浅谈室内红外语音通信系统中提升通信距离的方法

邵继虎，白晶

浅谈室内红外语音通信系统中提升通信距离的方法

邵继虎1，白晶2

（1.北京中创为南京量子通信技术有限公司，江苏 南京 211899；2.南京市致远初级中学，江苏 南京 210019）

随着无线通信技术的不断加速发展，各种无线终端产品越来越多种多样。当前几类室内无线通信技术中，红外无线通信因其频段无需申请、物理实际阻隔的高保密性，在实际应用中具有较为广泛的应用。概述了红外无线通信系统的大致发展现状，并首次从无线通信角度系统地分析和阐述了在单接收单发送状态下提高室内红外语音通信系统的通信距离主要方法，并举例说明了实际工程应用时器件选型时的区别，最后对更多无线通信技术应用于红外语音扩音系统的前景进行了展望。

无线通信；室内通信；红外语音通信；通信距离

近年来，无线通信技术得到了前所未有的发展，5G通信技术已经逐渐进入商业推广阶段。以中国的华为科技公司为代表的先进科技企业，在5G的技术研发与应用中起到了极其重要的作用。5G技术意味着在无线通讯时，可以用更低的功耗，拥有更大的数据带宽和更高的数据通信速率。随着科技的发展，短距离无线通讯技术也在逐步地提高和发展。当前短距离无线技术[1]主要有Wi-Fi、BlueTooth、IrDA等，应用于IOT无线通讯技术目前的主流为LORA和NB-IOT，以及Sub 1 GHz的自组网。在短距离通信技术上，蔡型等人[2]对几种技术在原理、技术特点和应用方向上做了比较明确的阐述。红外无线通讯技术因其无需申请无线频段、通信实际物理分割的保密性和低系统成本的特性[3-4]，在无线通信系统中占有极其重要的地位。目前，红外通信主要的应用方向有红外数据通信、红外无线语音通信和红外遥控，相应的产品有红外打印机、红外语音扩音系统和电气（电视和空调等）遥控等，本文主要讨论的是红外语音无线通信。由于红外语音无线通信一般为室内视距传输，所以提高系统的通信距离可以使语音扩音系统在更大面积的房间中使用，这对红外语音通信系统来说具有极其重要的意义。

1 红外无线通信系统概述

1993年，IrDA协会成立后，进一步推动了红外无线技术的研发和推广，当前红外无线通信系统根据通信速率可以分为SIR、MIR、FIR和VFIR，通信速率最高约为16 Mbps[5]。红外无线通信系统所采用的通讯载波为红外光中近红外波段[6]，在民用领域一般使用到的近红外波长大致为800～ 1 500 nm，军事领域一般使用到的波长大致为1 200～ 2 000 nm。IrDA规范要求红外数据通信使用的红外波长在850～950 nm之间，目的是使不同厂商设备之间在遵循IrDA协议的情况下可以互相兼容。

红外无线通讯与无线电通信虽然采用的载波不同，但都遵循如图1所示的通信架构。

图1 无线通信系统架构

由图1可知，无线通信系统解决的本质问题就是信息的传递，如何将信源可靠快速地传递给受信者的问题，其次，就是要选择合适的稳定的信道，完成信息在信源和收信者之间的高保真传递，最后就是选择何种方式发送信息和收信者选择何种方式接收信息。

红外无线通信系统一般为单工通信，信息从发送端发出，而接收端被动接收信息，并依据双方协商好的数据调制解调方式，接收特定的数据。大致系统如图2所示。

图2 红外无线通信系统框图

以红外遥控的通信为例，编码方式一般为RC5方式和NEC方式，红外载波调制频率一般用38 kHz或者40 kHz。一般以台湾EVERLIGHT公司的IRM36XX系列接收头和北京凌志比高公司的BC7210A芯片作为接收端的解调方案，可以解决大部分遥控数据解调还原的问题。随着SOC的方案出现，小型化集成化逐步成为了趋势，在遥控器的接收端出现了接收头和MCU集成微型化的方案，并得到了大量的推广应用。红外语音通信方案上，目前并没有一致规范的通信标准，采用的调制解调方案比较繁杂，但根据信息的调制解调方式，一般可以分为模拟调制解调通信方案和数字调制解调方案，如日本松下的红外语音扩音系统WX—LT100采用的是模拟调制解调方案，深圳台电红外语音扩音系统和翻译系统采用的是数字红外调制解调方案；根据接收器和发送器的位置的不同，又大致可以分为直射式和反射式红外无线通信系统，在红外语音通信系统中，主要以反射式通信为主，而且是漫反射的方式。

红外无线通信方式如图3所示。

图3 红外无线通信方式

在漫反射系统中，对系统的性能要求极高。目前，在红外语音系统中，单发送单接收的情况下，基本可以实现在100 m2的房间内自由走动，但如果在更大面积的房间内实现通信，则存在一定的盲区。本文即是考虑在单发送单接收的情形下，研究提升系统的通信距离的主要方法。

在无线通信系统中，如果提高系统的端到端的通信距离，常规的方法有提高发送功率、增加其辐射强度、增加接收天线面积、提高接收设备的接收灵敏度、降低信道的噪声、变相提高信噪比等，这些方法同样适用于红外无线语音通信系统。红外语音通信系统与微波无线通信系统的主要区别在于载波的介质不同，空气对其衰减也不同，发送和接收的器件也不同，因而需要具体问题具体分析，但回归到本质，都是无线通信的相关问题的解决思路。

在红外语音通信系统中，本文将从以下5个角度，分析和阐述提高室内红外通信的主要方法：①选择合适波段的红外光作为通信的载波，可以实现最高的信噪比的同时，具有更低的设计制造成本；②选择合适的发光器件，可以实现更高效的红外传输，即在更低的功耗下，拥有更高的发射功率；③选择合适红外接收器件，可以实现更高的红外光探测灵敏度；④选择合适的辅助接收装置，在降低可见光对接收器的干扰的同时，增加光接收的能量，进一步提高红外通信距离；⑤选择合适的调制解调方式，实现最高信噪比传输的同时，进一步提升通信距离。

2 红外通信距离提高的主要方法

2.1 红外通信波长的选择

在红外语音通信系统中，一方面红外光在室内视距传输，对同一波长的红外光的大气损耗可以忽略不计；另一方面，由于红外波段的范围较窄，不同的红外光的损耗相差不大。因而在波长选择时，可以任意选择。目前，市场上常用的红外波段主要分为两种，一种为IrDA规定的使用波段，即850 nm和940 nm波段，另一种为光纤通信中常使用的1 270 nm和1 290 nm波段，少数使用1 550 nm波段。这两种波段的红外光通信，技术成熟度都非常高，但是在成本上光纤通信的相关光器件的成本要比红外遥控的光器件高几个量级。在室内无线通信系统中，常选择850 nm或者940 nm的红外光作为通信的载波。这两种红外波长的红外发射管在具体的产品上的异同点大致如下：①在前向导通压降上850 nm的红外发射管比940 nm高；②在相同电流的情况下，940 nm的红外发射管所消耗的电功率比850 nm相对要低；③工作状态下850 nm红外发射管会呈现爆红状态，而940 nm较弱，因而在要求隐蔽状态下使用时会选用940 nm波长的红外发射管；④在相同电功率的情况下850 nm的红外发射管的红外辐射强度强于940 nm的红外发射管，一般大2倍以上。

综上所述，在红外语音通信系统中，850 nm的红外波段更适合室内红外语音通信系统。

2.2 红外发射管的选择

在市场上，存在多种红外发射管，选择余地比较大，典型的厂商有美国的VISHAY和台湾的EVERLIGHT，国产的品牌有深圳欧威泰等。在选择红外发射管时，要清楚所应用的场景，依据一定的技术指标进行选择。以EVERLIGHT的HIR333C-A型红外发射管与欧威泰的503IRC-85L/14L型红外发射管为例，将在工作状态下比较关键的技术指标，列举如表1所示。

表1 光电发射管关键技术参数（数据均为器件规格书中的典型值）

HIR333C-A503IRC-85L/14L 波长/nm850850 透镜有有 发射角度/°1715 发光强度/（mW·sr﹣1）140230 光谱线宽/nm4545 前向工作电流/mA10070 最大工作电流/mA1 000100 前向导通压降/V1.451.4 最大耗散功率/mW150150

表1中，两款发射管都有透镜，透镜的作用主要为将光源汇聚在一起，控制光发射的角度，发射的角度越小，则所汇聚的光功率越大，因为欧威泰的发光角度比EVERLIGHT的小，因而其光束的光功率较大。光束发射角度小，能量比较集中就意味着在漫反射系统中，可以经过更多次的漫反射，从而提升了其被接收到的可能性，因而在应用中欧威泰的这款发射管的在语音通信系统中的接收距离相对较远。从这点来看，工程应用时应选用欧威泰的红外发射管。又从表1中可知，两款发射管的最大功率一致的情况下，其前向工作电压几乎一致，但EVERLIGHT的前向工作电流和最大工作电流要远高于欧威泰的发射管，这就说明的在相同发射功率下，EVERLIGHT的红外发射管的可靠性远高于欧威泰。就这两款发射管来说，综合发送性能和可靠性这两个方面，在工程应用时，比较推荐EVERLIGHT的红外发射管，因为其可靠性相对较高，虽然发光性能比欧威泰的低，可以通过提升发送功率进一步弥补这一缺陷。

在发光电路设计上，比较推荐采用单电源5 V的驱动方式，实现功率可调的同时保证所有的发射管均工作在可靠的范围内。如果发送信号是占空比为50%以上的波形，则建议改变占空比，将占空比调整到20%甚至更低来实现低功耗的传输，占空比可调的极小值与所选用的光电接收器件的带宽有关，发送的电路如图4所示。

图4 红外发送电路

图4中，在单电源5 V驱动下，通过开关信号使开关管Q1工作在开关状态，从而实现对LED1红外发射管的发射控制。如果实现了极限功率发送，则可以将Q1替换为NMOS场效应管，R1并0.1 μF电容，可以极大地提高红外语音通信系统的通信距离。

2.3 红外接收器件的选择

红外接收器件目前应用比较多的有PIN型硅光电二极管、APD型光电二极管以及新型的铟镓砷点元探测器。PIN型光电二极管应用最为广泛，成本也相对较低，电路结构相对比较简单，在红外语音通信系统中红外接收主要采用此类型作为接收器件；APD型光电二极管和铟镓砷点元探测器成本较高，APD型光电二极管单只的价格在几百元左右，而铟镓砷的点元探测器则在上千元，而且在工作状态下，需要向其提供高压反向偏置，同时要辅助制冷设备，整体电路设计上，结构复杂，成本较高。

光电接收器的主要技术参数有电流灵敏度、噪声等效功率、探测率、光谱灵敏度和响应时间等。以美国VISHAY公司的BPV22NF和VEMD5110X01与日本HAMAMATSU公司的S6801-01为例，列举关键的技术参数如表2所示。

如表2所示，三款PIN型光电接收管主要差异在于反向击穿电压、电容量、光电接收角度，以及光电接收面积上的差异。光电接收器的光电探测率是等效噪声的倒数，由于S6801-01没有列出器相应的等效噪声功率参数，因而对该参数不进行比较。透镜的作用主要在于汇聚光源，可以使更多的光线进入探测器，从而提高灵敏度，因而在实际工程应用中，BPV22NF的光电接收距离明显大于VEMD5110X01。为了获取更高的灵敏度，光电接收管常工作于电压反偏状态下，且光电接收管为了获取更高的相应带宽，通常采用提高反偏电压，使光电接收管的电容量相对较小。在其他参数几乎一致的情况下，从上述两个角度考虑光电接收管的选择，BPV22NF在性能上明显优异于VEMD5110X01。S6801-01与BPV22NF的主要区别在于暗电流值和光电接收面积，从表2中的数据可知在这两点上S6801-01要比BPV22NF至少高一个数量级，在实际应用的表现上，S6801-01的光电接收距离明显优异于BPV22NF的表现，所以在工程应用上选择S6801-01可以获得更好的通信距离。

表2 光敏接收管主要性能参数

BPV22NFVEMD5110X01S6801-01 透镜有无有 可见光阻断有有有 反向击穿电压/V602035 反偏暗电流/nA220.5 电容/pF707040 截止频率/MHz4415 反偏状态下亮电流/μA854880 接收角度/°606535 峰值灵敏度下的波长/nm940940960 噪声等效功率/（W·）4×10﹣144×10﹣14— 有效接收面积/mm2.5.550

注：表中的数据均为器件规格书中的典型值。

2.4 光电接收辅助装置

在电磁波频谱上，红外光是一种人眼观察不到的光线，但临近于可见光中的红光，因而从光学的角度考虑，如果能够使更多的光线投射到光电接收器上，且降低临近光线，以及其他电磁波的干扰，则可以大大提高红外语音通信系统的通信距离。目前比较常用的方法主要有增加可见光阻断、增加光接收透镜和电磁屏蔽等。

可见光的阻断目前在工程实际应用时，主要体现在2个地方：①光电接收器本身是否对可见光进行阻断；②在光电接收器的结构设计上使用特殊红外材料制成可见光阻断窗，目前该技术应用较为成熟，可以直接向厂家定制。

透镜的主要作用就是汇聚光线，按照光线的收集方式，可以分为透射式、反射式和复合式三种光学系统[7]，复合式则是由透镜和反射镜组合而成，如图5所示。透射式光学系统包括单透镜和组合透镜式，S6801-01以及BPV22NF即采用的单透镜方式。

图5 红外光学系统

光线的汇聚能力越强，则光电接收器的接收角度越小，因而则实际工程应用时可以采用瞬时扫描的方式和多光电接收器的方式，扩展红外通信的信号接收角度。在室内红外语音通信系统中，常采用多光电接收器的方式实现，如表2所列表的技术参数，由于S6801-01的接收半角为35°，因而在实际应用中需要在接收器上安置至少6个接收器才能实现无死角信号接收，而BPV22NF只需要3个左右即可，同时S6801-01的成本是BPV22NF的5倍左右，因而在实际应用时需要在成本和性能的角度综合考虑器件的选择。

在光接收电路上，由于接收到的信号为微弱小信号，极其容易受到外界电磁干扰，因而需要在电路设计的同时，考虑电磁屏蔽。由于使用屏蔽罩时，光电接收管也在屏蔽罩内，因而需要将屏蔽罩开窗，开窗大小建议采用多孔开窗方式，开窗的大小需要依据接收波长进行计算，如图6所示。

图6 实际工程中使用的屏蔽罩

在接收电路使用电磁屏蔽后，可极大改善接收性能，进一步延长红外通信距离。

2.5 红外通信系统的调制解调方式

红外无线通信系统中，不同的应用场合，所使用的调制解调方式均有不同。在红外数据通信上，常用的调制解调方式有PAM、PPM等，当前已经有一定数量的设备配置了红外无线通信接口，如PDA、数码相机和打印机等；而在红外语音通信上，常用的调制解调方式有模拟AM和FM调制，数字调制解调方式有FSK、QPSK和BPSK等[8]。日本的松下红外语音扩音设备采用的是发送端采用模拟FM调制，接收端使用超外差式解调，国内的厂商深圳台电科技在红外无线通信的应用上，已经研发出数字红外调制解调方案，至于具体采用了何种数字调制解调方式，出于商业保密的角度，无法得知。从技术发展的角度来说，数字红外无线通信必然是将来发展的方向。无论采用何种调制解调方式，目的都是为了更可靠地将信息从发送端发送到接收端，而调制解调方式的选择直接影响到红外无线通信的距离。

3 结论

本文从无线通信的角度出发，思考和讨论了在室内红外语音通信系统中提升红外无线通信距离的主要方法，并对每种方法在工程实践中的应用做了较为明确的阐述。相信随着科学技术的发展，室内红外通信距离将越来越远，可适用的场合将越来越多，红外通信产品必将也越来越多，应用也将越来越广泛。但无论何种红外通信设备，都应该考虑红外发射强度应符合IEC825-1或EN60825-1标准规定的发射强度，IrDA规定最大的发射强度为500 mW/sr，否则会对人的眼睛和皮肤产生一定的危害。

［1］褚淑杰.红外技术在无线局域网中的应用研究［D］.武汉：武汉理工大学，2005.

［2］蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述［J］.现代电子技术，2004（3）：65-67.

［3］郑志聪.浅谈红外通讯技术［J］.信息科技，2008（9）：114-120.

［4］严后选，张天宏，孙健国.近距离红外无线数据通信技术研究［J］.应用基础与工程科学学报，2004（12）：407-413.

［5］周锦荣，张恒.基于红外载波的近距离无线通信技术应用研究［J］.红外，2008（9）：37-42.

［6］邸兴.嵌入式红外通信系统及其应用研究［D］.西安：西北大学，2006.

［7］王海晏.红外辐射及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2014.

［8］段佳勇.室内无线光通信中波束选择［D］.秦皇岛：燕山大学，2005.

TN929.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.010

2095－6835（2020）22－0027－04

邵继虎（1986—），男，江苏南京人，硕士，中级工程师，研究方向为无线通信技术与应用。

〔编辑：张思楠〕