Тема 5.3. Беспроводные интерфейсы IrDa, Blue Tooth .

План

· Беспроводные интерфейсы IrDa и Bluetooth.

· Принципы передачи и приема информации.

· Скоростные характеристики.

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (InfraRed) Connection - безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. ИК - лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современ­ные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (РDА), мобильные те­лефоны, цифровые фотокамеры к т. п.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные - для обмена файлами между ком­пьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекцион­ный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать «живое видео». В 1993 голу создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1., наряду с которым существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard и Sharp. Эти интерфейсы обес­печиваю следующие скорости передачи.

o IrDA SIR, HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;

o IrDA HDLC (IrDA MIR) - 0,576 и 1.152 Мбит/с;

o IrDA FIR - 4 Мбит/с;

o ASK IR - 9,6-57.6 Кбит/с.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 им; светодиод дает конус аффективного излуче­ния с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффектив­но принимающие ИК-лучи а конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требо­вания к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для при­емника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком боль­шая мощность «ослепляет» приемник - принимаемые импульсы сольются в не­различимый сигнал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют поме­хи: засветка солнечным освещением или лампами накаливания, дающая посто­янную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи прихо­дится фильтровать. Спецификации IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (ВЕR) не более 10 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность — до 10 клюкс). Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать к полудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляция (есть свет - нет света) и различные схемы кодирования.

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, кото­рую рассмотрим снизу вверх. Ниже перечислены возможные варианты IrDA на физическом уровне.

• IrDA SIR - для скоростей 2.4-115.2 Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как и СОМ-портах): старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение бита кодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс на скорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR - А). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 преду­смотрен и иной режим — IrDA SIR - В, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс для всех этих скоростей.

• ASK IR - для скоростей 9,6-57.6 Кбит/с также используется асинхрон­ный режим, но кодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой им­пульсов с частотой 500 кГц, единичный - отсутствием импульсов.

• IrDA HDLC - для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхрон­ный режим передачи и кодирование, аналогичное SIR, но с длительностью импульса 1/4 битового интервала. Формат кадра соответствует протоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадра эта битовая последовательность исключается с помощью вставки битов. Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный СRС-код.

• IrDA FIR - для скорости 4 Мбит/с также применяется синхрон­ный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 01 — 0100, ()1 — 0100, 10 — 0010. 11 — 0001 (в четверках символов единица означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодирования позволяет вдвое снизить частоту включения светодиода по сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов облегчает адаптацию к уровню внешней засветки. Для повышения достоверности применяется 32-битный СRС-код.

Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP - модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-связи. Он инкапсулирует данные в кадры и предотвращает конфликты устройств: при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга, одно из них назначается первичным, а остальные — вторичными. Связь всегда полудуплексная. IrLAP описывает процедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соединение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обмена по максиму из доступных обоим (9,6, 19,2. 38Д 57.6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним ведущим устройством).

Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLМP. С его помощью устройство сообщает остальным о своем присутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточно поднести новое устройство или отнести его подальше). Протокол IrLМP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать и роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLМP могут узнать, присутствует ли требуемое им ус­тройство и зону охвати. Однако гарантированной доставки данных частот прото­кол не обеспечивает.

Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP - здесь обслуживаются виртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянные пакеты, ошибки данных и т. п.), произ­водится упаковка данных в пакеты и сборка исходных данных из пакетов (про­токол напоминает ТСР). На транспортном уровне может работать и протокол IгТР.

Протокол IгСОММ позволяет через ПК-связь эмулировать обычное проводное подключение:

• 3 - проводное по RS - 232С;

• 9 - проводное по RS - 232С;

• Сronics.

Протокол IrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям; он позволяет пере­давать кадры сетей Ethernet и Token Ring. Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство - провайдер с интерфейсом IrDA, подключенное обыч­ным (проводным) способом к локальной сети, н соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различны­ми способами; но отношению к системному блоку он может быть как внут­ренним (размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зре­ния» (30* у передатчика в 15° у приемника) и расстояния до требуемого уст­ройства (до I и).

Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115.2 Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов – демодуляторов. В ряде современных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт СОМ2. Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт СОМ2 использовать для инфракрасной связи, в СМОS Setup требуется выбрать соответствую­щий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование СОМ2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, РСI, РС Сагd), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программ­ный обмен (РIO) или DМА, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычная микросхема UART непригодна, поскольку она не поддерживает синх­ронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA ПК выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системную плату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.

Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connection системной платы, напрямую (если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточный разъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке на зад­ней стенке корпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем кон­некторе нет, и для большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжают кабелем с отдельными контактами разъема. Собрать их в долж­ном порядке предоставляют пользователю. Некоторые приемопередатчики, поддерживающие режим ПК и SIR, имеют раздельные вы­ходы приемников - IRRX (для SIR) и FIRRX (для FIR). Если контроллер поддер­живает только один из режимов, один из контактов останется неподключенным.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адаптера и трансивера требуется установка и настройки соответствующих драйверов, В ОС Windows 9х/МЕ/2000 контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет устанавливать соединение с локальной се­тью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов); передавать фай­лы между парой компьютеров; выводить данные на печать; синхронизировать данные РDА, мобильного телефона и настольного компьютера; выгружать от­снятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других по­лезных действий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) - это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радио­связи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными теле­фонами и любыми другими портативными устройствами. Разработкой специфи­кации занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, ком­пьютеров и сетей — ЗСоm, Аgеrе System, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Моtоrоlа, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вы­вела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth (ВТ) свободно доступна в сети, правда, весьма объемиста (около 15 Мбайт РDF-фай-лов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распрост­ранению, что уже и наблюдается на практике.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для про­мышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F = 2402 + к (МГц), где к = 0,...,78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные), возможен сокращенный ва­риант с F = 2454 + 1; (к - 0,...,22). Кодирование простое - логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю - отрицательная. Пере­датчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью эко­номии энергии.

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физичес­кий канал связи представляется определенной псевдослучайной последователь­ностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот). Группа уст­ройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последова­тельность перескоков), образует так называемую пикосетъ (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые уройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную» сеть. При этом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройство работает в одной пикосети, часть - в другой). Более того, мастер одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосе­ти никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последо­вательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последователь­но нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной час­тоте несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяется адресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-сло­тов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то есть несколько пе­рескоков пропускаются). Мастер и ведомые устройства ведут передачу пооче­редно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных - адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физичес­кие связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link, используются для передачи изохронно­го трафика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройства­ми, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повтор­ных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SСО с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое уст­ройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SСО от­носятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, АСL link, реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка - множество точек» между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера. Для большинства типов пакетов предусматривается передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь АСL.

Литература

Основная

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и Интерфейсы переферийных устройств. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 336 с.: ил.

2. Интерфейсы переферийных устройств / Под ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2003. – 935 с.: ил.

Дополнительная

1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети телекоммуникации. - СПб.: Питер, 2005. – 568 с.

2. Хамахер К. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.: ил.

 

Специальность (шифр), форма обучения	Вычислительные машины, комплексы, системы и сети (230101.65),  очная
Название дисциплины	Интерфейсы переферийных устройств
Курс, семестр	IV, VIII
Ф.И.О. преподавателя – разработчика материалов	Ткачук И.Ю.

Лекция 11