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）

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)越小（越靈敏），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)

Infrared remote controller receives as to be low cost, use in brief and easily, operation convenience, interference less characteristics etc. extensively applied at home appliances realm. Such as: the television, air condition, fan, DVD, the TV box etc. product. Because of the characteristics of the infrared light, the Transmitter and the Receiver need to be promise the certain distance and angle then it can dependable correspondence. This article mainly introduced several factors of the infrared remote correspondence function, and simplify explain how raise infrared remote controller receive function.

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