葉敬昌

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

影響遙控接收性能的幾個(gè)因數(shù)

葉敬昌

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

紅外遙控接收由于其成本低、簡(jiǎn)單易用、操作方便、干擾小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在家電產(chǎn)品上，如：電視機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇、DVD、機(jī)頂盒等。由于紅外光的特點(diǎn)，發(fā)射端和接收端需要保證一定的距離和角度才能可靠通信。本文闡述了影響紅外通信性能的幾大因數(shù)，并簡(jiǎn)述如何提高紅外遙控接收性能。

紅外通信；影響因素；遙控接收

1 概述

紅外通信，顧名思義就是通過紅外線載波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。一般情況下通信過程如下：遙控器MCU將數(shù)據(jù)包發(fā)送給發(fā)射管，發(fā)射管內(nèi)部編碼器將信號(hào)編碼后加載在紅外光載波上，通過空間傳播給接收端（接收頭）。接收頭上的感光二極管接收到特定波長(zhǎng)的光信號(hào)后，發(fā)出電子信號(hào)給解碼芯片，解碼芯片將電子信號(hào)放大、濾波后送解調(diào)器，解調(diào)器解調(diào)去除載波還原信號(hào)后輸出有用的數(shù)據(jù)包。

從上面的通信過程可知，紅外無線通信的關(guān)鍵路徑是：發(fā)射端——空間傳播——接收端。提高紅外遙控接收性能，可以從這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)著手，但從開發(fā)者角度考慮，由于發(fā)射端一般情況下是可移動(dòng)設(shè)備，受限于電池壽命、容量等其發(fā)射功率一般不會(huì)太大，提高也有限；而設(shè)備的安裝和使用一般情況下不隨設(shè)計(jì)者的意愿而改變，故空間傳播基本上是恒定值，設(shè)計(jì)者無法從設(shè)備上改進(jìn)；因而提高接收端靈敏度是改善紅外遙控通信比較理想的方案。

2 接收端關(guān)鍵參數(shù)

接收端一般情況下就是接收頭，其內(nèi)部電路如圖1所示。

其關(guān)鍵參數(shù)有：

（1）載波頻率：載波頻率的大小決定了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小、傳輸速率及其頻率；

（2）電源電壓：接收頭工作電壓；

（3）電源電流：接收頭允許的工作電流；

（4）輸出電壓：輸出端輸出的電壓，有高電平輸出電壓和低電平輸出電壓兩種；

（5）輸出電流：輸出端輸出的電流；

（6）工作溫度：接收頭能可靠工作的溫度范圍；

（7）功耗：接收頭所消耗的功率，有待機(jī)功耗、解碼（最大）功耗兩種；

（8）峰值波長(zhǎng)：光敏芯片最敏感的光的波長(zhǎng)；

（9）輸出脈沖誤差：接收頭輸出脈沖寬度與輸入信號(hào)脈沖寬度的誤差范圍；

圖1 接收頭內(nèi)部電路

圖2 遙控接收模型

（10）接收距離：在一定的光強(qiáng)、電壓下接收頭能可靠接收并解碼的最遠(yuǎn)距離。

3 接收距離計(jì)算

理想情況下，紅外遙控接收距離可以使用圖2的模型計(jì)算。

遙控接收距離按照以下公式計(jì)算：

d2= Ie / Ee （1）

其中：

d：接收距離，單為m；

Ie：發(fā)射頭輻射光強(qiáng)，單位為mw/sr；

Ee：接收頭可靠解碼時(shí)，需要的紅外光強(qiáng)，單位mw/m2；

注：當(dāng)接收頭接收的光強(qiáng)達(dá)到30w/m2以上，即Ie/d2＞30w/m2時(shí)接收頭處于飽和狀態(tài)，無法解碼。

4 遙控接收角度計(jì)算

遙控接收角度如圖3所示，接收頭能可靠接收的角度按照以下公式計(jì)算：

a=2d×tan(Φ/2) （2）

其中：

a：窗口大小，單位m；

d：接收頭本體和窗口的距離，單位m；

Φ：可靠接收的角度，單位度；

由于實(shí)際使用中，受環(huán)境、制造工藝、接收距離等影響，a的距離往往需要加上一個(gè)修正值T（一般取5mm～10mm）。T值取多小，取決于加工工藝、使用環(huán)境、接收距離。即公式（2）修正后如下：

a=T+2d×tan(Φ/2) （3）

5 影響接收性能的因數(shù)

影響遙控接收性能的因數(shù)有以下幾個(gè)：

（1）接收距離；

（2）接收角度；

（3）紅外光強(qiáng)；

（4）接收頭感光元件靈敏度；

（5）接收頭解碼芯片性能；

（6）外部干擾。

5.1 接收距離

通常所說的接收距離是指在一定的電壓、紅外光強(qiáng)、可見光強(qiáng)下的水平接收距離。該距離表示該款接收頭可靠接收的最大距離（非極限距離）。根據(jù)公式（1）可知：遙控接收距離與發(fā)射光強(qiáng)、接收頭感光光強(qiáng)有關(guān)。發(fā)射光強(qiáng)越強(qiáng)，感光光強(qiáng)越?。ㄔ届`敏），接收距離越遠(yuǎn)；反之越短。

圖3 遙控接收角度

圖4 接收頭光敏特性（綠色線：接收頭感光特性曲線；藍(lán)色線：紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外曲線；紫色線：普通白

在發(fā)射光強(qiáng)一定的情況下，只能通過改善感光光強(qiáng)來提高接收距離。根據(jù)感光光強(qiáng)的定義：?jiǎn)挝幻娣e光的強(qiáng)度（能量）（mw/m2），可知在接收頭解碼時(shí)需要的光強(qiáng)（能量）一定時(shí)，增大感光元件（光敏二極管）的面積，可有效增加遙控接收距離。但感光元件的面積過大會(huì)不可避免地增加受干擾的幾率。由于感光元件屬于敏感部件，受成本、加工工藝、可靠性等影響，感光元件不會(huì)做的很大（也就是過于靈敏）。

5.2 感光元件的特性

感光元件產(chǎn)生的電信號(hào)大小正比于感光元件所受的光強(qiáng)。光強(qiáng)越強(qiáng)，電信號(hào)越大。也就是說只要有足夠的光強(qiáng)均可以讓感光元件產(chǎn)生電信號(hào)，而不管產(chǎn)生這個(gè)光強(qiáng)的光屬于什么光（可見光、紅外、紫外等）。但每種型號(hào)的感光元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光的反應(yīng)是不盡相同的，也就是光敏特性有所差異。下圖為某型號(hào)接收頭的光敏特性曲線。

科學(xué)家將紅外光譜分為3個(gè)區(qū)域，即：

（1）近紅外波段，其能量和波長(zhǎng)接近可見光，波長(zhǎng)在750nm～1300nm之間；

（2）中紅外波段，波長(zhǎng)在1300nm～3000nm之間；

（3）遠(yuǎn)紅外波段，波長(zhǎng)在3000nm～14000nm之間。

常用的紅外通信波長(zhǎng)在750nm～1300nm之間，也就是近紅外波段，其能量和波長(zhǎng)接近可見光，因此易受可見光干擾。由于紅外發(fā)射管發(fā)射的光譜集中在950nm波長(zhǎng)附近，因此對(duì)于紅外通信而言，有用信號(hào)集中在950nm波長(zhǎng)附近。為了避免接收頭因接收了其他波長(zhǎng)的光譜（包括可見光）而產(chǎn)生干擾信號(hào)，導(dǎo)致主控?zé)o法解碼，廠家往往會(huì)將感光元件和解碼芯片一起塑封在具有濾波性能的環(huán)氧樹脂里。塑封的環(huán)氧樹脂濾波性能如何，取決于廠家的加工工藝及環(huán)氧樹脂的配方，而非顏色的深淺。

5.3 接收角度

由于紅外線也是一種光，因此不同的接收角度會(huì)造成紅外線不同程度的反射，達(dá)到接收頭感光芯片的有效光強(qiáng)也就不一樣了，因此接受距離會(huì)受到不同程度的影響。

5.4 紅外光強(qiáng)

由于感光芯片及解碼芯片塑封在具有濾波特性的環(huán)氧樹脂里，一般情況下只有950nm波長(zhǎng)的紅外光才能達(dá)到感光芯片，因而只有波長(zhǎng)在950nm附近的光才能讓接收頭接收并解碼。在紅外光強(qiáng)一定的情況下，紅外（波長(zhǎng)在950nm附近）穿透率越高，遙控接收效果越好。

5.5 接收頭感光芯片的靈敏度

接收頭感光芯片的靈敏度越高，接收距離越遠(yuǎn)。但過高的靈敏度會(huì)不可避免地被可見光、低頻電磁波所干擾。為了解決靈敏度和干擾之間的矛盾，常常通過以下措施解決：

（1）改善環(huán)氧樹脂的配方，以提升其濾波特性，將無用的可見光濾除，讓950nm附近的紅外光通過；

（2）增加屏蔽外殼抑制低頻電磁（10KHz～100KHz）干擾。

5.6 接收頭解碼芯片性能

解碼芯片的性能決定了該接收頭的抗干擾能力、誤碼率、脈寬誤差、有效脈寬、濾波性能、靈敏度、接收距離、功耗等。不同的解碼芯片其性能有著天壤之別。

雖然解碼芯片塑封在環(huán)氧樹脂里，但其仍然是易受干擾部件，特別是高頻電磁干擾對(duì)其影響尤為明顯。對(duì)于高頻電磁干擾，只能通過芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)解決。

常見的解碼芯片失效有以下幾點(diǎn)：

（1）ADC濾波失效，導(dǎo)致解調(diào)器誤解碼；

（2）內(nèi)部放大電路失效，導(dǎo)致解調(diào)器無有效電平解碼；

（3）內(nèi)部振蕩電路起振不良，該故障表現(xiàn)為接收頭“休眠”、“假死”、“死機(jī)”；

（4）解調(diào)器失效，該故障表現(xiàn)為解碼脈寬誤差大、誤碼；

（5）自動(dòng)控制電路上電復(fù)位失效，該故障表現(xiàn)為接收頭“近距離”，即需要近距離大電流觸發(fā)后（沖開門檻電壓）才能正常工作，斷電上電后故障依舊。

5.7 外部干擾

外部干擾分為光、電磁干擾、電源紋波干擾等。不同的干擾源，接收頭表現(xiàn)出來的現(xiàn)象會(huì)有所差異。

（1）外部光干擾

強(qiáng)烈的外部干擾源（光頻在接收頭工作頻率附近干擾最為嚴(yán)重），用示波器測(cè)試接收頭輸出引腳，表現(xiàn)為低電平且一直維持低。但仍可遙控接收，只是接收距離相當(dāng)近。

（2）電磁干擾

強(qiáng)烈的電磁干擾會(huì)造成接收頭解碼脈寬誤差、掉碼甚至不解碼。依據(jù)不同頻率的電磁干擾，接收頭表現(xiàn)也有所差異。低頻電磁干擾，示波器顯示接收頭輸出腳有很寬的干擾毛刺，該干擾毛刺會(huì)造成解調(diào)器解出來的碼變形。高頻的電磁干擾，會(huì)造成接收頭不解碼，只有近距離用非常強(qiáng)的遙控信號(hào)才能觸發(fā)，讓其解碼。

（3）電源紋波干擾

電源紋波干擾，會(huì)使接收頭處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)，內(nèi)部模擬放大電路不能正常工作，會(huì)導(dǎo)致接收頭誤碼、脈寬變差。用示波器觀察接收頭輸出腳，在不遙控的狀態(tài)下輸出的是具有大量紋波的電平。在電源紋波干擾下，接收頭表現(xiàn)為接受距離近且容易丟碼。

6 總結(jié)

紅外通信以其低成本、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在家電領(lǐng)域。本文通過闡述影響紅外通信的幾大關(guān)鍵因數(shù)，并揭示了如何提高紅外通信距離及其可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)需要從多方面入手改善提高。

[1]Vishay．IR Receiver Module [J]．Germany，2011．

Factors of the infrared remote correspondence function

YE Jingchang
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

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