本發(fā)明屬于可見光通信技術(shù)領域，特別涉及一種單燈可見光雙工通信系統(tǒng)及其上下行時分的方法。

背景技術(shù)：

可見光通信技術(shù)是一項新興的寬帶接入技術(shù)。它主要利用大功率白光LED作為光源，將通信信號加載到發(fā)光的白光LED上，讓信號的變化變?yōu)楣獾淖兓l(fā)射出去。以往的可見光通信雙工系統(tǒng)需要兩套收發(fā)系統(tǒng)光源，上位機有一個光源作為發(fā)射機光源，一個光檢測器作為接收機光信號檢測裝置；下位機有一個光源作為發(fā)射機光源，一個光檢測器作為接收機光信號檢測裝置。這樣普遍存在一個問題，可見光通信的上位機一般安裝在較高的位置，如室內(nèi)屋頂或者側(cè)面墻壁上端，室外一般安裝在如路燈高度，可以同時實現(xiàn)照明和光傳輸功能，而下位機一般是固定接收設備或者手持式移動接收設備，其光發(fā)射機不需要具有照明功能，或者說下位機的光源會給接收者帶來不便，傷害使用者眼睛或者干擾使用者操作設備?，F(xiàn)有可見光通信系統(tǒng)要實現(xiàn)全雙工通信需要兩套完整的光發(fā)射機和光接收機，對于上位機（多燈或單燈發(fā)射機）而言，由于同時要具備照明和信息發(fā)射（即可見光調(diào)制）的功能，因此并不需要考慮太多的功率問題，而由于人的視覺特性（日常情況下人眼視線大多朝向下方），上位機的可見光調(diào)制對人的視覺不會造成太大的干擾。但是，對于下位機（客戶端接收機）而言，當同時具有收發(fā)功能時，現(xiàn)有系統(tǒng)必須安裝與上位機對等的發(fā)射系統(tǒng)，也就是說普通的手機或者平板電腦等終端上網(wǎng)設備，如果使用可見光接入技術(shù)的話，必須安裝可見光發(fā)射機，這樣將會給使用者帶來一個嚴重的問題，那就是可見光對人眼的刺激。同時，如果客戶端上網(wǎng)設備通過點亮LED燈或者其他光源來進行信息傳輸?shù)脑?，還會給設備增加額外的功耗和成本，不符合綠色環(huán)保的設計理念。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能減少對人眼睛刺激及干擾、降低功耗的單燈可見光雙工通信系統(tǒng)及其上下行時分的方法。

為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種單燈可見光雙工通信系統(tǒng)及其上下行時分的方法；單燈可見光雙工通信系統(tǒng)包括上位機和下位機；所述上位機包括第一信號處理單元、第一光信號發(fā)射單元和第一光信號檢測單元；所述下位機包括單晶片式外調(diào)制器、反光棱鏡組、第二光信號檢測單元、第二信號處理單元、外調(diào)制驅(qū)動模塊和控制終端；所述第一光信號發(fā)射單元的輸入端接第一信號處理單元的相應輸出端；所述第一光信號檢測單元的輸出端接第一信號處理單元的相應輸入端；所述控制終端的控制輸出端經(jīng)外調(diào)制驅(qū)動模塊接所述單晶片式外調(diào)制器的相應端口；第二信號處理單元與單晶片式外調(diào)制器的相應端口相連接；第二信號處理單元與控制終端的相應控制端口雙向連接；第二光信號檢測單元分別接第二信號處理單元的相應端口；單晶片式外調(diào)制器與第一光信號發(fā)射單元和第一光信號檢測單元相相對應設置；反光棱鏡組設置在單晶片式外調(diào)制器的下方；第二光信號檢測單元設置在反光棱鏡組的下方。

所述反光棱鏡組由3~5個正三棱錐形鏡組成；所述正三棱錐形鏡是由兩兩相互垂直的三個側(cè)面構(gòu)成；所述三個側(cè)面分別為等腰直角三角形的平面鏡，鏡面面向正三棱錐形鏡的內(nèi)側(cè)；所述正三棱錐形鏡的底面位于單晶片式外調(diào)制器的下方且與單晶片式外調(diào)制器平行，正三棱錐形鏡的頂點位于其底面之下；所述3~5個正三棱錐形鏡的底面均在同一平面上，各底面的頂點依次相連且在一條直線上。

所述平面鏡的頂點為圓弧形。

所述第一信號處理單元包括信號放大及濾波電路、自舉電路、AM調(diào)制器和高頻載波發(fā)生器；所述信號放大及濾波電路的輸入端接第一光信號檢測單元的相應輸出端；所述自舉電路的輸出端接信號放大及濾波電路的相應輸入端；所述信號放大及濾波電路和高頻載波發(fā)生器的輸出端分別接AM調(diào)制器的相應輸入端；AM調(diào)制器的輸出端接第一光信號發(fā)射單元的相應輸入端。

所述第一光信號檢測單元包括光敏晶體管Q1、運算放大器U1、電阻R1-R3和負載電阻R_L；所述光敏晶體管Q1用于檢測直射光或反射光；所述光敏晶體管Q1的發(fā)射極接+5V直流電源，所述光敏晶體管Q1的集電極接運算放大器U1的同相輸入端；所述電阻R2與電阻R3串聯(lián)后接在+5V直流電源與地之間，所述電阻R2與電阻R3的節(jié)點接運算放大器U1的反相輸入端；所述電阻R1接在光敏晶體管Q1的集電極與地之間；所述負載電阻R_L接在+5V直流電源與運算放大器U1的輸出端之間；運算放大器U1的輸出端輸出信號給信號放大及濾波電路。

利用一種單燈可見光雙工通信系統(tǒng)實現(xiàn)上下行時分的方法的步驟如下：

（1）上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)分別以幀為單位，設置每一幀固定時長為T，幀周期T為ms量級，例如8 ms＜T＜15ms；

（2）將每一幀固定時長T平分為10個子幀，第一個至第十個子幀時長分別為T/10；

（3）設第一個子幀為下行子幀；第二個子幀分為三個時隙，第一個時隙用于發(fā)送下行同步數(shù)據(jù)，位于中間的第二個時隙為保護時隙，第三個時隙用于發(fā)送上行同步數(shù)據(jù)；第三個子幀為上行子幀；

（4）設每一幀中第四個至第十個子幀為上行子幀或上行子幀；當有下行數(shù)據(jù)到達并要求較高的傳輸速率時，則分配下行子幀多于上行子幀；當上行數(shù)據(jù)傳輸速率要求高時，分配上行子幀多于下行子幀；由此根據(jù)時分來區(qū)分上行數(shù)據(jù)信道、下行數(shù)據(jù)信道；

（5）一幀中上、下行子幀個數(shù)根據(jù)通信系統(tǒng)需要自適應分配。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的下位機發(fā)射單元采用反射上位機所提供的穩(wěn)定光照作為光源，節(jié)省了下位機光源，大大降低了下位機功耗，增加了可移動下位機的待機時間；本發(fā)明下位機不發(fā)光，因而不會影響使用者，具有良好的人體工學設計；本發(fā)明可以為未來的全光網(wǎng)絡提供無線環(huán)境的解決方案；本發(fā)明提供了一種基于可見光的無線雙工通信接入方式，可以大幅提高無線接入的數(shù)據(jù)傳輸速率，提高無線傳輸帶寬，解決頻譜資源緊張的問題；本發(fā)明可以為不能使用射頻電磁波的場合（例如飛機上）提供可見光無線接入方式；因此本發(fā)明具有很高的科研價值、經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為正三棱錐形鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為正三棱錐形鏡俯視圖。

圖4為反光棱鏡組俯視圖。

圖5為第一信號處理單元電路原理框圖。

圖6為第一光信號檢測單元電路原理圖。

在圖1-6中，1、正三棱錐形鏡，1-1、平面鏡，1-2、平面鏡的頂點，2、單晶片式外調(diào)制器，3、反光棱鏡組，4、第二光信號檢測單元，5、下位設備支架。

具體實施方式

由圖1-6所示的實施例可知，單燈可見光雙工通信系統(tǒng)，其特征在于：包括上位機和下位機；所述上位機包括第一信號處理單元、第一光信號發(fā)射單元和第一光信號檢測單元；所述下位機包括單晶片式外調(diào)制器2、反光棱鏡組3、第二光信號檢測單元4、第二信號處理單元、外調(diào)制驅(qū)動模塊和控制終端；單晶片式外調(diào)制器2、反光棱鏡組3、第二光信號檢測單元4分別固定設置在下位設備支架5上，單晶片式外調(diào)制器2設置在反光棱鏡組3的上方；所述第一光信號發(fā)射單元的輸入端接第一信號處理單元的相應輸出端；所述第一光信號檢測單元的輸出端接第一信號處理單元的相應輸入端；所述控制終端的控制輸出端經(jīng)外調(diào)制驅(qū)動模塊接所述單晶片式外調(diào)制器2的相應端口；第二信號處理單元與單晶片式外調(diào)制器2的相應端口相連接；第二信號處理單元與控制終端的相應控制端口雙向連接；第二光信號檢測單元4分別接第二信號處理單元的相應端口；單晶片式外調(diào)制器2與第一光信號發(fā)射單元和第一光信號檢測單元相相對應設置；反光棱鏡組3設置在單晶片式外調(diào)制器2的下方；第二光信號檢測單元4設置在反光棱鏡組3的下方。

所述反光棱鏡組3由3~5個正三棱錐形鏡1組成；所述正三棱錐形鏡1是由兩兩相互垂直的三個側(cè)面構(gòu)成；所述三個側(cè)面分別為等腰直角三角形的平面鏡1-1，鏡面面向正三棱錐形鏡1的內(nèi)側(cè)；所述正三棱錐形鏡1的底面位于單晶片式外調(diào)制器2的下方且與單晶片式外調(diào)制器2平行，正三棱錐形鏡1的頂點位于其底面之下；所述3~5個正三棱錐形鏡1的底面均在同一平面上，各底面的頂點依次相連且在一條直線上。

所述平面鏡1-1的頂點1-2為圓弧形。

所述第一信號處理單元包括信號放大及濾波電路、自舉電路、AM調(diào)制器和高頻載波發(fā)生器；所述信號放大及濾波電路的輸入端接第一光信號檢測單元的相應輸出端；所述自舉電路的輸出端接信號放大及濾波電路的相應輸入端；所述信號放大及濾波電路和高頻載波發(fā)生器的輸出端分別接AM調(diào)制器的相應輸入端；AM調(diào)制器的輸出端接第一光信號發(fā)射單元的相應輸入端。要傳送信號從輸入端口進入，經(jīng)信號放大及濾波電路的放大、濾波等處理后加載到由LC振蕩電路產(chǎn)生的載波信號上，產(chǎn)生AM調(diào)制信號，然后由輸出端口送至第一光信號發(fā)射單元。以上是模擬信號處理的實施例，數(shù)字信號驅(qū)動也可以使用相同的框圖（見圖5），只是信號預處理器（信號放大及濾波電路）采用數(shù)字信號預處理。調(diào)制器既可以采用AM調(diào)幅，也可以采用調(diào)頻方法均不影響信號輸出后對第一光信號發(fā)射單元中的光調(diào)制。

所述第一光信號檢測單元包括光敏晶體管Q1、運算放大器U1、電阻R1-R3和負載電阻R_L；所述光敏晶體管Q1用于檢測直射光或反射光；所述光敏晶體管Q1的發(fā)射極接+5V直流電源，所述光敏晶體管Q1的集電極接運算放大器U1的同相輸入端；所述電阻R2與電阻R3串聯(lián)后接在+5V直流電源與地之間，所述電阻R2與電阻R3的節(jié)點接運算放大器U1的反相輸入端；所述電阻R1接在光敏晶體管Q1的集電極與地之間；所述負載電阻R_L接在+5V直流電源與運算放大器U1的輸出端之間；運算放大器U1的輸出端輸出信號給信號放大及濾波電路。如圖6所示是第一光信號檢測，其為應用光電檢測輸出控制電路。R2、R3的分壓點可以設門限電平。該電路的光敏晶體管Q1可檢測直射光和反射光（其中光敏器件可采用高速CCD感光芯片）。將有光無光（或遮光）的狀態(tài)變成電信號輸出，加到負載電阻R_L上。

第一光信號發(fā)射單元是專利基于外調(diào)制的可見光信號發(fā)射機（公開號：CN104218999A）中公開的發(fā)射機。第二信號處理單元包括光信號接收機和信號發(fā)射機，其中信號發(fā)射機與第一光信號發(fā)射單元結(jié)構(gòu)相同，光信號接收機與第一光信號檢測單元結(jié)構(gòu)第一光信號檢測單元結(jié)構(gòu)相同。

利用一種單燈可見光雙工通信系統(tǒng)實現(xiàn)上下行時分的方法步驟如下：

（1）上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)分別以幀為單位，設置每一幀固定時長為T，幀周期T為ms量級，例如8 ms＜T＜15ms；

（2）將每一幀固定時長T平分為10個子幀，第一個至第十個子幀時長分別為T/10；

（3）設第一個子幀為下行子幀；第二個子幀分為三個時隙，第一個時隙用于發(fā)送下行同步數(shù)據(jù)，位于中間的第二個時隙為保護時隙，第三個時隙用于發(fā)送上行同步數(shù)據(jù)；第三個子幀為上行子幀；

（4）設每一幀中第四個至第十個子幀為上行子幀或上行子幀；當有下行數(shù)據(jù)到達并要求較高的傳輸速率時，則分配下行子幀多于上行子幀；當上行數(shù)據(jù)傳輸速率要求高時，分配上行子幀多于下行子幀；由此根據(jù)時分來區(qū)分上行數(shù)據(jù)信道、下行數(shù)據(jù)信道；

（5）一幀中上、下行子幀個數(shù)根據(jù)通信系統(tǒng)需要自適應分配。本發(fā)明也可采用波分雙工通信方式，即上位機采用不同波長的光來承載數(shù)據(jù)，某些波長的光作為下行載波，如λ₁=0.5μm的光，在上位機上被調(diào)制，攜帶信號傳到下位機的檢測單元即第二信號處理單元。上位機穩(wěn)定發(fā)射某些波長(如λ₂=0.6μm) 的光作為下位機的光載波，下位機反射這些波長的光，并通過外調(diào)制驅(qū)動模塊，將上行信號加載到這些光載波上去。上下行波分可見光傳輸系統(tǒng)也可稱為上下行可見光頻分傳輸系統(tǒng)。

本發(fā)明為一種只有單燈光源的上下行時分的雙工可見光通信系統(tǒng)，尤其適用于只有一個光源的可見光通信。本發(fā)明只有上位機一個光源，下位機有光反射鏡，上、下位機都有光檢測器，上、下位機數(shù)據(jù)傳輸采用時分雙工模式進行。上下行時隙嚴格同步，當有下行數(shù)據(jù)到達時，上位機光源（LED）采用直接調(diào)制或者外調(diào)制（見CN104218999A）加載數(shù)據(jù)，下位機檢測光信號接收數(shù)據(jù)；當有上行數(shù)據(jù)到達時，上位機穩(wěn)定發(fā)光，不加載數(shù)據(jù)，只提供光源，下位機利用反射鏡（全方位反射鏡）反射上位機光源作為上行光信號載波，將數(shù)據(jù)加載到反射鏡遮罩，即采用外調(diào)制方式（或改變反射鏡角度來控制反射光強度）調(diào)制反射光強度，從而將上行數(shù)據(jù)加載到光載波上，上位機檢測光信號接收數(shù)據(jù)。

由于信號變化的周期很快，上位機下載數(shù)據(jù)時，由于人眼的視覺暫留特性，感覺不到燈在閃爍，從而不影響上位機LED光源的照明用途，實現(xiàn)照明和發(fā)射信號的同時進行；下位機上傳數(shù)據(jù)時，上位機穩(wěn)定發(fā)光不影響照明作用，下位機靠調(diào)制反射光將數(shù)據(jù)按照下行光路原路發(fā)送回去，即不影響操作者（即不晃眼），又節(jié)省下位機電能。上下行時隙同步保證收發(fā)雙方實現(xiàn)雙工通信，上下行時隙配比可按照相應協(xié)議進行調(diào)整（可與TDD-LTE標準對接），因此，本發(fā)明適合不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務的移動空口可見光接入。

本發(fā)明解決了如何讓可見光通信系統(tǒng)中的下位機既能實現(xiàn)可見光信息的接收，又能實現(xiàn)可見光信息的發(fā)射卻不需要下位機自身提供可見光光源的問題，同時也解決移動環(huán)境下的可見光雙工通信技術(shù)問題。

當有下行數(shù)據(jù)到達時，上位機將信號加載到可見光光源上。上位機這時即負責照明承擔數(shù)據(jù)調(diào)制與發(fā)射任務，具有照明和可見光調(diào)制發(fā)射的雙重功能，下位機（即客戶端）此時承擔數(shù)據(jù)接收任務。信號加載到可見光光源上時，光源可以采用直接調(diào)制，也可以采用外調(diào)制方式來制作，其中調(diào)制信號可以是數(shù)字信號也可以是模擬信號，可以是基帶信號也可以是經(jīng)過調(diào)制的已調(diào)信號。如果是直接調(diào)制，調(diào)制信號必須是電信號，如果采用外調(diào)制方式，調(diào)制信號可以是電信號，也可以是高速的激光信號，當是電信號時，外調(diào)制器采用具有“加電后折射率可變的材料”（如鈮酸鋰）來制作，當是高速激光信號時，外調(diào)制器采用“光照后折射率可變的材料”（如摻雜二氧化硅等）來制作。這樣本系統(tǒng)既可以適合將低速率的電信號調(diào)制到可見光信號上，也可用于未來高速的全光網(wǎng)絡中將激光信號直接調(diào)制到可見光上。

此外，當有上行數(shù)據(jù)到達時，上位機關閉信號加載功能，即關閉對可見光光源的調(diào)制，可見光光源穩(wěn)定地發(fā)光，即只提供穩(wěn)定的光照，下位機(客戶機)將收集到的上位機發(fā)出的光通過一組特制的反射鏡(見附圖)反射回去作為自身的光源，采用外調(diào)制方式將信號加載到外調(diào)制器(LiNbO3或其他折射率可變薄膜)，這樣利用反射上機的光作為下位機光源，并將調(diào)制器上的信號加載到了這個反射光上面。下位機反射鏡具有特殊結(jié)構(gòu)(如附圖所示)，能夠?qū)⒔邮盏降墓饩€沿原路反射回去，這樣就便于上位機的接收，此時上位機的接收機工作。上、下行數(shù)據(jù)采用時分區(qū)分，時隙設為1ms，這樣可以和當前的4G網(wǎng)絡相適應，未來也可以調(diào)整時隙設置，以適合那時的無線通信協(xié)議標準。

上位機和下位機的接收機都采用廣角接收機制作，將收集到的可見光信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出（適用于現(xiàn)有光網(wǎng)絡），或直接經(jīng)過光柵濾波再經(jīng)光纖放大器放大后轉(zhuǎn)化為激光信號進入光纖傳播（適用于全光網(wǎng)絡）。

以上所述實施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而并非本發(fā)明可行實施例的窮舉。對于本領域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對其所作出的任何顯而易見的改動，都應當被認為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。