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 ?

王红智, 等: 基于 IrDA 标准的红外无线通信原理及设计

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