Příjem a vyhodnocení časového kódu DCF 77

Šíření signálu a jeho příjemČasový kód DCF77 je šířen v pásmu dlouhých vln, kde je zaručeno stabilní šíření přízemní vlny i za obzor. Proto je signál zachytitelný přibližně do vzdálenosti 2000 Km od vysílače ve dne i v noci.
Nevýhodou dobrého šíření je též šíření rušivých signálů, např. od vzdálených bouřek, nebo od průmyslové činnosti. Převážná část rušení má však místní charakter. Krátkodobé rušení lze eliminovat použitím vhodného software v přijímači. Vliv trvalého rušení však lze potlačit jen částečně, a to použitím kvalitního přijímače.

Časové značky jsou vysílány s poměrně strmými hranami, které lze detekovat s přesností lepší, než 0,1 ms. To však předpokládá použití přijímače s šířkou filtru alespoň 5 KHz. Ve většině případů se taková přesnost nevyžaduje a stačí, když filtrem projde značka široká 100 ms. Úměrně k snížení šířky pásma se sníží i šumový výkon a rušení na vstupu přijímaše. Pro přenos 100 ms značek stačí šířka filtru pouze 12 až 15 Hz, což je přibližně 1000x méně, než má běžný rozhlasový přijímač. Vysílač s výkonem 100 KW má potom přibližně stejný dosah, jako by měl rozhlasový vysílač s výkonem 100 MW.

Při detekci AM signálu nastává vlivem rušení posuv rozhodovací úrovně detektoru v závislosti na tom, zda je rušivý signál ve fázi, nebo v protifázi s nosnou přijímaného signálu. (viz. obrázek) Maximální úroveň rušivého signálu, kdy je ještě značka přečtena, je teoreticky polovina rozdílu mezi úrovní jedničky a nuly, tedy 37,5 % úrovně nosné. Prakticky při tom dochází již k neúnosné změně délky značky na výstupu detektoru.

Předpokládejme u přijímače s filtrem vyššího řádu, že tvar 100 ms značky za filtrem se bude podobat části sinusovky s kmitočtem 5 Hz a že pro správné vyhodnocení může být délka značky v rozmezí 60 až 140 ms. Potom je maximální úroveň rušivého signálu pro zachování čitelnosti jen 30 %, tedy cca -10 dB.

Pokud záleží více na parametrech než na ceně přijímače, je výhodné použít přijímač se synchronním detektorem. Zatímco na běžném diodovém detektoru se posčítají všechna napětí, synchrodetektor potlačí složky kolmé na fázi nosné přijímaného signálu. Tím klesne šumový výkon na polovinu a citlivost přijímače vzroste až o 3 dB. Další výhodou synchrodetektoru je, že na jeho výstupu jsou pouze produkty směšováná a rušivý signál s rozdílným kmitočtem se již neprojeví stejnosměrným posuvem napětí, ale pouze rozdílovým kmitočtem. Dolní propust zařazená na výstup synchrodetektotu má stejný efekt, jako zvyšování počtu rezonátorů před detektorem.

Zásadní vliv na parametry přijímače má jeho anténa. Prakticky u všech vyráběných přijímačů se používá feritová anténa. Její zisk je závislý na rozměrech, na permeabilitě materiálu a také na rozložení vinutí vzhledem k délce feritky. Kvalitní feritka délky 150 mm z materiálu s vysokou permeabilitou (drážkovaná) a s vinutím rovnoměrně rozloženým po celé délce má zisk -85 až -90 dB. Krátké feritky používané v malých DCF modulech mají zisk podstatně nižší. Tato hodnota se na první pohled zdá být velmi špatná. Na kmitočtu 77,5 KHz však nad tepelným šumem převládá atmosferický šum, jeho hodnota je až 90 dB. Při použití lepší feritky se s přijímaným atmosferickým šumem dostaneme nad úroveň šumu vstupu přijímače a další zvyšování zisku antény už nemá význam. To však platí jen pro otevřený prostor. Uvnitř budov je zeslaben jak užitečný signál, tak i atmosferický šum a kvalitnější anténa se využije. V budovách ale obvykle vzniká rušení, které se šíří především po elektroinstalaci, takže citlivý přijímač je potom zbytečný.

 

Dekódování signálu

Možností, jak signál z přijímače dekódovat, je celá řada. Nejjednodušší programy uváděné kdysi v příručkách o programování jednočipů čekají na náběžnou hranu značky, změří její délku a po jejím skončení a odčasování pauzy 0,8 sec čekají na další značku. Pokud je značka v rozmezí 60 až 140 ms, bere se jako 0 a při délce 160 až 240 ms je to 1. Zásadní nevýhodou takového programu je závislost posunu dekódovaného času na chybě při vyhodnocení náběžné hrany té značky, po které se přepisuje autonomní čas dekódovaným časem z přijímače. Mnohem lepší výsledky dává dekodér, který průměruje náběžné hrany vteřinových značek pomocí PLL. Mimo podstatně přesnější synchronizace času se zmenší rozptyl délek vyhodnocovaných časových značek na polovinu (vadí jen rozptyl sestupné hrany, náběžná je definována přesně) a přijímač je odolnější proti rušení. Jako jednu z kontrol platného signálu lze využít i test, zda náběžná hrana přišla v požadované toleranci.

Vyhodnocení pokračuje dekódováním jednotlivých časových údajů. V signálu je vysílána parita (jednobitový kontrolní součet) pro minutu, hodinu a datum. Pomocí parity je možné detekovat všechny jednoduché chyby a polovinu vícenásobných chyb. Pro další kontrolu lze využít kontrolu definičního oboru čísla. Vysílaná čísla jsou dekadická a nesmí být překročena jich maximální velikost. Touto kontrolou lze dále snížit počet nedetekovaných chyb přibližně na polovinu. Některé dekodéry též na základě kontroly minimální a maximální délky značky vyřazují nevyhovující data jako neplatná dříve, než se začnou provádět další kontroly.

 Největšího zabezpečení časové informace lze dosáhnout porovnáváním několika následujících časových informací. Už při třech čteních je možné získat věrohodnou časovou informaci. Je též výhodné při inicializaci počet ověřování snížit. Počet ověřování se volí podle požadovaného stupně zabezpečení dat a též s ohledem na sílu ostatních kontrol použitých při dekódování.

Vyhodnocovat celý časový kód najednou je sice jednodušší, ale z hlediska spolehlivosti nevýhodné. Při jedné chybě během minuty se všechna čtená data označí za neplatná, zatímco při čtení rozděleném ma minuty, hodiny a datum jsou dílčí datové bloky podstatně kratší a tím i odolnější proti chybám. Při skládání časové informace lze použít části zachycené v různých minutách.

 

 

Vysílání a příjem časové informace DCF77

Redakce HW serveru, 1. Březen 2002 – 0:00

Bez přesného času se neobejdeme při monitorování systémů, je nezbytný pro provádění bezpečnostního auditu nebo v jakýchkoliv systémech provádějících transakce v reálném čase či jeho závislosti. Pokud máte připojení na internet, lze čas ve vašem PC synchronizovat s časem ze serverů připojených na internet a poskytujících příslušnou službu. Automaticky seřizovat čas na PC lze pomocí dvou k tomu určených protokolů: staršího Time a novějších NTP a SNTP.

Střední hodnota nosného kmitočtu 77,5 kHz se neodchyluje od jmenovité hodnoty více než o 10-12 týdně. Relativní nepřesnost za více než 100 dní je pouze 2*10-13. Provádět měření přesnosti za kratší dobu nemá význam, neboť vysílač vysílá za týden pouze 77500*3600*24*7 = 4,6872*1010 sinusových kmitů. Aby bylo kontrolní měření prováděno s přesností 10-12, musí rozeznat 1/20 periody za týden. Dlouhodobá přesnost 2*10-13 odpovídá při 77,5 kHz jednomu kmitu za dva roky.

Kódování časové informace je prováděno pulzně šířkovou modulací, poklesem amplitudy nosné na 25 % na začátku každé sekundy. Klíčování je synchroniozováno fázovou synchronizací s nosnou a odpovídá na 10 ľs přesně úřední časové stupnici fyzikálně technického ústavu v Braunschweigu (PTB – Physikalisch-Technischen Bundesanstalt). Tento pokles však odpadá při 59 sekundě každá minuty – minutová značka. Pokles trvá 100 ms – log 0, a 200 ms – log 1. Vzhledem k dokmitávání vysílací antény je však pokles na začátku modulačního impulsu poněkud zploštěn. 150 ľs po začátku klíčování je amplituda nosné ještě 80 % nominální hodnoty. Referenčním okamžikem udávajícím přesný počátek sekundy je začátek poklesu amplitudy (dříve 70% plné amplitudy). Čas šíření od vysílače k přijímači též kolísá. Při měřeních ve vzdálenosti 300 km od vysílače bylo zjištěno maximální kolísání 37 ľs ve dne a 50 ľs v noci. Další zpoždění získá signál časovými konstantami v přijímači. Vysoká selektivita má za následek silné a nepřesně definovatelné zpoždění. Volací značka vysílače je přenášena třikrát v hodině a to v 19, 39 a 59 minutě každé hodiny tónovou modulací nosné 250 Hz morse bez přerušení vysílání časových značek.
 

Kódování úplné časové informace

Přenáší se čas a datum platný pro následující minutu, tak aby na začátku následující minuty již byla kompletní časová informace. Všechny hodnoty čísel jsou v kódu BCD. Takhle je zchytil program DCFMON.

Význam jednotlivých bitů

Bit č.

Název

Význam

0

M

Minutová značka (vždy 0b)

1-14

 

Rezervní bity

15

R

Anténa (0b normální anténa, 1b rezervní anténa)

16

A1

Hlášení změny časové zóny 1 hodinu předem (0b nic, 1b změna)

17-18

Z1,Z2

Časová zóna (rozdíl v hodinách oproti UTC, 00b = +0h, 01b = +1h = SEČ, 10b = +2h=SELČ, 11b = +3h)

19

A2

Hlášení přestupné sekundy 1 hodinu předem (0b nic, 1b změna)

20

S

START, začátek přenosu časové informace (vždy 1b)

21-27

 

Minuta

28

P1

Sudá parita minuty (bity 21-27)

29-34

 

Hodina

35

P2

Sudá parita hodiny (bity 29-34)

36-41

 

Kalendářní den

42-44

 

Den v týdnu (100b pondělí, 010b úterý, 110b středa, 001b čtvrtek, 101b pátek, 011b sobota, 111b neděle).

45-49

 

Měsíc

50-57

 

Rok (pouze jednotky a desítky)

58

P3

Sudá parita: datum + den v týdnu + rok (bity 36-57)

59

 

Tento bit se normálně nevysílá (mezera až do bitu 0, minutová značka). Vysílá se pouze když je přestupná sekunda (vkládána 2x za 3 roky, poslední minuta června, nebo prosince).

Letní a zimní čas

Pro jasnější pochopení letního a zimního času a jejich přechodu je zde příklad tak jak byl vysílán a zachycen programem DCFMON.

Před změnou byla časová zóna 10b tj. UTC + 2h = SELČ a bit A1 (č. 16) indikoval 1 hodinu předem, že bude provedena změna času.

V minutě těsně před 2:00 byla již vysílaná časová zóna 01b tj. UTC +1h = SEČ ale bit A1 byl ještě v log 1. A od 2:01 je již vše normální. Ovladač DCF77 “nevěřil” změně času o 1 hod (nepoužívá bit A1), takže čekal ještě jednu minutu a pak teprve synchronizoval čas (některé budíky, které přijímají DCF77 “nevěří” této změně, taky 15 minut i déle a ukazují tvrdošíjně starý čas).

Zkratky a pojmy

  • SEČ – středoevropský čas (UTC + 1h)

  • SELČ – středoevropský letní čas (UTC + 2h)

  • UTC – koordinovaný světový čas (Universal Time Coordinated)

  • TAI – mezinárodní atomový čas (definován pomocí atomové sekundy)

  • UT 1 – světový astronomický čas (nehomogenní, závislý na úhlu otočení země kolem osy)

  • UT 2 – je vlastně UT 1 bez ročních výkyvů (homogenní čas, definován podle otáčení země)

  • Přestupná sekunda – je vkládána jednou za dva až tři roky jako poslední sekunda v červnu nebo v prosinci. Tato korekce času je nutná protože v UTC je trvání sekundy shodné sTAI, ale tím nesouhlasí střední doba roku v časové stupnici UT 2.

Programy pro dekódování a monitorování DCF77

DCF_612.ZIP – Rezidentní ovladač pro dekódování DCF77 a řízení hodin RTC od Roland Elmiger HB9GAA a Eric Vandenbroucque F5HBN.
DCFOMON.ZIP – Můj program slouží k monitorování a ukládání informací vysílaných stanicí DCF77. Tento program využívá rezidentní ovladač od HB9GAA a F5HBN. Oba programy jsou pro DOS a chodí i pod Windows 3.11 (Win 95 jsem raději nezkoušel).

Přijímače

  • Schéma a připojení přijímače DCF77 podle HB9GAA s UE2125.

  • Schéma podle [2] s A244D (TCA440)

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *