一种单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单灯可见光双工通信系统及其上下行时分的方法，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；实现上下行时分的方法包括对上行数据和下行数据进行设置，根据时分来区分上行数据信道、下行数据信道并进行自适应分配；本发明专利技术可节省了下位机光源，光线不会刺激使用者眼睛，数据传输速率，具有很高的科研价值、经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可见光通信
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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RL；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RL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8ms＜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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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；本专利技术下位机不发光，因而不会影响使用者，具有良好的人体工学设计；本专利技术可以为未来的全光网络提供无线环境的解决方案；本专利技术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；本专利技术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；因此本专利技术具有很高的科研价值、经济效益和社会效益。附图说明图1为本专利技术结构示意图。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的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种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；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。

【技术特征摘要】
1.一种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；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。2.根据权利要求1所述的一种单灯可见光双工通信系统，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的一种单灯可见光双工通信系统，其特征在于：所述平面镜（1-1）的顶点（1-2）为圆弧形。4.根据权利要求3所述的一种单灯可见光双工通信系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，陈嘉兴，刘豪锋，吕清，黄战平，张书景，马路娟，刘亚川，刘静静，
申请(专利权)人：河北师范大学，
类型：发明
国别省市：河北;13