從捷運站出來時，偶而會看到維修工程師拿著筆記型電腦對著出口閘門處的驗票機，進行程式檔案傳送（transfer）和更新（overwrite）的工作。其實，這驗票機裡面有一台電腦，而且，這台電腦是利用紅外線和筆記型電腦通訊，這種紅外線技術就是IrDA。透過它，筆記型電腦、數位相機、手持式電腦、PDA、印表機、行動電話、呼叫器、電子書、電子錢包、玩具、手錶、數據收集器、消費性電子裝置、和其它攜帶式電子裝置 ... ..等裝置之間可以構成一個一對一的臨時網路（ad hoc network），藉此互相通訊。目前幾乎所有資訊家電產品都內建有IrDA，其魅力真的是不可擋。(圖一)是符合IrDA標準的產品商標。

《圖一　IrDA的商標》

何謂IrDA

IrDA標準以傳輸速率快慢可分成IrDA DATA和IrDA CONTROL兩種。一般而言，IrDA DATA傳輸速率為4Mbps，而且限定為主機（host）對主機的通訊； IrDA CONTROL傳輸速率比較慢，且僅針對主機的週邊裝置，例如：滑鼠、鍵盤...等做規範。本文將先討論IrDA DATA，再談論IrDA CONTROL。

IrDA是IrDA（Infrared Data Association）聯盟（IrDA consortium）制定的標準。IrDA標準包含硬體的規格和通訊協定的標準，數據資訊可藉由IrDA標準以紅外線傳輸。由於筆記型電腦和各種移動式通訊裝置需要相互溝通，所以IrDA於焉誕生。

IrDA裝置是利用LED發射紅外線光波，其波長約875 nm±30 nm，許多CCD相機對這種波長的紅外線也很敏感。IrDA接收器是利用PIN光電二極體（photodiode）接收紅外線光波，接收到的光波會激化為電子產生訊號，帶通濾波器會過濾此訊號，得到IrDA解調器所需之訊號。這是紅外線光波的能量轉化為電能的原理。@大標:IrDA的通訊距離和傳輸率

IrDA 1.0和1.1裝置的通訊距離可達1公尺，錯誤率（Bit Error Ratio；BER）為10-9，光源週邊的最大亮度為10klux。上述測量值是將收發端的偏斜角設定為15度，不過，單一光元件輸出功率的最大測量偏斜角可達到30度。定向發射器（Directional transmitters；IR LEDs）的通訊距離超過1公尺，但是，它的最大測量偏斜角不遵照IrDA標準。

IrDA 1.0的傳輸速度是2400到115,200 kbps（Slow IrDA；SIR），使用脈衝調變（pulse modulation），脈衝長度是位元間距的3/16。數據格式（Data format）和串列埠（serial port）或UART相同，亦即非同步（asynchronous）傳送一個位元組，在最前面有一個起始位元（startbit），如(圖二)所示。IrDA發射器可使用3/16位元間距的調變率（mark-to-space ratio）或以1.63μs固定脈衝間隔來調變，能得到115kbps的傳輸率。如果採用固定脈衝間隔，且傳輸率為38,400 bps（=115kbps/3），則每一個位元會用掉三個脈衝。

《圖二　UART和IrDA的訊框（frame）》

IrDA 1.1還定義了0.576和1.152 Mbps傳輸率（Fast IrDA；FIR），使用1/4位元間距的調變率。在此速率下，封包是以同步（synchronous）方式傳送，在最前面有起始序列（starting sequence）。(圖三)是訊號源（NRZ signal）調變前後的關係。

《圖三　訊號源（NRZ signal）調變前後的關係》

一個IrDA封包裡有兩個位元組的起始序列、目的地位址、數據、偵錯碼（CRC-16）和終止位元組，如(圖四)所示。IrDA通訊協定（IrDA protocol）會分配每個IrDA裝置一個唯一的位址，以辨別不同的裝置。IrDA封包（包含CRC-16）全部都是由IrDA晶片組產生的。起始和終止位元組必須分別位於封包的頭尾，不可置於其它位置。起始和終止字元的停留時間是位元間隔的1.5倍。

具有4Mbps傳輸率的IrDA，是採用1/4調變率的4PPM調變方法。亦即，在一個脈衝時間內，將兩個位元編碼。所以，在一個脈衝時間內，會在4個（22）不同符號（symbol ）訊號中，得出一個符號訊號。因此，資訊是藉由脈衝振幅大小或符號來傳遞，而不是藉由0或1（有或無）脈衝來傳送。例如：00將轉成1000傳送，01將轉成0100，11將轉成0001。如(圖五)所示。使用4PPM調變的主要優點是：紅外線LED發光（flash）的次數可以減半，因此，數據傳輸率可加快兩倍。例如：00011011被4PPM調變成0001001001001000，訊號源（前者）的發光率是1/2，經4PPM調變後之訊號（後者）的發光率是1/4，後者是前者的1/2，所以，後者的數據傳輸率會比前者快兩倍。

《圖四　IrDA封包格式》

《圖五　4PPM調變》

此外，對IrDA接收器而言，4PPM調變可使IrDA機收機在固定時間內，收到固定數量的脈衝，這使得接收到的訊號能保持穩定。當傳輸率等於4Mbps時，發射訊號中的發光速率是2MHz，但是，在此傳輸模式下，封包是使用CRC-32偵錯碼，與0.576和1.152 Mbps傳輸模式不同。大多數使用4PPM調變的IrDA晶片組，也能自行產生CRC-32偵錯碼(圖六)，當它們發現接收到的訊框有誤時，會自行拋棄這個錯誤訊框。

《圖六　IrDA訊框位置》

使用脈衝調變的理由

IrDA接收器必須能辨別周遭的光源、訊號、雜音，如此，才能將資訊還原。為了達到這個目的，使用高輸出功率傳送訊號似乎是最有效的，因為：高輸出功率=＞接收端的電流增加=＞訊雜比（signal-to-noise）增加。不過，因IR-LED的物理特性，IR-LED無法一直提供高輸出功率，因此，才將脈衝時間長度定為1/4或3/16位元間距。此外，因為IrDA接收器能自動適應周遭的光源大小，而且，它只偵測光波的瞬間變化，所以，發射訊號不再需要直流電承載，但是需要脈衝調變，來代表0和1數據。IrDA收發機整合了IR-LED發射器和PIN光電二極體接收器，並且，它還具有帶通濾波器，可過濾掉IrDA頻段（2400-115200 bps和0.576-4Mbps(2M flashes/s)）以外的雜訊。

《圖七　IrDA通訊協定堆疊》

IrDA DATA的通訊協定堆疊

IrDA DATA的通訊協定堆疊如(圖七)及(表一)所示，其應用和通訊網路則如(圖八)所示，以下將一一介紹各個協定的作用。

紅外線鏈路擷取通訊協定：IrLAP

IrDA紅外線鏈路擷取通訊協定（Infrared Link Access Protocol；IrLAP）是針對IrDA所需，修改自HDLC的通訊協定。它將訊框封裝（encapsulate），並確保不同IrDA裝置之間的通訊不會衝突。在數個IrDA裝置通訊中，只有一個是IrDA主裝置（primary），其餘都是次裝置（secondary）。它們都是使用半雙工通訊（half-duplex）。此外，IrLAP負責建立連結（establish connection）和關閉連結、對次裝置編號。連結時的初次傳輸速率為9600bps，連結完成後，它會產生邏輯通道（logical channel），並以主從裝置都接受的新傳輸率通訊，此時，IrDA主裝置負責控制每個邏輯通道。

紅外線鏈路管理通訊協定：IrLMP

當IrDA裝置的組態改變時，它會藉由IrDA紅外線鏈路管理通訊協定（IrDA Infrared Link Management Protocol ；IrLMP）讓其它裝置知道。IrLMP位於IrLAP上方，負責偵測週邊的其它IrDA裝置、檢查數據流量、並充當多工器。它類似TCP/IP上層的sockets，每個socket都有一個唯一的通訊埠。上層應用程式透過IrLMP來確認遠端裝置是否存在或在通訊範圍之內，但是，IrLMP不如TCP，無法提供一個可靠的通道，這還需要IrDA傳輸通訊協定（Tiny TP）。

傳輸通訊協定：Tiny TP

IrDA傳輸通訊協定 (IrDA Transport Protocols;Tiny TP) 負責管理不同IrDA裝置之間的虛擬通道(virtual channels) ，執行除錯、將數據分割(segment)成為封包、從封包中重組(reassemble) 還原數據。Tiny TP執行的工作類似TCP。

物件交換通訊協定 ：IrOBEX

IrDA物件交換通訊協定 (Object Exchange Protocol;IrOBEX) 是一個簡單的通訊協定，它定義了PUT和GET命令，可以在兩台IrDA裝置之間擷取二進位制(binary)數據。它位於Tiny TP上方，定義了物件交換時，封包所必需的內容，以利IrDA裝置於通訊時能彼此辨識。

針對行動通訊IrOBEX的延伸協定---IrMC

針對手持式(handheld)電腦、PDA、行動電話......等行動通訊裝置，IrOBEX的延伸協定IrMC ( Extensions to IrOBEX for Ir Mobile Communications)定義了等同於GSM網路所提供的服務，例如:通訊錄、簡訊、行事曆、撥號控制、數位語音傳輸......等。

《圖八　IrDA的應用和通訊網路》

傳輸圖片通訊協定：IrTran-P

IrDA傳輸圖片通訊協定(Infrared Transfer Picture Protocol;IrTran-P)位於Tiny TP上方，支援數位相機和圖像擷取裝置(Image capture devices) ，藉由紅外線傳輸圖像訊框(frames) 。

無線區域網路通訊協定：IrLan

IrDA無線區域網路通訊協定(IrLan)是定義藉由紅外線擷取區域網路資源的通訊協定。IrDA主裝置必須和有線的區域網路連接，其餘的IrDA次裝置可以透過它和區域網路上的其它電腦通訊。

通訊埠通訊協定：IrCOMM

IrDA 通訊埠通訊協定(IrCOMM)針對舊有的COM應用程式(legacy COM applications)，提供COM串列和並列模擬埠 (serial/parallel port emulation)，例如:列印程式、數據機撥號程式、網路撥號程式......等。

IrDA元件

Hewlett Packard有生產IrDA發射器（IR LED）、接收器、和收發器。Hewlett Packard的HSDL-1000收發器(圖九)的傳輸率為115kbps (IrDA 1.0)，使用半雙工通訊，應用容易，僅需少許的電容來過濾雜音，電容必須靠近HSDL-1000收發器，較佳的距離為0.7 cm。因為HSDL-1000是SMD封裝，所以，最好將它置於兩層印刷電路板的上層，底層是銅覆蓋的接地區，作為電磁干擾的屏蔽。

HSDL-1100是傳輸率快速的收發器(4Mbit/s)，不過，因為它的速度非常快，如果電路設計不佳，很容易使HSDL-1100的FIR輸出變成一個振盪器（oscillator）。此外，HSDL-1100對雜音非常敏感，而且除FIR輸出以外，其它不需要的訊號也會回饋（feedback），因此在應用上，HSDL-1100比HSDL-1000困難許多。

Hewlett Packard另有IR LED HSDL-4230和HSDL-4220，調變速度可達10Mbits，最大電流0.5A（mark-to-space ratio 0.2）或100mA（連續）。兩者的差異在於它們的輻射角度（radiation angle）不同，HSDL-4220是30度，HSDL-4230只有17度。

《圖九　HSDL-1100和HSDL-1000》

Hewlett-Packard也有生產IrDA PIN接收器，以及IrDA調變/解調器（modulation encoders/decoders）。115kbps HSDL-7000系列的IrDA調變/解調器是具有8個接腳的積體電路，它們除了需要外接電源、串列埠收發器之外，還需一個16倍速的頻率振盪器。就115kbps而言，振盪器頻率必須等於115,200*16=1.8432 MHz。HSDL-7001只提供少許的功能，例如： 整合除頻器（frequency divider）、輸入端可直接連接一個被動石英振盪器（passive XTAL）;此除頻器只對IR輸入端作用，不對輸出端作用。

當然，Hewlett-Packard不是唯一生產IrDA元件的廠商，TI和National Semiconductors也是著名的IrDA元件製造商。TI的TIR1000和TIR2000是常見的IrDA元件。TIR2000傳輸率達4Mbps，使用DMA模式。

IrDA CONTROL

IrDA CONTROL是針對無線電週邊裝置(cordless peripherals) ，例如：鍵盤、滑鼠、電玩、搖桿...等，與主機通訊的標準。主機裝置包含: PC、家電、遊戲機、電視機上盒....等。IrDA CONTROL充分利用USB HID類別，可輕易地將所有USB週邊裝置轉換成無線電裝置。這是經由IrDA實體層的傳收，和媒體擷取控制(MAC)層的列舉(enumeration)與結合(binding)，還有邏輯鏈路控制(LLC)層的交換處理(transactions) 。

IrDA CONTROL的通訊堆疊

IrDA CONTROL的通訊比IrDA DATA簡單，它的通訊堆疊只有實體層(Physical layer; PHY) 、媒體擷取控制層(Media Access Control; MAC) 、和邏輯鏈路控制層 (Logical Link Control; LLC) 。

實體層特性

IrDA CONTROL的實體層特性如下：

* 通訊距離和現有單向紅外線遙控器(infrared remote control units)相同，約5公尺。

* 雙向通訊是所有IrDA標準的基礎。

* 最大數據傳輸率為75 kb/s。

* 數據資訊是使用一個16-脈衝序列(16-Pulse Sequence)來編碼，並且和1.5 MHz副載波(subcarrier)相乘。在IEC 1603-1標準中，此副載波是供高速遙控使用。這個基頻的諧波會侵入其它IEC頻段，所以應用時需注意。

* 數據封包是用CRC除錯，短封包用CRC-8，長封包用CRC-16。實體層可用低功率、最優化的低成本硬體來實作。

媒體擷取控制層特性

IrDA CONTROL的媒體擷取控制層特性如下：

● 允許主機裝置和許多週邊裝置通訊(一對多) ，而且一台主機可同時與8個週邊裝置通訊。

● 反應快速，在基本輪詢速率(polling rate)下僅13.8 ms，且延遲時間短。

非對稱(Asymmetric)MAC：

● 對週邊裝置動態分配位址，位址可重複使用(re-use)。

● 媒體擷取的順序安排其實是由HID LLC完成的。

邏輯鏈路控制層特性

IrDA CONTROL的邏輯鏈路控制層特性如下：

● 支援數據序列(data sequencing)和重傳(retransmission)機制，確保通訊品質。

● 與HID-IrDA控制橋接器配合，可啟動USB-HID鏈路控制功能。

Windows 2000 IrDA架構

IrDA Data和IrDA Control所有的必需性(required)和選擇性(optional)標準都可從IrDA網站www.irda.org中下載。目前微軟的作業系統都支援IrDA，這包含：IDG、WinCE、WinNT、Win98、Win2000、Win XP。PC 99和PC 2000的產品都有支援IrDA通訊埠，這包含部份WinCE硬體平台，如PalmPC...等。Windows是全球市場佔有率最高的作業系統，所以Windows 2000也有支援一些獨特的IrDA功能。下面就簡介Windows 2000 IrDA的架構。

IrDA硬體驅動程式

如(圖十)所示，Windows 2000 中的IrSIR.SYS驅動程式支援SIR UART串列埠介面卡。IrSIR.SYS利用SERIAL.SYS中的函式與IrDA硬體通訊。內建的SIR硬體必須在BIOS中宣告為PNP0510或PNP0511隨插即用類別。

FIR IrDA硬體必須成為一個NDIS 4.0網路卡，藉由FIR驅動程式可以同時將數個FIR IrDA硬體虛擬成為數個NDIS網路卡。而每一個IrDA NDIS網路卡是一個獨特的IrDA收發機，可支援唯一的IrLAP連線。每個FIR IrDA硬體必須具有一個唯一的隨插即用識別編號，和硬體驅動程式。如果FIR IrDA硬體也支援SIR，則它必須也是PNP0510或PNP0511隨插即用類別，以容許IrSIR.SYS視之為SIR硬體。

Windows 2000支援IrDA多個介面卡(multiple-adapter)

Windows 2000 IrDA通訊協定堆疊允許數個NDIS 4.0 FIR/SIR迷你埠介面卡可同時傳輸。這使單一伺服器(server)可以同時接受數個用戶(client)的連接擷取要求，而且，在主從網路架構下，對伺服端和用互端的使用者而言，應用程式都是保持透明的，亦即使用者無須了解底層的運作情形。因為每一個介面卡可構成一個IrLAP連結(connection)，所以，NDIS 4.0 FIR/SIR迷你埠介面卡是不可或缺的。

《圖十　Windows 2000 IrDA架構》

原始的IrDA是不具備路由功能的，所以，多個IrDA網路卡雖然可以連接到單一的伺服器上，但是彼此無法透過伺服器通訊。不過，這可以透過映射表達到路由的目的。

每個IrDA網路卡和IrLAP連線(instance)都有一個唯一的IrDA MAC位址或DeviceId。

為了發覺附近的IrDA裝置，IrDA有所謂的發現(discovery)作業。建立連線之前，IrDA裝置必須先透過發現作業了解週邊的裝置。每個閒置裝置都會執行發現作業，每個IrLAP連線都會保有一個週邊裝置發現表，每個連線中的IrDA網路卡都會被發現。

為了達到路由的目的，Windows 2000 IrDA通訊協定堆疊會保有一個裝置位址與最後存在的IrDA網路卡的映射表(map) 。當用戶要求與另一個用戶連接時，IrDA通訊協定堆疊會將連線路由至另一個用戶端。

結語

IrDA是低功率無線電通訊技術中，目前表現最成功的。它的單價已經低於5美元，而且，應用面正不斷地擴大。反觀藍芽仍因成本過高，技術複雜，至今仍然無法普及。不過，IrDA的視線以內直線傳輸特性也阻礙了它的更進一步發展。

IrDA技術如今已非常成熟，並不適合國內業者貿然投入生產。但是，IrDA通訊協定架構卻是其它後來技術的重要參考指標，例如:藍芽、IEEE 802.11a/b、HomeRF.....等。而美國Extended Systems公司的OBEX通訊協定堆疊正是先在IrDA建構完成後，再移植至藍芽的最佳技術轉型之例證，非常值得國內業者學習。