时我们住在川北山沟里, 信息闭塞. 四机部立项研制“数字微波通信系统”的决定,我们一无所知。重庆 716厂和绵阳734厂都是通信工厂,在数字通信方面也有较好基础。于是分校和他们联合, 争取参加研制工作。很快就得到四机部领导的批准: 由石家庄19所牵头, 研制6GHz和2GHz两种子系统, 6GHz系统, 由包括北京大学、北京广播器材厂、北京电控厂等单位组成的 “北方点”负责, 2GHz系统则由包括清华绵阳分校、716厂和730厂等单位组成的“南方点”承担。这一决定对我们是极大鼓舞. 绵阳分校领导迅速组织了包括通信专业的高频组、编码组，雷达专业的微带组和总装车间等单位, 跨专业合作,联合攻关。

按照“立项”要求,系统的通信容量是120路数字电话,第一期工程是建设由四川至武汉的“30/120路川汉微波数字无人值守接力系统”(分校把它简称为“120路”), 通信距离约1,000 公里, 需建设20多个“接力站”。这是相当高的要求,当年国际上也很少有。从四川到武汉, 首先要穿越蜀东南人烟稀少的崇山峻岭,紧接着的是干扰很大的江汉平原水网地带,在这样地区建设的“接力站”很难有人管理, 必须是无人值守。概括地说, 120路系统必须是: 全数字化、全固态化、无人值守与低功耗, 这是研制工作的基本要求。

为了把“120路”的研制工作做好, 参加这一项目的单位,除716、730和北广等几个整机厂之外, 电子部领导部门和有关研究所与工厂,包括11所、13所、774厂和878厂等元器件厂, 都动员起来, 互相配合,研制工程所需的各种元器件和测试仪器设备。没有这些元器件厂研制的大功率微波晶体管和中小规模集成电路, 整机的设计和试验就寸步难行。这些元器件当时都是稀缺产品,按计划分配。记得有一次我被派到北京四机部招待所(在北京体育馆附近)参加订货会, 四机部李瑞副部长看到我也来参加订货,对负责分配器材的同志说: 清华吴教授亲自从四川来参加订货会, 无论如何,总得给他们分一点! 这句话,令人感动,至今不能忘怀。为了“120工程”,上下一条心,相互支持；在分校,参加研制的教工,也是不分彼此,夜以继日,努力工作。这种热火朝天的情景,谁还能够说“分校的同志不争气”呢!

分校通信教研组在通信数字化方面原来已有较好基础，到绵阳以后又陆续对一些关键技术问题进行了较为深入的研究。经过两年多的努力, 我们很好的解决了话音增量调制、PCM脉码调制、微波功率放大、微带四相调制、辐-频联合调制、同步信号提取, 以及脉冲信号的整步等关键技术, 在国内首次完成了2GHz 30/120路低功耗无人值守数字微波接力系统 (包括微波接力机、增量调制数字电话终端,以及32路基群与120路二次群的数字电话终端等项目) 的样发工作,于1978年3月在石家庄的全国总联试中取得成功，并先后投入生产。

这一微波数字接力通信系统,可以传送32或120路数字电话；利用我们研发的复合调幅——调频技术,可以传送遥控信号,实现接力站的无人值守；由于采用了774厂与878厂生产的微波器件和集成电路, 整个系统基本上实现了国产化.以川汉输气工程为应用背景的数字微波通信系统的研制成功，在我国数字微波通信的发展史上是具有划时代意义的事件，它成套地突破了一系列关键技术，培养了一大批研究开发人才，为我国专用通信网的全数字化改造作出了重大贡献，1978年荣获全国科技大会奖。在这个过程中，绵阳分校作出了自己应有的贡献。可以毫不夸张地说，绵阳分校是我国数字微波通信技术发展的一个摇篮。直到现在，曾经在数字微波通信领域奋斗了一辈子的老同志，以及一些当年在分校学习的工农兵学员, 都想念着绵阳分校，还经常谈起共同战斗的日日夜夜。

2005年4月26日, 为了纪念我国第一个数字微波通信系统“诞生30周年”, 原来主持研制工作的的四机部科技司郭文昭司长,在清华微波与数字通信技术国家重点实验室, 召开了“川沪输气工程数字微波通信系统研发30周年纪念座谈会”, 参加座谈会的有37位当年参加研制的领导和技术人员, 包括郭文昭、魏学兴、孔宪正、傅子田、张金福和我系十几位同志, 清华大学副校长龚克也到会表示祝贺。大家畅谈当年的成果与艰辛, 并互相勉励, 要为国家信息事业的兴旺发达再作贡献。

我系数字通信学科的发展

绵阳分校的丰硕成果奠定了清华大学数字微波通信技术在全国的地位，也为我系在无线通信和光通信领域的后续发展准备了条件。从绵阳回到北京以后，我们继续在数字微波通信领域承担国家及部委重大项目，又取得了一批重要成果，包括：1983年及1988年先后完成的电子部重点项目“2GHz 480路数字微波通信系统”及“多通道数字微波通信系统”，1991年完成的国家“七五”攻关项目“11GHz 1920路数字微波接力机”和“64QAM 140Mb/s中频调制解调系统”等。同时，我们还将数字微波通信技术用于卫星通信、多点通信和光通信等领域，开辟了一些新的研究方向，包括：1989年完成的国务院电子振兴办下达的“数字群路制卫星通信扩容试点工程”任务，建立了我国第一个IDR卫星通信试验电路；1991年完成的国家重点新技术开发项目“点对多点无线通信系统”，被列人首批国家产学研工程；1993年完成的中科院重大项目“遥感卫星高速接收系统”，后用于某国防重点工程；1994年完成的国家863计划重点项目“2.5Gb/s光收发模块”，为发展我国高速光纤传输系统作出了重大贡献。这里特别值得提到的是微波与数字通信技术国家重点实验室的筹备和建立，从1988年国家计委批准筹备微波与数字通信技术国家重点实验室，到1995正式通过国家级验收并开始运行，这个国家实验室对我系在无线及数字通信领域的学术研究、科研进展和人才培养都起到十分重要的作用。

80年代中后期，光纤通信迅速兴起，微波的干线传输功能已逐步被光纤所代替, 但是组成通信系统的其他绝大部分, 如信源(压缩)编码、信道编码、信道估计和同步, 等等, 都必须数字化, 技术和性能也都需不断提高。在这种背景下，通信教研组的同志, 及时调整研究方向，开拓新的研究领域。90年代以来，我们仍然按通信数字化的发展方向，围绕无线(蜂窝)及个人通信、电视数字化、卫星及空间通信、光通信、军事通信等方向,组织队伍，落实项目，取得成果，例如, 2003年我们研制成功“地面数字电视广播传输系统DMB-T”, 2006年国家在DMB-T的基础上, 制定了国家地面数字电视广播传输系统强制性标准DTMB, 用于2008奥运实况转播, 并逐步推广, 现在已在国内300多个城市和香港澳门进行数字电视广播, 柬埔寨政府也已决定采用我国的标准。更为重要的是, 培养了一批掌握数字化技术的年轻人，这是我们系最宝贵的财富。

回顾这20多年在数字微波通信领域的研究经历，我们感触良多,也有不少体会：要做好科研工作, 必须把握好技术发展趋势，不要失去时机；必须立足国家的经济和国防建设发展需求，面向主战场；必须多学科联合，组织队伍，形成自己的技术特色；必须坚持不懈, 锲而不舍,“产学研用”结合, 努力把研究成果,尽快转移到生产, 成为产品。

2010-9-30