邵繼虎,白晶
淺談室內(nèi)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中提升通信距離的方法
邵繼虎1,白晶2
(1.北京中創(chuàng)為南京量子通信技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211899;2.南京市致遠(yuǎn)初級(jí)中學(xué),江蘇 南京 210019)
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷加速發(fā)展,各種無(wú)線終端產(chǎn)品越來(lái)越多種多樣。當(dāng)前幾類室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)中,紅外無(wú)線通信因其頻段無(wú)需申請(qǐng)、物理實(shí)際阻隔的高保密性,在實(shí)際應(yīng)用中具有較為廣泛的應(yīng)用。概述了紅外無(wú)線通信系統(tǒng)的大致發(fā)展現(xiàn)狀,并首次從無(wú)線通信角度系統(tǒng)地分析和闡述了在單接收單發(fā)送狀態(tài)下提高室內(nèi)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)的通信距離主要方法,并舉例說(shuō)明了實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)器件選型時(shí)的區(qū)別,最后對(duì)更多無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于紅外語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)的前景進(jìn)行了展望。
無(wú)線通信;室內(nèi)通信;紅外語(yǔ)音通信;通信距離
近年來(lái),無(wú)線通信技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展,5G通信技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入商業(yè)推廣階段。以中國(guó)的華為科技公司為代表的先進(jìn)科技企業(yè),在5G的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用中起到了極其重要的作用。5G技術(shù)意味著在無(wú)線通訊時(shí),可以用更低的功耗,擁有更大的數(shù)據(jù)帶寬和更高的數(shù)據(jù)通信速率。隨著科技的發(fā)展,短距離無(wú)線通訊技術(shù)也在逐步地提高和發(fā)展。當(dāng)前短距離無(wú)線技術(shù)[1]主要有Wi-Fi、BlueTooth、IrDA等,應(yīng)用于IOT無(wú)線通訊技術(shù)目前的主流為L(zhǎng)ORA和NB-IOT,以及Sub 1 GHz的自組網(wǎng)。在短距離通信技術(shù)上,蔡型等人[2]對(duì)幾種技術(shù)在原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用方向上做了比較明確的闡述。紅外無(wú)線通訊技術(shù)因其無(wú)需申請(qǐng)無(wú)線頻段、通信實(shí)際物理分割的保密性和低系統(tǒng)成本的特性[3-4],在無(wú)線通信系統(tǒng)中占有極其重要的地位。目前,紅外通信主要的應(yīng)用方向有紅外數(shù)據(jù)通信、紅外無(wú)線語(yǔ)音通信和紅外遙控,相應(yīng)的產(chǎn)品有紅外打印機(jī)、紅外語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)和電氣(電視和空調(diào)等)遙控等,本文主要討論的是紅外語(yǔ)音無(wú)線通信。由于紅外語(yǔ)音無(wú)線通信一般為室內(nèi)視距傳輸,所以提高系統(tǒng)的通信距離可以使語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)在更大面積的房間中使用,這對(duì)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有極其重要的意義。
1993年,IrDA協(xié)會(huì)成立后,進(jìn)一步推動(dòng)了紅外無(wú)線技術(shù)的研發(fā)和推廣,當(dāng)前紅外無(wú)線通信系統(tǒng)根據(jù)通信速率可以分為SIR、MIR、FIR和VFIR,通信速率最高約為16 Mbps[5]。紅外無(wú)線通信系統(tǒng)所采用的通訊載波為紅外光中近紅外波段[6],在民用領(lǐng)域一般使用到的近紅外波長(zhǎng)大致為800~ 1 500 nm,軍事領(lǐng)域一般使用到的波長(zhǎng)大致為1 200~ 2 000 nm。IrDA規(guī)范要求紅外數(shù)據(jù)通信使用的紅外波長(zhǎng)在850~950 nm之間,目的是使不同廠商設(shè)備之間在遵循IrDA協(xié)議的情況下可以互相兼容。
紅外無(wú)線通訊與無(wú)線電通信雖然采用的載波不同,但都遵循如圖1所示的通信架構(gòu)。
圖1 無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)
由圖1可知,無(wú)線通信系統(tǒng)解決的本質(zhì)問(wèn)題就是信息的傳遞,如何將信源可靠快速地傳遞給受信者的問(wèn)題,其次,就是要選擇合適的穩(wěn)定的信道,完成信息在信源和收信者之間的高保真?zhèn)鬟f,最后就是選擇何種方式發(fā)送信息和收信者選擇何種方式接收信息。
紅外無(wú)線通信系統(tǒng)一般為單工通信,信息從發(fā)送端發(fā)出,而接收端被動(dòng)接收信息,并依據(jù)雙方協(xié)商好的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式,接收特定的數(shù)據(jù)。大致系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 紅外無(wú)線通信系統(tǒng)框圖
以紅外遙控的通信為例,編碼方式一般為RC5方式和NEC方式,紅外載波調(diào)制頻率一般用38 kHz或者40 kHz。一般以臺(tái)灣EVERLIGHT公司的IRM36XX系列接收頭和北京凌志比高公司的BC7210A芯片作為接收端的解調(diào)方案,可以解決大部分遙控?cái)?shù)據(jù)解調(diào)還原的問(wèn)題。隨著SOC的方案出現(xiàn),小型化集成化逐步成為了趨勢(shì),在遙控器的接收端出現(xiàn)了接收頭和MCU集成微型化的方案,并得到了大量的推廣應(yīng)用。紅外語(yǔ)音通信方案上,目前并沒(méi)有一致規(guī)范的通信標(biāo)準(zhǔn),采用的調(diào)制解調(diào)方案比較繁雜,但根據(jù)信息的調(diào)制解調(diào)方式,一般可以分為模擬調(diào)制解調(diào)通信方案和數(shù)字調(diào)制解調(diào)方案,如日本松下的紅外語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)WX—LT100采用的是模擬調(diào)制解調(diào)方案,深圳臺(tái)電紅外語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)和翻譯系統(tǒng)采用的是數(shù)字紅外調(diào)制解調(diào)方案;根據(jù)接收器和發(fā)送器的位置的不同,又大致可以分為直射式和反射式紅外無(wú)線通信系統(tǒng),在紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,主要以反射式通信為主,而且是漫反射的方式。
紅外無(wú)線通信方式如圖3所示。
圖3 紅外無(wú)線通信方式
在漫反射系統(tǒng)中,對(duì)系統(tǒng)的性能要求極高。目前,在紅外語(yǔ)音系統(tǒng)中,單發(fā)送單接收的情況下,基本可以實(shí)現(xiàn)在100 m2的房間內(nèi)自由走動(dòng),但如果在更大面積的房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信,則存在一定的盲區(qū)。本文即是考慮在單發(fā)送單接收的情形下,研究提升系統(tǒng)的通信距離的主要方法。
在無(wú)線通信系統(tǒng)中,如果提高系統(tǒng)的端到端的通信距離,常規(guī)的方法有提高發(fā)送功率、增加其輻射強(qiáng)度、增加接收天線面積、提高接收設(shè)備的接收靈敏度、降低信道的噪聲、變相提高信噪比等,這些方法同樣適用于紅外無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)。紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)與微波無(wú)線通信系統(tǒng)的主要區(qū)別在于載波的介質(zhì)不同,空氣對(duì)其衰減也不同,發(fā)送和接收的器件也不同,因而需要具體問(wèn)題具體分析,但回歸到本質(zhì),都是無(wú)線通信的相關(guān)問(wèn)題的解決思路。
在紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,本文將從以下5個(gè)角度,分析和闡述提高室內(nèi)紅外通信的主要方法:①選擇合適波段的紅外光作為通信的載波,可以實(shí)現(xiàn)最高的信噪比的同時(shí),具有更低的設(shè)計(jì)制造成本;②選擇合適的發(fā)光器件,可以實(shí)現(xiàn)更高效的紅外傳輸,即在更低的功耗下,擁有更高的發(fā)射功率;③選擇合適紅外接收器件,可以實(shí)現(xiàn)更高的紅外光探測(cè)靈敏度;④選擇合適的輔助接收裝置,在降低可見(jiàn)光對(duì)接收器的干擾的同時(shí),增加光接收的能量,進(jìn)一步提高紅外通信距離;⑤選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式,實(shí)現(xiàn)最高信噪比傳輸?shù)耐瑫r(shí),進(jìn)一步提升通信距離。
在紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,一方面紅外光在室內(nèi)視距傳輸,對(duì)同一波長(zhǎng)的紅外光的大氣損耗可以忽略不計(jì);另一方面,由于紅外波段的范圍較窄,不同的紅外光的損耗相差不大。因而在波長(zhǎng)選擇時(shí),可以任意選擇。目前,市場(chǎng)上常用的紅外波段主要分為兩種,一種為IrDA規(guī)定的使用波段,即850 nm和940 nm波段,另一種為光纖通信中常使用的1 270 nm和1 290 nm波段,少數(shù)使用1 550 nm波段。這兩種波段的紅外光通信,技術(shù)成熟度都非常高,但是在成本上光纖通信的相關(guān)光器件的成本要比紅外遙控的光器件高幾個(gè)量級(jí)。在室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)中,常選擇850 nm或者940 nm的紅外光作為通信的載波。這兩種紅外波長(zhǎng)的紅外發(fā)射管在具體的產(chǎn)品上的異同點(diǎn)大致如下:①在前向?qū)▔航瞪?50 nm的紅外發(fā)射管比940 nm高;②在相同電流的情況下,940 nm的紅外發(fā)射管所消耗的電功率比850 nm相對(duì)要低;③工作狀態(tài)下850 nm紅外發(fā)射管會(huì)呈現(xiàn)爆紅狀態(tài),而940 nm較弱,因而在要求隱蔽狀態(tài)下使用時(shí)會(huì)選用940 nm波長(zhǎng)的紅外發(fā)射管;④在相同電功率的情況下850 nm的紅外發(fā)射管的紅外輻射強(qiáng)度強(qiáng)于940 nm的紅外發(fā)射管,一般大2倍以上。
綜上所述,在紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,850 nm的紅外波段更適合室內(nèi)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)。
在市場(chǎng)上,存在多種紅外發(fā)射管,選擇余地比較大,典型的廠商有美國(guó)的VISHAY和臺(tái)灣的EVERLIGHT,國(guó)產(chǎn)的品牌有深圳歐威泰等。在選擇紅外發(fā)射管時(shí),要清楚所應(yīng)用的場(chǎng)景,依據(jù)一定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行選擇。以EVERLIGHT的HIR333C-A型紅外發(fā)射管與歐威泰的503IRC-85L/14L型紅外發(fā)射管為例,將在工作狀態(tài)下比較關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),列舉如表1所示。
表1 光電發(fā)射管關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)(數(shù)據(jù)均為器件規(guī)格書中的典型值)
HIR333C-A503IRC-85L/14L 波長(zhǎng)/nm850850 透鏡有有 發(fā)射角度/°1715 發(fā)光強(qiáng)度/(mW·sr﹣1)140230 光譜線寬/nm4545 前向工作電流/mA10070 最大工作電流/mA1 000100 前向?qū)▔航?V1.451.4 最大耗散功率/mW150150
表1中,兩款發(fā)射管都有透鏡,透鏡的作用主要為將光源匯聚在一起,控制光發(fā)射的角度,發(fā)射的角度越小,則所匯聚的光功率越大,因?yàn)闅W威泰的發(fā)光角度比EVERLIGHT的小,因而其光束的光功率較大。光束發(fā)射角度小,能量比較集中就意味著在漫反射系統(tǒng)中,可以經(jīng)過(guò)更多次的漫反射,從而提升了其被接收到的可能性,因而在應(yīng)用中歐威泰的這款發(fā)射管的在語(yǔ)音通信系統(tǒng)中的接收距離相對(duì)較遠(yuǎn)。從這點(diǎn)來(lái)看,工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用歐威泰的紅外發(fā)射管。又從表1中可知,兩款發(fā)射管的最大功率一致的情況下,其前向工作電壓幾乎一致,但EVERLIGHT的前向工作電流和最大工作電流要遠(yuǎn)高于歐威泰的發(fā)射管,這就說(shuō)明的在相同發(fā)射功率下,EVERLIGHT的紅外發(fā)射管的可靠性遠(yuǎn)高于歐威泰。就這兩款發(fā)射管來(lái)說(shuō),綜合發(fā)送性能和可靠性這兩個(gè)方面,在工程應(yīng)用時(shí),比較推薦EVERLIGHT的紅外發(fā)射管,因?yàn)槠淇煽啃韵鄬?duì)較高,雖然發(fā)光性能比歐威泰的低,可以通過(guò)提升發(fā)送功率進(jìn)一步彌補(bǔ)這一缺陷。
在發(fā)光電路設(shè)計(jì)上,比較推薦采用單電源5 V的驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)的同時(shí)保證所有的發(fā)射管均工作在可靠的范圍內(nèi)。如果發(fā)送信號(hào)是占空比為50%以上的波形,則建議改變占空比,將占空比調(diào)整到20%甚至更低來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的傳輸,占空比可調(diào)的極小值與所選用的光電接收器件的帶寬有關(guān),發(fā)送的電路如圖4所示。
圖4 紅外發(fā)送電路
圖4中,在單電源5 V驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)使開(kāi)關(guān)管Q1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED1紅外發(fā)射管的發(fā)射控制。如果實(shí)現(xiàn)了極限功率發(fā)送,則可以將Q1替換為NMOS場(chǎng)效應(yīng)管,R1并0.1 μF電容,可以極大地提高紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)的通信距離。
紅外接收器件目前應(yīng)用比較多的有PIN型硅光電二極管、APD型光電二極管以及新型的銦鎵砷點(diǎn)元探測(cè)器。PIN型光電二極管應(yīng)用最為廣泛,成本也相對(duì)較低,電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,在紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中紅外接收主要采用此類型作為接收器件;APD型光電二極管和銦鎵砷點(diǎn)元探測(cè)器成本較高,APD型光電二極管單只的價(jià)格在幾百元左右,而銦鎵砷的點(diǎn)元探測(cè)器則在上千元,而且在工作狀態(tài)下,需要向其提供高壓反向偏置,同時(shí)要輔助制冷設(shè)備,整體電路設(shè)計(jì)上,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。
光電接收器的主要技術(shù)參數(shù)有電流靈敏度、噪聲等效功率、探測(cè)率、光譜靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等。以美國(guó)VISHAY公司的BPV22NF和VEMD5110X01與日本HAMAMATSU公司的S6801-01為例,列舉關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)如表2所示。
如表2所示,三款PIN型光電接收管主要差異在于反向擊穿電壓、電容量、光電接收角度,以及光電接收面積上的差異。光電接收器的光電探測(cè)率是等效噪聲的倒數(shù),由于S6801-01沒(méi)有列出器相應(yīng)的等效噪聲功率參數(shù),因而對(duì)該參數(shù)不進(jìn)行比較。透鏡的作用主要在于匯聚光源,可以使更多的光線進(jìn)入探測(cè)器,從而提高靈敏度,因而在實(shí)際工程應(yīng)用中,BPV22NF的光電接收距離明顯大于VEMD5110X01。為了獲取更高的靈敏度,光電接收管常工作于電壓反偏狀態(tài)下,且光電接收管為了獲取更高的相應(yīng)帶寬,通常采用提高反偏電壓,使光電接收管的電容量相對(duì)較小。在其他參數(shù)幾乎一致的情況下,從上述兩個(gè)角度考慮光電接收管的選擇,BPV22NF在性能上明顯優(yōu)異于VEMD5110X01。S6801-01與BPV22NF的主要區(qū)別在于暗電流值和光電接收面積,從表2中的數(shù)據(jù)可知在這兩點(diǎn)上S6801-01要比BPV22NF至少高一個(gè)數(shù)量級(jí),在實(shí)際應(yīng)用的表現(xiàn)上,S6801-01的光電接收距離明顯優(yōu)異于BPV22NF的表現(xiàn),所以在工程應(yīng)用上選擇S6801-01可以獲得更好的通信距離。
表2 光敏接收管主要性能參數(shù)
BPV22NFVEMD5110X01S6801-01 透鏡有無(wú)有 可見(jiàn)光阻斷有有有 反向擊穿電壓/V602035 反偏暗電流/nA220.5 電容/pF707040 截止頻率/MHz4415 反偏狀態(tài)下亮電流/μA854880 接收角度/°606535 峰值靈敏度下的波長(zhǎng)/nm940940960 噪聲等效功率/(W·)4×10﹣144×10﹣14— 有效接收面積/mm2.5.550
注:表中的數(shù)據(jù)均為器件規(guī)格書中的典型值。
在電磁波頻譜上,紅外光是一種人眼觀察不到的光線,但臨近于可見(jiàn)光中的紅光,因而從光學(xué)的角度考慮,如果能夠使更多的光線投射到光電接收器上,且降低臨近光線,以及其他電磁波的干擾,則可以大大提高紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)的通信距離。目前比較常用的方法主要有增加可見(jiàn)光阻斷、增加光接收透鏡和電磁屏蔽等。
可見(jiàn)光的阻斷目前在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí),主要體現(xiàn)在2個(gè)地方:①光電接收器本身是否對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行阻斷;②在光電接收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使用特殊紅外材料制成可見(jiàn)光阻斷窗,目前該技術(shù)應(yīng)用較為成熟,可以直接向廠家定制。
透鏡的主要作用就是匯聚光線,按照光線的收集方式,可以分為透射式、反射式和復(fù)合式三種光學(xué)系統(tǒng)[7],復(fù)合式則是由透鏡和反射鏡組合而成,如圖5所示。透射式光學(xué)系統(tǒng)包括單透鏡和組合透鏡式,S6801-01以及BPV22NF即采用的單透鏡方式。
圖5 紅外光學(xué)系統(tǒng)
光線的匯聚能力越強(qiáng),則光電接收器的接收角度越小,因而則實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可以采用瞬時(shí)掃描的方式和多光電接收器的方式,擴(kuò)展紅外通信的信號(hào)接收角度。在室內(nèi)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,常采用多光電接收器的方式實(shí)現(xiàn),如表2所列表的技術(shù)參數(shù),由于S6801-01的接收半角為35°,因而在實(shí)際應(yīng)用中需要在接收器上安置至少6個(gè)接收器才能實(shí)現(xiàn)無(wú)死角信號(hào)接收,而BPV22NF只需要3個(gè)左右即可,同時(shí)S6801-01的成本是BPV22NF的5倍左右,因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要在成本和性能的角度綜合考慮器件的選擇。
在光接收電路上,由于接收到的信號(hào)為微弱小信號(hào),極其容易受到外界電磁干擾,因而需要在電路設(shè)計(jì)的同時(shí),考慮電磁屏蔽。由于使用屏蔽罩時(shí),光電接收管也在屏蔽罩內(nèi),因而需要將屏蔽罩開(kāi)窗,開(kāi)窗大小建議采用多孔開(kāi)窗方式,開(kāi)窗的大小需要依據(jù)接收波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,如圖6所示。
圖6 實(shí)際工程中使用的屏蔽罩
在接收電路使用電磁屏蔽后,可極大改善接收性能,進(jìn)一步延長(zhǎng)紅外通信距離。
紅外無(wú)線通信系統(tǒng)中,不同的應(yīng)用場(chǎng)合,所使用的調(diào)制解調(diào)方式均有不同。在紅外數(shù)據(jù)通信上,常用的調(diào)制解調(diào)方式有PAM、PPM等,當(dāng)前已經(jīng)有一定數(shù)量的設(shè)備配置了紅外無(wú)線通信接口,如PDA、數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)等;而在紅外語(yǔ)音通信上,常用的調(diào)制解調(diào)方式有模擬AM和FM調(diào)制,數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式有FSK、QPSK和BPSK等[8]。日本的松下紅外語(yǔ)音擴(kuò)音設(shè)備采用的是發(fā)送端采用模擬FM調(diào)制,接收端使用超外差式解調(diào),國(guó)內(nèi)的廠商深圳臺(tái)電科技在紅外無(wú)線通信的應(yīng)用上,已經(jīng)研發(fā)出數(shù)字紅外調(diào)制解調(diào)方案,至于具體采用了何種數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式,出于商業(yè)保密的角度,無(wú)法得知。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō),數(shù)字紅外無(wú)線通信必然是將來(lái)發(fā)展的方向。無(wú)論采用何種調(diào)制解調(diào)方式,目的都是為了更可靠地將信息從發(fā)送端發(fā)送到接收端,而調(diào)制解調(diào)方式的選擇直接影響到紅外無(wú)線通信的距離。
本文從無(wú)線通信的角度出發(fā),思考和討論了在室內(nèi)紅外語(yǔ)音通信系統(tǒng)中提升紅外無(wú)線通信距離的主要方法,并對(duì)每種方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用做了較為明確的闡述。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,室內(nèi)紅外通信距離將越來(lái)越遠(yuǎn),可適用的場(chǎng)合將越來(lái)越多,紅外通信產(chǎn)品必將也越來(lái)越多,應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。但無(wú)論何種紅外通信設(shè)備,都應(yīng)該考慮紅外發(fā)射強(qiáng)度應(yīng)符合IEC825-1或EN60825-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射強(qiáng)度,IrDA規(guī)定最大的發(fā)射強(qiáng)度為500 mW/sr,否則會(huì)對(duì)人的眼睛和皮膚產(chǎn)生一定的危害。
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TN929.1
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.010
2095-6835(2020)22-0027-04
邵繼虎(1986—),男,江蘇南京人,碩士,中級(jí)工程師,研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)與應(yīng)用。
〔編輯:張思楠〕