淺談室內紅外語音通信系統中提升通信距離的方法

邵繼虎，白晶

淺談室內紅外語音通信系統中提升通信距離的方法

邵繼虎1，白晶2

（1.北京中創為南京量子通信技術有限公司，江蘇 南京 211899；2.南京市致遠初級中學，江蘇 南京 210019）

隨著無線通信技術的不斷加速發展，各種無線終端產品越來越多種多樣。當前幾類室內無線通信技術中，紅外無線通信因其頻段無需申請、物理實際阻隔的高保密性，在實際應用中具有較為廣泛的應用。概述了紅外無線通信系統的大致發展現狀，并首次從無線通信角度系統地分析和闡述了在單接收單發送狀態下提高室內紅外語音通信系統的通信距離主要方法，并舉例說明了實際工程應用時器件選型時的區別，最后對更多無線通信技術應用于紅外語音擴音系統的前景進行了展望。

無線通信；室內通信；紅外語音通信；通信距離

近年來，無線通信技術得到了前所未有的發展，5G通信技術已經逐漸進入商業推廣階段。以中國的華為科技公司為代表的先進科技企業，在5G的技術研發與應用中起到了極其重要的作用。5G技術意味著在無線通訊時，可以用更低的功耗，擁有更大的數據帶寬和更高的數據通信速率。隨著科技的發展，短距離無線通訊技術也在逐步地提高和發展。當前短距離無線技術[1]主要有Wi-Fi、BlueTooth、IrDA等，應用于IOT無線通訊技術目前的主流為LORA和NB-IOT，以及Sub 1 GHz的自組網。在短距離通信技術上，蔡型等人[2]對幾種技術在原理、技術特點和應用方向上做了比較明確的闡述。紅外無線通訊技術因其無需申請無線頻段、通信實際物理分割的保密性和低系統成本的特性[3-4]，在無線通信系統中占有極其重要的地位。目前，紅外通信主要的應用方向有紅外數據通信、紅外無線語音通信和紅外遙控，相應的產品有紅外打印機、紅外語音擴音系統和電氣（電視和空調等）遙控等，本文主要討論的是紅外語音無線通信。由于紅外語音無線通信一般為室內視距傳輸，所以提高系統的通信距離可以使語音擴音系統在更大面積的房間中使用，這對紅外語音通信系統來說具有極其重要的意義。

1 紅外無線通信系統概述

1993年，IrDA協會成立后，進一步推動了紅外無線技術的研發和推廣，當前紅外無線通信系統根據通信速率可以分為SIR、MIR、FIR和VFIR，通信速率最高約為16 Mbps[5]。紅外無線通信系統所采用的通訊載波為紅外光中近紅外波段[6]，在民用領域一般使用到的近紅外波長大致為800～ 1 500 nm，軍事領域一般使用到的波長大致為1 200～ 2 000 nm。IrDA規范要求紅外數據通信使用的紅外波長在850～950 nm之間，目的是使不同廠商設備之間在遵循IrDA協議的情況下可以互相兼容。

紅外無線通訊與無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。

圖1 無線通信系統架構

由圖1可知，無線通信系統解決的本質問題就是信息的傳遞，如何將信源可靠快速地傳遞給受信者的問題，其次，就是要選擇合適的穩定的信道，完成信息在信源和收信者之間的高保真傳遞，最后就是選擇何種方式發送信息和收信者選擇何種方式接收信息。

紅外無線通信系統一般為單工通信，信息從發送端發出，而接收端被動接收信息，并依據雙方協商好的數據調制解調方式，接收特定的數據。大致系統如圖2所示。

圖2 紅外無線通信系統框圖

以紅外遙控的通信為例，編碼方式一般為RC5方式和NEC方式，紅外載波調制頻率一般用38 kHz或者40 kHz。一般以臺灣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方案，可以解決大部分遙控數據解調還原的問題。隨著SOC的方案出現，小型化集成化逐步成為了趨勢，在遙控器的接收端出現了接收頭和MCU集成微型化的方案，并得到了大量的推廣應用。紅外語音通信方案上，目前并沒有一致規范的通信標準，采用的調制解調方案比較繁雜，但根據信息的調制解調方式，一般可以分為模擬調制解調通信方案和數字調制解調方案，如日本松下的紅外語音擴音系統WX—LT100采用的是模擬調制解調方案，深圳臺電紅外語音擴音系統和翻譯系統采用的是數字紅外調制解調方案；根據接收器和發送器的位置的不同，又大致可以分為直射式和反射式紅外無線通信系統，在紅外語音通信系統中，主要以反射式通信為主，而且是漫反射的方式。

紅外無線通信方式如圖3所示。

圖3 紅外無線通信方式

在漫反射系統中，對系統的性能要求極高。目前，在紅外語音系統中，單發送單接收的情況下，基本可以實現在100 m2的房間內自由走動，但如果在更大面積的房間內實現通信，則存在一定的盲區。本文即是考慮在單發送單接收的情形下，研究提升系統的通信距離的主要方法。

在無線通信系統中，如果提高系統的端到端的通信距離，常規的方法有提高發送功率、增加其輻射強度、增加接收天線面積、提高接收設備的接收靈敏度、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線語音通信系統。紅外語音通信系統與微波無線通信系統的主要區別在于載波的介質不同，空氣對其衰減也不同，發送和接收的器件也不同，因而需要具體問題具體分析，但回歸到本質，都是無線通信的相關問題的解決思路。

在紅外語音通信系統中，本文將從以下5個角度，分析和闡述提高室內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，可以實現最高的信噪比的同時，具有更低的設計制造成本；②選擇合適的發光器件，可以實現更高效的紅外傳輸，即在更低的功耗下，擁有更高的發射功率；③選擇合適紅外接收器件，可以實現更高的紅外光探測靈敏度；④選擇合適的輔助接收裝置，在降低可見光對接收器的干擾的同時，增加光接收的能量，進一步提高紅外通信距離；⑤選擇合適的調制解調方式，實現最高信噪比傳輸的同時，進一步提升通信距離。

2 紅外通信距離提高的主要方法

2.1 紅外通信波長的選擇

在紅外語音通信系統中，一方面紅外光在室內視距傳輸，對同一波長的紅外光的大氣損耗可以忽略不計；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。因而在波長選擇時，可以任意選擇。目前，市場上常用的紅外波段主要分為兩種，一種為IrDA規定的使用波段，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，少數使用1 550 nm波段。這兩種波段的紅外光通信，技術成熟度都非常高，但是在成本上光纖通信的相關光器件的成本要比紅外遙控的光器件高幾個量級。在室內無線通信系統中，常選擇850 nm或者940 nm的紅外光作為通信的載波。這兩種紅外波長的紅外發射管在具體的產品上的異同點大致如下：①在前向導通壓降上850 nm的紅外發射管比940 nm高；②在相同電流的情況下，940 nm的紅外發射管所消耗的電功率比850 nm相對要低；③工作狀態下850 nm紅外發射管會呈現爆紅狀態，而940 nm較弱，因而在要求隱蔽狀態下使用時會選用940 nm波長的紅外發射管；④在相同電功率的情況下850 nm的紅外發射管的紅外輻射強度強于940 nm的紅外發射管，一般大2倍以上。

綜上所述，在紅外語音通信系統中，850 nm的紅外波段更適合室內紅外語音通信系統。

2.2 紅外發射管的選擇

在市場上，存在多種紅外發射管，選擇余地比較大，典型的廠商有美國的VISHAY和臺灣的EVERLIGHT，國產的品牌有深圳歐威泰等。在選擇紅外發射管時，要清楚所應用的場景，依據一定的技術指標進行選擇。以EVERLIGHT的HIR333C-A型紅外發射管與歐威泰的503IRC-85L/14L型紅外發射管為例，將在工作狀態下比較關鍵的技術指標，列舉如表1所示。

表1 光電發射管關鍵技術參數（數據均為器件規格書中的典型值）

HIR333C-A503IRC-85L/14L 波長/nm850850 透鏡有有 發射角度/°1715 發光強度/（mW·sr﹣1）140230 光譜線寬/nm4545 前向工作電流/mA10070 最大工作電流/mA1 000100 前向導通壓降/V1.451.4 最大耗散功率/mW150150

表1中，兩款發射管都有透鏡，透鏡的作用主要為將光源匯聚在一起，控制光發射的角度，發射的角度越小，則所匯聚的光功率越大，因為歐威泰的發光角度比EVERLIGHT的小，因而其光束的光功率較大。光束發射角度小，能量比較集中就意味著在漫反射系統中，可以經過更多次的漫反射，從而提升了其被接收到的可能性，因而在應用中歐威泰的這款發射管的在語音通信系統中的接收距離相對較遠。從這點來看，工程應用時應選用歐威泰的紅外發射管。又從表1中可知，兩款發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高于歐威泰的發射管，這就說明的在相同發射功率下，EVERLIGHT的紅外發射管的可靠性遠高于歐威泰。就這兩款發射管來說，綜合發送性能和可靠性這兩個方面，在工程應用時，比較推薦EVERLIGHT的紅外發射管，因為其可靠性相對較高，雖然發光性能比歐威泰的低，可以通過提升發送功率進一步彌補這一缺陷。

在發光電路設計上，比較推薦采用單電源5 V的驅動方式，實現功率可調的同時保證所有的發射管均工作在可靠的范圍內。如果發送信號是占空比為50%以上的波形，則建議改變占空比，將占空比調整到20%甚至更低來實現低功耗的傳輸，占空比可調的極小值與所選用的光電接收器件的帶寬有關，發送的電路如圖4所示。

圖4 紅外發送電路

圖4中，在單電源5 V驅動下，通過開關信號使開關管Q1工作在開關狀態，從而實現對LED1紅外發射管的發射控制。如果實現了極限功率發送，則可以將Q1替換為NMOS場效應管，R1并0.1 μF電容，可以極大地提高紅外語音通信系統的通信距離。

2.3 紅外接收器件的選擇

紅外接收器件目前應用比較多的有PIN型硅光電二極管、APD型光電二極管以及新型的銦鎵砷點元探測器。PIN型光電二極管應用最為廣泛，成本也相對較低，電路結構相對比較簡單，在紅外語音通信系統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元探測器成本較高，APD型光電二極管單只的價格在幾百元左右，而銦鎵砷的點元探測器則在上千元，而且在工作狀態下，需要向其提供高壓反向偏置，同時要輔助制冷設備，整體電路設計上，結構復雜，成本較高。

光電接收器的主要技術參數有電流靈敏度、噪聲等效功率、探測率、光譜靈敏度和響應時間等。以美國VISHAY公司的BPV22NF和VEMD5110X01與日本HAMAMATSU公司的S6801-01為例，列舉關鍵的技術參數如表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率是等效噪聲的倒數，由于S6801-01沒有列出器相應的等效噪聲功率參數，因而對該參數不進行比較。透鏡的作用主要在于匯聚光源，可以使更多的光線進入探測器，從而提高靈敏度，因而在實際工程應用中，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下，且光電接收管為了獲取更高的相應帶寬，通常采用提高反偏電壓，使光電接收管的電容量相對較小。在其他參數幾乎一致的情況下，從上述兩個角度考慮光電接收管的選擇，BPV22NF在性能上明顯優異于VEMD5110X01。S6801-01與BPV22NF的主要區別在于暗電流值和光電接收面積，從表2中的數據可知在這兩點上S6801-01要比BPV22NF至少高一個數量級，在實際應用的表現上，S6801-01的光電接收距離明顯優異于BPV22NF的表現，所以在工程應用上選擇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

BPV22NFVEMD5110X01S6801-01 透鏡有無有 可見光阻斷有有有 反向擊穿電壓/V602035 反偏暗電流/nA220.5 電容/pF707040 截止頻率/MHz4415 反偏狀態下亮電流/μA854880 接收角度/°606535 峰值靈敏度下的波長/nm940940960 噪聲等效功率/（W·）4×10﹣144×10﹣14— 有效接收面積/mm2.5.550

注：表中的數據均為器件規格書中的典型值。

2.4 光電接收輔助裝置

在電磁波頻譜上，紅外光是一種人眼觀察不到的光線，但臨近于可見光中的紅光，因而從光學的角度考慮，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音通信系統的通信距離。目前比較常用的方法主要有增加可見光阻斷、增加光接收透鏡和電磁屏蔽等。

可見光的阻斷目前在工程實際應用時，主要體現在2個地方：①光電接收器本身是否對可見光進行阻斷；②在光電接收器的結構設計上使用特殊紅外材料制成可見光阻斷窗，目前該技術應用較為成熟，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、反射式和復合式三種光學系統[7]，復合式則是由透鏡和反射鏡組合而成，如圖5所示。透射式光學系統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 紅外光學系統

光線的匯聚能力越強，則光電接收器的接收角度越小，因而則實際工程應用時可以采用瞬時掃描的方式和多光電接收器的方式，擴展紅外通信的信號接收角度。在室內紅外語音通信系統中，常采用多光電接收器的方式實現，如表2所列表的技術參數，由于S6801-01的接收半角為35°，因而在實際應用中需要在接收器上安置至少6個接收器才能實現無死角信號接收，而BPV22NF只需要3個左右即可，同時S6801-01的成本是BPV22NF的5倍左右，因而在實際應用時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，由于接收到的信號為微弱小信號，極其容易受到外界電磁干擾，因而需要在電路設計的同時，考慮電磁屏蔽。由于使用屏蔽罩時，光電接收管也在屏蔽罩內，因而需要將屏蔽罩開窗，開窗大小建議采用多孔開窗方式，開窗的大小需要依據接收波長進行計算，如圖6所示。

圖6 實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，進一步延長紅外通信距離。

2.5 紅外通信系統的調制解調方式

紅外無線通信系統中，不同的應用場合，所使用的調制解調方式均有不同。在紅外數據通信上，常用的調制解調方式有PAM、PPM等，當前已經有一定數量的設備配置了紅外無線通信接口，如PDA、數碼相機和打印機等；而在紅外語音通信上，常用的調制解調方式有模擬AM和FM調制，數字調制解調方式有FSK、QPSK和BPSK等[8]。日本的松下紅外語音擴音設備采用的是發送端采用模擬FM調制，接收端使用超外差式解調，國內的廠商深圳臺電科技在紅外無線通信的應用上，已經研發出數字紅外調制解調方案，至于具體采用了何種數字調制解調方式，出于商業保密的角度，無法得知。從技術發展的角度來說，數字紅外無線通信必然是將來發展的方向。無論采用何種調制解調方式，目的都是為了更可靠地將信息從發送端發送到接收端，而調制解調方式的選擇直接影響到紅外無線通信的距離。

3 結論

本文從無線通信的角度出發，思考和討論了在室內紅外語音通信系統中提升紅外無線通信距離的主要方法，并對每種方法在工程實踐中的應用做了較為明確的闡述。相信隨著科學技術的發展，室內紅外通信距離將越來越遠，可適用的場合將越來越多，紅外通信產品必將也越來越多，應用也將越來越廣泛。但無論何種紅外通信設備，都應該考慮紅外發射強度應符合IEC825-1或EN60825-1標準規定的發射強度，IrDA規定最大的發射強度為500 mW/sr，否則會對人的眼睛和皮膚產生一定的危害。

［1］褚淑杰.紅外技術在無線局域網中的應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2005.

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［3］鄭志聰.淺談紅外通訊技術［J］.信息科技，2008（9）：114-120.

［4］嚴后選，張天宏，孫健國.近距離紅外無線數據通信技術研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2004（12）：407-413.

［5］周錦榮，張恒.基于紅外載波的近距離無線通信技術應用研究［J］.紅外，2008（9）：37-42.

［6］邸興.嵌入式紅外通信系統及其應用研究［D］.西安：西北大學，2006.

［7］王海晏.紅外輻射及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2014.

［8］段佳勇.室內無線光通信中波束選擇［D］.秦皇島：燕山大學，2005.

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，中級工程師，研究方向為無線通信技術與應用。

〔編輯：張思楠〕