ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ. ПРОТОКОЛЫ ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

THE TITLE OF SCIENTIFIC PAPER

Alexander Chernov

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Egor Chernykh

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Enver Artykov

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Аннотация. Широкое применение ИК излучения в науке и технике началось в последние десятилетия, за эти годы методы и аппаратура ИК техники стали широко использоваться в различных областях науки, технике и народном хозяйстве. Применение началось во второй половине XX века после создания эффективных ИК приёмников в области 1,5 -10 мкм, что значительно расширило возможности использования этой части спектра.

Abstract. The widespread use of IR radiation in science and technology has begun in recent decades, and over the years, the methods and equipment of IR technology have become widely used in various fields of science, technology, and the national economy. The application began in the second half of the 20th century after the creation of effective IR receivers in the range of 1.5 -10 microns, which significantly expanded the possibilities of using this part of the spectrum.

Ключевые слова: Инфракрасная связь, ИК излучение, ИК приемник, ИК передатчик.

Keywords: Infrared communication, IR radiation, IR receiver, IR transmitter.

Большая часть беспроводных сетей, развертываемых в России и за рубежом,

использует радиоволны, а решения, основанные на оптических технологиях, пока

остаются на втором плане. Между тем развитие последних стимулируется как

достижениями в проектировании и производстве твердотельных лазеров, так и

возрастающими потребностями пользователей в защищенных высокоскоростных каналах связи. Системы, функционирующие в инфракрасном диапазоне, имеют

целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками:

Во-первых, как ранее отмечалось, за счет перехода в оптическую область длин волн такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают помех в радиочастотном-спектре и сами не чувствительны к подобным помехам. Для их эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного радиочастотного ресурса.

Во-вторых, как прежде отмечалось, инфракрасные каналы связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации.

В-третьих, сами по себе беспроводные оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на скорость транспортировки данных.

В-четверых является малое время их развертывания, среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 часов. Отсутствие привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного

использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом месте.

В-пятых, высокая ремонтопригодность данного оборудования. Оно спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую длину волны из диапазона 860—920 нм и не требует модернизации приемника

Инфракрасная связь предусматривает наличие передатчика и приемника. 

Инфракрасная система связи состоит из: интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптической системы передатчика, оптической системы приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника.

В качестве излучателя обычно используются полупроводниковые (ПП) ИК светодиоды, а в качестве приёмника — ИК фотодиоды и фототранзисторы. Главное преимущество ПП диодов – высокое время наработки на отказ. Величина в 400,000 часов при мощности в 400 мВт здесь не редкость. Кроме того, каналы, использующие п/п диоды менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм). Форма сечения луча от п/п диодов практически круглая. Но здесь все преимущества п/п диодов заканчиваются. Т.е. начинаются недостатки. Инерционность п/п диодов при высоких мощностях излучения не позволяет достичь высоких скоростей передачи. Из-за широкой полосы излучения существуют сложности в передаче высокоскоростного сигнала – разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой и на больших дистанциях и очень высоких скоростях сигнал на выходе приемника распознать уже крайне сложно. Т.е. передатчик должен передавать как можно более узкополосный, однако он может попасть на полосу резонансного поглощения какого-нибудь газа в атмосфере, и тогда все плюсы такого метода обернутся явными минусами.

Протоколы инфракрасной системы связи.

Семейство протоколов ИК передачи данных Infrared Data Assotiation.

InfraRed Data Association(IrDA) — ИК-порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи. Является разновидностью оптической линии связи ближнего радиуса действия.

Протокол IrDA позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения в диапазоне с длинной волны λ =  850–900 нм. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точка-точка. Интерфейс имеет малую мощность потребления.

Реализация и структура протокола:

Аппаратная реализация представляет собой пару из излучателя, в виде ИК светодиода, и приёмника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика, и приёмника на каждой из сторон является необходимым для использования протоколов двусторонней передачи данных.

Рисунок 1. Общий вид схемы организации IrDA-канала

В ряде случаев одна из сторон может быть оснащена только передатчиком, а другая только приёмником. Иногда устройства оснащают несколькими приёмникам для одновременной связи с несколькими устройствами.

Канал передачи данных состоит из двух основных элементов: микросхемы, обеспечивающей модуляцию и демодуляцию поступающего двоичного сигнала согласно определенного алгоритма, и ИК приемно-передающего модуля.

Семейство протоколов IrDA:

IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) — обязательный протокол самого низкого уровня среди спецификаций IrDA. Соответствует физическому уровню сетевой модели OSI.

Скорости передачи данных делятся на несколько поддиапазонов — SIR, MIR, FIR, VFIR, UFIR каждый из которых характеризуется не только разными скоростями, но и использованием различных кодовых схем.

SIR — Serial Infrared использует скорости ПД равные 115,2 кбит/с. Скорости выбраны специально для простоты реализации COM- IrDA адаптеров.    

Как правило наименьшая доступная скорость для устройств составляет именно 9,6 кбит/с. Именно она используется для передачи сигналов поиска, оповещения и сопряжения.

MIR — Medium Infrared — поддерживает скорости ПД 0,576 и 1,152 Мбит/с.

MIR не является официальным термином IrDA, однако то, что схема кодирования, используемая для этих скоростей, отлична как от SIR так и от FIR, делает этот термин довольно удобным и распространённым.

FIR — Fast Infrared — устаревший термин спецификации IrDA, ранее использовавшийся для обозначения устройств, поддерживающих скорость передачи данных от 9600 бит/с до 4 Мбит/с, что включает в себя и SIR и MIR. В наше время, как правило, термин FIR используется для обозначения скорости 4 Мбит/с. Некоторые источники используют термин FIR для обозначения всех скоростей, превышающих SIR.

VFIR — Very Fast Infrared — термин, использующийся для обозначения поддержки скоростей передачи вплоть до 16 Мбит/с. На данный момент, 16 Мбит/с — это самая высокая скорость передачи данных по IrDA, поддерживаемая серийными устройствами.

UFIR — Ultra Fast Infrared — в состоянии разработки, теоретически поддержка скорости вплоть до 100 Мбит/с.