Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов периферийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локальным сетям.
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 ПУ. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т. п.
Различают инфракрасные системы:
- низкой (до 115,2 Кбит/с)
- средней (1,152 Мбит/с)
- 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, году 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 - HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и Sharp - ASKIR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обес-печивают следующие скорости передачи:
IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;
в IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra
Red) - 0,576 и 1,152 Мбит/с;
IrDA FIR (Fast Infra .Red) - 4 Мбит/с;
ASKIR - 9,6-57,6 Кбит/с.
Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм. Светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в 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 прихо¬дится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 109 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 модуляцию (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 в 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-A). 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-B, 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 (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.
IrDA FIR (IrDA4PPM) — для скорости 4 Мбит/с также
применяется синхронный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 00 — 1000, 01 — 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 засвет¬ки. Для повышения достоверности применяется 32-битный CRC-код.
Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) - модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-связи. Он преобразует 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. Соеди¬ение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обмена по максиму из доступных обоим (9,6, 19,2, 38,4, 57,6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним ведущим устройством).
Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLMP (IrDA Infrared Link Management Protocol). 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 IrLMP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLMP могут узнать, присутствует ли требуемое им устройство в зоне охвата. Однако гарантированной доставки данных этот протокол не обеспечивает.
Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP (IrDA Transport Protocols) - 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 TCP). На транспортном уровне может работать и протокол IrTP.
Протокол IrCOMM позволяет через ИК-связь эмулировать обычное проводное подключение:
3-проводное по RS-232C (TXD, RXD и GND);
9-проводное по RS-232C (весь набор сигналов СОМ-
порта);
Centronics (эмуляция параллельного интерфейса).
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, и соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).
Протокол объектного обмена IrOBEX (Object Exchange Protocol) - простой протокол, определяющий команды PUT и GET для обмена «полезными» двоичными данными между устройствами. Этот протокол располагается над протоколом Tiny ТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильных коммуникаций, определяющее передачу информации, относящуюся к сетям GSM (записная книжка, календарь, управление вызовом, цифровая передача голоса и т. п.), между телефоном и компьютерами разных размеров (от настольного до PDA).
Этими протоколами не исчерпывается весь список протоколов, имеющих отношение к ИК-связи. Заметим, что для дистанционного управления бытовой техникой (телевизоры, видеомагнитофоны и т. п.) используется то же 880-нм диапазон, но иные частоты и методы физического кодирования.
Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различными способами; по 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 и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).
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 COM2, Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракрасной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствующий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.
На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программный обмен (PIO) или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычная микросхема UART непригодна, поскольку она не поддерживает синхронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системную плату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.
Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connector 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.
Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232C для подключения к СОМ-порту или же с шиной USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост, как казалось бы: для работы модулятора-де¬модулятора требуется сигнал синхронизации с частотой, 16-кратной частоте пе¬редачи данных (этот сигнал поступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходе СОМ-порта нет и его приходится восстанавливать из асинхронного битового потока. Адаптер ASK IR в этом плане проще - передатчик должен передавать высокочастотные импульсы все время, пока на выходе TXD находится сигнал высокого уровня; приемник должен формировать огибающую принятых импульсов.
Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адап¬тера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов.
В ОС Windows 9x/ME/2000 контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет
- устанавливать соединение с локальной се¬тью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов);
- передавать файлы между парой компьютеров;
- выводить данные на печать;
- синхронизировать данные PDA, 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.
