基于IrDA标准的红外无线通信原理及设计

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电子工程师 2000 年第 5 期
通信技术与设备
基于 IrDA 标准的红外无线通信原理及设计
The Theory and D esign of Infrared W ireless Comm un ica tion Ba sed on the Standard of IrDA
华中理工大学电信系 ( 武汉 430074) 　　王红智　周　云　严国萍
【摘要】 　简要地介绍了红外无线通信的优势, 论述了实现 IrDA 标准的几个关键技术。 最后提出 了基于 IrDA 标准的红外无线数字通信设计的三种 应用方案。 关键词: 红外数字通信协会, 通用异步收发器, 脉冲位置调制 【 Abstract 】　 T h is p ap er in t roduces the advan tage of infra red w ireless comm un ica t ion and the standa rd of IrDA , and p rovides th ree typ ica l techno logys of the design of infra red w ireless comm un ica t ion ba sed on the standa rd of IrDA. Key words: 　 IrDA, UART, PPM 随着通信业务的发展, 建立起了许多越来越复 杂的通信网络, 它们覆盖了社会生活的方方面面。 通信网络中的传输形式有两种方式: 有线方式和无 线方式。 采用双绞线、 电缆线及光纤作为传输媒体的有 线网络通信系统存在许多不足, 如布线繁锁, 办公 室电缆线泛滥, 无法从移动体访问局域网等。 而采 用无线通信方式的通信系统却能很好地克服这些 缺点。 便携式信息终端设备的出现, 加速了无线数 字通信线路和局域网的研究和设计。无线通信网采 用无线电或红外线作为传输媒体, 保持了有线网络 高速率的特点, 可以支持高速有线网络的所有业 务, 无需布线即可灵活地组成可移动的局域网, 并 具有移动计算能力。所谓移动计算即指网络中的站 点可在网中漫游的同时与网络保持通信。在无线通 信中, 无线电和红外线是互相补充的两种传输媒 介, 它们适用于不同场合。 两者的对比如下: ?无线电适合用户流动性大、 要求传输信号能 通过墙壁进行长距离传输而发射功耗又能做到最 小的各种场合用。 ?红外辐射与无线电相比具有几个明显优点:
( 1) 红外线适用于各种短距离的场合; ( 2 ) 红外线不
受无线电干扰, 且使用起来不受国家无线电管理委 员会限制; ( 3 ) 红外通信结构简单, 耗电少, 能稳定 地进行高速数据通信, 也就是说, 只要红外线通信 组件能内置在便携式信息终端, 那么不随身携带解 调器和综合数字数据网络终端连接器以及连接缆 线, 就能进行高速数据通信; ( 4) 能高速运转的红外 发射器和接收器成本很低; ( 5 ) 红外线对非透明物 体的透过性极差, 不能透过墙壁, 所以红外传输被 限制在室内。 这种限制使信号易于传输而不被窃 听, 也能防止在不同房间内工作的通信线路之间

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相 互发生干扰。 于是, 红外无线局域网将来可以达到 很高的聚集能力, 而且它们的设计可以简单化, 因 为在不同房间内的红外信号的传输并不需要协调。 由于红外线通信的诸多优点, 红外技术越来越 多地被应用于无线通信领域。 现在, 采用红外线方 式的无线局域网正处于研究和建设之中, 它依据的 标准是 IEEE 802. 11 无线局域网标准。 802. 11 标准 为无线 LAN 定义物理层和 M A C 结构, 物理层定 义包含了三种不同的物理层及传输方式: 红外线方 式 和 两 种 无 线 电 射 频 方 式—— 直 接 序 列 扩 频 (D SSS ) 和跳频扩频 ( FH SS ) 。 802. 11 标准的制定, 为红外线方式在无线通信网络中的应用奠定了协 议支持。
1　 IrDA 标准及其关键技术
促进红外通信标准化的组织是非营利性团体 ——红外数字通信协会 ( IrDA ) , 它的宗旨是谋求红 外数据通信的标准化、 低成本地确立和普及红外通 信的相互连接性。 IrDA 的目的是: ( 1) 只要面对机 器就能进行数据交换; ( 2 ) 实现使用方便的红外线 无绳通信功能; ( 3) 不同生产厂家、 不同种类的机器 能相互连接。 ?1 5 ?
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IrDA 的 第 一 规 范 化 1. 0 版 本 提 供 了 高 达 115. 2kb s 的通信速率; 版本 1. 1 把速率扩展到 4M b s, 同时保持了与版本 1. 0 的兼容。 IrDA 标准 包括 3 个必选规范: 物理层 (T he Physica l L ayer ) 、
链路接入协议 ( IrLA P ) 、 链路管理协议 ( IrLM P ) 。
1. 1　 IrDA 软件层 IrDA 协议是以栈的形式设定的。 来自于应用 程序的数据通过协议栈向下传递, 最终作为光脉冲 传输。除了物理层外, IrLA P 和 IrLM P 是两个必选 的软件协议。 物理层上的第一层为 IrLA P , 它是 HDL C ( 半双工链路控制) 协议的红外适配协议。 其
数据传输来说并不是最优化的, 因为一个持续位流 可以任意长时间地打开L ED 发射管。 因此, L ED 的 功率损耗很大, 限制了 L ED 管的使用时间。 相反, 采用 R Z I 调制脉冲的方式来激发 L ED 管, 以增加 峰值 平均功率的比率。 IrDA 规定的最大脉宽为
3 16 的位时隙, 最小脉宽为 1. 41Λs。编码的效果可
从图 1 的 IR 帧中看到。 16 分频的时钟可以方便地 在许多 U A R T 中获得, 因此计数 3 个时钟周期用 以编码所传数据、 对带有 16 个时钟周期的接收数 据进行解码是很方便的。
功能是支持链路初始化、 设备地址目录、 解决冲突、 创建连接、 数据交换、 解除连接和链路关闭。 同时, IrLA P 还规定了红外数据包的帧结构以及红外通 信的错误检测方法。 IrLA P 的上一层是 IrLM P , 在
IrLA P 提供了链路连接后, 链路的功能和应用被 IrLM P 软件所管

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理。 IrLM P 对适应连接的设备和 仪器进行评估, 并提供诸如数据速率、 帧头 (BO F )
数目和链路转换时间的参数规定。IrLM P 还管理数 据和信息的正确传输。
1. 2　 IrDA 物理层
图 1　 IrDA 3 16 数据调制
物理层提供了红外设备的连接规范, 包括调 制、 视角、 光功率、 数据率、 抗噪等内容。它保证距离 为 0 1m 、 ～ 偏轴角为 0° 15° ～ 的无错通信, 保证各种 不同类型设备之间的物理互连, 以及保证在环境光 和别的 IR 光源影响下的成功通信。 发送器的光强 和接收器的灵敏度规范保证在 0 1m 内链路能正 ～ 常工作。接收灵敏度保证最小强度的发射光也能在 1m 处被感知, 而最大强度发射光在 0m 处并不使接 收机过饱和。
1. 3　 IrDA 定义的调制技术
图 2　4PPM 调制
～ IrDA 的数据率范围为 2. 4kb s 4M b s。在链 路连接开始时, 链路数据率被约定。 IrDA 要求链路 总是以 9. 6kb s 的数据率开始连接, 如果通信双方 支 持, 可以接着约定更高或更低的数据率。 低于 4M b s 的 数 据 率 采 用 R Z I ( 归 零 ) 的 3 16 调 制, 4M b s 的数据率用 4PPM ( 脉冲位置调制) 。 低数据率的 3 16 调制方法: IrDA 链路可以方 便地与如 16550 型的 U A R T 连接, 数据在被作为 红外脉冲发射前编码, 这是因为 U A R T 和串口用 N R Z ( 不归零) 调制, N R Z 的输出在整个位时隙保持 同一电平。这在图 1 中可看得很清楚。这对于红外 ?16?
4M b s 链路的 4PPM 调制方法: IrDA 链路用
的 调制方案是 4PPM 调制 , 而不是用低数据率的 3 16 调制方案。在 4PPM 调制中, 信息是通过脉冲 在时间片中的位置来传送的。 编码方式如图 2 所 示, 两个相邻数据位组成两个数字位对 (da ta b it p a ir, DB P ) 。DB P 被分成 125n s 的时隙。两个数字 位的编码有 4 个状态: 00, 01, 10, 11, 取决于这些状 态的表示位置。一个单一脉冲被分别放在第一、 二、 三、 125n s 的时隙里。因此, 相位锁定在输入位流 四 后, 解码器能通过确定脉冲在 500n s 时隙内的位置 来确定数字模式。
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1. 4　半双工方式和潜伏期 IrDA 链路是以半双工方式工作的, 并且从链
通信技术与设备 周期。 链路两个终端的时钟并不需要同步, 但是却 需要工作于链路连接时定义的同一频率。 IrDA 发 射器是专门为调制数据设计的, 在 N R Z 模式下并 不能工作。 这是因为接收器为每个输入 IR 脉冲产 生一个输出脉冲 (R xD ) , 接收器的 R xD 输出脉冲并 不宽于 20Λs, 而不管 IR 输入脉冲的宽度; 因此一连 串 1” “ 位流 ( 在 N R Z 调制中) 看起来象一个单一输 入位, 因而将在发射器的输出口被错误地转换为一 个脉冲。 图 4　 IR 发射器波型变

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换 图 5　 IR 接收器波型变换
2. 2　RS—232 端口接口
路停止发送到准备接收有一段时间延迟。 IrDA 链 路不能同时发送和接受, 因为发送端和接收端并不 是光隔离的, 因此发送信号将干扰接收信号。 当发 送端发射光波时, 甚至会塞满它自己的接收器, 使 之 不能从别的光源中接收数据。 在完成发送后, IrDA 允许接收器有 10m s 的时隙以恢复敏感性, 这 段时间叫潜伏期或接收启动时间。 链路启动后, 可 以约定更短的潜伏期时隙。
2 　基于 IrDA 标准的红外通信的典型设计
方案
基于 IrDA 标准的红外通信主要有三种设计方 案, 它们的区别在于串行数据的来源和编码的部 位。 典型结构有以下几种类型: ( 1) 带编码 解码的 U A R T 结构; ( 2 ) R S —232 端口结构; ( 3 ) 带 Sup er I O 的 4M b s 的 I O 结构。
图 3　16550 型或带 16x 时钟的嵌入式 U A R T
2. 1　16550 型 UART、 微控制器以及带 16x 的嵌入
式 IO 典型应用: 个人数字助理 (PDA ) 、 工业控制器。 许多电子仪器, 如 PDA 、 工业控制器, 可以采用
16550 或类似的用于 I O 的 U A R T、 嵌入 A S IC 的 U A R T 。 如图 3 所示, U A R T 的 T xD 输出为 N R Z ( 不归零) 信号, 它是 100% 的位宽。 这种信号必须在
发送前被调制, 接收时被解调。一片分离的编码 解 码芯片, 如 H SDC —7000 被用作调制数据。 图 3 中 的 H SDL —7000 有一个 IrT xD 输出信号, 它具有 3 16 的位时隙 ( 16 个时隙中的 3 个) , 16x 时钟可由 简便的 U A R T 输出口提供, 通常叫做波特率输出 (baudou t ) 。 在图 5 中, 被接收的脉冲 ( Ir R xD ) 由编码 解 码器解调为 16 个时钟脉冲宽度, 或者为最初的位
典型应用: 增加 IR 功能 ( 对 R S —232 端口) 。 IR 端口可以设计得与 R S —232 端口协同工 作, 完成终端设备的相互通信, 也可设计成扩展的 在这种结构中, 数据需要被编码, 但是不 IR 适配器。 能产生时钟信号。 时钟将在适配器中产生, 为了实 现高于 9. 6kb s 的速率, 需要一个可编程的时钟。 而且, 需要用可通信的 R S —232 的接口电路, 把电 平从 R S —232 电平转换为逻辑电平。 另外, 还需要 提供充分的功率, 以便在传输数据时, 电平峰值能 激发 L ED。 在数据率低于 115. 2kb s 时, 脉宽将被 固定在 1. 6Λs, 而不是 3 16 的数据率, 因而降低了 ?1 7 ?
王红智, 等: 基于 IrDA 标准的红外无线通信原理及设计 平均电流。 片可以连接到 PC I 总线和 ISA 总线上。 在此方案中, Sup er I O 芯片的串行 IR 输入输 出直接与 H P 公司的 IR 发送器的输入 输出口相 连。 Sup er I O 芯片的工作模式由它自身内部的配 置寄存器各配置位来设定。 这些配置位包括: 半双 工方式、 发送活性高、 接收

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活性低等。 美 IrDA 、 IR 、 S 国国家半导体公司、 C 等公司可提供 Sup er I O SM 芯片。
图 6　R S —232 适配器
2. 3　2. 4kb s 4M b s 数据率方案 ～
典型应用: 笔记本电脑、 打印机及其它带 ISA 或 PC I 芯片的设备。 IrDA 1. 1 版本规范把数据率提高到 4 b s, 这 M 就要求必须有不同于简便 U A R T 的 I O 接口, 也 需要不同的调制方案。4M b s 的物理层方框图看起 来类似于低数据率的方框图, 只是 U A R T 和编码 解码电路被用于 4 b s IrDA 数字通信的 I O 设 M 备 ( 如 Sup er I O ) 替换而已。因为所有的 IrDA 链路 都需要以 9. 6kb s ( 用 3 16 调制) 数据率来启动, 所 以这个设备同时为 115. 2kb s ( 3 16 调制) 信道和 4M b s ( 4PPM 调制) 信道编码和解码。许多 I O 芯
3　结束语
本文提出了三种基于 IrDA 标准的红外无线数 字通信设计方案, 在具体的工程设计中, 可以根据 具体情况选定一种方案或对方案作一定的改进。红 外通信领域的一个关键技术是如何改进光脉冲的 调制方法 ( 如改进 4PPM 的调制方法) , 以降低红外 发光管的功耗, 延长红外便携终端的工作时间。 目 前, 红外通信技术的主要研究方向还有 ISDN 红外 无线接入、 高速计算机红外局域网等。 我们相信随 着红外通信技术的成熟, 红外通信的应用将更为广 泛, 红外无线通信网络也将进一步得到发展。
参　考　文　献
1 　郭峰, 曾兴雯等编著. 无线局域网. 北京: 电子工业出版
图 7　2. 4kb s 4M b s 数据率方案 ～
社, 1997
( 收稿日期: 1999—07—27)
( 上接第 14 页)
第一阶段研究项目。因此, 在设计 CDM A 数字蜂窝 通 信系 统 时, 必 须 有 长 远 的 考 虑, 只 有 把 实 现 CDM A 数字蜂窝通信系统和发展个人通信计划结 合起来, 才能跟上和超过世界移动通信发展的步伐。 目 前, 我 国 已 经 提 出 了 基 于 同 步 码 分 多 址 ( SCDM A ) 技 术 的 第 三 代 移 动 通 信 系 统 ( TD — SCDM A ) 标准, 它广泛地采用了智能天线和软件无 线电技术。 相对于第二代移动通信和其它的第三代 移动通信系统, 基于同步码分多址技术的第三代移 动通信系统, 其频谱利用率更高, 系统切换更精确, 符合国际电信联盟对 I T —2000 所提出的各项要 M 求。 这是发展个人通信的第一步, 希望我国能按照自 己的标准进一步开发、 研制出优质移动通信系统。
计实施时必须对各种因素加以综合考虑, 只有采用 更为先进的新关键技术, 才能使其优越性得到更大 的发挥, 才能有更广阔的市场前景。
参　考　文　献
1 　G ?卡尔霍恩著, 何英姿等译. 数字蜂窝移动通信系统. 北京: 人民邮电出版社, 1997, 2 2　孙立新, 邢宁霞. CDM A ( 码分多址)

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移动通信技术. 北京: 人民邮电出版社, 1996, 5 3　胡健栋, 郑朝晖等. 码分多址与个人通信. 北京: 人民邮电 出版社, 1996, 10 4　李建东, 杨家玮. 个人通信. 北京: 人民邮电出版社, 1998, 5 5 　朱近康. CDM A 个人通信的关键技术和实验系统. 电信 科学, 1997, 13 ( 3) : 20 33 ～ 6 　胡坚波. 我国移动通信用户的发展现状、 特点及前景预 测. 电信科学, 1999, 6: 28 30 ～
4　结束语
CDM A 数字蜂窝通信系统是蜂窝移动通信的 研究热点, 开发和商运是今后的发展趋势。 我国在设
( 收稿日期: 1999—11—15)
18?

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