一种单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法与流程

本发明属于可见光通信技术领域，特别涉及一种单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法。

背景技术：

可见光通信技术是一项新兴的宽带接入技术。它主要利用大功率白光LED作为光源，将通信信号加载到发光的白光LED上，让信号的变化变为光的变化发射出去。以往的可见光通信双工系统需要两套收发系统光源，上位机有一个光源作为发射机光源，一个光检测器作为接收机光信号检测装置；下位机有一个光源作为发射机光源，一个光检测器作为接收机光信号检测装置。这样普遍存在一个问题，可见光通信的上位机一般安装在较高的位置，如室内屋顶或者侧面墙壁上端，室外一般安装在如路灯高度，可以同时实现照明和光传输功能，而下位机一般是固定接收设备或者手持式移动接收设备，其光发射机不需要具有照明功能，或者说下位机的光源会给接收者带来不便，伤害使用者眼睛或者干扰使用者操作设备。现有可见光通信系统要实现全双工通信需要两套完整的光发射机和光接收机，对于上位机（多灯或单灯发射机）而言，由于同时要具备照明和信息发射（即可见光调制）的功能，因此并不需要考虑太多的功率问题，而由于人的视觉特性（日常情况下人眼视线大多朝向下方），上位机的可见光调制对人的视觉不会造成太大的干扰。但是，对于下位机（客户端接收机）而言，当同时具有收发功能时，现有系统必须安装与上位机对等的发射系统，也就是说普通的手机或者平板电脑等终端上网设备，如果使用可见光接入技术的话，必须安装可见光发射机，这样将会给使用者带来一个严重的问题，那就是可见光对人眼的刺激。同时，如果客户端上网设备通过点亮LED灯或者其他光源来进行信息传输的话，还会给设备增加额外的功耗和成本，不符合绿色环保的设计理念。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能减少对人眼睛刺激及干扰、降低功耗的单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法；单灯可见光双工通信系统包括上位机和下位机；所述上位机包括第一信号处理单元、第一光信号发射单元和第一光信号检测单元；所述下位机包括单晶片式外调制器、反光棱镜组、第二光信号检测单元、第二信号处理单元、外调制驱动模块和控制终端；所述第一光信号发射单元的输入端接第一信号处理单元的相应输出端；所述第一光信号检测单元的输出端接第一信号处理单元的相应输入端；所述控制终端的控制输出端经外调制驱动模块接所述单晶片式外调制器的相应端口；第二信号处理单元与单晶片式外调制器的相应端口相连接；第二信号处理单元与控制终端的相应控制端口双向连接；第二光信号检测单元分别接第二信号处理单元的相应端口；单晶片式外调制器与第一光信号发射单元和第一光信号检测单元相相对应设置；反光棱镜组设置在单晶片式外调制器的下方；第二光信号检测单元设置在反光棱镜组的下方。

所述反光棱镜组由3~5个正三棱锥形镜组成；所述正三棱锥形镜是由两两相互垂直的三个侧面构成；所述三个侧面分别为等腰直角三角形的平面镜，镜面面向正三棱锥形镜的内侧；所述正三棱锥形镜的底面位于单晶片式外调制器的下方且与单晶片式外调制器平行，正三棱锥形镜的顶点位于其底面之下；所述3~5个正三棱锥形镜的底面均在同一平面上，各底面的顶点依次相连且在一条直线上。

所述平面镜的顶点为圆弧形。

所述第一信号处理单元包括信号放大及滤波电路、自举电路、AM调制器和高频载波发生器；所述信号放大及滤波电路的输入端接第一光信号检测单元的相应输出端；所述自举电路的输出端接信号放大及滤波电路的相应输入端；所述信号放大及滤波电路和高频载波发生器的输出端分别接AM调制器的相应输入端；AM调制器的输出端接第一光信号发射单元的相应输入端。

所述第一光信号检测单元包括光敏晶体管Q1、运算放大器U1、电阻R1-R3和负载电阻R_L；所述光敏晶体管Q1用于检测直射光或反射光；所述光敏晶体管Q1的发射极接+5V直流电源，所述光敏晶体管Q1的集电极接运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R2与电阻R3串联后接在+5V直流电源与地之间，所述电阻R2与电阻R3的节点接运算放大器U1的反相输入端；所述电阻R1接在光敏晶体管Q1的集电极与地之间；所述负载电阻R_L接在+5V直流电源与运算放大器U1的输出端之间；运算放大器U1的输出端输出信号给信号放大及滤波电路。

利用一种单灯可见光双工通信系统实现上下行时分的方法的步骤如下：

（1）上行数据和下行数据分别以帧为单位，设置每一帧固定时长为T，帧周期T为ms量级，例如8 ms＜T＜15ms；

（2）将每一帧固定时长T平分为10个子帧，第一个至第十个子帧时长分别为T/10；

（3）设第一个子帧为下行子帧；第二个子帧分为三个时隙，第一个时隙用于发送下行同步数据，位于中间的第二个时隙为保护时隙，第三个时隙用于发送上行同步数据；第三个子帧为上行子帧；

（4）设每一帧中第四个至第十个子帧为上行子帧或上行子帧；当有下行数据到达并要求较高的传输速率时，则分配下行子帧多于上行子帧；当上行数据传输速率要求高时，分配上行子帧多于下行子帧；由此根据时分来区分上行数据信道、下行数据信道；

（5）一帧中上、下行子帧个数根据通信系统需要自适应分配。

本发明的有益效果是：本发明的下位机发射单元采用反射上位机所提供的稳定光照作为光源，节省了下位机光源，大大降低了下位机功耗，增加了可移动下位机的待机时间；本发明下位机不发光，因而不会影响使用者，具有良好的人体工学设计；本发明可以为未来的全光网络提供无线环境的解决方案；本发明提供了一种基于可见光的无线双工通信接入方式，可以大幅提高无线接入的数据传输速率，提高无线传输带宽，解决频谱资源紧张的问题；本发明可以为不能使用射频电磁波的场合（例如飞机上）提供可见光无线接入方式；因此本发明具有很高的科研价值、经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为正三棱锥形镜结构示意图。

图3为正三棱锥形镜俯视图。

图4为反光棱镜组俯视图。

图5为第一信号处理单元电路原理框图。

图6为第一光信号检测单元电路原理图。

在图1-6中，1、正三棱锥形镜，1-1、平面镜，1-2、平面镜的顶点，2、单晶片式外调制器，3、反光棱镜组，4、第二光信号检测单元，5、下位设备支架。

具体实施方式

由图1-6所示的实施例可知，单灯可见光双工通信系统，其特征在于：包括上位机和下位机；所述上位机包括第一信号处理单元、第一光信号发射单元和第一光信号检测单元；所述下位机包括单晶片式外调制器2、反光棱镜组3、第二光信号检测单元4、第二信号处理单元、外调制驱动模块和控制终端；单晶片式外调制器2、反光棱镜组3、第二光信号检测单元4分别固定设置在下位设备支架5上，单晶片式外调制器2设置在反光棱镜组3的上方；所述第一光信号发射单元的输入端接第一信号处理单元的相应输出端；所述第一光信号检测单元的输出端接第一信号处理单元的相应输入端；所述控制终端的控制输出端经外调制驱动模块接所述单晶片式外调制器2的相应端口；第二信号处理单元与单晶片式外调制器2的相应端口相连接；第二信号处理单元与控制终端的相应控制端口双向连接；第二光信号检测单元4分别接第二信号处理单元的相应端口；单晶片式外调制器2与第一光信号发射单元和第一光信号检测单元相相对应设置；反光棱镜组3设置在单晶片式外调制器2的下方；第二光信号检测单元4设置在反光棱镜组3的下方。

所述反光棱镜组3由3~5个正三棱锥形镜1组成；所述正三棱锥形镜1是由两两相互垂直的三个侧面构成；所述三个侧面分别为等腰直角三角形的平面镜1-1，镜面面向正三棱锥形镜1的内侧；所述正三棱锥形镜1的底面位于单晶片式外调制器2的下方且与单晶片式外调制器2平行，正三棱锥形镜1的顶点位于其底面之下；所述3~5个正三棱锥形镜1的底面均在同一平面上，各底面的顶点依次相连且在一条直线上。

所述平面镜1-1的顶点1-2为圆弧形。

所述第一信号处理单元包括信号放大及滤波电路、自举电路、AM调制器和高频载波发生器；所述信号放大及滤波电路的输入端接第一光信号检测单元的相应输出端；所述自举电路的输出端接信号放大及滤波电路的相应输入端；所述信号放大及滤波电路和高频载波发生器的输出端分别接AM调制器的相应输入端；AM调制器的输出端接第一光信号发射单元的相应输入端。要传送信号从输入端口进入，经信号放大及滤波电路的放大、滤波等处理后加载到由LC振荡电路产生的载波信号上，产生AM调制信号，然后由输出端口送至第一光信号发射单元。以上是模拟信号处理的实施例，数字信号驱动也可以使用相同的框图（见图5），只是信号预处理器（信号放大及滤波电路）采用数字信号预处理。调制器既可以采用AM调幅，也可以采用调频方法均不影响信号输出后对第一光信号发射单元中的光调制。

所述第一光信号检测单元包括光敏晶体管Q1、运算放大器U1、电阻R1-R3和负载电阻R_L；所述光敏晶体管Q1用于检测直射光或反射光；所述光敏晶体管Q1的发射极接+5V直流电源，所述光敏晶体管Q1的集电极接运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R2与电阻R3串联后接在+5V直流电源与地之间，所述电阻R2与电阻R3的节点接运算放大器U1的反相输入端；所述电阻R1接在光敏晶体管Q1的集电极与地之间；所述负载电阻R_L接在+5V直流电源与运算放大器U1的输出端之间；运算放大器U1的输出端输出信号给信号放大及滤波电路。如图6所示是第一光信号检测，其为应用光电检测输出控制电路。R2、R3的分压点可以设门限电平。该电路的光敏晶体管Q1可检测直射光和反射光（其中光敏器件可采用高速CCD感光芯片）。将有光无光（或遮光）的状态变成电信号输出，加到负载电阻R_L上。

第一光信号发射单元是专利基于外调制的可见光信号发射机（公开号：CN104218999A）中公开的发射机。第二信号处理单元包括光信号接收机和信号发射机，其中信号发射机与第一光信号发射单元结构相同，光信号接收机与第一光信号检测单元结构第一光信号检测单元结构相同。

利用一种单灯可见光双工通信系统实现上下行时分的方法步骤如下：

（1）上行数据和下行数据分别以帧为单位，设置每一帧固定时长为T，帧周期T为ms量级，例如8 ms＜T＜15ms；

（2）将每一帧固定时长T平分为10个子帧，第一个至第十个子帧时长分别为T/10；

（3）设第一个子帧为下行子帧；第二个子帧分为三个时隙，第一个时隙用于发送下行同步数据，位于中间的第二个时隙为保护时隙，第三个时隙用于发送上行同步数据；第三个子帧为上行子帧；

（4）设每一帧中第四个至第十个子帧为上行子帧或上行子帧；当有下行数据到达并要求较高的传输速率时，则分配下行子帧多于上行子帧；当上行数据传输速率要求高时，分配上行子帧多于下行子帧；由此根据时分来区分上行数据信道、下行数据信道；

（5）一帧中上、下行子帧个数根据通信系统需要自适应分配。本发明也可采用波分双工通信方式，即上位机采用不同波长的光来承载数据，某些波长的光作为下行载波，如λ₁=0.5μm的光，在上位机上被调制，携带信号传到下位机的检测单元即第二信号处理单元。上位机稳定发射某些波长(如λ₂=0.6μm) 的光作为下位机的光载波，下位机反射这些波长的光，并通过外调制驱动模块，将上行信号加载到这些光载波上去。上下行波分可见光传输系统也可称为上下行可见光频分传输系统。

本发明为一种只有单灯光源的上下行时分的双工可见光通信系统，尤其适用于只有一个光源的可见光通信。本发明只有上位机一个光源，下位机有光反射镜，上、下位机都有光检测器，上、下位机数据传输采用时分双工模式进行。上下行时隙严格同步，当有下行数据到达时，上位机光源（LED）采用直接调制或者外调制（见CN104218999A）加载数据，下位机检测光信号接收数据；当有上行数据到达时，上位机稳定发光，不加载数据，只提供光源，下位机利用反射镜（全方位反射镜）反射上位机光源作为上行光信号载波，将数据加载到反射镜遮罩，即采用外调制方式（或改变反射镜角度来控制反射光强度）调制反射光强度，从而将上行数据加载到光载波上，上位机检测光信号接收数据。

由于信号变化的周期很快，上位机下载数据时，由于人眼的视觉暂留特性，感觉不到灯在闪烁，从而不影响上位机LED光源的照明用途，实现照明和发射信号的同时进行；下位机上传数据时，上位机稳定发光不影响照明作用，下位机靠调制反射光将数据按照下行光路原路发送回去，即不影响操作者（即不晃眼），又节省下位机电能。上下行时隙同步保证收发双方实现双工通信，上下行时隙配比可按照相应协议进行调整（可与TDD-LTE标准对接），因此，本发明适合不对称数据业务的移动空口可见光接入。

本发明解决了如何让可见光通信系统中的下位机既能实现可见光信息的接收，又能实现可见光信息的发射却不需要下位机自身提供可见光光源的问题，同时也解决移动环境下的可见光双工通信技术问题。

当有下行数据到达时，上位机将信号加载到可见光光源上。上位机这时即负责照明承担数据调制与发射任务，具有照明和可见光调制发射的双重功能，下位机（即客户端）此时承担数据接收任务。信号加载到可见光光源上时，光源可以采用直接调制，也可以采用外调制方式来制作，其中调制信号可以是数字信号也可以是模拟信号，可以是基带信号也可以是经过调制的已调信号。如果是直接调制，调制信号必须是电信号，如果采用外调制方式，调制信号可以是电信号，也可以是高速的激光信号，当是电信号时，外调制器采用具有“加电后折射率可变的材料”（如铌酸锂）来制作，当是高速激光信号时，外调制器采用“光照后折射率可变的材料”（如掺杂二氧化硅等）来制作。这样本系统既可以适合将低速率的电信号调制到可见光信号上，也可用于未来高速的全光网络中将激光信号直接调制到可见光上。

此外，当有上行数据到达时，上位机关闭信号加载功能，即关闭对可见光光源的调制，可见光光源稳定地发光，即只提供稳定的光照，下位机(客户机)将收集到的上位机发出的光通过一组特制的反射镜(见附图)反射回去作为自身的光源，采用外调制方式将信号加载到外调制器(LiNbO3或其他折射率可变薄膜)，这样利用反射上机的光作为下位机光源，并将调制器上的信号加载到了这个反射光上面。下位机反射镜具有特殊结构(如附图所示)，能够将接收到的光线沿原路反射回去，这样就便于上位机的接收，此时上位机的接收机工作。上、下行数据采用时分区分，时隙设为1ms，这样可以和当前的4G网络相适应，未来也可以调整时隙设置，以适合那时的无线通信协议标准。

上位机和下位机的接收机都采用广角接收机制作，将收集到的可见光信号转化为电信号输出（适用于现有光网络），或直接经过光栅滤波再经光纤放大器放大后转化为激光信号进入光纤传播（适用于全光网络）。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。