Vysílač, přijímač

K přenosu informace infračerveným přenosovým kanálem je zapotřebí vysílač a přijímač infračerveného záření převádějící elektrický signál  na optické záření a naopak. Pro infračervený přenos se dosud používala výhradně oblast blízkého infračerveného záření s vlnovou délkou v rozmezí 840 - 960nm. V současné době se však již objevuje nový standart, pokrývající pásmo 700 - 1600nm. 

Kritickými místy IR přenosového systému jsou právě vysílací a přijímací blok. Záření je vysíláno v určitém úhlu a vyzářený výkon na jednotku plochy se vzdáleností poměrně rychle klesá. Z toho vyplývají požadavky kladené na vysílací a přijímací diodu. Pro zajištění bezpečného přenosu na větší vzdálenost by vysílací dioda měla mít co největší výkon, tj. intenzita záření Ie by měla být co největší. Tento požadavek však naráží jednak na omezení maximálního proudu protékajícího infra-diodou a jednak na skutečnost, že velká část IR vysílačů jsou mobilní jednotky napájené z baterií, či akumulátorů s poměrně malou kapacitou. Na přijímací straně je zapotřebí, aby přijímací dioda měla co největší citlivost na záření v přijímaném pásmu. Toho je možné dosáhnout dvěma způsoby. Prvním je zvětšení aktivní plochy přijímací infra-diody, druhým selekce přijímaného pásma před vstupem na přijímací diodu, čímž se omezí vliv ostatních zdrojů mimo přijímané pásmo. První způsob naráží na technologická a ekonomická omezení, kompromisem jsou dnes často používané čipy s aktivní plochou  S= 8 mm². Druhý způsob se praktikuje zalitím přijímací diody do vhodně tvarovaného pouzdra ze speciální pryskyřice, které slouží jako optický filtr. V praxi se používá kombinace obou způsobů. 

Interference
Přenos dat ve volném prostoru klade vysoké požadavky na odolnost přijímače proti rušení. Přijímač, který čeká na přijímaný signál, je zaplavován nejrůznějšími rušeními optického a elektromagnetického charakteru, přítomnými buď v daném prostředí, nebo generovanými vlastním elektronickým zařízením. Všechny optické zdroje v pásmu přijímaném detektorem (830 - 1100nm) můžeme považovat za zdroje rušení. Možným zdrojem elektromagnetického rušení jsou všechny modulované výkonové signály v okolí pracovní frekvence přijímače. Toto rušení se vyskytuje zvláště v okolí vysílačů, frekvenčních generátorů, vychylovacích cívek televizních přijímačů, zářivkových svítidel a podobně.
 

Optické zdroje rušení
Přijímací infračervené diody registrují poměrně široké pásmo pokrývající i oblast viditelného spektra. V takovém případě by ovšem byl infračervený přenos značně obtížný a silně závislý na okolním osvětlení. Z toho důvodu jsou infračervené přijímače v naprosté většině případů vybaveny speciálním filtrem na určité vlnové délce a mají tedy v oblasti viditelného spektra velmi malou citlivost. Přijímací diodou  může být detekováno pouze záření s vlnovou délkou větší, než odpovídá danému filtru. Konkrétně,  použitý přijímač firmy TEMIC je opatřen filtrem na vlnové délce 830nm. 

Přijímací dioda v takovém případě přijímá omezené spektrum z pásma vyslaného „bílým“ světelným zdrojem. Pro posouzení záření ve viditelném spektru se většinou používá veličina množství osvětlení (jednotkou je Lux = Lumen/m2) namísto veličiny množství záření (jednotkou je Watt/m2).

Velikost osvětlení vyjádřená v jednotkách Lux je ale naprosto nevhodná pro popis infračerveného záření, protože část záření s vlnovou délkou delší než 780nm, což je hranice oblasti viditelného spektra, není brána v úvahu.
 

Ostatní zdroje rušení

Spektrální složení záření jednotlivých zdrojů infračerveného záření je velice rozdílné a závisí na mechanismu vzniku záření. Spektrum vyzařování klasického světelno-tepelného zdroje, jakým je například žárovka, je velice široké a je ho možné velice přesně popsat pomocí Planckova rozdělení. 

Na emisní spektrum Slunce se můžeme dívat jako na tepelný zdroj s ekvivalentní teplotou T = 5900 K, který je ovlivněn spektrální absorpcí atmosféry.

Spektrum záření, které je emitováno zářivkovými tělesy, je poněkud komplikovanější. V oblasti infračerveného záření je emitováno pouze malé množství záření. Spektrum vyzařování je kombinací poměrně širokého spektra luminescentu, spektrálních čar rtuti a čar vyzařovaných plynem v trubici. Pro odhad rušivého působení těchto zdrojů musíme vzít v úvahu rozdílné časové konstanty (řádově milisekundy) aktivovaných luminescentních materiálů, zatímco přímé vyzařování je modulováno procházejícím proudem se všemi jeho harmonickými. Proto jednu část vyzařovaného spektra můžeme považovat za nízkofrekvenční zdroj, zatímco na druhou část se můžeme dívat jako na širokopásmový zdroj rušení s obsahem vysokofrekvenčních složek.

V infračervených datových přenosových systémech se používají výhradně křemíkové fotodiody s buď integrovaným, nebo externím filtrem. Spektrální citlivost takovýchto diod v přijímaném pásmu, většinou na vlnové délce 950nm, je téměř 100% záření dopadajícího na filtr diody. Kratší vlnové délky začíná filtr silně omezovat asi na 820 - 900nm podle vlnové délky použitého vysílacího zdroje. Omezení pro záření s větší vlnovou délkou, než je přijímané spektrum a snížení citlivosti diody pro větší vlnové délky je dáno spektrální absorpcí křemíku a tloušťkou aktivní vrstvy. Pro takovýto model detektoru je možné numericky vypočítat citlivost na různé zdroje záření. 

V grafu jsou zobrazena spektra tepelných zdrojů s ekvivalentní teplotou T = 5900K a T = 2856K , z nichž první odpovídá slunečnímu záření a druhý záření emitovanému běžnou žárovkou. V grafu jsou rovněž zobrazeny spektrální citlivosti dvou přijímačů. Prvním z těchto přijímačů je křemíková PIN dioda  BPV 23NF firmy TEMIC a druhým je klasický přírodní detektor - lidské oko. Z grafu je vidět, že záření zdroje ekvivalentního ke slunečnímu záření obsahuje mnohem méně záření v pásmu citlivosti infračerveného přijímače než záření zdroje ekvivalentního k běžné žárovce. 

Z výše uvedených údajů je možné numericky vypočítat proud generovaný přijímací fotodiodou. Tabulka převzatá z dokumentace firmy TEMIC ukazuje hodnoty záření a osvětlení nutné pro vznik proudu  Ira = 100 uA ve fotodiodě BPV 23NF s plochou čipu  S = 8mm². 
 

Hodnoty zářivosti by pochopitelně bylo možné přiřadit i zdroji 1 a 2, ale v tomto případě toto vyjádření není příliš vhodné, protože jím nelze popsat výsledný proud fotodiody.
 

Dosah přenosových systémů
Přenosová vzdálenost  infračervených přenosových systémů ve volném prostoru závisí na mnoha parametrech. Základními daty jsou vlastnosti vysílací a přijímací jednotky, přenosová vzdálenost je však také ovlivněna dalšími parametry, jako je  například intenzita okolního optického, či elektromagnetického rušení. 

Výpočet přenosové vzdálenosti  je v nejjednodušším případě možné provést podle vztahu: kde E_e je zářivý výkon, I_e intenzita záření zdroje a d přenosová vzdálenost

Se znalostí citlivosti přijímacího modulu a intenzity záření vysílače je možné určit maximální hodnotu přenosové vzdálenosti. Vypočtené hodnoty vzdálenosti se však od skutečně naměřených více, či méně liší díky výše uvedeným vlivům okolního prostředí. 
 

Na dalším obrázku je zobrazen graf závislosti maximální přenosové vzdálenosti na intenzitě záření vysílače pro konkrétně použitý infra-modul řady TFMS 5..0 firmy TEMIC. Jako rozhodovací úroveň zářivého výkonu přijímače je pro bezpečnou činnost zvolena hodnota 0,35mW/m².
 

Typické hodnoty intenzity záření vysílacích diod z produkce firmy TEMIC jsou uvedeny v tabulce :

Pokud tedy použijeme na vysílací straně například diodu TSIP 5201 buzenou pulsním proudem velikosti 1,5A , dostáváme intenzitu záření 650mW/sr. Z grafu na obr.2 pak získáme maximální teoretickou přenosovou vzdálenost asi 43m.

Při měření přenosové vzdálenosti v reálném prostředí se ukazuje, že pokles zářivého výkonu se vzdáleností není tak velký, což je způsobeno odrazy od země a těles, jako jsou například stěny budov a podobně. To znamená, že vypočítané hodnoty přenosové vzdálenosti jsou brány jako horší případ a ve skutečnosti se dosahuje podstatně větší vzdálenosti. 

S použitím aproximace je možné vypočítat potřebné hodnoty intenzity záření zdroje pro přenos v uzavřeném prostoru, například v místnosti. V takovém případě předpokládáme, že celý vnitřní povrch místnosti je pokryt zářením zdroje. Pro možnost přenosu v libovolném bodě místnosti je samozřejmě nutné, aby hodnota vyzářeného výkonu Ee na stěnách dosahovala alespoň minimální hodnoty pro daný přijímač. Pro příklad výpočtu si vezměme místnost čtvercového půdorysu o ploše 30m² a výšce 2,5m a výše uvedený přijímač TFMS 5..0.

Povrch tělesa: [m²]

Min. hodnota vyzářeného výkonu pro TFMS 5..0 :

Pak

Tato hodnota minimální intenzity záření zdroje platí pro bezpečný přenos z vysílače na přijímač přímou cestou, to znamená bez odrazů. Pokud vezmeme v úvahu odrazy záření od různých ploch, jako jsou například stěny  místnosti, je možný přenos i při nepřímé cestě vysílač-přijímač. Při výpočtech vycházíme v takovém případě z hodnoty odrazivosti dané plochy a dále z předpokladu, že na přenosové cestě dochází pouze k  jednomu odrazu. Hodnotu intenzity záření podle předchozího vztahu je třeba vydělit poměrnou hodnotou odrazivosti.