Rádiový hodinový signál DCF77

1. Úvod

Pre synchronizáciu času na meracích bodoch je možné použiť aj rádiový signál. Jednou z možností je použitie rádiového signálu DCF77, ktorý je vysielaný na dlhých vlnách na frekvencii 77,5 kHz zo stanice neďaleko Frankfurtu nad Mohanom v Nemecku. Signál môže byt prijímaný takmer v celej strednej Európe a používa sa napríklad na synchronizáciu verejných hodín na železničných staniciach.

Princíp kódovania
Pri rádiových hodinových signáloch rozlišujeme dva princípy kódovania:

• amplitúdová modulácia
• modulácia fázovým šumom

Medzi hlavné výhody tohoto spôsobu synchronizácie času patrí nenáročnosť riešenia. Väčšinou ide o zákaznícky obvod s časovaním menej náročným na presnosť (dosiahnuteľná presnosť ±2ms) a s jednoduchou inštaláciou antény, ktorá nepotrebuje priamu viditeľnosť.
Nevýhody súvisia so základným princípom tohoto spôsobu — so šírením rádiového signálu. Problémom je atmosferické rušenie rádiového signálu. Pre presnejšie určenie synchronizácie času by bolo potrebné poznať fyzickú vzdialenosť k vysielaču. DCF77 je vysielaný iba v strednej Európe, preto môže pokrývať len merania vykonávané v strednej Európe. Rádiové signály sú však synchronizované po celom svete, preto je možné využiť rozdielne rádiové signály pre meracie body na rozdielnych kontinentoch.

2. Amplitúdová modulácia

Časový údaj je vysielaný v digitálnej forme na nosnej frekvencii 77,5kHz (odtiaľ názov DCF-77). Fáza času DCF-77 je riadená tak, že relatívne odchýlky od svetového koordinovaného času (UTC) nie sú väčšie ako ±0,3μs. Väčšia fáza, príp. frekvenčné kolísanie pozorované na mieste príjmu sú vyvolané skladaním priestorových a prízemných vĺn. Nosná frekvencia je amplitúdovo modulovaná so sekundovými značkami. Na začiatku každej sekundy (s výnimkou 59. sekundy každej minúty) je amplitúda nosnej frekvencie znížená počas doby 0,1s alebo 0,2s na asi 25%. Začiatok poklesu nosnej frekvencie je presne na začiatku sekundy. Nezníženie amplitúdy 59. sekundy oznamuje nasledujúci minútový znak. Sekundové znaky sú fázovo synchrónne s nosnou frekvenciou. Približný priebeh vysielaného signálu je možno vidieť na obrázku (Priebeh signálu DCF-77.bmp) .

Počas každej minúty sú prenášané čísla minúty, hodiny, dňa, dňa v týždni, mesiaca a roku impulzovou moduláciou sekundových značiek v kóde BCD. Pritom sekundové značky dĺžky 0,1s zodpovedajú logickej nule a sekundové značky dĺžky 0,2s logickej jednotke. Celkovo je tak možné za minútu preniesť 59 bitov, ktoré tvoria tzv. časový telegram, ktorý sa začína práve chýbajúcim 60. sekundovým pulzom (Obr 1.bmp) . Priradenie jednotlivých sekundových značiek k prenášanej časovej informácii ukazuje nasledujúca kódovacia schcéma (Obr 2.bmp) a tabuľka (Obr 3.bmp) .

Popis jednotlivých bitov:
Sekundy 1-14: V týchto bitoch sú príležitostne zakódované prevádzkové informácie a pre užívateľa nemajú žiaden význam.

Anténny bit R: Prvým bitom určeným pre užívateľa je anténny bit R (číslo 15). Hodnota tohto bitu udáva, či sa DCF signál vysiela z prevádzkovej antény (stav 0), alebo z rezervnej antény (stav 1) a má upozorniť na skokové zmeny fázy nosnej frekvencie zapríčinené prepínaním vysielacích antén. Zmeny fázy nosnej zvyšujú neistotu nosnou frekvenciou riadených zavesených generátorov normálovej frekvencie. PTB zabezpečuje síce rovnaký fázový posuv nosnej u oboch antén, pretože sú však tieto od seba vzdialené asi 1150 m, dochádza k zmenám času šírenia vĺn na miesto príjmu a tým aj fázovým skokom až 4 s pri zmene vysielacej antény. Pomocou tohto bitu je teda na strane príjmu možné vhodnými prostriedkami vyrovnať typickú zmenu fázy pre dané miesto príjmu.

Ohlásenie zmeny SEČ/SELČ resp. SELČ/SEČ, bit A1: Bit ohlásenia zmeny SEČ/SELČ resp. SELČ/SEČ (číslo 16) upozorňuje na stávajúcu zmenu časového systému/zóny. Hodinu pred zmenou SEČ na SELČ a naopak je tento bit vysielaný v stave 1 (Obr 4.bmp) .
SEČ – stredoeurópsky čas
SELČ – stredoeurópsky letný čas

Bity časovej zóny Z1, Z2: Bity časovej zóny Z1, Z2 (čísla 17 a 18) udávajú, na ktorý časový systém sa vysielaný čas vzťahuje. Pri vysielaní SEČ má bit Z1 stav 0 a Z2 stav 1. Pri vysielaní SELČ je to naopak, Z1 má stav 1 a Z2 stav 0. Medzi UTC (Universal Time Coordinated) a SEČ prípadne SELČ (stredoeurópsky resp. stredoeurópsky letný čas) platí následná súvislosť:
SEČ = UTC + 1 hod.
SELČ = UTC + 2 hod.
Sekundové značky 17 a 18 udávajú hodnotu posuvu: Čas = UTC + Z2 + 2*Z1

Prestupná sekunda, A2: Oznamovacím bitom A2 (číslo 19) sa upozorňuje na blížiace sa vloženie prestupnej sekundy. Bit A2 sa vysiela hodinu pred vložením prestupnej sekundy v stave 1. Prestupné sekundy sa v rovnakom čase vkladajú do svetovej koordinovanej časovej stupnice UTC na doporučenie Medzinárodného úradu pre rotáciu zeme v Paríži. Toto sa prevádza väčšinou na konci poslednej hodiny 31. decembra a 30. júna. To znamená, že prestupné sekundy sa v systéme úradného času Spolkovej republiky Nemecko vkladajú jednu sekundu pred 1 hodinou SEČ 1. januára alebo pred 2. hodinou SELČ 1. júla. Pred vložením prestupnej sekundy sa A2 vyšle 60-krát v stave 1 (Obr 5.bmp) .

• Vloženie prestupnej sekundy je realizované nasledovne: 59. sekundová značka predchádzajúca značke 01:00:00 SEČ resp. 02:00:00 SELČ sa vysiela s dĺžkou 0,1s a namiesto normálne potlačenej 59. sekundovej značky (žiaden pokles nosnej) sa bez poklesu nosnej vysiela vložená 60. sekundová značka. Pri súčasnej obežnej rýchlosti Zeme okolo Slnka sa v najbližšej budúcnosti nedá počítať s vypustením prestupných sekúnd.
  
• Oznamovacie bity A1 a A2 slúžia na to, aby procesor spracovávajúci časovú informáciu zo signálu DCF 77 vedel, že tieto nepravidelnosti sú v zhode s úradným čítaním času. Bez A1 a A2 by sa zmenené počítanie času nepovažovalo za korektný časový údaj a interpretovalo najskôr ako chyba príjmu.
  

Paritné bity P: Tri dodatočné paritné bity P1, P2 a P3 dopĺňajú predchádzajúci blok bitov (7 bitov pre minúty, 6 bitov pre hodiny a 22 bitov pre dátum) na párny počet logických jednotiek (Even Parity).

Kvôli filtrovaniu a signálovému spracovaniu rádiového signálu na potlačenie interferencie sa používa časový posun 10 ms v prijímači. Nevýhodou tejto metódy sú fluktuácie v signále, ktoré môžu viest k zlému určeniu začiatku sekundy. Presnosť tejto metódy je limitovaná na 1 ms za dobrých podmienok.

3. Modulácia fázovým šumom:

Okrem amplitúdovej modulácie je nosná frekvencia dodatočne modulovaná aj fázovým šumom. Tento šum je pseudonáhodná postupnosť 512 bitov, ktoré sú prenášané medzi amplitúdovo modulovanými sekundovými značkami. Celková postupnosť bitov má symetrický priebeh, teda oba logické stavy sa vyskytujú v rovnakom počte. Tým zostáva fáza nosnej frekvencie v priemere konštantná. Tento pseudonáhodný signál je možné širokopásmovo prijímať a korelovať s pseudonáhodnou postupnosťou reprodukovanou na strane prijímača. Táto metóda pochádzajúca zo satelitnej techniky, umožňuje určovanie času s presnosťou niekoľkých milisekúnd (zvyčajne ide o presnosť 20 mikrosekúnd voči UTC) a je v porovnaní s klasickým AM-príjmom rádovo presnejšia.

Obrázky:

• Priebeh_signálu_DCF-77.bmp: Priebeh signálu DCF-77
• Obr_1.bmp: Logická nula a logická jednotka
• Obr_2.bmp: Kódovacia schéma
• Obr_3.bmp: Tabuľka sekundových značiek
• Obr_4.bmp: Zmena SEČ na SELČ, respektíve SELČ na SEČ
• Obr_5.bmp: Prestupná sekunda A2

-- MagdalenaSinakova - 27 Nov 2007