Přenos s použitím infračerveného záření se používá u stále většího počtu různých aplikací. Z toho důvodu vznikly určité standardy International Electrotechnical Commission, IEC, které popisují metody měření a specifikace společných technických parametrů systémů používajících difúzní, či přímé infračervené záření jako nosič informace. 

Hlavní normou pro IR přenos je

IEC 61603-1 : Přenos audio a / nebo video a podobných signálů použitím infračerveného záření.
IEC 1147 (dodatek IEC 61603) : Použití infračerveného přenosu a prevence, nebo kontrola interference mezi systémy.

Tato norma byla přijata v roce 1992 a nahrazuje starou normu IEC 764, publikovanou v roce 1983. IEC 61603-1 sestává ze 6 částí:

1. Obecná část, předmět normy
2. Přenosové systémy pro audio pásmo a podobné signály
3. Přenosové systémy pro audio signály pro konference a podobné aplikace
4. Přenosové systémy pro nízkorychlostní dálková ovládání
5. Přenosové systémy pro vysokorychlostní datové přenosy a dálková ovládání
6. Přenosové systémy pro video a audiovizuální signály vysoké kvality

Druhy modulace IR záření

Základním požadavkem na kódování přenášených dat je zajištění dostatečné bezpečnosti přenosu. Data mohou být vysílána mnoha způsoby kódování nosného optického záření. V současné se používá výhradně digitální přenos, délka přenášených rámců se liší v závislosti na použité aplikaci. Některé způsoby modulace byly přijaty jako standart. Existují čtyři nejčastěji používané reprezentace bitů přenášeného rámce:

Pulsní modulace

Pulsní modulace je jedním z nejjednodušších způsobů kódování dat přenášených infračerveným zářením. Principem této modulace je rozdělení signálu na stejně velká tzv. časová okna. V tomto okně se buď vyskytne, nebo nevyskytne impuls konstantní délky, zpravidla podstatně menší, než je délka časového okna. Výskyt tohoto impulsu v okně je považován za logickou nulu, jeho absence pak za logickou jedničku. Hodinové impulsy na přijímací straně se synchronizují s hranou přijímaného signálu. Při přenosu většího bloku jedničkových bitů, kdy nejsou vysílány žádné impulsy, by mohl přijímač vypadnout ze synchronismu. Proto se zde používá tzv. bit-stuffing, kdy po určitém počtu jedničkových bitů je vyslán navíc jeden nulový. Tento bit je pak třeba na přijímací straně opět odstranit. 

FSK modulace 

FSK (frequency shift keying) se používá jako velice bezpečná metoda přenosu. Princip spočívá v modulování bitů pomocí dvou frekvencí, jak je znázorněno na obr.3. Nevýhodou je vyšší cena zařízení, vyšší energetická náročnost a pomalejší datový přenos. Z těchto důvodů se FSK modulace používá pouze výjimečně v systémech s požadavky na vysokou bezpečnost přenosu. 

Bi - phase modulace

Princip bi-phase modulace je znázorněn na obr.5 a spočívá opět v rozdělení signálu na tzv. časová okna. Tato časová okna mají stejnou velikost a pro detekci daného bitu se bere změna úrovně signálu uvnitř tohoto okna. Pokud je změna kladná, tj. z log.0 na log.1, je bit vyhodnocen jako 1, v opačném případě jako 0. Tento typ modulace  se používá poměrně často, jako příklad je možné uvést RC-5 kód, používaný v dálkových ovládání spotřební elektroniky evropské produkce.
 

 

Bi-phase modulace

Pulsně šířková modulace 

 
Principem pulsně šířkové modulace je opět rozdělení signálu do tzv. časových oken, tentokrát však ne stejně dlouhých (viz obr.6). Jednotlivá časová okna jsou synchronizována náběžnou hranou signálu a detekce bitu se provádí podle délky okna. Kratšímu oknu odpovídá bit 0, delšímu pak bit  1.
 

Pulsně šířková modulace

Shrnutí jednotlivých Modulací

Všechny druhy modulace, s výjimkou modulace FSK, je možno provozovat ve dvou módech. První možností je modulace kódovaného signálu na nosnou frekvenci, druhou pak pulsní přenos. V praktických aplikacích se modulace na nosnou frekvenci používá u bi-phase kódování, pulsní přenos, často také nazývaný „flash“ mód, je častější u pulsně šířkové modulace.

Přenosové protokoly

Protokol RC-5 

Přenosový standard RC-5 byl vyvinut pro dálkové ovladače spotřební elektroniky a tomu odpovídá i struktura rámce s netypickou délkou dat 6 bitů. Je zde použito bi-phase kódování s modulací na nosný kmitočet  f0= 36 kHz. Každý bit obsahuje burst 32 impulsů o již zmíněné frekvenci. Přenos rámce začíná dvěma start bity následovanými toggle bitem. Toggle bit mění svou hodnotu s každým rámcem, je tedy takto možné identifikovat nedoručení předchozího rámce. Informační blok rámce sestává z 5 adresových bitů, určujících konkrétní ovládané zařízení a z 6 datových bitů, představujících vlastní příkaz. Vlastní rámec je vysílán tak dlouho, dokud je stisknuté příslušné tlačítko na ovladači. Struktura RC-5 protokolu s příkladem datového rámce je uvedena na obrázku.
 
 

RC-5 protokol s příkladem datového rámce

NEC protokol

 
Přenosový protokol NEC je určen, stejně jako předchozí, pro dálkové ovladače. Pro přenos je opět použita modulace signálu na nosnou frekvenci 36 kHz, data jsou však kódována pulsně-šířkovou modulací. Zvláštností tohoto protokolu je konstantní délka datového rámce ve spojení s pulsně-šířkovou modulací, což je dáno tím, že data jsou vysílána dvakrát, jednou normálně a podruhé v  invertované podobě. Tato redundance kódu slouží k zabezpečení přenosu proti chybám. 
Rámec NEC protokolu začíná tzv. zaváděcím kódem, tj. burstem délky 9 ms následovaným pauzou 4.5 ms. Zaváděcí kód je odpovědný za nastavení citlivosti přijímacího modulu. Dále následují 4 byte, představující adresu zařízení a konkrétní příkaz, vyslané s výše uvedenou redundancí. Pokud je daný rámec vysílán vícekrát, to znamená, že tlačítko na ovladači je stisknuto delší dobu, je po prvním rámci vysílán jen zaváděcí kód následovaný jedním bitem.
 
 

NEC protokol s příkladem datového rámce

IrDA protokol

Infračervené záření se používá již poměrně dlouhou dobu jako přenosové medium pro dálkové ovladače, počítače a tiskárny. Donedávna však neexistoval žádný standard, popisující jak fyzickou, tak i vyšší vrstvy přenosu. Potřebný standard, nazvaný IrDA, byl představen až v roce 1993 firmami HP, IBM a Sharp. Hlavními výhodami IrDA jsou snadný přenos mezi různými aplikacemi i různým hardware, jednoduchá a poměrně levná implementace, nízký příkon umožňující použití v mobilních zařízeních a efektivní a spolehlivý datový přenos.
IrDA standart pro přenos dat infrazářením se úspěšně vyvinul od IrDA-1.0 s přenosovou rychlostí 115,2kbps po IrDA-1.1 s přenosem až 4Mbps během posledních dvou let. V současné době existuje na trhu velké množství součástek, adaptérů, software a mobilních systémů pro standard IrDA-1.0 a také již, i když zatím v menším výběru, pro standard IrDA-1.1.
Pro popis struktury komunikačního systému se často používá OSI model [4] ( Open Systems Interconnection ), přijatý mezinárodním normalizačním úřadem ISO, rozdělující komunikační systém do sedmi tzv. vrstev, z nichž každá se stará pouze o určitou část komunikace. Jednotlivé vrstvy na sebe hierarchicky navazují, to znamená, že vyšší vrstva využívá služeb vrstvy nižší. V praxi se však nepoužívá všech sedm vrstev a jejich počet je redukován. Model IrDA komunikačního systému vychází ze třech základních vrstev: fyzické, IrLAP a IrLMP. 

Fyzická vrstva IrDA

Specifikace fyzické vrstvy IrDA stanovuje standard pro IR vysílač, modulaci, metody kódování / dekódování, stejně jako další fyzické parametry. IrDA používá pro přenos infračervené záření s vlnovou délkou 0,85 - 0,9?m. Minimální hodnota intenzity záření vysílače je 40mW/sr, maximální 500mW/sr při vysílacím úhlu 30?. Citlivost přijímače se musí pohybovat v rozmezí 4?W/cm2 až 500mW/cm2 opět v úhlu 30?. Při přenosové vzdálenosti do 1m je zaručena chybovost přenosu menší než 10-8bitu. Existují tři rozdílné metody kódování signálu. První z nich je základní pro IrDA-1.0 i pro IrDA-1.1, druhé dvě jsou volitelné a použitelné pouze pro standard IrDA-1.1.  Pro přenosové rychlosti 9.6, 19.2, 38.4, 57.6 a 115.2kbps je ke každému byte přidán start a stop bit. Jedná se o stejný formát, který je používán v klasickém UART. Logická nula je kódována jako puls délky 1.6?s až 3/16 délky bitu, logická jednička jako absence tohoto pulsu. Pro detekci chyb je použit 16-ti bitový CRC. Při přenosových rychlostech 0.576 a 1.152Mbps se nepřidává žádný start a stop bit a data jsou přenášena v synchronním formátu podobném HDLC. Aby byla zajištěna synchronizace hodinových impulsů při přenosu většího bloku logických jedniček, používá se bit stuffing, to znamená vložení nulového bitu vždy po sekvenci určitého počtu jedničkových bitů. Pro přenosovou rychlost 4Mbps se používá modulace 4-PPM. Není zde opět zapotřebí start a stop bitu a ani bit stuffing. Pro kontrolu chyb je použit 32-bitový CRC.

IrLAP vrstva

Vrstva IrLAP (Link Access Protocol) zajišťuje ovládání přístupu k přenosovému mediu a obsahuje různé procedury pro navázání spojení, nastavení parametrů přenosu, výměnu informací apod. Řízení přístupu k mediu pro stanice neúčastnící se spojení probíhá tak, že stanice, předtím, než začne vysílat, musí sledovat přenosový kanál po dobu minimálně 500ms, aby bylo jisté, že zde neprobíhá jiná komunikace. Stanice, která se spojení účastní naopak musí být schopna v průběhu 500ms vyslat data. Přístup stanic účastnících se spojení je řízen Poll/Final bitem v každém rámci. Hlavním úkolem procedury, zajišťující navázání spojení mezi stanicemi, je výměna identifikačních čísel ID obou stanic. Iniciátor spojení vyšle několikrát opakovaně broadcast, obsahující jeho vlastní ID. Mezi těmito broadcasty stanice sleduje přenosový kanál. Stanice, reagující na tento broadcast, vyšlou zpět své vlastní ID. Pokud se vyskytne kolize, je možné proceduru opakovat. Procedura pro nastavení parametrů slouží ke zjištění a nastavení parametrů komunikace, kterým mohou vyhovět obě strany přenosu. Některé z těchto parametrů, jako například přenosová rychlost, musí být identické pro obě strany přenosu. Další parametry, například maximální délka dat, jsou limitující faktory pro jednu stranu a strana druhá je musí respektovat. Předtím, než jsou známy tyto parametry, probíhá komunikace rychlostí 9.6kbps, asynchronně, s maximální délkou dat 64 byte. Poté, co je uskutečněno spojení, je možno přenosovou rychlost zvýšit až na 115.2kbps (IrDA-1.0), nebo 4Mbps (IrDA-1.1) a maximální délku dat nastavit až na 2048 byte. Spojení mezi stanicemi může být typu „one-to-one“, nebo „one-to-many“. Jedna ze stanic vždy hraje roli stanice primární, ostatní stanice jsou pak sekundárními. Primární stanice má za úkol, kromě správné funkce spojení, i znovuobnovení spojení při kolizi v průběhu 500 ms.

IrLMP vrstva

Vrstva IrLMP (Link Management Protocol) je nejvyšší vrstva IrDA protokolu a skládá se ze dvou částí. První, nazvaná LM-IAS, se stará o údržbu informační báze, ze které mohou ostatní IrDA stanice zjistit, jaká služba je nabízena. Tato informace je reprezentována určitým počtem objektů asociovaných se skupinou atributů. Druhá část IrLMP vrstvy, nazvaná LM-MUX, umožňuje vícenásobné spojení nad jednoduchým spojením, zprostředkovaným vrstvou IrLAP.

Pokračování v praktické konstrukci příště... (to be continued..)