专利名称：红外线信道设备及其方法
技术领域：
本发明是关于光学通信的，尤其关于红外线通信。
本发明的目的是提供低电流消耗的无线通信手段实现信息传输，尤其是在以电池为电源的设备中。与交变电流相耦合，直接检测接收机被用来实现光学无线通信。这种接收机在低电流无线数据通信中很有吸引力，因为它们简单且便宜。然而，当无接收数据时在这种接收机的输出口出现的全漂移噪声(Swing noise)阻碍了它们的应用。
在使用串行数据格式的系统中，接收机可能将噪声译为错误字符。为了让大多数系统在噪声条件下正常工作，必须消除在接收机的输出口将噪声译为数据的危险。已有两种方法可达到这个目标。一个方法是使用硬件在噪声出现时在接收机输出口使用一个门“抑制”接收机的输出口。另一个方法使用一个软件协议使系统对噪声不敏感。
实现一个抑噪电路时遇到的一个困难是避免在选通接收机的输出口时接收机的灵敏度下降。通过给抑噪足够的间隙(如滞后)分辨数据和噪声，并为避免弱信号幅度时的“振荡”，接收机的灵敏度由于选择一个静噪发生的折中电平而下降。在低电流系统中这种对接收机灵敏度的损害是不能容许的，因为不同时消除数据的静噪所需的折中电平是不存在的。所遇的第二个问题是无线红外线通信中对复杂的静噪电路的适应性。为使静噪电路正常工作，必须对各种光源不敏感，这些光源是无线红外线系统中主要干扰源。设计一个耐用的抑噪电路以满足这些条件是困难的并造成费用和电流的大量增加，这就需要设计一种简单、廉价、低电流的接收机。
第二种阻止将噪声译为数据的方法是使用软件协议。这种方法不会损失接收机的灵敏度，也不需要增加费用和抑制噪声电路所需的电流。现有协议通过查找特殊的数据格式消除噪声的影响。若出现随机噪声，该协议能够识别这种噪声并针对它响应。然而已有的数据格式不适用于低能量电池工作的设备。红外线数据协会(IrDA)规定串行通信链路使用一种通用异步接收机/发射机(UART)设备。然而，IrDA规定要求附加电路产生同UART兼容的IrDA信号。而且，IrDA规定要求接收设备连续监视红外线通信网进来的数据。
图1表示一个包括一个无线电话机和一个寻呼机的系统的视图。
图2表示一个包括一个无线电话机和一个PDA的系统视图。
图3表示一个数据通信链路的电路示意框图。
图4表示一个数据包。
图5表示一个无线电话机的电路示意图。
图6表示发射机处理器的工作流程图。
图7表示接收机处理器的工作流程图。
图8表示一个模拟数据包。
图9表示模拟数据包的频谱。
图10表示从一个实际数据包来的经验数据的频谱。
该公开协议根据串行数据格式，有一个起始位，一个结束位，8位数据。协议提供了设备间的异步通信，这样省去了时钟恢复，进一步简化了接收机结构并降低了电流。该协议设计为在预定时间周期内唤醒并寻找有效位。如果有效位在预定时间间隔内未检测到，接收机关闭直到下一次唤醒期间。该发明不需要附加电路来生成格式，因为包括了可靠数据的数据包使用通用处理器电路产生，该电路除用于红外线数据传输外还可提供别的用途。另外该发明提供一个空闲期间，这里称为“休眠状态”，在其间接收设备不响应由红外线数据链路检测到的数据。相应的IR数据信道的平均接收机电流显著减少以节省处理资源和电流消耗。
本发明可在任何设备中使用，尤其是对电池供电便携设备如收音机、寻呼机、无线电话机、蜂窝电话、个人数字助手(PDA)、膝上型计算机等更有优势。相应的，这里“设备”指所有这类设备和与之等效的设备。
如图1所示为一个有效使用了本发明的系统100。系统100包括一个无线电话机102和一个寻呼机104。无线电话机102配置了一个红外线接收机(图1中未特别画出)，寻呼机104包括一个红外线发射机(图1中未画出)，形成一个红外线数据链路106用以从寻呼机104传输红外线射线到无线电话机102。例如，寻呼机104在一个记录中接收到一个电话号码，可通过IR数据链路106传输给无线电话机102以便接下来在呼叫该号码时使用者无需手工拔号。
另一系统200(图2)包括无线电话机102和一个PDA202。该系统有两个IR数据链路。IR数据链路204可使数据从蜂窝无线电话机102传给PDA202。PDA202可用该信息更新其中的电话号码数据库或在PDA202的显示器208上显示无线电话机102接收的电子邮件(E-mail)信息。IR数据链路206用来将PDA202的信息发射给蜂窝无线电话机102。其信息可包括由PDA202产生的通过无线电话机102峰窝传输的电子邮件或使用PDA202的大键盘输入阿拉伯数字信息提供给无线电话机102使用。
适用于IR数据链路106(图1所示)、204(图2所示)和206的一个IR数据链路300(图3)包括一个IR发射机电路302(图3)和一个IR接收机电路304。发射机电路302中的一个发射机处理器306将数据打入一个定格式数据包，随后将它传送给发射机放大器308。发射机放大器308放大信号并传送放大的定格式数据包给一个红外线发光二极管(LED)或光源310发射。定格式数据包被作为红外线从光源310发射。
IR接收机电路304包括一个光电二极管检测器312检测IR射线和背景噪声，如从荧光光源发出的射线。滤波器313同光电二极管检测器相连以滤除噪声，最好有一个高通滤波器滤除所有低于一定频率如1800Hz的信号，一个接收放大器314连在滤波器上放大滤波器313输出的信号。放大、滤波后的数据是二进制数据流，输入到接收机处理器316。接收机处理器对接收数据采样、分析并解码。
由发射机处理器306产生的定格式数据包400(图4)包括四段。一个重复的引导信号包括一个短的引导信号比特序列，该序列重复足够多次以覆盖至少0.25秒的时间段。引导信号最好由一个10位“0000011111”序列组成，在用以同步接收设备的同步段前发送，同步段通知数据区开始。
引导信号的比特数是接收机希望休眠时间的一个函数。休眠时间的一个表达式如下tsleep＝10(n-2)/Baud其中n是比特数(n＞＝2)Baud是每秒的比特速率，单位为bpstsleep是希望休眠时间周期，单位为秒。
本过程中“n”设为500。休眠期间设为498个帧周期的时间。这样可使供给IR接收机的电源(由接收机处理器控制)在休眠期失效以便节约电能，或使处理器在“休眠”时间内执行别的功能。用这种方式，IR接收机无需再用一个独立的处理器，这对如无线电话机102和寻呼机104等体积相对小并且电池容量有限的设备尤其有利。
接着引导信号的是同步信号段。同步信号段最好包括一个接在引导信号后发送的8比特序列“01101010”，一个起始位和一个终止位。在给8比特同步信号加上起始/终止位后，同步信号段的帧变为“0011010101”。带有同步信号段的数据长度段确定数据长度段后的数据区的结束位置。
这种数据区包含将被传送信息的数据字，在这种编码方法中，数据区被传输的8比特数据字节被扩展，编码成为两个10比特分区以产生一个20比特的字。每个分区包括一个起始位，四个数据位及其补和一个终止位。如图4所示为一个数据包，每个数据字包括两个数据分区。每个数据分区包括一个开头位和一个结尾位。开头位和结尾位最好有相反的值(图中的码字为0和1)。字的位编码为一个数据对，包括该位及紧接其旁的该位的补(即，每位的实际状态在其反状态后(如，第0位D0是接着第0位的反))。连续的比特对是交错的，这样连续位不会出现在同一分区(如，第0位及其补在一个分区，第一位及其补在下一个分区)。数据区的这种二到一的编码方法消除了所有在IR信道可能产生的低频(低于2000Hz)成分的数据部分，低频成分对光干扰非常敏感。该技术方面的人员将认识到该编码方法对于已给定数据通过速率有效地加倍了信道的比特速率。
由IR发光二极管(光源310)发射的数据表示为1和0。1可由一个正或0电平表示，不会损害红外线信道的性能。
实验室测试可用以证实当前信号格式的性能。实验室测试结果由图8和图9中的模拟曲线代表。图8表示一个模拟的数据发送包800，这是一个比特位置对值的图。该数据被限定为仅包括两个引导信号，尽管通常使用更多的引导信号。引导信号之后是一系列数位，包括同步信号段，数据区长度段，数据帧段和四个出错检查位。这里模拟的数据再被限定为仅包括一个数据字，尽管通常发射更多的数据字。该模拟为20000波特速率。该数据包800的信号模拟频谱如图9所示。该频谱在2000Hz处有一个尖峰，这是引导信号的频谱。数据频谱从2000Hz向上扩展到大约20KHz。一个实际数据包的数据频率如图10所示，可见的最大尖峰在2000Hz。绘出的频谱最左端的尖峰是由用于产生频谱的设备产生的一个误差。
该频谱的特征可用一个截止频率低于2000Hz的低通滤波器313消除噪声。例如，一个截止频率(3dB带宽)为1800Hz的滤波器可用来消除低于该接收信号频谱的噪声。这样允许一个宽带无线IR接收机可以承受各种带有从直流连续到大约1.5KHz的高电平噪声的白炽和荧光光源而不会影响IR接收机的性能。在2KHz频率附近的数据通过了滤波器313，而低于该频率的噪声被滤除。用这种方法，可能产生错误数据的低电平噪声信号被消除，从发射机接收的低电平数据被送入处理器。
本发明中所说的蜂窝无线电话机102在图5公开。蜂窝无线电话机102包括一个射频(RF)发射机500，将从麦克风502输出的信号生成通过天线110发射的信号。对于从天线110接收的信号，接收机504产生信号驱动扬声器506为响应。发射机和接收机都是由处理器508控制的，按惯例这里不详细公开，仅简单介绍。
处理器508也同IR电路510相连。IR电路510包括一个连在发射二极管514上的放大器512。电路中也包括一个接收放大器515，一个滤波器518和一个接收二极管520。处理器508用于控制蜂窝无线电话机102，提供IR数据链路300(图3)的发射机处理器和接收机处理器操作。根据当前发明的IR协议的“休眠状态”允许在无线电话机中早已存在的处理器508提供IR信号的工作而不必另加处理器电路。当前发明可以用通用微控制器，如已商品化的Motorola公司的集成电路HC-11。
现在参考图6和7描述IR接收机和IR发射机的工作。发射机处理器306(图3和图5的无线电话机中的处理器508)在使用者激活控制开关(寻呼机中的114或无线电话机中102中的216)后开始发射功能。控制开关的激活导致一个主工作程序(未描述)中断，并初始化支路600。发射机处理器开始连续输出一串引导信号比特流，重复大于接收机休眠期间的一段时间，如框图602所示。由于发射引导信号的时间超过休眠期间，使用者不必持续开启开关直到引导信号被检测到。这对于使用者无法接收可见或可听的通信已实现的确定时尤其重要(即，一个遥控器使用者按下按键直到频道或声音改变，这是对接收的确定；这种确定在设备间的数据通信中不总是存在的)。处理器接下来发送同步信号段，具有根据将被以其编码格式发射的数据位计算出的数据区长度，如框图604所示。处理器接下来将字节编码为一个20比特字(框图606)，发射该20比特字(框图608)。处理器继续发射字直到当确认框图610确定所有字节被发射完。当发送完成后处理器回到被中断的主程序(未画出)。
现在参考图7中所示分支700描述接收机的工作。接收机处理器316(或无线电话机102中的处理器508)启动空闲定时器或IR休眠定时器，将一段时间设定为一个预定的时间间隔，在此其间检测用的IR引导信号不采样，如框图702。IR休眠可举例为0.25秒。在确认框图704确定IR空闲状态期间结束时，处理器启动一个定时器1，如框图706所示。处理器等待接收引导信号，如确认框图708所示，或如确认框图710所示等待定时器1时间到。定时器1预定一个时间周期，在此期间所接收的数据将被采样以检测引导信号，且最好远远小于IR休眠状态预定时间间隔，例如可为0.001秒。如果在引导信号被检测到之前定时器1时间到，处理器回到框图702的IR空闲状态。如果在确认框图708检测到引导信号，处理器关闭定时器1并启动定时器2。处理器接下来将在确认框图716确定定时器2定时结束前等待在确认框图712确定的同步信号段被接收，或检测到在确认框图714确定的第二个引导信号。如果一个第二有效引导信号在定时器2定时时间到之前在确认框图714被检测到，处理器回到确认框图712。如果确认框图712确定同步信号字被接收到，指示一个数据包的有效开始，定时器2关闭，定时器3初始化，如框图718所示。这时，处理器使用数据区长度段信息决定在数据区将接收多少字。处理器接下来在框图720中逐个接收并解码20比特字，直到最后的20比特字在确认框图722中确定被接收。接下来处理器返回到空闲状态。
如果在同步信号脉冲前在确认框图714中确定检测到一个无效引导信号，处理器检测一个无效数据包并回到空闲状态定时器。另外，如果定时器2或3时间到，则检测到无效数据包。定时器2设定为发射全部引导信号所需的时间。定时器3设为一个预定最大长度的时间，是数据区被允许发射的时间。(即允许数据区在该波特率的最长时间)。
本发明提供了一个可靠的IR数据链路，即使在低能量时通信也能可靠进行。另外，该协议能量消耗低。这样该协议尤其适用于便携式电池电源设备，这些设备节省能量尤其重要，并且这些设备更多用在信号电平与背景噪声电平相近的情况下。
权利要求
1.一个红外线设备(102)包括一个红外线检测器(312)；和一个接收机处理器(316)与红外线检测器耦连，接收机处理器在预定时间周期分析由红外线检测器输出的数据以检测引导信号的出现，并在预定期间之间的时间间隔休眠，该时间间隔远比预定时间周期长。
2.如权利要求1所述的红外线设备还包括一个滤波器(313)同红外线检测器耦连，滤波器滤除预定频率以下的信号，处理器同滤波器的一个输出耦连。
3.权利要求1所述的红外线设备，其中红外线接收机设备是一个无线电话机，包括一个射频发射机(500)和一个射频接收机(504)，其中处理器(508)同射频发射机及射频接收射机耦连，以在IR休眠状态期间控制其工作。
4.权利要求1所述的红外线设备还包括红外线发射设备(104，202)，它包括一个红外线光源(310)以产生红外线射线；和一个发射机(306)处理器与红外线光源耦连，发射机处理器将数据打包，包括一个引导信号段，一个同步信号段，一个数据区，数据区包括数据及补交替数据分区，以便通过红外线光源进行红外线发射。
5.如权利要求4所述的红外线设备，其中同步信号段包括一个起始位和一个终止位。
6.如权利要求4所述的红外线设备，其中每个分区包括有预定值的一个起始位和一个终止位。
7.权利要求6所述的红外线设备，其中每个分区的起始位和终止位的值不同。
8.权利要求8所述的红外线设备，其中接收机处理器在预定时间周期之间的时间间隔进入一个IR休眠状态，预定时间间隔远比预定时间周期大；并且发射机处理器发射引导信号的时间至少等于IR休眠状态预定时间间隔。
全文摘要
红外线信道包括一个IR发射机电路(302)和一个IR接收机电路(304)。发射机电路编码数据包(400)，包括一个引导信号段，一个同步信号段，和一个数据区，数据区包括数据字，数据字是数据位加上其补数据位并交替编码的数据分区，数据区是用于由光源发射红外光。一个接收机电路处理器(316或508)同输入样本相耦合在预定时间周期检测引导信号的出现，在输入样本之间休眠一个时间间隔，输入样本之间的休眠间隔远比预定期间长。发射机电路发射引导信号的时间至少和休眠时间一样长。
文档编号H04B10/02GK1168580SQ9610940
公开日1997年12月24日 申请日期1996年8月8日 优先权日1995年8月9日
发明者托马斯·J·瓦尔扎克, 拉奇德·阿拉迈, 西拉·M·拉德 申请人:摩托罗拉公司