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红外技术在家庭中的应用
作者:Vishay,Jim Toal
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电视机/机顶盒/投影机展厅
数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机...
2010年,全球生产的红外接收器超过7亿颗。其中,大多数接收器被用于机顶盒、DVD、电视机、游戏机、空调投影机、数码相机和笔记本电脑中我们熟知的遥控应用,红外技术在一些新兴应用中也正在寻找新的空间。如3D电视的第一代主动快门式眼镜使用红外信号与电视机同步。用红外技术将音频信号发送到侧环绕音箱和后置音箱,可以简化家庭影院的安装过程。红外技术还被用作Universal Electronics发布的新协议的平台,使手持设备之间能象遥控器和机顶盒一样进行双向通信。

有两类红外传输技术:直接视线传输和散射传输。直接红外传输的特点是要求发送和接收设备之间在视线上不能有遮挡。散射式红外传输是非视线传输,而且没有方向性。这种传输方式的红外线很象从灯泡里发出的光。光线从墙和天花板上反射回来,洒满整个房间。在本文中,我们会讨论在一些新兴红外应用中应用这两种原理。

3D电视主动快门式眼镜的互操作难题

通过打开和关闭左右两边的光圈,使之与在电视机屏幕上显示的图像保持同步,家庭影院系统的主动式3D快门眼镜可以产生立体的3D效果。红外技术被用来捕捉从电视机到眼镜的同步信号。当第一个这种眼镜面世时,业界不得不专门为这种眼镜设置一个物理层或专用的通信协议标准,由此产生了多种解决方案。有些第一代3D同步系统使用850nm波长,其他的使用940nm。有些第一代系统的传输协议使用了载频,其他则使用未经调制的信号。在这些系统中采用了不同的和不兼容的数据信号定时协议。有的协议要求在整个时间段内进行同步,其他的使用锁相环(PLL)。有些系统使用一个或两个发射器来发送同步信号,有的最多会用10个发射器。有些系统的发射器和遥控接收器是隔离的,以避免串扰;有些则把发射器和接收器紧挨着放在同一个窗口后面。这些系统之间互不兼容,所以眼镜是根据显示器定制的,而且价格也很贵。

由于一些3D电视机使用与红外遥控接收机相同的940nm红外波长,会在彼此之间产生干扰。在观看3D电影时,同步发射器持续不断地象眨眼一样开和关。如果用户想让电影暂停一下,调大音量,或开启字幕,遥控信号就必须从向电视机遥控接收器发出的大量红外信号中挤过去。遥控接收器根据同步发射器的红外信号,自动调节增益。接收器的灵敏度会降低,或干脆停止工作。传输距离也受到不利影响。用户必须离电视机更近才能执行指令,或反复按指令键。这不但会影响与机顶盒或电视机的通信,也会中断DVD和空调的遥控信号。非调制3D系统对小型荧光灯发出的噪声脉冲尤其敏感。因此,有些设计方案使用大量发射器的原因是需要在这类系统中最小化接收机灵敏度,避免信号因CFL和其他来源而中断。糟糕的是,使用这种高发射器功率的3D系统本身就会变成一个主“噪声源”,把遥控器等其他红外系统全部搞乱。
消费电子协会(CEA)的3D电视同步工作组正努力解决这个问题,开发了一个通信标准,使眼镜能够互操作。一副符合CEA标准的市售Sony眼镜应该能和符合CEA标准的三星电视的眼镜一起工作,能够与任何电视兼容对消费者是有好处的,而且肯定会降低眼镜的价格。这个通信标准的目标是保证从3D电视机到主动式眼镜的红外同步信号不会受电视机遥控器信号和其他周围光学噪声源的影响,遥控信号也不会受同步信号的影响。这个建议标准可能会采用不同于标准遥控波长的3D电视红外同步信号,定义了一个传送信号的公共载频,降低了同步发射器的发射强度,围绕调制信号定义了标准化的传输协议。例如,3D同步使用25kHz、波长830nm的短突发调制信号,最大发射强度为1000 mW/sr。这类标准对现有遥控系统的影响最小,能够用TSOP35D25或TSOP75D25 3D接收器和TSHG8400或VSMG2720红外发射器就能轻松实现。CEA计划在二月份提交这个建议案。

用于音响的光学系统—家庭影院系统

由于遥控器和3D电视同步的主要难题是互操作和干扰,传送的信号要求聚焦或正对着接收器。相反,散射的红外信号是无方向性的。在被接收到之前,发射信号会在不同的表面上产生反射,信号会被削弱或衰减。散射式红外系统的挑战是接收和处理这种微弱信号。

家庭影响与普通电视机的主要不同点是立体声扬声器布置在侧面,还有后置扬声器。在一个标准家庭影院系统中,有3个前置扬声器,2个侧环绕扬声器或后置扬声器,还至少有一个低音炮。大多数消费者不会安装后置扬声器,因为他们不想让房间的四周都布上电线,或是不想花钱在墙里或是在地毯和地板下布线。但他们可能不知道会漏掉什么东西。电影的音轨是用多个声道录制的,以产生三维效果,发现频道“数字家庭”的Theo Kalomirakis这样追求极致的人甚至认为去掉后置扬声器就是简直就是罪过。幸运的是,在凿墙布线和拥有完整的环绕声体验之间不是只能二选一了。侧环绕或后置扬声器和低音炮可以用无线的方式从环绕声接收器接受音频信号。

近红外光包括波长从750nm到1050nm的光线,除了人眼看不见这个特性之外,具有可见光的大多数物理特性。象可见光一样,红外光会从天花板、墙壁和房间里的多数其他物体上反射回来。因此,发射光也被成为散射。散射红外光有几个特点,因此特别适合向侧环绕和后置扬声器传送音频信号。这些特点在Infra-Com的IrGate系统上得到了充分体现,该系统是针对室内的高数据速率无线通信而设计的,例如家庭影院系统中高端音频传输需要的无线通信。

发射器接收来自环绕声接收器的音频信号。一颗数字IC将该信号从模拟转换成数字,然后成帧,编码和调制。这个数字IC直接与红外发射二极管(IRED)的驱动IC接口,驱动IC驱动一个高速IRED阵列。散射的红外IrGate芯片组的通信距离最长可达13米(39英尺)。发射器阵列通常指向在天花板,在天花板和相邻的墙上产生“红外点”。这些表面做为天然的反射面或散射面,将红外发射扩散到房间的各个角落。人来回走动,或是房间里固定的物体都不会干扰进行中的通信。发射器可以设定发射各种水平的光功率,这样就可以实现不同的传输距离。

接收器使用一个PIN光敏二极管阵列,收集发射出来的红外光。由于经过吸收和多次反射,发射信号已经被严重削弱,所以只有一小部分的发射信号功率到达接收器。因此,散射红外接收器必须具有40dB以上的高灵敏度,这个要求比直接视线红外通信连接要高。携带调制的音频信号的红外光被转换成电信号。

在半双工模式下,IrGate可以支持最高25Mbit/s的数据速率。这种高比特率能够同时传输4路未压缩的脉冲编码调制(PCM)数字音频通道。该器件自动支持44.1/48/88.2/96 KHz采样的音频信号,最长可以达到24bit采样长度。在用射频传输时声音和图像可能不同步的场合,散射式红外技术具有足够的带宽,可以使用前向纠错(EFC)技术。这样接收器就能够探测和纠正偶发的错误,而不需要重传,使视频和音频保持同步。

遥控器的双向接口

如果我们从CES上学到什么的话,那就是控制显示器的接口正在不断发展变化。当家用电脑和电视机趋于融合,这种接口的演进也同时发生,需要记住的重要一点是,只要机顶盒、电视机和DVD制造商能从相关的收入中覆盖这部分成本,他们就会为遥控增加功能。与目前的遥控方式相比,象iPad触摸屏控制这种方式很炫但是太贵了。手势控制似乎将很快进入市场,但是服务提供商还没有想出把这些功能所增加的成本摊到售价里的办法。在遥控市场上,基于RF的设备慢慢引起人们更多的关注,与IPTV配套使用正在加速增长。只要产生这种革新,经济学就会让大多数遥控器在长时间内继续采用红外技术。这并不意味着手持端不会有什么变化,在低成本红外遥控器已经出现了一些新功能。

在许多机顶盒和配套的遥控器上已经实现了双向通信。采用Universal Electronics XMP-2协议,遥控器可以接收从机顶盒发来的数据,这些数据可以用于机顶盒的软件升级。同样的双向通道还可以在电视机或机顶盒与遥控器之间实现更先进的通信功能。只要交换的信息量在红外通信的容量之内。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/21/2012)
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