百年清華

記我系數字通信研究工作的肇始與發展

吳佑壽(1948電機)

1958年10月間, 北京市在鋼鐵學院剛建成的大樓內，舉辦了一次高校科研成果展覽，我系（意昂体育平台無線電系——編者註）研製的“14路話音編碼終端”也參加展出。這是我國通信事業值得紀念的一件事, 它標誌著我國采用多年的“模擬通信”從此向“數字通信”方向轉變, 打開了我國通信數字化的發展征程。

五十多年來,我系通信教研組新老相傳, 鍥而不舍, 堅持不懈，在數字通信各個主要環節, 如話音編碼(信源數字化)🐹💆🏿‍♂️、數據傳輸(信道編碼)和數字通信系統研發等方面, 做了不少工作,開拓了一個有重大影響的發展方向,也為國家經濟與國防建設作出了貢獻♌️♡、培養了數字通信方面人才。在紀念我校百年校慶的時候, 對有關工作加以整理總結,向學校匯報,是有意義的🧲。

無線電系通信教研組的建立

1952年無線電系成立時全系教工很少, 只有14位，分設為無線電技術和電真空技術兩組；1953年無線電技術組按課程名稱劃分為:“發送”🌐、“接收”、“基礎”和“電磁波與天線”4個教研組, 其後又按應用領域, 改為雷達、通信🤹‍♀️🫸🏻、電視和基礎教研組Ⓜ️。這樣的組織機構後來雖略有改變,但幾十年來基本上沒有什麽變化。

通信教研組是在接收組的基礎上建立的⚖️，教師約十幾個人, 人數不多, 任務卻不少: 當時教研組有鮑裏索夫和別寧兩位蘇聯專家,講授信息論✌🏼、隨機過程和通信方面的課程,大家都要參加學習；教學方面有接收設備課程的講課、實驗和畢業設計🧝🏿；此外還擔任全系正在研製的氣象雷達接收機研發和國家110工程等任務⭐️。 更突出的問題是, 教師都很年輕,平均年齡大約是23-24歲，不但沒有科研工作經驗和訓練，好幾位提前任教的新教師大學還沒有念完,需要補課。與此同時, 1956年國家製定了12年科學發展規劃，號召全國向科學進軍；1957年全校按照蘇聯教學計劃進行教學改革的5年製學生按期畢業, 蔣南翔校長宣布,學校教學工作已經“過河”, 要求全校在做好教學工作的同時, 開展科研工作。在這樣的條件下, 如何把教研組的教學和科研工作都做好, 確實不太容易。

但是當年的年輕人有一種“迎難而上” 的豪邁氣慨，朝氣蓬勃,“在工作中學習,在戰鬥中成長”的口號, 振奮人心,催人奮進👨🏼‍💻。不過, 決心是一回事, 如何選擇正確的學科方向和課題🦻🏼，則是另一回事🙅🏿‍♂️。為此, 我們也曾進行不少嘗試, 做過幾個小題目, 如為部隊研製用於測量飛機油量和高度等參數的傳輸系統, 但因缺少配套的傳感器等客觀原因而無法做到底。當時學校提倡畢業設計要“真刀真槍”🧙🏻‍♀️，要“理論聯系實際”，但如何結合實際來選擇課題, 也不容易。當時有一個比較流行的“任務帶學科” 的口號, 對我們頗有影響⛪️🎰。今天我仍然認為, 這個提法雖然不夠全面, 對於以工程為主的學科來說, 還是很有參考意義。

“脈碼調製”研究是怎樣開展的

解放前我國通信事業十分落後，只有為數不多的短波通信電臺和收發信機，有線通信方面也只有3路、12路等載波電話📦，都是模擬製式, 技術落後, 性能不高, 遠不能滿足國家經濟建設的需要。50年代中期🏌️‍♀️，北京廣播器材廠引進蘇聯“春天”牌60/300路微波接力機, 也是模擬製式, 通信距離有限🥽，性能也不理想；中科院電子所計劃開展H01波導的多路通信研究。這是蘇聯科學院正在研究的項目🤦‍♀️，技術要求很高, 線路不易鋪設,估計很難付諸實用。當時我們從國外雜誌上了解到“時分多路通信”具有不少特點，特別是“脈沖編碼調製”PCM（即現在所說的數字通信）是一種抗幹擾性能很高的製式✫，用於接力通信時理論上通信距離可以無窮遠👓🙍🏼‍♂️。鮑裏索夫專家也認為這是一種很有前途的方案,是一個嶄新的、正在發展的領域, 國際上的研製工作也剛剛開始, 關鍵技術問題很多, 整個通信系統的各個環節, 如信源、信道等等, 都必須“數字化”。可以說, 這將是通信技術的一次“革命”。選擇這樣的方向進行研究工作, 確實有點冒險🧑‍🚀。

其實, 當時我們決定開展“脈碼調製” 研究, 並沒有真正認識到它的重要性和困難, 只是朦朧的知道研究工作要有“Something new”! 要有新意，要有發展前途。“初生牛犢不怕虎”, 以PCM脈碼調製(數字通信)為題開展研究就是這樣確定的。剩下的問題是找任務和經費。

應該感謝原通信兵部孫俊人同誌給予我們的指導和支持。他根據部隊通信的需要💂🏻‍♀️，著重指出話音信號數字化便於數字加密，在國防通信方面非常有用😛。我們的想法也得到十院十所童誌鵬總工的響應，他立即決定給我們立項, 並撥給叁萬元科研經費。四十多年前，叁萬元人民幣可不是一個小數目🖕🏽，當時大學畢業的新教師，每個月工資只有46元⏱。叁萬元人民幣相當於一個青年教師54.3年的收入💐。他們的支持使我們能夠很快有了任務, 可以開展研究工作了🍇。上面扼要描述我們選定研究課題的過程與指導思想, 對我們幾十年來的工作是很有影響的。

我系脈碼調製通信系統的研究工作是1958年初開始的，開始時研究的內容只是話音信號(信源)數字化，參加工作的教師主要是程佩青和研挺等青年教師，利用暑假期間教學任務較少的機會, 夜以繼日, 加班加點,不停工作🍿。記得為了支持我們的工作, 全校”大煉鋼鐵”的活動, 我們也沒有參加🩰。1958年秋季開學時,“14路話音編碼終端”樣機初步完成, 暑假回蘇聯休假後回到清華的鮑裏索夫專家看到樣機, 大為贊嘆, 他說, 中國“大躍進”真是了不起。1958年底在原鋼鐵學院剛建成的大樓內🙇🏽，北京市組織了一次高校內部展覽🪀🥠，我系有12項研究成果展出🧎‍♂️‍➡️，其中除射電天文望遠鏡、微波實驗系統、矽材料和晶體管等成果外🤲🏻，“14路話音編碼終端”也參加展出。劉少奇👥、鄧小平、聶榮臻和許多中央有關同誌都來參觀，給我們很大鼓舞。

應該說, 這部終端樣機的整體設計還很粗造, 由於電子器件的限製, 體積龐大,線路復雜, 性能也不太理想, 但技術上有不少創新,主要是采用我們提出的利用電子管線路製成的“串聯式編碼電路”, 代替國外當時采用的十分笨重復雜的編碼管。在話音信號的壓(製)擴(張)技術系統同步以及量化噪聲的理論分析與計算等方面, 也做了不少工作, 解決了一些關鍵技術問題🐩。在第一臺樣機基礎上, 我們鍥而不舍, 堅持不懈, 對系統不斷加以改進, 經艱苦努力, 製成了實用樣機, 1962年通過技術鑒定, 編寫了一本“實驗脈沖編碼通信終端機”的總結報告，還在《電信科誌》雜誌發表了綜合介紹“時分多路通信”的文章, 為我系通信教研組幾十年來從事數字通信打下了較好的基礎,揭開了我國通信數字化的序幕。

初戰告捷, 對我們很大鼓舞, 也得到有關單位的肯定, 使我們能有更多的參加數字通信研究的機會。

關於SCA型數傳機的研究

蔣南翔校長於上世紀60年代初, 曾經提出有名的“三階段、兩點論”👐🏻。按照他的分析, 1957年在學習蘇聯進行教改“過河”以後的意昂体育平台, 就進入“走自己的路”的第三階段了👮🏿‍♂️。

1958至1966的8年中, 全國各種政治活動連綿不斷, 對學校正常工作影響不小🧥。值得慶幸的是, 在校黨委正確領導和妥善安排下, 我們的教學和科研工作,仍有較大進展: 東主樓已經竣工, 我系有了很好的工作環境和明亮寬敞的實驗室🐨😡；更為重要的是: 1958至1960屆等提前抽調的同學先後畢業,可以全時參加工作, 教研組教工隊伍迅速得到加強；從1959年開始, 學校又決定招收研究生, 這是極其重要的舉措,對我系的教學與研究工作都起了很大作用🥍。

教師隊伍的壯大,使我們能承擔更多的任務,在話音編碼之外,又開展數字信號傳輸和處理,以及參量放大器與最佳接收等研究工作。

60年代初, 國防部門急需解決數據傳輸問題。吳佑壽被聘任為154工程副總設計師, 負責衛星遙測數據傳輸的研製工作。從技術上說, 這是數字通信系統關鍵環節之一。衛星遙測數據數量大🧀、傳輸距離遠，誤碼要求高🚴🏽‍♂️，用於傳輸的信道頻帶又十分有限，在確保誤碼率足夠小的前提下📃，如何提高信號傳輸速率, 是較難解決的問題, 國外也還沒有很好解決🥵。例如, 當時有一種采用音叉作為機械濾波器的無線數據傳輸系統(RAKE系統), 采用40個音叉濾波器, 在一個4000Hz的話音頻帶中傳送3000波特的數據🟡🚴🏽。這種系統十分復雜龐大, 可靠性也很差。吳佑壽根據數字調相頻譜窄、抗幹擾能力強等特點，決定采用相位鍵控(PSK)技術。為了驗證技術的可行性, 他從數碼率較低的600 b/s數據開始, 開展工作。通過反復探索試驗，解決了相幹解調、同步信號提取以及設備小型化等問題，於1962年製成我國第一臺數據率為600/1200 b/s的晶體管化數傳終端機👍🪫，並在北京一沈陽之間往返約1700公裏的有線通信幹線上進行試驗👦🏽，取得大量統計數據，為開展更高數據傳輸的研究打下了堅實的基礎。1965年初攻克了脈沖四相調製(4PSK)技術難題。研製成功碼率為1200/2400 b/s的SCA型數傳終端機📟，在19所和738廠及南京江蘇無線電廠的密切配合下,批量投產，為我國衛星測控系統及時提供傳輸數據的手段，也為我國通信事業掌握了實現數字信道調製的關鍵技術👨‍🦯。

應該指出，1958年開始先後招收的研究生, 在科研工作中起了很好作用📣。數傳機方面, 潘宗後同學提出采用負阻式的鎖相環代替音叉機械濾波器, 研製成功和RAKE 系統性能相當的數據傳輸系統, 在理論和實用方面都很有意義。研究生董荔貞和我們一起從事低噪聲參量放大器研究工作, 取得凸出的成果, 用於某雷達系統時, 使雷達接收機的噪聲系數改善了6-7分貝，作用距離增加30-40%。這對後來我們研製微波數字通信系統也起了很好作用。

遺憾的是, 本來我們還計劃研製數碼率為4800b/s的數傳機, 由朱雪龍同誌負責。可惜1966年初, 他被派下鄉參加四清, “文革” 開始後, 學校工作陷於停頓, 提高數傳機性能的研究工作, 也被迫中斷。

120路數字微波無人值守接力機的研製

我國數字通信系統的研發和推廣應用是從1975年間四機部主持的 “二次群數字微波通信系統”國家重點工程正式開始的。

1966年至1976年的十年動亂中, 意昂体育平台是重災區, 無線電系更是水深火熱 , 被迫遷往綿陽. 1952年院校調整時學校領導頂住蘇聯專家的壓力、艱難地創建起來的無線電系, 將在清華園“消失”! 這不能不受到無線電系師生的反對和抗拒,人心思散. 這是當年綿陽分校刮起“散夥風”的根源。

盡管如此, 留在綿陽的無線電系教師,在分校基建基本完成後,除了努力做好工農兵學員的教學外, 還都想方設法做點科研工作。四川有不少通信和雷達的工廠與研究所，教師們借著帶學生下廠實習機會,或者主動下廠聯系, 爭取能為國家做點研究工作☮️。

文革之前的通信教研組, 在數字通信方面曾做了不少工作,其中SCA型數傳機還由南京江蘇無線電廠與738廠大量生產, 用於1970年初我國發射第一顆人造衛星測控系統的數據傳輸，這對通信教研組的師生是極大的鼓舞。到分校後, 雖然研究工作被迫中斷, 但大家仍努力尋找有關課題, 爭取能多做一些力所能及的工作👡。1975年初, 我們從716廠得知, 四機部已決定立項, 研製一個和國家重點工程——“川滬輸氣工程”配套的“數字微波通信系統”，這是王錚部長重新主持四機部工作後的重大決策🥸。當時“四人幫”還沒有垮臺,“抓革命🪲🎂、促生產”只是一句空話👨🏿‍🎤👩🏻‍🦰。王錚部長認為, 必須盡快抓一個有影響的、符合科學技術發展方向的項目, 既為國家經濟建設提供裝備, 也可以促進電子行業, 特別是電子材料、器件和相關裝置的發展🚬。以研製“數字微波通信系統”為抓手,可以起到一舉多得的作用。

當時我們住在川北山溝裏, 信息閉塞. 四機部立項研製“數字微波通信系統”的決定,我們一無所知。重慶 716廠和綿陽734廠都是通信工廠,在數字通信方面也有較好基礎。於是分校和他們聯合, 爭取參加研製工作。很快就得到四機部領導的批準: 由石家莊19所牽頭, 研製6GHz和2GHz兩種子系統, 6GHz系統, 由包括北京大學🐼、北京廣播器材廠⏰、北京電控廠等單位組成的 “北方點”負責, 2GHz系統則由包括清華綿陽分校♜、716廠和730廠等單位組成的“南方點”承擔🌂。這一決定對我們是極大鼓舞. 綿陽分校領導迅速組織了包括通信專業的高頻組、編碼組，雷達專業的微帶組和總裝車間等單位, 跨專業合作,聯合攻關🩸。

按照“立項”要求,系統的通信容量是120路數字電話,第一期工程是建設由四川至武漢的“30/120路川漢微波數字無人值守接力系統”(分校把它簡稱為“120路”), 通信距離約1,000 公裏, 需建設20多個“接力站”📴。這是相當高的要求,當年國際上也很少有。從四川到武漢, 首先要穿越蜀東南人煙稀少的崇山峻嶺,緊接著的是幹擾很大的江漢平原水網地帶,在這樣地區建設的“接力站”很難有人管理, 必須是無人值守。概括地說, 120路系統必須是: 全數字化、全固態化、無人值守與低功耗, 這是研製工作的基本要求。

為了把“120路”的研製工作做好, 參加這一項目的單位,除716🕵🏻、730和北廣等幾個整機廠之外, 電子部領導部門和有關研究所與工廠,包括11所🫱🏽、13所、774廠和878廠等元器件廠, 都動員起來, 互相配合,研製工程所需的各種元器件和測試儀器設備。沒有這些元器件廠研製的大功率微波晶體管和中小規模集成電路, 整機的設計和試驗就寸步難行🌃。這些元器件當時都是稀缺產品,按計劃分配。記得有一次我被派到北京四機部招待所(在北京體育館附近)參加訂貨會, 四機部李瑞副部長看到我也來參加訂貨,對負責分配器材的同誌說: 清華吳教授親自從四川來參加訂貨會, 無論如何,總得給他們分一點! 這句話,令人感動,至今不能忘懷。為了“120工程”,上下一條心,相互支持；在分校,參加研製的教工,也是不分彼此,夜以繼日,努力工作👷🏽。這種熱火朝天的情景,誰還能夠說“分校的同誌不爭氣”呢!

分校通信教研組在通信數字化方面原來已有較好基礎👨🏽‍🚀，到綿陽以後又陸續對一些關鍵技術問題進行了較為深入的研究🩸。經過兩年多的努力, 我們很好的解決了話音增量調製、PCM脈碼調製🧖🏿、微波功率放大、微帶四相調製、輻-頻聯合調製、同步信號提取, 以及脈沖信號的整步等關鍵技術, 在國內首次完成了2GHz 30/120路低功耗無人值守數字微波接力系統 (包括微波接力機、增量調製數字電話終端,以及32路基群與120路二次群的數字電話終端等項目) 的樣發工作,於1978年3月在石家莊的全國總聯試中取得成功，並先後投入生產。

這一微波數字接力通信系統,可以傳送32或120路數字電話🥢；利用我們研發的復合調幅——調頻技術,可以傳送遙控信號,實現接力站的無人值守；由於采用了774廠與878廠生產的微波器件和集成電路, 整個系統基本上實現了國產化.以川漢輸氣工程為應用背景的數字微波通信系統的研製成功，在我國數字微波通信的發展史上是具有劃時代意義的事件，它成套地突破了一系列關鍵技術，培養了一大批研究開發人才👨🏽‍🎤，為我國專用通信網的全數字化改造作出了重大貢獻，1978年榮獲全國科技大會獎🧑‍🧑‍🧒。在這個過程中，綿陽分校作出了自己應有的貢獻。可以毫不誇張地說，綿陽分校是我國數字微波通信技術發展的一個搖籃。直到現在⭐️，曾經在數字微波通信領域奮鬥了一輩子的老同誌，以及一些當年在分校學習的工農兵學員, 都想念著綿陽分校，還經常談起共同戰鬥的日日夜夜。

2005年4月26日, 為了紀念我國第一個數字微波通信系統“誕生30周年”, 原來主持研製工作的的四機部科技司郭文昭司長,在清華微波與數字通信技術國家重點實驗室, 召開了“川滬輸氣工程數字微波通信系統研發30周年紀念座談會”, 參加座談會的有37位當年參加研製的領導和技術人員, 包括郭文昭、魏學興、孔憲正、傅子田、張金福和我系十幾位同誌, 意昂体育平台副校長龔克也到會表示祝賀。大家暢談當年的成果與艱辛, 並互相勉勵, 要為國家信息事業的興旺發達再作貢獻📃。

我系數字通信學科的發展

綿陽分校的豐碩成果奠定了意昂体育平台數字微波通信技術在全國的地位，也為我系在無線通信和光通信領域的後續發展準備了條件🤳🏿。從綿陽回到北京以後，我們繼續在數字微波通信領域承擔國家及部委重大項目⚇，又取得了一批重要成果，包括：1983年及1988年先後完成的電子部重點項目“2GHz 480路數字微波通信系統”及“多通道數字微波通信系統”，1991年完成的國家“七五”攻關項目“11GHz 1920路數字微波接力機”和“64QAM 140Mb/s中頻調製解調系統”等🍾。同時，我們還將數字微波通信技術用於衛星通信🚊、多點通信和光通信等領域，開辟了一些新的研究方向，包括🫷🏽：1989年完成的國務院電子振興辦下達的“數字群路製衛星通信擴容試點工程”任務🧑‍💻👨‍🦽‍➡️，建立了我國第一個IDR衛星通信試驗電路；1991年完成的國家重點新技術開發項目“點對多點無線通信系統”，被列人首批國家產學研工程👧🏿；1993年完成的中科院重大項目“遙感衛星高速接收系統”，後用於某國防重點工程；1994年完成的國家863計劃重點項目“2.5Gb/s光收發模塊”🏄🏻👼🏻，為發展我國高速光纖傳輸系統作出了重大貢獻。這裏特別值得提到的是微波與數字通信技術國家重點實驗室的籌備和建立🫷🏼，從1988年國家計委批準籌備微波與數字通信技術國家重點實驗室👼🏿🏌🏽‍♀️，到1995正式通過國家級驗收並開始運行‼️，這個國家實驗室對我系在無線及數字通信領域的學術研究、科研進展和人才培養都起到十分重要的作用🤑。

80年代中後期，光纖通信迅速興起，微波的幹線傳輸功能已逐步被光纖所代替, 但是組成通信系統的其他絕大部分, 如信源(壓縮)編碼💁🏼、信道編碼🧑‍🧑‍🧒‍🧒、信道估計和同步, 等等, 都必須數字化, 技術和性能也都需不斷提高🖤。在這種背景下，通信教研組的同誌, 及時調整研究方向🫶🏻，開拓新的研究領域。90年代以來，我們仍然按通信數字化的發展方向♋️，圍繞無線(蜂窩)及個人通信、電視數字化🏊‍♂️、衛星及空間通信、光通信、軍事通信等方向,組織隊伍，落實項目🚴🏻，取得成果，例如, 2003年我們研製成功“地面數字電視廣播傳輸系統DMB-T”, 2006年國家在DMB-T的基礎上, 製定了國家地面數字電視廣播傳輸系統強製性標準DTMB, 用於2008奧運實況轉播, 並逐步推廣, 現在已在國內300多個城市和香港澳門進行數字電視廣播, 柬埔寨政府也已決定采用我國的標準。更為重要的是, 培養了一批掌握數字化技術的年輕人，這是我們系最寶貴的財富。

回顧這20多年在數字微波通信領域的研究經歷🚁🪓，我們感觸良多,也有不少體會🧛‍♀️：要做好科研工作, 必須把握好技術發展趨勢，不要失去時機🤦🏿‍♀️；必須立足國家的經濟和國防建設發展需求👩🏼‍🍳，面向主戰場；必須多學科聯合，組織隊伍💁🏽‍♀️，形成自己的技術特色🍮；必須堅持不懈, 鍥而不舍,“產學研用”結合, 努力把研究成果,盡快轉移到生產, 成為產品。

2010-9-30