从捷运站出来时，偶而会看到维修工程师拿着笔记本电脑对着出口闸门处的验票机，进行程序档案传送（transfer）和更新（overwrite）的工作。其实，这验票机里面有一台计算机，而且，这台计算机是利用红外线和笔记本电脑通讯，这种红外线技术就是IrDA。透过它，笔记本电脑、数字相机、手持式计算机、PDA、打印机、移动电话、呼叫器、电子书、电子货币包、玩具、手表、数据收集器、消费性电子装置、和其它携带式电子装置 ... ..等装置之间可以构成一个一对一的临时网络（ad hoc network），藉此互相通讯。目前几乎所有信息家电产品都内建有IrDA，其魅力真的是不可挡。(图一)是符合IrDA标准的产品商标。

《图一 IrDA的商标》

何谓IrDA

IrDA标准以传输速率快慢可分成IrDA DATA和IrDA CONTROL两种。一般而言，IrDA DATA传输速率为4Mbps，而且限定为主机（host）对主机的通讯； IrDA CONTROL传输速率比较慢，且仅针对主机的外围装置，例如：鼠标、键盘...等做规范。本文将先讨论IrDA DATA，再谈论IrDA CONTROL。

IrDA是IrDA（Infrared Data Association）联盟（IrDA consortium）制定的标准。IrDA标准包含硬件的规格和通讯协议的标准，数据信息可藉由IrDA标准以红外线传输。由于笔记本电脑和各种移动式通讯装置需要相互沟通，所以IrDA于焉诞生。

IrDA装置是利用LED发射红外线光波，其波长约875 nm±30 nm，许多CCD相机对这种波长的红外线也很敏感。IrDA接收器是利用PIN光电二极管（photodiode）接收红外线光波，接收到的光波会激化为电子产生讯号，带通滤波器会过滤此讯号，得到IrDA解调器所需之讯号。这是红外线光波的能量转化为电能的原理。@大標:IrDA的通讯距离和传输率

IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，错误率（Bit Error Ratio；BER）为10-9，光源外围的最大亮度为10klux。上述测量值是将收发端的偏斜角设定为15度，不过，单一光组件输出功率的最大测量偏斜角可达到30度。定向发射器（Directional transmitters；IR LEDs）的通讯距离超过1公尺，但是，它的最大测量偏斜角不遵照IrDA标准。

IrDA 1.0的传输速度是2400到115,200 kbps（Slow IrDA；SIR），使用脉冲调变（pulse modulation），脉冲长度是位间距的3/16。数据格式（Data format）和串行埠（serial port）或UART相同，亦即异步（asynchronous）传送一个字节，在最前面有一个起始位（startbit），如(图二)所示。IrDA发射器可使用3/16位间距的调变率（mark-to-space ratio）或以1.63μs固定脉冲间隔来调变，能得到115kbps的传输率。如果采用固定脉冲间隔，且传输率为38,400 bps（=115kbps/3），则每一个位会用掉三个脉冲。

《图二 UART和IrDA的讯框（frame）》

IrDA 1.1还定义了0.576和1.152 Mbps传输率（Fast IrDA；FIR），使用1/4位间距的调变率。在此速率下，封包是以同步（synchronous）方式传送，在最前面有起始序列（starting sequence）。(图三)是讯号源（NRZ signal）调变前后的关系。

《图三 讯号源（NRZ signal）调变前后的关系》

一个IrDA封包里有两个字节的起始序列、目的地地址、数据、侦错码（CRC-16）和终止字节，如(图四)所示。IrDA通讯协议（IrDA protocol）会分配每个IrDA装置一个唯一的地址，以辨别不同的装置。IrDA封包（包含CRC-16）全部都是由IrDA芯片组产生的。起始和终止字节必须分别位于封包的头尾，不可置于其它位置。起始和终止字符的停留时间是位间隔的1.5倍。

具有4Mbps传输率的IrDA，是采用1/4调变率的4PPM调变方法。亦即，在一个脉冲时间内，将两个位编码。所以，在一个脉冲时间内，会在4个（22）不同符号（symbol ）讯号中，得出一个符号讯号。因此，信息是藉由脉冲振幅大小或符号来传递，而不是藉由0或1（有或无）脉冲来传送。例如：00将转成1000传送，01将转成0100，11将转成0001。如(图五)所示。使用4PPM调变的主要优点是：红外线LED发光（flash）的次数可以减半，因此，数据传输率可加快两倍。例如：00011011被4PPM调变成0001001001001000，讯号源（前者）的发光率是1/2，经4PPM调变后之讯号（后者）的发光率是1/4，后者是前者的1/2，所以，后者的数据传输率会比前者快两倍。

《图四 IrDA封包格式》

《图五 4PPM调变》

此外，对IrDA接收器而言，4PPM调变可使IrDA机收机在固定时间内，收到固定数量的脉冲，这使得接收到的讯号能保持稳定。当传输率等于4Mbps时，发射讯号中的发光速率是2MHz，但是，在此传输模式下，封包是使用CRC-32侦错码，与0.576和1.152 Mbps传输模式不同。大多数使用4PPM调变的IrDA芯片组，也能自行产生CRC-32侦错码(图六)，当它们发现接收到的讯框有误时，会自行抛弃这个错误讯框。

《图六 IrDA讯框位置》

使用脉冲调变的理由

IrDA接收器必须能辨别周遭的光源、讯号、杂音，如此，才能将信息还原。为了达到这个目的，使用高输出功率传送讯号似乎是最有效的，因为：高输出功率=＞接收端的电流增加=＞讯杂比（signal-to-noise）增加。不过，因IR-LED的物理特性，IR-LED无法一直提供高输出功率，因此，才将脉冲时间长度定为1/4或3/16位间距。此外，因为IrDA接收器能自动适应周遭的光源大小，而且，它只侦测光波的瞬间变化，所以，发射讯号不再需要直流电承载，但是需要脉冲调变，来代表0和1数据。IrDA收发机整合了IR-LED发射器和PIN光电二极管接收器，并且，它还具有带通滤波器，可过滤掉IrDA频段（2400-115200 bps和0.576-4Mbps(2M flashes/s)）以外的噪声。

《图七 IrDA通讯协议堆栈》

IrDA DATA的通讯协议堆栈

IrDA DATA的通讯协议堆栈如(图七)及(表一)所示，其应用和通讯网络则如(图八)所示，以下将一一介绍各个协议的作用。

红外线链路撷取通讯协议：IrLAP

IrDA红外线链路撷取通讯协议（Infrared Link Access Protocol；IrLAP）是针对IrDA所需，修改自HDLC的通讯协议。它将讯框封装（encapsulate），并确保不同IrDA装置之间的通讯不会冲突。在数个IrDA装置通讯中，只有一个是IrDA主装置（primary），其余都是次装置（secondary）。它们都是使用半双工通讯（half-duplex）。此外，IrLAP负责建立链接（establish connection）和关闭链接、对次装置编号。链接时的初次传输速率为9600bps，链接完成后，它会产生逻辑信道（logical channel），并以主从装置都接受的新传输率通讯，此时，IrDA主装置负责控制每个逻辑信道。

红外线链路管理通讯协议：IrLMP

当IrDA装置的组态改变时，它会藉由IrDA红外线链路管理通讯协议（IrDA Infrared Link Management Protocol ；IrLMP）让其它装置知道。IrLMP位于IrLAP上方，负责侦测外围的其它IrDA装置、检查数据流量、并充当多任务器。它类似TCP/IP上层的sockets，每个socket都有一个唯一的通讯端口。上层应用程序透过IrLMP来确认远程装置是否存在或在通讯范围之内，但是，IrLMP不如TCP，无法提供一个可靠的信道，这还需要IrDA传输通讯协议（Tiny TP）。

传输通讯协议：Tiny TP

IrDA传输通讯协议 (IrDA Transport Protocols;Tiny TP) 负责管理不同IrDA装置之间的虚通道(virtual channels) ，执行除错、将数据分割(segment)成为封包、从封包中重组(reassemble) 还原数据。Tiny TP执行的工作类似TCP。

对象交换通讯协议 ：IrOBEX

IrDA对象交换通讯协议 (Object Exchange Protocol;IrOBEX) 是一个简单的通讯协议，它定义了PUT和GET命令，可以在两台IrDA装置之间撷取二进制制(binary)数据。它位于Tiny TP上方，定义了对象交换时，封包所必需的内容，以利IrDA装置于通讯时能彼此辨识。

针对行动通讯IrOBEX的延伸协议---IrMC

针对手持式(handheld)计算机、PDA、移动电话......等行动通讯装置，IrOBEX的延伸协议IrMC ( Extensions to IrOBEX for Ir Mobile Communications)定义了等同于GSM网络所提供的服务，例如:通讯簿、简讯、行事历、拨号控制、数字语音传输......等。

《图八 IrDA的应用和通讯网络》

传输图片通讯协议：IrTran-P

IrDA传输图片通讯协议(Infrared Transfer Picture Protocol;IrTran-P)位于Tiny TP上方，支持数字相机和图像捕获设备(Image capture devices) ，藉由红外线传输图像讯框(frames) 。

无线局域网络通讯协议：IrLan

IrDA无线局域网络通讯协议(IrLan)是定义藉由红外线撷取局域网络资源的通讯协议。IrDA主装置必须和有线的局域网络连接，其余的IrDA次装置可以透过它和局域网络上的其它计算机通讯。

通讯端口通讯协议：IrCOMM

IrDA 通讯端口通讯协议(IrCOMM)针对旧有的COM应用程序(legacy COM applications)，提供COM串行和并列仿真埠 (serial/parallel port emulation)，例如:打印程序、调制解调器拨号程序、网络拨号程序......等。

IrDA组件

Hewlett Packard有生产IrDA发射器（IR LED）、接收器、和收发器。Hewlett Packard的HSDL-1000收发器(图九)的传输率为115kbps (IrDA 1.0)，使用半双工通讯，应用容易，仅需少许的电容来过滤杂音，电容必须靠近HSDL-1000收发器，较佳的距离为0.7 cm。因为HSDL-1000是SMD封装，所以，最好将它置于两层印刷电路板的上层，底层是铜覆盖的接地区，作为电磁干扰的屏蔽。

HSDL-1100是传输率快速的收发器(4Mbit/s)，不过，因为它的速度非常快，如果电路设计不佳，很容易使HSDL-1100的FIR输出变成一个振荡器（oscillator）。此外，HSDL-1100对杂音非常敏感，而且除FIR输出以外，其它不需要的讯号也会回馈（feedback），因此在应用上，HSDL-1100比HSDL-1000困难许多。

Hewlett Packard另有IR LED HSDL-4230和HSDL-4220，调变速度可达10Mbits，最大电流0.5A（mark-to-space ratio 0.2）或100mA（连续）。两者的差异在于它们的辐射角度（radiation angle）不同，HSDL-4220是30度，HSDL-4230只有17度。

《图九 HSDL-1100和HSDL-1000》

Hewlett-Packard也有生产IrDA PIN接收器，以及IrDA调变/解调器（modulation encoders/decoders）。115kbps HSDL-7000系列的IrDA调变/解调器是具有8个接脚的集成电路，它们除了需要外接电源、串行埠收发器之外，还需一个16倍速的频率振荡器。就115kbps而言，振荡器频率必须等于115,200*16=1.8432 MHz。HSDL-7001只提供少许的功能，例如： 整合除频器（frequency divider）、输入端可直接连接一个被动石英振荡器（passive XTAL）;此除频器只对IR输入端作用，不对输出端作用。

当然，Hewlett-Packard不是唯一生产IrDA组件的厂商，TI和National Semiconductors也是著名的IrDA组件制造商。TI的TIR1000和TIR2000是常见的IrDA组件。TIR2000传输率达4Mbps，使用DMA模式。

IrDA CONTROL

IrDA CONTROL是针对无线电外围装置(cordless peripherals) ，例如：键盘、鼠标、电玩、游戏杆...等，与主机通讯的标准。主机装置包含: PC、家电、游戏机、电视机顶盒....等。IrDA CONTROL充分利用USB HID类别，可轻易地将所有USB外围装置转换成无线电装置。这是经由IrDA物理层的传收，和媒体撷取控制(MAC)层的列举(enumeration)与结合(binding)，还有逻辑链路控制(LLC)层的交换处理(transactions) 。

IrDA CONTROL的通讯堆栈

IrDA CONTROL的通讯比IrDA DATA简单，它的通讯堆栈只有物理层(Physical layer; PHY) 、媒体撷取控制层(Media Access Control; MAC) 、和逻辑链路控制层 (Logical Link Control; LLC) 。

物理层特性

IrDA CONTROL的物理层特性如下：

* 通讯距离和现有单向红外线遥控器(infrared remote control units)相同，约5公尺。

* 双向通讯是所有IrDA标准的基础。

* 最大数据传输率为75 kb/s。

* 数据信息是使用一个16-脉冲序列(16-Pulse Sequence)来编码，并且和1.5 MHz副载波(subcarrier)相乘。在IEC 1603-1标准中，此副载波是供高速遥控使用。这个基频的谐波会侵入其它IEC频段，所以应用时需注意。

* 数据封包是用CRC除错，短封包用CRC-8，长封包用CRC-16。物理层可用低功率、最优化的低成本硬件来实作。

媒体撷取控制层特性

IrDA CONTROL的媒体撷取控制层特性如下：

● 允许主机装置和许多外围装置通讯(一对多) ，而且一台主机可同时与8个外围装置通讯。

● 反应快速，在基本轮询速率(polling rate)下仅13.8 ms，且延迟时间短。

非对称(Asymmetric)MAC：

● 对外围装置动态分配地址，地址可重复使用(re-use)。

● 媒体撷取的顺序安排其实是由HID LLC完成的。

逻辑链路控制层特性

IrDA CONTROL的逻辑链路控制层特性如下：

● 支持数据序列(data sequencing)和重传(retransmission)机制，确保通讯质量。

● 与HID-IrDA控制网桥配合，可启动USB-HID链路控制功能。

Windows 2000 IrDA架构

IrDA Data和IrDA Control所有的必需性(required)和选择性(optional)标准都可从IrDA网站www.irda.org中下载。目前微软的操作系统都支持IrDA，这包含：IDG、WinCE、WinNT、Win98、Win2000、Win XP。PC 99和PC 2000的产品都有支持IrDA通讯端口，这包含部份WinCE硬件平台，如PalmPC...等。Windows是全球市场占有率最高的操作系统，所以Windows 2000也有支持一些独特的IrDA功能。下面就简介Windows 2000 IrDA的架构。

IrDA硬件驱动程序

如(图十)所示，Windows 2000 中的IrSIR.SYS驱动程序支持SIR UART串行埠适配卡。IrSIR.SYS利用SERIAL.SYS中的函式与IrDA硬件通讯。内建的SIR硬件必须在BIOS中宣告为PNP0510或PNP0511即插即用类别。

FIR IrDA硬件必须成为一个NDIS 4.0网络卡，藉由FIR驱动程序可以同时将数个FIR IrDA硬件虚拟成为数个NDIS网络卡。而每一个IrDA NDIS网络卡是一个独特的IrDA收发机，可支持唯一的IrLAP联机。每个FIR IrDA硬件必须具有一个唯一的即插即用识别编号，和硬件驱动程序。如果FIR IrDA硬件也支持SIR，则它必须也是PNP0510或PNP0511即插即用类别，以容许IrSIR.SYS视之为SIR硬件。

Windows 2000支持IrDA多个适配卡(multiple-adapter)

Windows 2000 IrDA通讯协议堆栈允许数个NDIS 4.0 FIR/SIR迷你埠适配卡可同时传输。这使单一服务器(server)可以同时接受数个用户(client)的连接撷取要求，而且，在主从网络架构下，对伺服端和用互端的用户而言，应用程序都是保持透明的，亦即用户无须了解底层的运作情形。因为每一个适配卡可构成一个IrLAP链接(connection)，所以，NDIS 4.0 FIR/SIR迷你埠适配卡是不可或缺的。

《图十 Windows 2000 IrDA架构》

原始的IrDA是不具备路由功能的，所以，多个IrDA网络卡虽然可以连接到单一的服务器上，但是彼此无法透过服务器通讯。不过，这可以透过映像表达到路由的目的。

每个IrDA网络卡和IrLAP联机(instance)都有一个唯一的IrDA MAC地址或DeviceId。

为了发觉附近的IrDA装置，IrDA有所谓的发现(discovery)作业。建立联机之前，IrDA装置必须先透过发现作业了解外围的装置。每个闲置装置都会执行发现作业，每个IrLAP联机都会保有一个外围装置发现表，每个联机中的IrDA网络卡都会被发现。

为了达到路由的目的，Windows 2000 IrDA通讯协议堆栈会保有一个装置地址与最后存在的IrDA网络卡的映像表(map) 。当用户要求与另一个用户连接时，IrDA通讯协议堆栈会将联机路由至另一个客户端。

结语

IrDA是低功率无线电通讯技术中，目前表现最成功的。它的单价已经低于5美元，而且，应用面正不断地扩大。反观蓝芽仍因成本过高，技术复杂，至今仍然无法普及。不过，IrDA的视线以内直线传输特性也阻碍了它的更进一步发展。

IrDA技术如今已非常成熟，并不适合国内业者贸然投入生产。但是，IrDA通讯协议架构却是其它后来技术的重要参考指针，例如:蓝芽、IEEE 802.11a/b、HomeRF.....等。而美国Extended Systems公司的OBEX通讯协议堆栈正是先在IrDA建构完成后，再移植至蓝芽的最佳技术转型之例证，非常值得国内业者学习。