用于光通信的光芯片及鉴权装置的制作方法
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光芯片及鉴权装置。
背景技术：
可见光通信技术是一种在led技术上发展起来的新型无线光通信技术。通过led光源的高频率闪烁来进行通信，可见光通信的传输速率最高达每秒千兆。可见光通信有着相当丰富的频谱资源，这是包括微波通信在内的一般无线通信无法比拟的。同时，可见光通信可以适用任何通信协议、适用于任何环境，并且可见光通信的设备架设灵活便捷、成本低廉，适合大规模普及应用。
可见光通信系统利用可见光进行近距离通信，可见光的指向性高，不能穿透障碍物，比使用无线通信方式具有更高的安全性。目前已有一些可见光通信系统开始应用，如光子物联网中的光子门禁系统、光子支付等。随着诸如手机之类的便携式设备的日益普及，可以利用手机的闪光灯功能将手机用作光子客户端，这大大地降低了可见光通信的应用门槛，而且由于手机原本就是用户随身携带的，因此不会对用户造成额外负担。
但是，日常利用手机等便携式光子客户端进行的可见光通信一般都是在有环境光的环境中。光子接收端在接收到光子客户端发出的光信号时通过光电转换将该光信号转换为有意义的电信号。然而，在环境光的照射下，光子接收端仍然会将毫无疑义的环境光转换成无用的电信号，这些无用的电信号是噪声信号，干扰了光子接收器正确地接收光子客户端发出的光信号。
另外，目前的光通信中由于编码方式的局限性，导致数据传输速率(即单位时间传输的信息量)仍较小，有进一步提高的空间。
技术实现要素：
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明的一方面，提供了一种光芯片，包括：光电转换单元，该光电转换单元用于接收光信号并通过光电转换产生电信号；光噪去除单元，该光噪去除单元耦接至该光电转换单元，用于去除该电信号中的光噪声以输出数字电平信号；以及解码单元，该解码单元耦接至该光噪去除单元，用于执行以下步骤以解码该数字电平信号：当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时；当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数；当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束；当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕；将接收到的各电信号单元转换为数据单元；以及将多个数据单元组合成数据。
在一实例中，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和为高电平到低电平的跳变。
在一实例中，该解码单元进一步用于执行以下步骤来将接收到的各电信号单元转换为数据单元：根据预先设置的对应表确定该记录电信号单元中的电平跳变的次数对应的数据单元。
在一实例中，该第一阈值等于期望的第一电平持续时间减去预先获得的光发射单元的闪烁延迟值。
在一实例中，该第二阈值等于期望的第二电平持续时间减去预先获得的光发射单元的闪烁延迟值。
在一实例中，该光噪去除单元包括：噪声过滤单元，该噪声过滤单元的输入端接收来自该光电转换单元的电信号，该噪声过滤单元用于过滤掉该电信号中由于环境光而生成的噪声电信号并在输出端输出目标脉冲信号；以及比较单元，该比较单元的第一输入端耦接至该噪声过滤单元的输出端以接收该目标脉冲信号，该比较单元用于根据该目标脉冲信号与参考电压之间的比较来输出该数字电平信号。
在一实例中，该噪声过滤单元包括：二极管，该二极管的正极耦接至该光电转换单元、以及该二极管的负极耦接至该比较单元的该第一输入端。
在一实例中，该光噪去除单元还包括：箝位电阻，该箝位电阻与该光电转换单元串联，该箝位电阻的第一端耦接至该光电转换单元的一端和该二极管的正极，该箝位电阻的第二端接地，以及该光电转换单元的另一端接电源电压，该箝位电阻将该二极管的正极上的电压箝位至在无信号光源照射情况下小于该二极管的导通电压、而在有信号光源照射的情况下大于该二极管的导通电压的一电压水平。
在一实例中，该光噪去除单元还包括：参考电压生成单元，该参考电压生成单元包括电阻和电容以构成低通滤波器，该电阻的一端耦接至该二极管的负极、另一端耦接至该电容的一端和该比较单元的第二输入端以提供该参考电压，以及该电容的另一端接地。
在一实例中，该噪声过滤单元包括：耦合电容，该耦合电容的第一端耦接至该光电转换单元、以及第二端耦接至该比较单元的该第一输入端。
在一实例中，该光噪去除单元还包括：第一分压电阻，该第一分压电阻的第一节点耦接至电源电压、第二节点接地、以及中间节点耦接至该耦合电容的该第二端和该比较单元的该第一输入端，该中间节点处的电压在无该信号光源照射情况下小于该参考电压、而在有该信号光源照射的情况下大于该参考电压。
在一实例中，该比较单元包括：比较器，该比较器的正输入端子是该比较单元的该第一输入端、以及负输入端子接收该参考电压。
在一实例中，该光噪去除单元还包括：参考电压生成单元，该参考电压生成单元耦接至该比较器的该负输入端子以提供该参考电压。
在一实例中，该参考电压生成单元包括：第二分压电阻，该第二分压电阻的第一节点耦接至电源电压、第二节点接地、以及中间节点耦接至该比较器的该负输入端子以提供该参考电压。
在一实例中，该比较单元包括：三极管，该三极管的基极是该比较单元的该第一输入端从而耦接至该噪声过滤单元的输出端，该三极管的发射极接地、以及集电极通过电阻耦接至电源电压，该集电极用于输出该数字电平信号，其中该参考电压为该三极管的导通电压。
本发明的另一方面还提供了一种鉴权装置，其包括上述的光芯片。
实施本发明的光芯片及鉴权装置，具有以下的有益效果：通过光去噪以及检测跳变的方式来检测光信号，大幅度的降低了干扰，提高了检测正确率。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是示出了可在其中实践本发明的可见光通信系统的简化框图；
图2是示出了根据本发明的一方面的编码单元的编码过程的流程图；
图3是示出了根据本发明的一方面的解码单元的解码过程的流程图；
图4是示出了根据本发明的一方面的示例性编码电信号；
图5是示出了根据本发明的第一实施例的光子客户端在门禁系统中执行的门禁控制的流程图；
图6是示出了根据本发明的第一实施例的光芯片在门禁系统中执行的门禁控制的流程图；
图7是示出了根据本发明的第二实施例的光子客户端在光子锁系统中执行的光子锁控制的流程图；
图8是示出了根据本发明的第二实施例的光芯片在光子锁系统中执行的光子锁控制的流程图；
图9是示出了根据本发明的第二实施例的示例性编码电信号；
图10是示出了根据本发明的另一方面的光接收单元的框图；
图11是示出了根据本发明的第一实施例的光接收器的各组件的框图；
图12是示出了在无环境光的条件下光电转换单元生成的目标电信号的示意图；
图13是示出了在有环境光且无信号光源的条件下光电转换单元生成的噪声电信号的示意图；
图14是示出了在有环境光且有信号光源的条件下光电转换单元生成的电信号的示意图；
图15是示出了光噪过滤单元输出的目标脉冲信号的示意图；
图16是示出了目标脉冲信号经滤波后的信号示意图；
图17是示出了比较器输出的数字电平信号的示意图；
图18是示出了根据本发明的第二实施例的光接收器的各组件的框图；
图19是示出了根据本发明的第三实施例的光接收器的各组件的框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
图1示出了可在其中实践本发明的可见光通信系统的简化框图。可见光通信系统100包括光子客户端110和光子接收端120。光子客户端110包括编码单元111。编码单元111接收原始通信数据。原始通信数据可以是与光子客户端110要传达给光子接收端的任何信息数据，例如，用户身份(id)信息、操作指令等等。
编码单元111可以采用任何编码方式来编码原始通信数据。编码单元111将经编码信号输出至光发射单元113。光发射单元113可以通过例如以发光表示逻辑高、而以不发光表示逻辑低(或反之)来将接收到的经编码信号以可见光的形式发送出去。光发射单元113可以是led或其他具有发光功能的元件。光子客户端110可以是光子物联网，例如光子门禁系统中的便携式设备，诸如手机、平板电脑、pda和光钥匙等等。光钥匙即基于可见光通信的可实现打开门锁的钥匙，也可以称为光子钥匙。此时，光发射单元113可以是手机上的闪光灯或者是外接在手机上的具有发光功能的元件。
处理单元112可以控制编码单元111、光发射单元113的操作。处理单元112可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)等。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理单元112也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理单元112还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
光子接收端120包括用于接收客户端110发射的可见光信号、并将可见光信号转换为数字信号的光接收单元123。例如，对于led灯产生的高频率闪烁，有光可代表逻辑高，无光可代表逻辑低，或反之，从而可将接收的可见光信号转换为电信号。光接收单元123可包括光敏器件，例如光电三极管、光电二极管。利用光电三极管、光电二极管的电信号与光信号的特性，通过光电转换将形成电脉冲信号。
解码单元121接收由光接收单元123输出的电信号并对其进行解码，以恢复出原始通信数据。处理单元122可以控制解码单元121、光接收单元123的操作。处理单元122可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)等。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理单元122也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理单元122还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
光子接收端120，特别是光子接收端120中的解码单元121和光接收单元123可以被集成在光芯片中。该光芯片可用于光子门禁系统中的门禁端、光子锁系统中的光子锁受控端等等。
前文描述了可见光通信系统中的光子客户端和光子接收端。本领域技术人员容易理解的是，在除可见光之外的其他光通信系统中，光子客户端和光子接收端也可以采用其他的光形式进行通信，例如红外光、紫外光等等。
经过研究发现，基于光发射单元，典型地如led灯的可见光通信的传输速率较小的原因之一是，led灯的闪烁控制存在延迟，即亮、暗状态的持续时间总是比所期望的设定值长。这一现象的直接结果是，为了传播同样长度的数据，led灯所需要的时间总比预计的时间长。更严重的是，闪烁控制的延迟使得发送端和信号端之间的同步存在困难。按照常规的编码技术，以led灯的高频率闪烁来进行通信，有光代表二进制1，无光代表二进制0。然而由于缺乏准确的同步，导致如果分别以有光、无光分别来代表二进制的1和0，会存在错误位接收。举例来说，当代表1位二进制0的无光状态的持续时间超出设定值后，额外的持续时间会被识别为另外1位二进制0。
由于led灯所存在的上述缺陷，本发明的一方面提出一种新的编码和解码方案。根据本发明的实施例，从光信号角度看，以有光到无光之间状态的变化而不是以有光或无光状态本身来代表信息。从电信号角度看，以电平跳变而不是电平持续状态本身来代表信息。
为此，在编码时，可以将待发送的数据(即原始通信数据)分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特。然后将这些数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的比特。相邻电信号单元之间则以固定电平表示间隔。电平的跳变可以仅包含低电平到高电平的跳变，或者仅包含低电平到高电平的跳变，还可以同时包含低电平到高电平的跳变和低电平到高电平的跳变。
可预先设置各电信号单元内的电平持续时间(在此称为第一电平持续时间)及相邻电信号单元间的电平持续时间(在此称为第二电平持续时间)。第二电平持续时间会大于第一电平持续时间。这种大小关系会显著到让接收端能够无误地识别。
在本发明的实施例中，考虑到led灯的闪烁延迟，在设置第一电平持续时间时，可以用作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值来进行调整。通常，是在所期望的电平持续时间的基础上，减去闪烁延迟值。举例来说，如果希望电平持续时间是3ms，而闪烁延迟值是2ms，则设定的电平持续时间为1ms。发光二极管的闪烁延迟值可以预先通过试验来确定。
可以理解，闪烁延迟值对第二电平持续时间的影响较小。可选地，在设置第二电平持续时间时，也可以用作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值来进行调整。
在得到了所期望的电信号后，以电信号控制发光二极管，由发光二极管以可见光信号形式发送。
在接收端，解码过程是相反的。当检测到电平跳变时，判断为一个电信号单元的开始；当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数；当检测到的电平持续时间大于第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断一个电信号单元结束。当检测到的电平持续时间大于第三阈值时，判断信号接收完毕。其中，第三阈值大于第二阈值大于第一阈值。可以理解，第一阈值、第二阈值和第三阈值的设置会参考前述的第一电平持续时间和第二电平持续时间。
在接收完毕后，将接收到的各电信号单元转换为数据单元，然后将多个数据单元组合成数据。由此获得可见光信号所表征的信息。
可以理解，电平跳变至少会有一次。因此即使是一个电信号单元的所有比特值均为0，也会以电平跳变而不是以电平持续状态来表示。
现在参考附图描述所要求保护的发明，在全部附图中使用相同的参考标号来指相同的部件或步骤。在以下描述中，为解释起见，披露了众多具体细节以提供对所要求保护的主题的全面理解。然而，显而易见的是，这些发明也可以不采用这些具体细节来实施。
参见图2，是本发明的一方面的编码单元的编码过程的流程图。该编码单元可以是图1中的编码单元111。该编码单元可通过以下步骤对要发生的原始通信数据进行编码：
步骤201，将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特(bit)。这些待发送的数据可以是文本、图片、音频和/或视频。
步骤202，将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始。
例如，一个电信号单元内高(或低)电平的持续时间为2ms。每个电信号单元有四个从电平的变换，包括低电平到高电平的变换和高电平到低电平的变换，每个电信号单元表示2比特信息，四个电信号单元组成一个字节。当一个电信号单元中的从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为1时，代表信息00；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为2时，代表信息01；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为3时，代表信息10；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为4时，代表信息11。从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数与其代表的信息之间的对应关系如表1所示。
表1
因此可以根据预先设置的上述对应关系表，确定信息单元所对应的电信号单元的电平组合。
当然，每个电信号单元可以表示1比特信息，这需要最多2次跳变。以此类推，每个电信号单元可以表示3比特信息，这需要最多8次跳变。
从上表也可以看出，即使是比特值00，也会有一次电平跳变。
在此，该第一电平持续时间可经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。调整的方式是将期望的第一电平持续时间减去闪烁延迟值，得到设定的第一电平持续时间。举例来说，期望一个电信号单元内高(或低)电平的持续时间为2ms。然而经闪烁延迟值调整后，设定的光信号持续时间会低于2ms，甚至为0。
另外，相邻两个电信号单元之间的高(或低)电平的第二电平持续时间大于第一电平持续时间，可设定为25ms，这一持续时间既可以经过闪烁延迟值调整，也可以不经调整。
步骤203，对各个电信号单元进行组合，获得编码后的电信号。图4为一个示例性的编码电信号，其中示出比特值与电平之间的关系示意图，图中的四个电信号单元分别有2次、4次、1次和3次电平的跳变，代表01、11、00和10，其中电平的跳变是指低电平到高电平和从高电平到低电平的跳变，相邻两个电信号单元之间的高(或低)电平的持续时间是27ms，组合后的信号为一个字节，其二进制表示为01110010，对应的十六进制信号为0x72。
在后续，该编码后的电信号可以可见光形式进行发送，例如有光表示高电平、无光表示低电平。
参见图3，是本发明的一方面的解码单元的解码过程的流程图。该解码单元可以是图1中的解码单元121。该解码单元可通过以下步骤进行解码：
步骤301，当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时。电平跳变可以是从低电平到高电平，也可以是相反地从高电平到低电平。
步骤302，当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，表明电信号单元仍在持续，在此期间记录电平跳变的次数。持续的电平可以是高电平或低电平。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始记录。
步骤303，当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束。
步骤304，当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕。
其中，第三阈值>第二阈值>第一阈值。而且，相应于发送端的第一电平持续时间的调整，第一阈值也经过相同的闪烁延迟值调整以便能够正确判别代表性的电平。另外，第二阈值和第三阈值既可以经闪烁延迟值调整，也可以不经闪烁延迟值调整。
例如，设置第一、第二和第三阈值分别为0、25ms和60ms，当检测到上升沿(或下降沿)时，开始计时，当检测到的高(或低)电平的持续时间大于0，且小于等于25ms时，记录从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数；当检测到的高(或低)电平的持续时间大于25ms，且小于等于60ms时，认为是一个电信号单元的结束标志；当检测到的高(或低)电平的持续时间大于60ms时，认为信号接收完毕。
在另一情形下，高(或低)电平的持续时间大于第三阈值也可能代表信号接收中断，重新开始检测信号。
步骤305，将接收到的各电信号单元转换为数据单元。
步骤306，将多个数据单元组合成数据，从而获得可见光信号表征的信息。
根据本方面的该发明提供的编码单元，将数据分成若干个电信号单元，各电信号单元之间以电平的持续时间来区分，在一个电信号单元内，以电平的变换次数表示信息。这一编码方案使得即使存在由led灯的闪烁延迟导致的同步问题，接收端仍能正确地解码数据。而且，利用闪烁延迟值来调整电平持续时间，使得电平持续时间被有效缩短，从而提高了单位时间的信息传输量。
尽管为使解释简单化将上述过程图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些过程不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
下文结合图5-6和图7-9来描述包括上述解码单元的光芯片分别在门禁系统和光子锁系统中的应用的两个实施例。
第一实施例
图5和图6分别是示出了根据本发明的第一实施例的光子客户端和光芯片在光子门禁系统中执行的门禁控制的流程图。
本实施例是在光子门禁系统中实施，其中光子客户端可以是手机，而光芯片可以是光子门禁受控端。光子门禁受控端除了解码信号外，还可进一步利用信号进行匹配，从而决定是否开门。
参照图5所示，手机可通过以下步骤执行门禁控制：
步骤501，在手机内将待发送的身份识别数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特(bit)。
步骤502，将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始。
例如，一个电信号单元内高(或低)电平的持续时间为2ms。每个电信号单元有四个电平的变换，包括从低电平到高电平的变换和高电平到低电平)的变换，每个电信号单元表示2比特信息，四个电信号单元组成一个字节。当一个电信号单元中的从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为1时，代表信息00；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为2时，代表信息01；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为3时，代表信息10；当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为4时，代表信息11。从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数与其代表的信息之间的对应关系如表1所示。
当然，每个电信号单元可以表示1比特信息，这需要最多2次跳变。以此类推，每个电信号单元可以表示3比特信息，这需要最多8次跳变。
在此，该第一电平持续时间可经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。调整的方式是将期望的第一电平持续时间减去闪烁延迟值，得到设定的第一电平持续时间。举例来说，期望一个电信号单元内高(或低)电平的第一电平持续时间为2ms。然而经闪烁延迟值调整后，设定的光信号持续时间会低于2ms，甚至为0。
另外，相邻两个电信号单元之间高(或低)电平的第二电平持续时间可设定为25ms，这一持续时间既可以经过闪烁延迟值调整，也可以不经调整。
步骤503，对各个电信号单元进行组合，获得编码后的电信号。图4为一个示例性的编码电信号，其中示出比特值与电平之间的关系示意图，图中的四个电信号单元分别有2次、4次、1次和3次电平的跳变，分别代表01、11、00和10，其中电平的跳变是指低电平到高电平和从高电平到低电平的跳变，，相邻两个电信号单元之间的高(或低)电平的持续时间是27ms，组合后的信号为一个字节，其二进制表示为01110010，对应的十六进制信号为0x72。
步骤504，以可见光信号形式发送编码后的电信号。发送时需要将手机的led发射源对准接收光子门禁受控端。
参见图6，光子门禁受控端可通过以下步骤执行门禁控制：
步骤601，光子门禁受控端接收可见光信号并转换为电信号。
步骤602，当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时。电平跳变可以是从低电平到高电平，也可以是相反地从高电平到低电平。
步骤603，当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，表明电信号单元仍在持续，在此期间记录电平跳变的次数。持续的电平可以是高电平或低电平。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始记录。
步骤604，当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束。
步骤605，当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕。
其中，第三阈值大于第二阈值大于第一阈值。
例如，设置第一、第二和第三阈值分别为0、25ms和60ms，当检测到上升沿(或下降沿)时，开始计时，当检测到的高(或低)电平的持续时间大于0，且小于等于25ms时，记录从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数；当检测到的高(或低)电平的持续时间大于25ms，且小于等于60ms时，认为是一个电信号单元的结束标志；当检测到的高(或低)电平的持续时间大于60ms时，认为信号接收完毕。
在另一情形下，高(或低)电平的持续时间大于第三阈值也可能代表信号接收中断，重新开始检测信号。
步骤606，将接收到的各电信号单元转换为数据单元。
步骤607，光子门禁受控端将多个数据单元组合成身份识别数据，从而获得可见光信号表征的信息。
步骤608，光子门禁受控端将身份识别数据与预设条件进行对比，若身份识别数据与预设条件匹配，则控制与其连接的门致动器开门。
在本实施例中，身份识别数据与预设条件匹配，包括识别数据与预设条件相同；或者识别数据与预设条件之间存在对应关系。
本实施例用手机作为光子门禁系统的发送端，将编码后的身份识别数据通过手机的led灯以可见光信号的形式发送出去。光子门禁受控端对从手机接收的可见光信号进行解码，然后根据解码获得的识别数据进行鉴权，若通过鉴权，则控制与其连接的门致动器开门，从而实现手机开门，提高用户体验。
第二实施例
图7和图8分别是示出了根据本发明的第二实施例的光子客户端和光芯片在光子锁系统中执行的光子锁控制的流程图。
本实施例是在光子锁系统中实施，其中光子客户端可以是光子钥匙，而光芯片可以是光子锁受控端。光子锁受控端除了解码信号外，还可进一步利用信号进行匹配，从而决定是否开锁。
参照图7所示，光子钥匙可通过以下步骤执行光子锁控制：
步骤701，在光子钥匙内将待发送的身份识别数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特(bit)。
步骤703，将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始。
例如，一个电信号单元内高(或低)电平的持续时间为2ms。每个电信号单元有四个电平的变换，包括从低电平到高电平的变换，每个电信号单元表示2比特信息，四个电信号单元组成一个字节。当一个电信号单元中的从低电平到高电平的变换次数为1时，代表信息00；当从低电平到高电平的变换次数为2时，代表信息01；当从低电平到高电平的变换次数为3时，代表信息10；当从低电平到高电平的变换次数为4时，代表信息11。从低电平到高电平的变换次数与其代表的信息之间的对应关系如表1所示。
当然，每个电信号单元可以表示n比特信息，n为自然数，例如1比特信息，这需要最多2次跳变。以此类推，每个电信号单元可以表示3比特信息，这需要最多8次跳变，例如当一个电信号单元中的从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为1时，代表信息000；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为2时，代表信息001；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为3时，代表信息010；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为4时，代表信息011，当一个电信号单元中的从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为5时，代表信息100；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为6时，代表信息101；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为7时，代表信息110；当从低电平到高电平或/和高电平到低电平的变换次数为8时，代表信息111。上述跳变次数对应代表的信息可以根据用户需要和习惯灵活设置。
在此，该第一电平持续时间可经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。调整的方式是将期望的第一电平持续时间减去闪烁延迟值，得到设定的第一电平持续时间。举例来说，期望一个电信号单元内高(或低)电平的第一电平持续时间为2ms。然而经闪烁延迟值调整后，设定的光信号持续时间会低于2ms，甚至为0。
另外，相邻两个电信号单元之间高(或低)电平的第二电平持续时间可设定为25ms，这一持续时间既可以经过闪烁延迟值调整，也可以不经调整。
步骤703，对各个电信号单元进行组合，获得编码后的电信号。图9为一个示例性的编码电信号，其中示出比特值与电平之间的关系示意图，图中的四个电信号单元分别有2次、4次、1次和3次低电平到高电平的跳变，分别代表01、11、00和10，相邻两个电信号单元之间的高或低电平的持续时间是27ms，组合后的信号为一个字节，其二进制表示为01110010，对应的十六进制信号为0x72。
步骤704，以可见光信号形式发送编码后的电信号。在发送时需要将光子钥匙的led发射源对准接收光子锁受控端。
参见图8，光子锁受控端可通过以下步骤执行光子锁控制：
步骤801，光子锁受控端接收可见光信号并转换为电信号。
步骤802，当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时。电平跳变可以是从低电平到高电平，也可以是相反地从高电平到低电平。
步骤803，当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，表明电信号单元仍在持续，在此期间记录电平跳变的次数。持续的电平可以是高电平或低电平。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始记录。
步骤804，当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束。
步骤805，当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕。
其中，第三阈值大于第二阈值大于第一阈值。
例如，设置第一、第二和第三阈值分别为0、25ms和60ms，当检测到上升沿时，开始计时，当检测到的高电平的持续时间大于0，且小于等于25ms时，记录从低电平到高电平的变换次数；当检测到的低电平的持续时间大于25ms，且小于等于60ms时，认为是一个电信号单元的结束标志；当检测到的低电平的持续时间大于60ms时，认为信号接收完毕。
在另一情形下，低电平的持续时间大于第三阈值也可能代表信号接收中断，重新开始检测信号。
步骤806，将接收到的各电信号单元转换为数据单元。
步骤807，光子锁受控端将多个数据单元组合成身份识别数据，从而获得可见光信号表征的信息。
步骤808，光子锁受控端将身份识别数据与预设条件进行对比，若身份识别数据与预设条件匹配，则控制与其连接的电动锁开锁。
在本实施例中，身份识别数据与预设条件匹配，包括识别数据与预设条件相同；或者识别数据与预设条件之间存在对应关系。
本实施例用光子钥匙作为光子锁控制系统的发送端，将编码后的身份识别数据通过光子钥匙的led灯以可见光信号的形式发送出去。光子锁受控端对从光子钥匙接收的可见光信号进行解码，然后根据解码获得的识别数据进行鉴权，若通过鉴权，则控制与其连接的电动锁开锁，从而实现光子钥匙开锁，提高用户体验。
本发明还提供了一种鉴权装置，该鉴权装置可用在门禁系统、地铁系统、支付系统或消费管理系统。该鉴权装置可包括光芯片。以门禁系统为例，本实施例用手机作为发送端，将编码后的识别数据通过led灯以可见光信号的形式发送出去。光芯片对从手机接收的可见光信号进行解码，然后根据解码获得的识别数据进行鉴权，若通过鉴权，则控制与其连接的门致动器，从而实现开门，提高用户体验。
经过进一步研究发现，在光芯片的使用过程中，环境光的存在导致光芯片正确接收和解码光信号的能力大大下降。因此，本发明的另一方面致力于提供了能降低环境光的噪声影响的光芯片。
图10是示出了根据本发明的一方面的光接收单元1000的框图。如图10所示，光接收单元1000可包括光电转换单元1010。光电转换单元1010可用于接收光信号，并通过光电转换将收到的光信号转换成电信号。光电转换单元1010可包括光电三极管、光电二极管等。
光电转换单元1010接收到的光信号可包括信号光源(例如，光子客户端的光发射单元)发出的带有通信数据的目标光信号，但是也可能包括作为噪声的环境光。因此，光电转换单元1010生成的电信号中可包括源于信号光源的目标电信号，也可包括源于环境光的噪声电信号。
环境光严重影响了对目标光信号的正确接收，降低了光通信的吞吐量，甚至有可能导致通信失败。为此，根据本发明的一方面的光接收单元1000还可包括光噪去除单元1020以去除环境光噪声的影响。
光电转换单元1010生成的电信号可包括源于信号光源的目标电信号，也可包括源于环境光的噪声电信号。如上所述，信号光源发射按一定规律高频闪烁的光信号，例如有光可代表逻辑高，无光可代表逻辑低。通过光电转换，光电转换单元1010得到的对应目标电信号相应地为一高低电平脉冲序列，例如，高电平对应于信号光源发光，低电平对应于信号光源不发光。然而，环境光一般是不变或变化可忽略不计的。因此，对应于环境光，光电转换单元1010生成的噪声电信号可近似为一直流信号，或幅值较小且变化缓慢的交流信号。所以，在存在环境光的条件下，光电转换单元1010在接收信号光源的目标光信号后生成的电信号是叠加了一噪声电信号的脉冲信号。
鉴于此，光噪去除单元1020可包括噪声过滤单元1021。噪声过滤单元1021耦接至光电转换单元1010以接收光电转换单元1010生成的电信号。噪声过滤单元1021可过滤掉电信号中由于环境光而生成的噪声电信号，从而生成目标脉冲信号。该目标脉冲信号的脉冲序列可近似于目标电信号，例如具有与目标电信号变化一致的脉冲序列。
光噪去除单元1020还可包括比较单元1022。比较单元1022的第一输入端可耦接至噪声过滤单元1021的输出端以接收目标脉冲信号。比较单元1022可基于该目标脉冲信号和参考电压的比较来输出数字电平信号。
噪声过滤单元1021输出的目标脉冲信号尽管具有与目标电信号变化一致的脉冲序列，但是该目标脉冲信号的脉冲幅值一般较小，难以被用作数字电路的逻辑电平信号，比较单元1022可通过目标脉冲信号与参考电压的比较输出逻辑电平信号，例如取决于电源电压，高电平可达3-5v。该参考电压的大小可以介于目标脉冲信号的脉冲序列的峰值和谷值之间。例如，在目标脉冲信号的电平高于参考电压时(对应于目标脉冲信号的脉冲)，比较单元1022可输出逻辑高电平，而在目标脉冲信号的电平低于参考电压时(对应于目标脉冲信号的脉冲间隔)，比较单元1022可输出逻辑低电平。由此，可以得到准确反映信号光源发射的目标光信号的数字逻辑的逻辑电平信号。
在此情形中，解码单元所解码的对象即为该比较单元1022输出的数字电平信号。由于该数字电平信号是消除了光噪声的干净信号，因此可以提高解码单元的解码效率，进一步改善光通信吞吐量。
图11是示出了根据本发明的第一实施例的光接收单元1100的各组件的框图。如图11所示，光接收单元1100可包括光电三极管q1，以将光信号转换为电信号。作为替换，也可使用光电二极管等其他光敏器件作为光电转换单元。
光接收单元1100还可包括二极管d1和电阻r1。光电三极管q1的集电极耦接至电源电压vcc(例如，5v)，光电三极管q1的发射极耦接至电阻r1的一端以及二极管d1的正极，电阻r1的另一端接地，这里的电阻r1起到箝位电阻的作用。
光接收单元1100还可包括电阻r2和电容c1，以及运算比较器cmp。电阻r2的一端耦接至二极管d1的负极，另一端耦接至电容c1的一端和比较器cmp的负输入端子，电容c1的另一端接地。另外，比较器cmp的正输入端子耦接至二极管d1的负极。比较器cmp的输出端可输出数字电平信号vout，并通过电阻r3耦接至电源电压vcc。
在没有任何光(包括信号光源和环境光)照射光电三极管q1时，光电三极管q1处于截止状态，没有电流通过，节点s1处电压为0。相应地，二极管d1也处于截止状态。
当有光照射光电三极管q1时(例如，信号光源、环境光源、或者同时这两者)，由于光电效应，产生通过光电三极管q1的电流，进而导致节点s1上的电压波动。节点s1上的该电压波动即代表了源于光电转换而生成的相应电信号。
信号光源的目标光信号是高频闪烁的。在理想情况下，即没有环境光的条件下，s1上的生成的电信号为对应于目标光信号的目标电信号，该目标电信号为一高低电平的脉冲序列。图12是示出了在无环境光的条件下光电转换单元生成的目标电信号的示意图。目标电信号的脉冲的幅值为v1。
在存在环境光但是没有信号光源的情况下，受环境光的照射，节点s1上生成的电信号为对应于环境光的噪声电信号。图13是示出了在有环境光且无信号光源的条件下光电转换单元生成的噪声电信号的示意图。一般情况下，环境光可被视为是不变或变化较慢的，因此，对应的噪声电信号可近似为一直流信号，大小为v2，如图13所示。
在有信号光源照射同时又存在环境光的条件下，节点s1上可生成包含了目标电信号和噪声电信号两者的电信号。图14是示出了在有环境光且有信号光源的条件下光电转换单元生成的电信号的示意图。如图14所示，此时的电信号是目标电信号的基础上叠加了一直流噪声电信号的脉冲信号，其脉冲的幅值为v3＝v1+v2，脉冲间隔处的电平为v2。
节点s1处的电压是由光电转换导致的通过电阻r1的电流(由光强决定)以及r1的阻值所决定的。光越强，电阻r1越大，则节点s1处的电压越大。一般而言，环境光的光强是小于信号光源(例如，闪光灯)的光强的。因此，在相对大小上，v1>v2。
假设，二极管d1的导通电压为vt。通过选取适当的r1阻值，可以使得在v1>vt≥v2。即，在只有环境光的条件下，直流噪声电信号不足以使二极管d1导通。d1一直处于截止状态，节点s2上的电压也一直为0。但是在只有信号光源、或者在既有信号光源又有环境光的条件下，产生的电信号(包括目标电信号和噪声电信号)可以使二极管d1按照目标电信号的脉冲序列而有规律地导通和截止，从而在节点s2上产生与目标电信号对应的目标脉冲信号。该目标脉冲信号具有与目标电信号变化一致的脉冲序列，并且脉冲幅值：
v4＝v1-vt，只有信号光源但无环境光的照射条件；以及
v4＝v3-vt＝v1+v2-vt，既有信号光源又有环境光的照射条件。
图15是示出了该目标脉冲信号的示意图。如图15所示，该目标脉冲信号具有与目标电信号变化一致的脉冲序列，区别仅在于脉冲幅值v4≤v1。
此处，二极管d1起到了过滤光噪的作用，可对应于图10的噪声过滤单元1021。一些情况下，环境光也是以一定频率变化的，例如日光灯，只是与信号光源的闪烁频率相比可以忽略不计，本文中也因此将噪声电信号近似为直流信号。但是此时，产生的噪声电信号仍有可能影响最终的逻辑输出。因此，通过二极管d1过滤掉噪声电信号，极大地提高了接收精度。
二极管d1的负极耦接至比较器cmp的正输入端子，即将该目标脉冲信号送至比较器cmp作为其正输入。比较器cmp具有两个输入端子，为正输入端子和负输入端子。当比较器cmp的正输入大于负输入时，输出逻辑高，例如ttl电平3v，这取决于电源电压vcc，否则输出逻辑低，例如ttl电平0v。
比较器cmp的负输入端子耦接至电阻r2和电容c1的连接点s3。这里，电阻r2和c1可构成低通滤波器，以对目标脉冲信号进行滤波。对任何一个信号f(t)都可以使用傅立叶级数展开：
故经过低通滤波器滤波后，理想情况只有直流分量通过。对于rc滤波器，其传递函数为
节点s3处的经滤波信号被输入到比较器cmp的负输入端。比较器cmp可输出数字电平信号，该数字电平信号为逻辑电平信号，例如逻辑1为ttl高电平(诸如3v)，逻辑0为ttl低电平(诸如0v)。图17是示出了比较器输出的数字电平信号的示意图。
这里的比较器cmp可对应于图10的比较单元1022。r2和c1构成的低通滤波器为比较器cmp提高了供比较之用的参考电压，因此可被视为参考电压生成单元。
图18是示出了根据本发明的第二实施例的光接收单元1800的各组件的电路结构图。类似于图11，光接收单元1800可包括光电三极管q1，以将光信号转换为电信号。作为替换，也可使用光电二极管等其他光敏器件作为光电转换单元。
光接收单元1800还可包括电容c1和电阻r1。光电三极管q1的集电极耦接至电源电压vcc(例如，5v)，光电三极管q1的发射极耦接至电阻r1的一端以及电容c1的一端，电阻r1的另一端接地。
光接收单元1800还可包括分压电阻和三极管q2。电容c1的另一端耦接至分压电阻中间节点。该分压电阻包括电阻r2和r3。r2和r3的中间节点还被耦接至三极管q2的基极。r2和r3的另一端分别耦接至电源电压vcc和接地。三极管q2的发射极接地，而其集电极通过电阻r4耦接至电源电压，该集电极还用于输出数字电平信号vout。
类似于上文参考图11描述的，在没有任何光(包括信号光源和环境光)照射光电三极管q1时，光电三极管q1处于截止状态，没有电流通过，节点s1处电压为0。
当有光照射光电三极管q1时(例如，信号光源、环境光源、或者同时这两者)，由于光电效应，产生通过光电三极管q1的电流，进而导致节点s1上的电压波动。节点s1上的该电压波动即代表了源于光电转换而生成的相应电信号。
分压电阻r2、r3的阻值决定了节点s4处的基础电压
信号光源的目标光信号是高频闪烁的。在理想情况下，即没有环境光的条件下，s1上生成的电信号为对应于目标光信号的目标电信号，该目标电信号为一高低电平的脉冲序列。
在存在环境光但是没有信号光源的情况下，受环境光的照射，节点s1上生成的电信号为对应于环境光的噪声电信号。一般情况下，环境光可被视为是不变或变化较慢的，因此，对应的噪声电信号可近似为一直流信号。
在有信号光源照射同时又存在环境光的条件下，节点s1上可生成包含了目标电信号和噪声电信号两者的电信号。此时的电信号是目标电信号的基础上叠加了一直流噪声电信号的脉冲信号。
电容c1起到通交流、隔直流的作用。即，电信号中的直流分量无法到达节点s4处。如上所述，噪声电信号是直流信号、或近似直流信号。由此，电容c1可以有效地过滤掉噪声电信号。所以，c1起到过滤噪声电信号的作用，对应于图10的噪声过滤单元1021。到达节点s4的目标脉冲信号则近似于目标电信号，例如具有与目标电信号变化一致的脉冲序列。
通过设置分压电阻，可使基础电压v基设为小于q2的导通电压，而在叠加了目标脉冲信号的电压后大于q2的导通电压。由此，三极管q2可按照目标电信号的脉冲序列而有规律地导通和截止。通过三极管q2的导通和截止，可在集电极输出相应的数字电平信号vout。
在本实施例中，三极管q2通过节点s4处的电压与自身导通电压的比较来输出数字电平信号，可对应于图10的比较单元1022。由于参考电压是三极管q2自身的导通电压，因此，比较单元222可被视为自身即包含了参考电压生成单元，或者参考电压生成单元是比较单元的一部分。
图19是示出了根据本发明的第三实施例的光接收单元1900的各组件的框图。类似于图18，光接收单元1900可包括光电三极管q1，以将光信号转换为电信号。作为替换，也可使用光电二极管等其他光敏器件作为光电转换单元。
光接收单元1900还可包括电容c1和电阻r1。光电三极管q1的集电极耦接至电源电压vcc(例如，5v)，光电三极管q1的发射极耦接至电阻r1的一端以及电容c1的一端，电阻r1的另一端接地。
光接收单元1900还可包括第一分压电阻和比较器cmp。电容c1的另一端耦接至分压电阻中间节点。该第一分压电阻包括电阻r2和r3。r2和r3的该中间节点还被耦接至比较器cmp的正输入端子。r2和r3的另一端分别耦接至电源电压vcc和接地。
光接收单元1900还可包括第二分压电阻，第二分压电阻包括电阻r4和r5。比较器cmp的负输入端子可耦接至第二分压电阻的中间节点，即r4与r5的连接点，r4和r5的另一端分别耦接至电源电压vcc和接地。
图19与图18的电路从左侧起直至节点s4都是一样的，即在节点s4上可生成目标脉冲信号。区别在于图19中使用比较器cmp作为比较单元来执行比较和输出。即，目标脉冲信号被输入至比较器cmp的正输入端子。比较器cmp的负输入端子被耦接至第二分压电阻的中间节点以接收供比较之用的参考电压。在此意义上，第二分压电阻可被视为参考电压生成单元。
容易理解，输入至比较器cmp的负输入端子的该参考电压可介于目标脉冲信号的脉冲序列的峰值和谷值之间。由此，cmp可输出反映信号光源发射的目标光信号的数字逻辑的逻辑电平信号。
尽管出于说明的目的描述了特定的实施例，但是容易理解，本发明的各方面并不限于这些特定实施例。参照特定实施例描述的一些组件可能不是必需的、可能有替换组件、或者还可能有额外的组件。例如，参照图11描述的第一实施例中的比较器可用三极管或其他比较手段来实现。
本领域的技术人员将理解，结合此处公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法可被实现为电子硬件、存储在存储器中或另一计算机可读介质中并由处理器或其它处理器设备执行的指令、或其组合。此处公开的存储器可以是任何类型和大小的存储器，且可被配置成存储所需的任何类型的信息。为清楚地说明这一可互换性，以上已经以其功能的形式一般地描述了各种说明性组件、框、模块、电路、和步骤。此类功能如何被实现取决于施加在整体系统上的具体应用、设计选择和/或设计约束。技术人员可针对每一具体应用以不同方式来实现所描述的功能，但此类实现决策不应被解读为致使脱离本公开的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、和电路可用设计成执行本文所描述的功能的处理器、dsp、专用集成电路(asic)、fpga或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合来实现或执行。处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核协同的一个或多个微处理器或任何其它此类配置。
此处公开的各实施例可被实现为硬件和被存储在硬件中的指令，这些指令可例如驻留在随机存取存储器(ram)、闪存、只读存储器(rom)、电可编程rom(eprom)、电可擦可编程rom(eeprom)、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质被耦合到处理器，以使得处理器能从/向该存储介质读取/写入信息。替换地，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。
还注意到，在此处的任何示例性实施例中描述的操作步骤被描述以提供示例和讨论。所描述的操作可在除了所示顺序以外的各种不同顺序中执行。而且，在单个操作步骤中描述的操作实际上可在多个不同步骤中执行。另外，在示例性实施例中讨论的一个或多个操作步骤可被组合。可以理解，如对本领域的技术人员显而易见地，在流程图中图示的操作步骤可进行各种不同的修改。本领域技术人员还将理解，可使用各种不同技术中的任何一种来表示信息和信号。例如，贯穿以上描述被述及的数据、指令、命令、信息、信号、位、码元、和芯片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或其任何组合来表示。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
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