引领数字电视技术创新——记清华大学电子工程系教授王昭诚

◎ 文/王 鹏

引领数字电视技术创新
——记清华大学电子工程系教授王昭诚

◎ 文/王 鹏

国际电联前秘书长哈玛德-图埃博士、现任秘书长赵厚麟等为王昭诚教授（中）颁发国际电联首批学术会员证书

“地面数字电视广播是融数字信号处理、宽带传输、无线通信为一体的新一代信息技术。它克服了模拟电视易受干扰、图像质量差、有重影等缺点，并极大地提高了无线频谱的利用率，因此，当前数字电视广播的发展受到世界各国政府的普遍重视。拥有自主知识产权的中国地面数字电视解决方案成为国际标准的意义，简单来讲就在于，它将大大带动我国数字电视技术、产品、服务、文化和金融等产业链的成套出口，形成经济可持续发展的新模式。”清华大学电子工程系教授、清华信息科学与技术国家实验室(筹)宽带通信重点实验室主任王昭诚说。

作为DTMB-A(我国地面数字电视多媒体广播标准DTMB的演进系统)国际标准研发和产业化主要参与者之一，王昭诚教授近年来主要负责DTMB-A的关键技术研发和原型样机研制。

DTMB-A是由清华大学数字电视技术研究团队和北京数字电视国家工程实验室联合研发的DTMB国家标准的演进系统，具有传输容量大、信号接收灵敏度高、抗干扰能力强、高速移动接收性能好等特点。DTMB-A在关键技术上的突破，将使我国地面数字电视传输领域持续占据世界技术的制高点。

王昭诚教授指出，中国的数字电视技术如今已跻身世界前列，是继美国、欧洲、日本之后，第四个拥有地面数字电视传输国际标准的国家。在全球第一代数字电视四大国际标准中系统性能领先，并且具有后发技术优势。2015年4月，中国国家主席习近平到巴基斯坦进行国事访问时，与巴方签订了多项中巴合作协议和备忘录，DTMB-A作为中国“一带一路”战略的旗舰项目之一位列其中，以此为起点，中国数字电视演进标准DTMB-A 拉开了“走出去”的应用序幕。

源头创新，助力中国创造

王昭诚是一位“65后海归”，曾先后在新加坡、德国学习和从事研究工作近13年。2009年4月，带着多项前沿性研究成果和科技报国的梦想，他回到了国内，回到了自己的母校清华大学。

回国工作以来，王昭诚和自己的科研团队坚持源头创新与产学研协同，一路上攻坚克难、创新不辍，其成果亦化作一道道靓丽的风景，妆点了他的创新之路，并共同推动着数字电视技术的“中国制造”向“中国创造”的转变。2016年11月，由于在产学研合作创新工作中的突出贡献，他荣获了中国产学研合作创新奖。

王昭诚教授（右）和李幼平院士讨论技术问题

“国内经济社会发展充满活力和朝气，对海归人才归国工作和创业有相应的支持政策，我的母校清华大学也是一个很好的舞台，在这里我相信自己能够发挥所长，做出些许成绩。”王昭诚说。

王昭诚坚信，在国家实施创新驱动发展战略的大背景下，中国最需要的不是跟随模仿式创新，而是源头创新、引领式创新。因此，近年来他坚持以新兴前沿技术为主攻方向，并力争实现理论突破与产业化无缝连接的体系构建。

我国自主制定的地面数字电视多媒体广播标准DTMB于2011年12月正式成为国际电联标准，目前已在国内300多个地级以上城市及香港、澳门推广应用。国际上还有100多个国家尚待选择地面数字电视传输标准，这为我国以标准带动技术、产品、服务、金融和文化成套出口提供了广阔的海外市场，成为我国电视产业发展的重大机遇。针对国外新一代数字电视传输标准的颁布，给我国DTMB标准海外推广和国际竞争带来的严峻挑战，王昭诚牵头国家“863计划”课题“信道编码与无线传输技术研究”，针对数字电视信号广域深度覆盖面临的传输距离远、地形地貌复杂，同时要求高频谱效率和高功率效率等传输技术难题，迎难而上，执著创新，成功揭示了数字电视信号超长时延、超高速移动、超大动态范围等特性及相互作用机理，为DTMB-A的标准制定、原型样机研制和产业化作出了创造性贡献。

在调制技术方面，传统类高斯星座图虽然可在性能上突破QAM星座图约束下的理论极限，但其解映射复杂度高，无法直接用于广播接收终端。为了突破这一局限，王昭诚提出极坐标分解理论，证明在高信噪比条件下，圆周和半径方向的互信息交叉项可以忽略。在此基础上，他提出一种基于乘积振幅移相键控的新型调制方式，突破了传统QAM调制的理论极限，能有效支持高阶调制，频谱效率较DTMB标准提升30%-40%，在保证低复杂度实现的同时，主要系统性能超越国外第二代数字电视标准。

在帧结构和信令设计方面，王昭诚提出了一种基于频域距离检测的同步序列，通过多个频域伪随机序列间相互距离的不同来携带控制信令信息，能改善系统的同步性能。随后他进一步给出了相应的信道估计方法，其性能超越了DVB-T2等国际标准，为下一代无线广播及通信系统提供了一种具有良好前景的解决方案，相关成果获得了2016 IEEE Scott Helt Memorial Award（IEEE Transactions on Broadcasting年度唯一最佳论文奖）。

据悉，上述成果用于DTMB-A系统，使其频谱效率、接收门限和高速移动接收等主要指标，均达到了国际领先水平。

产学研协同，共促产业转型发展

我国目前正积极致力于提升数字电视产业技术水平，逐步实现由模拟电视生产大国向数字电视技术强国的转变。

由于历史原因，中国在创新领域与美国等西方主要发达资本主义国家尚存在一定的差距，“协同创新”是一种致力于相互取长补短的智慧行为，也是我国数字电视技术产业转型升级、实现“弯道超车”的一种有效路径。

作为清华信息科学与技术国家实验室（筹）宽带通信重点实验室主任、北京数字电视国家工程实验室技术总监的王昭诚近年在国家“973计划”、国家“863计划”和国家自然科学基金项目的支持下，在产学研合作协同创新方面也做了大量探索实践。

在重点实验室科研团队运营过程中，非常注重汲取国外先进的管理和组织理念，并制定合理的队伍建设规划。在运行机制方面，从选题、攻关、成果转化等环节，全方位推动引领创新的科学研究。一方面，积极促进原始创新，建立起自主科研的选题机制，鼓励教师不断提出新的想法、不断优化科学研究方向，以期获得突破引领性成果；另一方面，积极推动科研成果的产业化，孵化信息与通信工程学科具有重大社会影响力的高科技成果，推动我国电子信息技术和产业的发展。

王昭诚介绍，长久以来他们都坚持面向国家利益与产业需求，通过不懈努力，建设起一支能积极承担重大科研项目的攻关团队。

北京数字电视国家工程实验室周围聚集了一批国内一流的数字电视标准研究、数字电视发射前端、芯片及接收终端、测试等研发和生产单位，按照信息处理的流程特点进行“链式”布局，构建起了一条完整的产业链。

宽带通信重点实验室通过全球招聘引进海外高端人才，迄今已从国外一流研究机构先后引进国家“千人计划”和“青年千人计划”专家 5 名。在专业技术职务聘任方面，坚持“按需设岗、公开招聘、平等竞争、择优聘任、严格考核”的聘任原则。随着队伍结构的日渐完善，团队围绕如何大幅度提高无线通信频谱利用率等共性科学技术问题开展协同攻关，成效已初步显现。

在长期相互协作的基础上，宽带通信重点实验室在高速大容量无线网络传输理论与核心技术研究领域，取得了一批原创性理论和技术成果，提出了具有自主知识产权的标准提案，研发了产业发展所需的核心芯片，并且实现了这些创新成果在宽带移动通信、数字电视及空间信息网络等核心领域的应用，创造了显著的社会经济效益。特别地，在逼近理论极限的LDPC编码、OFDM传输、分布式无线网络、高速低功耗通信SoC等方面，取得了国际前沿性研究成果。

攻坚克难，抢占技术制高点

当前，数字电视技术标准的国际竞争十分激烈。

王昭诚指出，我国地面数字电视多媒体广播标准DTMB成为全球四大地面数字电视标准之一，使中国赢得了与美国、欧洲、日本等发达国家标准平等竞争的地位。事实证明，中国标准的后发优势和自主创新技术，使得DTMB与欧洲等其他同代国际标准相比，具有明显的技术先进性。DTMB完整的自主知识产权和良好的性价比，为其赢得了亚、非、拉美地区众多发展中国家的青睐，原先采用欧洲DVB-T标准的许多国家转而倾向于采用中国的DTMB标准。

“DTMB标准的国际化，为我国数字电视产业和电视内容制作带来了不容小觑的海外潜在市场。”他说。

不过王昭诚同时也指出，近年欧洲推出了先进的第二代标准DVB-T2，对中国DTMB的国际推广应用构成了冲击。“国际高科技竞争犹如‘逆水行舟，不进则退’，为保持技术领先优势，我们唯有持续不断推动技术革新。”他说。

在此背景下，根据国家主管部门的要求和我国的具体应用特点，中国高校和企业界携手开展了新一代数字电视在传输领域的关键技术研究。

作为这支大军中的一员，王昭诚牵头国家“863计划”课题“信道编码与无线传输技术研究”，在保持完整自主知识产权基础上，完成了DTMB-A的系统设计，并进一步开展了系统发射机、接收芯片、接收终端、组网设备产业化等工作。

在“信道编码与无线传输技术研究”项目中，王昭诚团队提出了数字电视信道编码与无线传输的解决方案，研制了新一代数字电视信道编码与无线传输的原型样机，并在香港、长沙、昆明、乌鲁木齐等多个城市开展了场地测试和性能优化，取得了良好效果。

“信道编码与无线传输技术研究”项目原型样机的实验室性能指标测试显示，在8MHz带宽的典型固定接收模式中，它可以支持5路高清或25路标清电视节目的传输；在典型移动接收模式中，可以支持3路高清或13路标清电视节目的传输。

对传输系统原型样机的开路测试表明，其接收性能在不同测试条件中与DVB-T2相当或者优于DVB-T2。

2015 年3月，科技部高技术司组织专家组对“信道编码与无线传输技术研究”课题进行了验收，课题获验收专家全票通过，验收成绩为A等。

“相比DTMB系统，DTMB-A的性能有明显提升，比如，它在8MHz带宽内实现了50Mbps无线传输能力，这对我国数字电视产业的发展具有重大意义。”王昭诚说。

据了解，目前DTMB-A系统的完善和产业化推广工作在有序推进，DTMB-A芯片的产业化、DTMB-A标准进入巴基斯坦开拓海外市场等工作也都在稳步推进过程中。

王昭诚介绍，他们在DTMB-A的研发过程中一直秉承着“继承并发展已有核心技术”、“创新与性能并重，坚持自主知识产权”这两个基本原则；从全面提升数字电视系统的传输性能、拓展数字电视系统的应用领域这两个不同层面出发，支持地面数字电视广播的超高清、高清以及手机电视、互联网数据广播等新业务发展。

“我国的DTMB-A，具有传输容量大、信号接收灵敏度高、抗干扰能力强、高速移动接收性好等特点，是在原有DTMB基础上的全面提升，这为其产业化和国际化打下了坚实的基础。”王昭诚表示。

面向未来，拓展新频段

由于频谱资源的日渐枯竭，传统的无线通信越来越不能满足快速增长的移动数据业务需求，毫米波/可见光通信作为实现数字电视广播信号室内深度覆盖的关键技术和手段，近来得到了学术界和工业界的广泛关注。

由于具有带宽大、波束窄、系统更易小型化等优势，毫米波在通信、雷达、制导、遥感、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有潜在的应用价值，但同时存在衰耗大、易受阻挡、覆盖距离短等亟待攻克的问题。“毫米波容易受到雨雾等天气影响，属于‘靠天吃饭’，另外，也容易受到建筑物等的阻挡。”王昭诚说。

为此，他集中精力深耕波束赋形与处理技术，并取得多项原创性成果。首先，针对毫米波信号易被人体遮挡、接收不鲁棒的难题，王昭诚提出了多波束自适应跟踪直射波/反射波的思想，当遮挡发生时能智能、快速、择优地选取其他可靠路径进行通信，保证无压缩高清视频等应用的用户体验。其次，针对毫米波大规模多天线系统存在的密集天线强相关、射频链路高功耗和器件参数非理想等多重约束，提出了多小区智能协同模数混合预编码架构和基于地理位置信息的导频设计方法，能降低小区间的导频污染，提升系统的上下行频谱效率。王昭诚在毫米波的研究过程中，获得了多项与国际标准相关的欧美授权发明专利，研发成果应用于大众消费电子产品中，实现了商业化。“我们还与中兴、华为、索尼及NTT DoCoMo等企业建立了广泛的合作，期待产出与未来 5G 毫米波通信密切相关的自主科研成果。”王昭诚说。另外，他本人和牛津大学Kao-Cheng Huang博士合著的毫米波通信英文专著,2011年由WILEY-IEEE Press发行，获得了业界的广泛关注。

针对可见光通信，王昭诚承担国家“973计划”课题“宽光谱高可靠传输方法与逼近容量限的通信理论”，对“无线光通信在不同照明亮度约束下的信道容量限与调制方式”、“基于启发式遗传算法的应急资源调度”、“多光源协同传输”等内容展开了系统性研究，形成了多项具有重大产学研应用价值的成果。包括：提出一种新型调制方法，在不同照明亮度约束下均能获得最优的系统性能；针对光信号强吸收/强散射/强衍射后能量迅速衰减导致的信道脆弱性问题，提出一种室内 WiFi和LiFi 混合通信系统的最优切换策略等。

王昭诚团队在可见光通信领域的研究成果，已获得工业界的广泛认可。其中，他们研发的一款基于无线光传输的语音对讲系统，只要在有灯光的地方就可以实现传统对讲机的功能，可广泛应用于电磁波受限的坑道、舰艇等军事应用领域、地下人员通信与救援等煤矿应用领域以及无线电禁止的医院等民用应用领域。