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无线通信技术. —— IrDA 技术. 3.6 IrDA 技术. 3.6.1 IrDA 技术背景 3.6.2 IrDA 技术原理 3.6.3 IrDA 协议体系结构 3.6.4 IrDA 技术应用. 3.6.1 IrDA 技术背景. 红外线数据协会 IrDA （ Infrared Data Association ）成立于 1993 年，是致力于建立红外线无线连接的国际性非盈利组织。 目前在全球拥有 160 个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。
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无线通信技术 ——IrDA技术
3.6 IrDA技术 • 3.6.1 IrDA技术背景 • 3.6.2 IrDA技术原理 • 3.6.3 IrDA协议体系结构 • 3.6.4 IrDA技术应用
3.6.1 IrDA技术背景 • 红外线数据协会IrDA（Infrared Data Association）成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的国际性非盈利组织。目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。 • IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2 kb/s速率传输数据，很快发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。 • 目前IrDA的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机、笔记本电脑、打印机、移动电话之间或与电脑之间进行数据交换，电视机、空调器的遥控等产品中广泛使用。 • 目前，全世界有5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然每年以50％的速度增长。有95％的手提电脑安装了IrDA接口。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA技术基本概念 红外线 ：在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。
IrDA技术基本概念 红外通信：利用近红外线来传输信号的通信方式，主要是用来取代点对点的线缆连接，和蓝牙、WiFi（802.11）等一样，是一种无线数据传输技术。由于不需要实体连线，简单易用且实现成本较低，
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA技术的优点 • 无需申请频率的使用权，在当前频率资源匮乏和频道使用费用增加的背景下是非常重要的。 • 功率低，<40mW 。 • 具有移动通信设备所必需的体积小的特点，HP公司已推出结合模块应用的约从2.5×8.0×2.9 到5.3×13.0×3.8立方毫米的专用器件，耗电量很低的。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA的传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网（Piconet）中是最高的，由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达16Mb／s。 • 红外通信成本低廉。在成本上，红外线LED及接收器等组件远较一般RF组件来得便宜，IrDA端口的成本在5美元以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1.5美元以内，相当于日前蓝牙产品的十分之一。
3.6.1 IrDA技术背景 • 此外，IrDA技术具有连接方便、简单易用的特点。 • 短距离，点对点直线数据传输，红外线发射角度较小，保密性强。 • 无有害辐射，科学实验证明，红外线是一种对人体有益的光谱，所以红外 线产品是一种真正的绿色产品。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA的局限性 • 首先，IrDA是一种视距传输技术，两个具有IrDA端口的设备之间传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等；其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络；
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA的局限性 • 在发送数据时，输出的功率一定时，用于信号传输的功率小，接收到的数据的信噪比小，容易误判数据； • IrDA设备中的核心部件-红外线LED不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有余，但如果经常用装配IrDA端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA技术发展 1994年第一个IRDA的红外数据通讯标准——IrDA1.0发布，又称为SIR(Serial InfraRed)，它是基于HP开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式。通过对串行数据脉冲和光信号脉冲编解码实现红外数据传输。IrDA1.0的最高通讯速率只有115.2Kbps，适应于串行端口的速率。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA技术发展 1996年，IrDA发布了IrDA1.1标准，即Fast InfraRed，简称为FIR。FIR采用了全新的4PPM调制解调技术，其最高通讯速率达到4Mbps，这个标准是目前运用得最普遍的标准。
3.6.1 IrDA技术背景 • IrDA技术发展 继IRDA1.1之后，IRDA又发布了通讯速率高达16Mbps的VFIR技术(Very Fast InfraRed)。不断提高的速率使红外线使它在短距无线通信领域占有一席之地，而不仅是数据线缆的替代。红外线的传输距离为1~100CM，传输方向的定向角30度，点对点直线数据传输。
3.6.2 IrDA技术原理 • 红外通信是利用近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。 • 发送端将基带二进制信号调制为一系列脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。 • 接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。 • 红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA技术数据传输模型
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件分类
3.6.2 IrDA技术原理 • 根据传输速率的大小，IrDA器件可分为SIR、FIR、VFIR类型。如Vishay的红外收发器，TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，TFDU8108是VFIR器件。 • 根据应用功耗的大小，IrDA器件可分为标准型和低功耗型。低功耗型器件，通常使用1.8~3.6V电源，传输距离较小(约20cm)，如Agilent的红外收发器HSDL-3203。标准型器件，通常使用5V电源，传输距离大(在30cm~几十米)，如Vishay的红外接收器TSOP12xx系列，传输距离可达35m。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外发送器 大多使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管LED，其能够通过的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外检测器 红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件，有独立接收管构成器件的，有内含放大器的，有集成放大器与解调器的。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外检测器 接收灵敏度是衡量红外检测器件的主要性能指标，接收灵敏度越高，传输距离越远，误码率越低。内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器，这类器件常用于固定载波频率(如40kHz)的应用。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外收发器 红外收发器件集发射与接收于一体。通常，器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，并且内部集成有关断控制逻辑。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外编/解码器 编/解码，英文简称ENDEC，即实现调制/解调。编/解码机制，红外编/解码器件，需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路，进行调制或解调。 常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉位调制（PPM）两种方法。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA的器件 • 红外编/解码器 • SIR器件多采用3/16 ENDEC，FIR器件多采用4PPM ENDEC。 注：3/16 ENDEC，即把一个有效数字位(bit)时间段，划分为16等分小时间段，以连续3个小时间段内有无脉冲表示调制/解调信息。
3.6.2 IrDA技术原理 • 红外编/解码器件，有单独编码的集成器件，如键盘遥控红外编码器Mitsubishi的M50462AP；也有集编码/解码于一体的。
3.6.2 IrDA技术原理 • IrDA建立连接通信分四个阶段 1. 设备发现和地址解析 发现过程是IrDA 设备查明在通讯范围是否有其它设备的过程。如果参加发现过程的设备有重复的地址，那就需启动地址解析过程。 地址解析过程与发现过程相似，它用探测地址冲突来启动过程，仅解析有冲突的地址。 2. 链接建立 由应用层决定连接到哪一个被发现的设备。
3.6.2 IrDA技术原理 3. 信息交换和链接复位 信息交换过程的操作实在主从模式下进行的，就是主设备控制从设备的访问。主设备发出命令帧，从设备响应。 4. 链接终止 一旦数据传输完，主、从设备之一将断开链接。如果主设备希望断开链接，它将发送带轮询位的断开命令给从设备。从设备返回带终止位的未编号确认帧应答。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 自1993年起，由HP、COMPAQ、INTEL等多家公司发起成立了红外数据协会(Infrared Data Association,简称IRDA)，建立了统一的红外数据通信标准。 • 为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrDA标准都包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY（Infrared Physical Layer Link Specification）、红外连接访问协议IrLAP（Infrared Link Access Protoco1）和红外连接管理协议IrLMP（Infrared Link Management Protoco1）。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrPHY规范制订了红外通信硬件设计上的目标和要求在IrDA物理层中，将数据通信按发送速率分为三类：SIR、MIR和FIR。 串行红外（SIR）的速率覆盖了RS-232端口，通常支持的速率（9600bps～1152Kbps）。MIR可支持0.576Mbps和1.152Mbps的速率；高速红外（FIR）通常用于4Mbps的速率，有时也可用于高于SIR的所有速率。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrDA芯片
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 IrDA协议栈
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrDA的协议堆可以划分成两部分： 核心协议和可选协议。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrDA的核心协议包括：物理层协议IrPHY、链路接入协议IrLAP、链路管理协议IrLMP和服务发现协议。核心协议完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备，可靠的数据链路的建立与维持，高层数据包的适配，不同协议数据的复用与流量控制。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 物理层协议 IrPHY（IrDA Physical Layer） 在物理的连接上用红外线通讯的硬件规格。这个规定中制定IrDA通讯上的规格，通讯距离，角度，速度，数据的调制方式，脉冲宽度等。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 链路接入协议 IrLAP（ IrDA Link Access Protocol） 关于通讯保护层的数据链路的规格。这项规格检索通信对方，决定转发速度，数据容量，窗口尺寸。采用根据HDLC（High-level Data Link Control）框架的半双工。制定了底层连接建立的过程规范，描述了建立一个基本可靠连接的过程和要求。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 链路管理协议 IrLMP（IrDA Link Management Protocol） 提供上面各层用IrLAP通信效率的管理保护层，是关于连接的多层化和部分信息，实行逻辑的廉洁，以免复数的程序互相干扰，实现同时的通信。 制定了在单位个IrLAP连接的基础上复用多个服务和应用的规范。在IrLMP协议上层的协议都属于特定应用领域的规范和协议。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的可选协议包括： TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • TTP协议 规定了IrDA控制流程，管理每个逻辑的接连点，控制流程，处理数据链路的容量以上的数据，分割发送的数据，构成收到的数据。制定把数据进行拆分、重组、重传等的机制。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 红外串行传输协议IrCOMM（Infrared Communication Protocol） 是关于串行通信的程序保护层。仿真 Serial port（RS232C）和 Parallel port，允许已存在的使用串口/并口通信的应用（例如打印程序、通讯程序）象使用串口/并口那样使用红外进行通信。通过 IrComm，可以使用计算机和配置红外的移动电话连接到 Internet 服务提供商或发送传真，而无需使用其他设备。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 红外对象交换协议IrOBEX（Infrared Object Exchange Protocol） 传送IrDA保护层上工作的对象（例如通讯簿vCard、日程/计划/事件vCalendar、邮件/短信vMessage、备忘录/铃声/图片vNote、URL/书签vBookmark、可执行程序触发vTrigger）的规格。用标头统一对象的属性，实现所有的机器之间的传送对象。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 红外局部网协议IrLAN（Infrared LAN） 决定红外线LAN连接的应用保护层。通过 IrLAN，可以在计算机与其他计算机或其他红外设备之间建立点对点的连接，也可以在计算机与网络访问点之间建立连接。允许通过红外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设备，实际远程摇控等功能。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 红外手机协议IrMC （Infrared Mobile Communication） 定义可移动通讯终端器的交换对象功能。基于OBEX，可提供多种数据交换功能：1）转送地址薄，日历，电子邮件，笔记等，规定对象的格式；2）手机数据的备份和恢复；3）手机和PC间的数据同步功能。 基于IrComm可实现DialUp功能，例如通过GPRS实现手机的拨号上网，HandsFree功能，支持在手机和PC或车载设备间实现call control和audio transfer功能。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • 红外电子结算协议IrFM（Infrared Financial Messaging） 采用IrDA的电子结账用的应用保护层。是获得IrDA认可的红外付费服务的全球标准，IrFM规定了现有信用卡及其他电子付费系统的兼容标准。
3.6.3 IrDA技术协议体系结构 • IrSimple（Infrared Simple Connect） 是用红外技术实现高速通信、并通过简单和标准化的模块降低客户开发成本的国际协议。IrSimple可以实现静态图像和视频影像从手机到打印机或电视的瞬时传送，达到至少4到10倍更快的资料传输速率。
3.6.4 IrDA技术应用 • 基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。 • 作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且它的使用不受国家无线管理委员会的限制。 • 但是，红外线对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制。
3.6.4 IrDA技术应用 • 目前已经开发生产出来的具备红外通讯能力的设备已有一百种之多，红外模块的年装机量已经达到了一亿五千万套，并且每年还有着40％的高速增长。 • 尽管现在有了同样是近距离无线通信的蓝牙技术，但以IrDA技术低廉的成本和广泛的兼容性的优势，IrDA技术势必会在将来很长的一段时间内在短距离的无线数据通信领域扮演重要的角色。
3.6.4 IrDA技术应用 • IrDA除了传输速率由原来的FIR（Fast Infrared）的4Mb／s提高到最新VFIR的16Mb／s标准；接收角度也由传统的30度扩展到120度。 • 在台式电脑上采用低功耗、小体积、移动余度较大的含有IrDA接口的键盘、鼠标就有了基本的技术保障。同时，由于Internet的迅猛发展和图形文件逐渐增多，IrDA的高速率传输优势在扫描仪和数码相机等图形处理设备中更可大显身手。
