引領(lǐng)數(shù)字電視技術(shù)創(chuàng)新
——記清華大學(xué)電子工程系教授王昭誠

◎ 文/王 鵬

引領(lǐng)數(shù)字電視技術(shù)創(chuàng)新
——記清華大學(xué)電子工程系教授王昭誠

◎ 文/王 鵬

國際電聯(lián)前秘書長哈瑪?shù)?圖埃博士、現(xiàn)任秘書長趙厚麟等為王昭誠教授（中）頒發(fā)國際電聯(lián)首批學(xué)術(shù)會員證書

“地面數(shù)字電視廣播是融數(shù)字信號處理、寬帶傳輸、無線通信為一體的新一代信息技術(shù)。它克服了模擬電視易受干擾、圖像質(zhì)量差、有重影等缺點，并極大地提高了無線頻譜的利用率，因此，當(dāng)前數(shù)字電視廣播的發(fā)展受到世界各國政府的普遍重視。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國地面數(shù)字電視解決方案成為國際標準的意義，簡單來講就在于，它將大大帶動我國數(shù)字電視技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)、文化和金融等產(chǎn)業(yè)鏈的成套出口，形成經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的新模式?！鼻迦A大學(xué)電子工程系教授、清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室(籌)寬帶通信重點實驗室主任王昭誠說。

作為DTMB-A(我國地面數(shù)字電視多媒體廣播標準DTMB的演進系統(tǒng))國際標準研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主要參與者之一，王昭誠教授近年來主要負責(zé)DTMB-A的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和原型樣機研制。

DTMB-A是由清華大學(xué)數(shù)字電視技術(shù)研究團隊和北京數(shù)字電視國家工程實驗室聯(lián)合研發(fā)的DTMB國家標準的演進系統(tǒng)，具有傳輸容量大、信號接收靈敏度高、抗干擾能力強、高速移動接收性能好等特點。DTMB-A在關(guān)鍵技術(shù)上的突破，將使我國地面數(shù)字電視傳輸領(lǐng)域持續(xù)占據(jù)世界技術(shù)的制高點。

王昭誠教授指出，中國的數(shù)字電視技術(shù)如今已躋身世界前列，是繼美國、歐洲、日本之后，第四個擁有地面數(shù)字電視傳輸國際標準的國家。在全球第一代數(shù)字電視四大國際標準中系統(tǒng)性能領(lǐng)先，并且具有后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。2015年4月，中國國家主席習(xí)近平到巴基斯坦進行國事訪問時，與巴方簽訂了多項中巴合作協(xié)議和備忘錄，DTMB-A作為中國“一帶一路”戰(zhàn)略的旗艦項目之一位列其中，以此為起點，中國數(shù)字電視演進標準DTMB-A 拉開了“走出去”的應(yīng)用序幕。

源頭創(chuàng)新，助力中國創(chuàng)造

王昭誠是一位“65后海歸”，曾先后在新加坡、德國學(xué)習(xí)和從事研究工作近13年。2009年4月，帶著多項前沿性研究成果和科技報國的夢想，他回到了國內(nèi)，回到了自己的母校清華大學(xué)。

回國工作以來，王昭誠和自己的科研團隊堅持源頭創(chuàng)新與產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，一路上攻堅克難、創(chuàng)新不輟，其成果亦化作一道道靚麗的風(fēng)景，妝點了他的創(chuàng)新之路，并共同推動著數(shù)字電視技術(shù)的“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變。2016年11月，由于在產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新工作中的突出貢獻，他榮獲了中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎。

王昭誠教授（右）和李幼平院士討論技術(shù)問題

“國內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展充滿活力和朝氣，對海歸人才歸國工作和創(chuàng)業(yè)有相應(yīng)的支持政策，我的母校清華大學(xué)也是一個很好的舞臺，在這里我相信自己能夠發(fā)揮所長，做出些許成績?！蓖跽颜\說。

王昭誠堅信，在國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，中國最需要的不是跟隨模仿式創(chuàng)新，而是源頭創(chuàng)新、引領(lǐng)式創(chuàng)新。因此，近年來他堅持以新興前沿技術(shù)為主攻方向，并力爭實現(xiàn)理論突破與產(chǎn)業(yè)化無縫連接的體系構(gòu)建。

我國自主制定的地面數(shù)字電視多媒體廣播標準DTMB于2011年12月正式成為國際電聯(lián)標準，目前已在國內(nèi)300多個地級以上城市及香港、澳門推廣應(yīng)用。國際上還有100多個國家尚待選擇地面數(shù)字電視傳輸標準，這為我國以標準帶動技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)、金融和文化成套出口提供了廣闊的海外市場，成為我國電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機遇。針對國外新一代數(shù)字電視傳輸標準的頒布，給我國DTMB標準海外推廣和國際競爭帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，王昭誠牽頭國家“863計劃”課題“信道編碼與無線傳輸技術(shù)研究”，針對數(shù)字電視信號廣域深度覆蓋面臨的傳輸距離遠、地形地貌復(fù)雜，同時要求高頻譜效率和高功率效率等傳輸技術(shù)難題，迎難而上，執(zhí)著創(chuàng)新，成功揭示了數(shù)字電視信號超長時延、超高速移動、超大動態(tài)范圍等特性及相互作用機理，為DTMB-A的標準制定、原型樣機研制和產(chǎn)業(yè)化作出了創(chuàng)造性貢獻。

在調(diào)制技術(shù)方面，傳統(tǒng)類高斯星座圖雖然可在性能上突破QAM星座圖約束下的理論極限，但其解映射復(fù)雜度高，無法直接用于廣播接收終端。為了突破這一局限，王昭誠提出極坐標分解理論，證明在高信噪比條件下，圓周和半徑方向的互信息交叉項可以忽略。在此基礎(chǔ)上，他提出一種基于乘積振幅移相鍵控的新型調(diào)制方式，突破了傳統(tǒng)QAM調(diào)制的理論極限，能有效支持高階調(diào)制，頻譜效率較DTMB標準提升30%-40%，在保證低復(fù)雜度實現(xiàn)的同時，主要系統(tǒng)性能超越國外第二代數(shù)字電視標準。

在幀結(jié)構(gòu)和信令設(shè)計方面，王昭誠提出了一種基于頻域距離檢測的同步序列，通過多個頻域偽隨機序列間相互距離的不同來攜帶控制信令信息，能改善系統(tǒng)的同步性能。隨后他進一步給出了相應(yīng)的信道估計方法，其性能超越了DVB-T2等國際標準，為下一代無線廣播及通信系統(tǒng)提供了一種具有良好前景的解決方案，相關(guān)成果獲得了2016 IEEE Scott Helt Memorial Award（IEEE Transactions on Broadcasting年度唯一最佳論文獎）。

據(jù)悉，上述成果用于DTMB-A系統(tǒng)，使其頻譜效率、接收門限和高速移動接收等主要指標，均達到了國際領(lǐng)先水平。

產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，共促產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展

我國目前正積極致力于提升數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，逐步實現(xiàn)由模擬電視生產(chǎn)大國向數(shù)字電視技術(shù)強國的轉(zhuǎn)變。

由于歷史原因，中國在創(chuàng)新領(lǐng)域與美國等西方主要發(fā)達資本主義國家尚存在一定的差距，“協(xié)同創(chuàng)新”是一種致力于相互取長補短的智慧行為，也是我國數(shù)字電視技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)“彎道超車”的一種有效路徑。

作為清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室（籌）寬帶通信重點實驗室主任、北京數(shù)字電視國家工程實驗室技術(shù)總監(jiān)的王昭誠近年在國家“973計劃”、國家“863計劃”和國家自然科學(xué)基金項目的支持下，在產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同創(chuàng)新方面也做了大量探索實踐。

在重點實驗室科研團隊運營過程中，非常注重汲取國外先進的管理和組織理念，并制定合理的隊伍建設(shè)規(guī)劃。在運行機制方面，從選題、攻關(guān)、成果轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)，全方位推動引領(lǐng)創(chuàng)新的科學(xué)研究。一方面，積極促進原始創(chuàng)新，建立起自主科研的選題機制，鼓勵教師不斷提出新的想法、不斷優(yōu)化科學(xué)研究方向，以期獲得突破引領(lǐng)性成果；另一方面，積極推動科研成果的產(chǎn)業(yè)化，孵化信息與通信工程學(xué)科具有重大社會影響力的高科技成果，推動我國電子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

王昭誠介紹，長久以來他們都堅持面向國家利益與產(chǎn)業(yè)需求，通過不懈努力，建設(shè)起一支能積極承擔(dān)重大科研項目的攻關(guān)團隊。

北京數(shù)字電視國家工程實驗室周圍聚集了一批國內(nèi)一流的數(shù)字電視標準研究、數(shù)字電視發(fā)射前端、芯片及接收終端、測試等研發(fā)和生產(chǎn)單位，按照信息處理的流程特點進行“鏈式”布局，構(gòu)建起了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

寬帶通信重點實驗室通過全球招聘引進海外高端人才，迄今已從國外一流研究機構(gòu)先后引進國家“千人計劃”和“青年千人計劃”專家 5 名。在專業(yè)技術(shù)職務(wù)聘任方面，堅持“按需設(shè)崗、公開招聘、平等競爭、擇優(yōu)聘任、嚴格考核”的聘任原則。隨著隊伍結(jié)構(gòu)的日漸完善，團隊圍繞如何大幅度提高無線通信頻譜利用率等共性科學(xué)技術(shù)問題開展協(xié)同攻關(guān)，成效已初步顯現(xiàn)。

在長期相互協(xié)作的基礎(chǔ)上，寬帶通信重點實驗室在高速大容量無線網(wǎng)絡(luò)傳輸理論與核心技術(shù)研究領(lǐng)域，取得了一批原創(chuàng)性理論和技術(shù)成果，提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的標準提案，研發(fā)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的核心芯片，并且實現(xiàn)了這些創(chuàng)新成果在寬帶移動通信、數(shù)字電視及空間信息網(wǎng)絡(luò)等核心領(lǐng)域的應(yīng)用，創(chuàng)造了顯著的社會經(jīng)濟效益。特別地，在逼近理論極限的LDPC編碼、OFDM傳輸、分布式無線網(wǎng)絡(luò)、高速低功耗通信SoC等方面，取得了國際前沿性研究成果。

攻堅克難，搶占技術(shù)制高點

當(dāng)前，數(shù)字電視技術(shù)標準的國際競爭十分激烈。

王昭誠指出，我國地面數(shù)字電視多媒體廣播標準DTMB成為全球四大地面數(shù)字電視標準之一，使中國贏得了與美國、歐洲、日本等發(fā)達國家標準平等競爭的地位。事實證明，中國標準的后發(fā)優(yōu)勢和自主創(chuàng)新技術(shù)，使得DTMB與歐洲等其他同代國際標準相比，具有明顯的技術(shù)先進性。DTMB完整的自主知識產(chǎn)權(quán)和良好的性價比，為其贏得了亞、非、拉美地區(qū)眾多發(fā)展中國家的青睞，原先采用歐洲D(zhuǎn)VB-T標準的許多國家轉(zhuǎn)而傾向于采用中國的DTMB標準。

“DTMB標準的國際化，為我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)和電視內(nèi)容制作帶來了不容小覷的海外潛在市場。”他說。

不過王昭誠同時也指出，近年歐洲推出了先進的第二代標準DVB-T2，對中國DTMB的國際推廣應(yīng)用構(gòu)成了沖擊?！皣H高科技競爭猶如‘逆水行舟，不進則退’，為保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，我們唯有持續(xù)不斷推動技術(shù)革新?！彼f。

在此背景下，根據(jù)國家主管部門的要求和我國的具體應(yīng)用特點，中國高校和企業(yè)界攜手開展了新一代數(shù)字電視在傳輸領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究。

作為這支大軍中的一員，王昭誠牽頭國家“863計劃”課題“信道編碼與無線傳輸技術(shù)研究”，在保持完整自主知識產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)上，完成了DTMB-A的系統(tǒng)設(shè)計，并進一步開展了系統(tǒng)發(fā)射機、接收芯片、接收終端、組網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化等工作。

在“信道編碼與無線傳輸技術(shù)研究”項目中，王昭誠團隊提出了數(shù)字電視信道編碼與無線傳輸?shù)慕鉀Q方案，研制了新一代數(shù)字電視信道編碼與無線傳輸?shù)脑蜆訖C，并在香港、長沙、昆明、烏魯木齊等多個城市開展了場地測試和性能優(yōu)化，取得了良好效果。

“信道編碼與無線傳輸技術(shù)研究”項目原型樣機的實驗室性能指標測試顯示，在8MHz帶寬的典型固定接收模式中，它可以支持5路高清或25路標清電視節(jié)目的傳輸；在典型移動接收模式中，可以支持3路高清或13路標清電視節(jié)目的傳輸。

對傳輸系統(tǒng)原型樣機的開路測試表明，其接收性能在不同測試條件中與DVB-T2相當(dāng)或者優(yōu)于DVB-T2。

2015 年3月，科技部高技術(shù)司組織專家組對“信道編碼與無線傳輸技術(shù)研究”課題進行了驗收，課題獲驗收專家全票通過，驗收成績?yōu)锳等。

“相比DTMB系統(tǒng)，DTMB-A的性能有明顯提升，比如，它在8MHz帶寬內(nèi)實現(xiàn)了50Mbps無線傳輸能力，這對我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義?！蓖跽颜\說。

據(jù)了解，目前DTMB-A系統(tǒng)的完善和產(chǎn)業(yè)化推廣工作在有序推進，DTMB-A芯片的產(chǎn)業(yè)化、DTMB-A標準進入巴基斯坦開拓海外市場等工作也都在穩(wěn)步推進過程中。

王昭誠介紹，他們在DTMB-A的研發(fā)過程中一直秉承著“繼承并發(fā)展已有核心技術(shù)”、“創(chuàng)新與性能并重，堅持自主知識產(chǎn)權(quán)”這兩個基本原則；從全面提升數(shù)字電視系統(tǒng)的傳輸性能、拓展數(shù)字電視系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域這兩個不同層面出發(fā)，支持地面數(shù)字電視廣播的超高清、高清以及手機電視、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)廣播等新業(yè)務(wù)發(fā)展。

“我國的DTMB-A，具有傳輸容量大、信號接收靈敏度高、抗干擾能力強、高速移動接收性好等特點，是在原有DTMB基礎(chǔ)上的全面提升，這為其產(chǎn)業(yè)化和國際化打下了堅實的基礎(chǔ)?！蓖跽颜\表示。

面向未來，拓展新頻段

由于頻譜資源的日漸枯竭，傳統(tǒng)的無線通信越來越不能滿足快速增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，毫米波/可見光通信作為實現(xiàn)數(shù)字電視廣播信號室內(nèi)深度覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)和手段，近來得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

由于具有帶寬大、波束窄、系統(tǒng)更易小型化等優(yōu)勢，毫米波在通信、雷達、制導(dǎo)、遙感、射電天文學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和波譜學(xué)方面都有潛在的應(yīng)用價值，但同時存在衰耗大、易受阻擋、覆蓋距離短等亟待攻克的問題?！昂撩撞ㄈ菀资艿接觎F等天氣影響，屬于‘靠天吃飯’，另外，也容易受到建筑物等的阻擋?！蓖跽颜\說。

為此，他集中精力深耕波束賦形與處理技術(shù)，并取得多項原創(chuàng)性成果。首先，針對毫米波信號易被人體遮擋、接收不魯棒的難題，王昭誠提出了多波束自適應(yīng)跟蹤直射波/反射波的思想，當(dāng)遮擋發(fā)生時能智能、快速、擇優(yōu)地選取其他可靠路徑進行通信，保證無壓縮高清視頻等應(yīng)用的用戶體驗。其次，針對毫米波大規(guī)模多天線系統(tǒng)存在的密集天線強相關(guān)、射頻鏈路高功耗和器件參數(shù)非理想等多重約束，提出了多小區(qū)智能協(xié)同模數(shù)混合預(yù)編碼架構(gòu)和基于地理位置信息的導(dǎo)頻設(shè)計方法，能降低小區(qū)間的導(dǎo)頻污染，提升系統(tǒng)的上下行頻譜效率。王昭誠在毫米波的研究過程中，獲得了多項與國際標準相關(guān)的歐美授權(quán)發(fā)明專利，研發(fā)成果應(yīng)用于大眾消費電子產(chǎn)品中，實現(xiàn)了商業(yè)化。“我們還與中興、華為、索尼及NTT DoCoMo等企業(yè)建立了廣泛的合作，期待產(chǎn)出與未來 5G 毫米波通信密切相關(guān)的自主科研成果?！蓖跽颜\說。另外，他本人和牛津大學(xué)Kao-Cheng Huang博士合著的毫米波通信英文專著,2011年由WILEY-IEEE Press發(fā)行，獲得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

針對可見光通信，王昭誠承擔(dān)國家“973計劃”課題“寬光譜高可靠傳輸方法與逼近容量限的通信理論”，對“無線光通信在不同照明亮度約束下的信道容量限與調(diào)制方式”、“基于啟發(fā)式遺傳算法的應(yīng)急資源調(diào)度”、“多光源協(xié)同傳輸”等內(nèi)容展開了系統(tǒng)性研究，形成了多項具有重大產(chǎn)學(xué)研應(yīng)用價值的成果。包括：提出一種新型調(diào)制方法，在不同照明亮度約束下均能獲得最優(yōu)的系統(tǒng)性能；針對光信號強吸收/強散射/強衍射后能量迅速衰減導(dǎo)致的信道脆弱性問題，提出一種室內(nèi) WiFi和LiFi 混合通信系統(tǒng)的最優(yōu)切換策略等。

王昭誠團隊在可見光通信領(lǐng)域的研究成果，已獲得工業(yè)界的廣泛認可。其中，他們研發(fā)的一款基于無線光傳輸?shù)恼Z音對講系統(tǒng)，只要在有燈光的地方就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)對講機的功能，可廣泛應(yīng)用于電磁波受限的坑道、艦艇等軍事應(yīng)用領(lǐng)域、地下人員通信與救援等煤礦應(yīng)用領(lǐng)域以及無線電禁止的醫(yī)院等民用應(yīng)用領(lǐng)域。