DCF77

Передатчик временного кода DCF77
Низкочастотные антенны Т- DCF77 в Майнфлингене
Расположение	Длинноволновый передатчик Майнфлинген , Майнфлинген , Германия
Координаты	 50,01556 ° N 9,01083 ° E  / 50,01556; 9.01083
Высота	113 м (371 фут)
Оператор	Media Broadcast GmbH от имени PTB
Частота	77,5 кГц
Власть	50 кВт
Начало работы	1 января 1959 г.; непрерывная информация о дате и времени была добавлена ​​в июне 1973 г.
Официальный ассортимент	2000 км (1243 миль)
Веб-сайт	ДКФ 77

Недорогой приемник DCF77.

DCF77 — немецкая длинноволновая радиостанция стандартной частоты . Она начала работу как станция стандартной частоты 1 января 1959 года. В июне 1973 года была добавлена ​​информация о дате и времени. Его основной и резервный передатчики расположены по адресу: 50 ° 0'56 "N 9 ° 00'39" E в Майнфлингене , примерно в 25 км к юго-востоку от Франкфурта-на-Майне , Германия . Передатчик генерирует номинальную мощность 50 кВт, из которых около 30–35 кВт может излучаться через Т-образную антенну .

DCF77 контролируется Physikalisch-Technische Bundesanstalt лабораторией Германии, (PTB), национальной физической и осуществляет передачу в непрерывном режиме (24 часа). Он управляется компанией Media Broadcast GmbH (ранее дочерней компанией Deutsche Telekom AG ) от имени PTB. С Media Broadcast GmbH была согласована временная доступность передачи не менее 99,7% в год или менее 26,28 часов ежегодного простоя. Большинство перерывов в обслуживании представляют собой кратковременные отключения продолжительностью менее двух минут. Более длительные перебои в передаче обычно вызваны сильным ветром, ледяным дождем или движением Т-образной антенны из-за снега. Это проявляется в электрической расстройке резонансного контура антенны и, следовательно, в измеримой фазовой модуляции принимаемого сигнала. Если отклонение слишком велико, передатчик временно выводится из эксплуатации. В 2002 году была достигнута готовность почти на 99,95%, или чуть более 4,38 часов простоя. Отправленная временная метка имеет формат всемирного координированного времени (UTC)+1 или UTC +2 в зависимости от летнего времени .

Высокоточный частотой 77,5 кГц ( длина 3868,2897806 волны м , ) несущий сигнал генерируется местными атомными часами которые связаны с немецкими главными часами в PTB в Брауншвейге . Сигнал времени DCF77 используется для распространения немецкого национального юридического времени . среди общественности

Радиочасы и наручные часы были очень популярны в Европе с конца 1980-х годов, а в континентальной Европе большинство из них используют сигнал DCF77 для автоматической установки времени. Длинноволновое радиоизлучение DCF77 обеспечивает проникновение в здания, а сигналы времени могут приниматься небольшими ферритовыми антеннами, встроенными в недорогие радиоуправляемые хронометры, без помощи внешних антенн. Точность амплитудно-модулированных сигналов времени DCF77 достаточна для повседневного использования часов потребителями, где в первую очередь важна долговременная точность. Другие промышленные системы учета времени на вокзалах, в сфере телекоммуникаций и информационных технологий, на радио- и телестанциях радиоуправляемы DCF77, а также часы переключения тарифов энергоснабжающих компаний и часы на светофорах. .

Сигнал

Сигнал времени DCF77 используется такими организациями, как железнодорожная компания Deutsche Bahn, для синхронизации часов своих станций .

В передатчике Майнфлингена используются изолированные с оттяжками решетчатые мачты для поднятия антенн DCF77.

Низкочастотные Т-антенны непрерывно действующего сигнала DCF77 в Майнфлингене ночью.

Сигнал времени

Сигнал станции DCF77 передает сигнал данных с амплитудной модуляцией и широтно-импульсным кодированием со скоростью 1 бит/с. Тот же сигнал данных также модулируется по фазе на несущую длиной 512 бит с использованием псевдослучайной последовательности ( модуляция с расширенным спектром прямой последовательности ). Передаваемый сигнал данных повторяется каждую минуту.

• Текущие биты даты и времени;
• Второй бит предупреждения о переходе;
• Неизбежное изменение CET на CEST или наоборот, бит объявления;
• центральноевропейского времени (CET) / центральноевропейского летнего времени (CEST) ; бит
• Бит идентификации ненормальной работы передатчика;
• Несколько битов четности .

Экспериментальный сигнал тревоги гражданской обороны

С 2003 года четырнадцать ранее неиспользованных битов временного кода использовались для гражданской обороны сигналов чрезвычайной ситуации . Это экспериментальная служба, призванная однажды заменить немецкую сеть сирен гражданской обороны .

Сигнал гражданской защиты и прогноза погоды

С 22 ноября 2006 г. передатчик DCF77 использует биты 1–14 для передачи предупреждающих сообщений и информации о погоде. Под ответственностью Федерального управления гражданской защиты и помощи при стихийных бедствиях Германии ( BBK) предупреждения населению могут передаваться с использованием этих 14 бит. В качестве дальнейшего расширения информационного содержания, передаваемого DCF77, соответствующим образом оборудованные радиочасы могут предоставлять четырехдневный прогноз погоды для 60 различных регионов Европы. Данные прогноза предоставляются швейцарской компанией Meteo Time GmbH и передаются по собственному протоколу передачи. Те же 14 бит используются таким образом, чтобы обеспечить совместимость с протоколами передачи предупреждающих сообщений. Для декодирования данных прогноза погоды необходима лицензия. Поскольку используются биты, ранее зарезервированные для PTB, на старые радиочасы не должен влиять сигнал данных о погоде.

Будущее и позывной

Контракт на распространение сигнала между PTB и оператором передатчика DCF77 Media Broadcast GmbH периодически продлевается. После переговоров в 2021 году PTB и Media Broadcast GmbH договорились продолжить распространение национального юридического времени Германии в течение следующих 10 лет. Чтобы повысить надежность вещания, а также упростить обслуживание оператора, компания Media Broadcast GmbH объявила, что в 2022 году построит второй высокопроизводительный передатчик с дистанционным управлением. Затем объекты будут полностью дублированы на месте. В прошлом PTB заявлял, что инициирует новые переговоры, если будет сочтено необходимым проведение модернизации передающей станции для повышения надежности приема сигнала по всей Европе.

Позывной . DCF77 означает D = Deutschland (Германия), C = длинноволновый сигнал, F = длинноволновые передатчики на территории передающей станции Майнфлинген (из-за ее близости к Франкфурту-на-Майне), 77 = частота: 77,5 кГц

Подробности тайм-кода

Как и большинство длинноволновых передатчиков времени (аналогично сигналу времени TDF 162 кГц, 800 кВт , транслируемому из Франции), DCF77 отмечает секунды, уменьшая мощность несущей для интервала, начинающегося со секунды. Продолжительность сокращения варьируется для передачи одного бита временного кода в секунду, повторяющегося каждую минуту. Несущая синхронизирована, поэтому нарастающее пересечение нуля происходит во вторую секунду. Все изменения модуляции также происходят при возрастающих пересечениях нуля.

Амплитудная модуляция

Амплитудно-модулированный сигнал DCF77 как функция времени

Сигнал DCF77 использует амплитудную манипуляцию для передачи информации о времени в цифровом коде путем уменьшения амплитуды несущей до 15% от нормальной (-16½ дБ ) на 0,1 или 0,2 секунды в начале каждой секунды. Уменьшение на 0,1 секунды (7750 циклов амплитуды несущей 77500 Гц) обозначает двоичный 0; уменьшение на 0,2 секунды обозначает двоичную 1. В особом случае последняя секунда каждой минуты отмечается без снижения мощности несущей.

До 2006 года также существовала идентификация станции кодом Морзе , отправляемая в течение 19, 39 и 59 минут каждого часа, однако это было прекращено, поскольку станцию ​​легко идентифицировать по характерному сигналу. Тон 250 Гц генерировался прямоугольной волной, модулирующей несущую мощность от 100% до 85%, и этот тон использовался для отправки одной буквы в секунду между вторыми метками. В течение секунд 20–32 позывной «DCF77» был передан дважды.

Фазовая модуляция

Кроме того, в течение 793 мс, начиная с 200 мс, каждый бит временного кода передается с использованием расширенного спектра прямой последовательности . Бит смешивается с 512-битной псевдослучайной последовательностью чипов и кодируется на несущей с использованием фазовой манипуляции ±15,6° . Последовательность чипов содержит равные количества каждой фазы, поэтому средняя фаза остается неизменной. Каждый чип охватывает 120 циклов несущей, поэтому точная продолжительность составляет циклы с 15 500 по 76 940 из 77 500. Последние 560 циклов (7,23 мс) каждой секунды не модулируются по фазе.

Последовательность чипов генерируется 9-битным регистром сдвига с линейной обратной связью (LFSR), повторяется каждую секунду и начинается с 00000100011000010011100101010110000….

Программная реализация LFSR Галуа может генерировать полную последовательность чипов:

  unsigned int i, lfsr;
  lfsr = 0;

  for (i = 0; i < 512; i++) {
    unsigned int chip;

    chip = lfsr & 1;
    output_chip(chip);

    lfsr >>= 1;
    if (chip || !lfsr)
      lfsr ^= 0x110;
  }

Каждый бит временного кода, который должен быть передан, соединяется с выходом LFSR. Окончательная чипированная последовательность используется для модуляции фазы передатчика. Во время 0 чипов несущая передается с опережением фазы +15,6°, а во время 1 чипов она передается с фазовым запаздыванием -15,6°.

Вместо специального минутного маркера, используемого в амплитудном коде, бит 59 передается как обычный 0-бит, а первые 10 бит (секунды 0–9) передаются как двоичная 1.

По сравнению с амплитудной модуляцией, фазовая модуляция лучше использует доступный частотный спектр и приводит к более точному временному распределению низких частот с меньшей чувствительностью к помехам. Однако фазовая модуляция не используется многими приемниками DCF77. Причиной этого является глобальная доступность сигналов (точной привязки ко времени), передаваемых глобальными навигационными спутниковыми системами, такими как система глобального позиционирования (GPS), ГЛОНАСС , Galileo и BeiDou . Благодаря структуре сигнала GPS и более широкой доступной полосе пропускания прием GPS, в принципе, обеспечит неопределенность передачи времени, которая по крайней мере на один порядок ниже , чем неопределенность, которая может быть достигнута с помощью приемного оборудования с фазовой модуляцией DCF77. (Время GPS имеет точность примерно от ± 10 до 30 наносекунд. и в ежеквартальном отчете о производительности Galileo, подготовленном Европейским сервисным центром GNSS за апрель, май и июнь 2021 года, сообщается, что точность службы распространения времени UTC составила ≤ 4,3 нс, рассчитанная путем накопления выборок за предыдущие 12 месяцев и превышающая целевое значение ≤ 30 нс. ).

Интерпретация временного кода

Время представлено в двоично-десятичном формате . Оно представляет собой гражданское время, включая поправки на летнее время. Передаваемое время — это время следующей минуты ; например, 31 декабря 23:59, передаваемое время кодирует 1 января 00:00.

Первые 20 секунд — это специальные флаги. Минуты кодируются секундами 21–28, часы — секундами 29–34, а дата — секундами 36–58.

Два флага предупреждают об изменениях, которые произойдут в конце текущего часа: смена часовых поясов и вставка дополнительной секунды. Эти флаги устанавливаются в течение часа до события. Сюда входит последняя минута перед событием, в течение которой другие биты временного кода (включая биты индикатора часового пояса) кодируют время первой минуты после события.

Временной код DCF77

Кусочек	Масса		Значение		Кусочек	Масса		Значение		Кусочек	Масса		Значение
	ФМ	ЯВЛЯЮСЬ				ФМ	ЯВЛЯЮСЬ				ФМ	ЯВЛЯЮСЬ
:00	1	М	Начало минуты. Всегда 0.		:20	С		Начало закодированного времени. Всегда 1.		:40	10		День месяца (продолжение)
:01	1	Гражданские предупреждающие биты, предоставлено Федеральное управление гражданской защиты и предупреждение о стихийных бедствиях (Федеральное управление гражданской защиты и помощи при стихийных бедствиях). Также содержит прогнозы погоды.			:21	1		Минуты 00–59		:41	20
:02	1				:22	2				:42	1		День недели Понедельник=1, Воскресенье=7
:03	1				:23	4				:43	2
:04	1				:24	8				:44	4
:05	1				:25	10				:45	1		Номер месяца 01–12
:06	1				:26	20				:46	2
:07	1				:27	40				:47	4
:08	1				:28	П1		Четность по минутным битам 21–28.		:48	8
:09	1				:29	1		Часы 0–23		:49	10
:10	0				:30	2				:50	1		Год в столетии 00–99
:11	0				:31	4				:51	2
:12	0				:32	8				:52	4
:13	0				:33	10				:53	8
:14	0				:34	20				:54	10
:15	Р		Бит вызова: ненормальная работа передатчика. Ранее: использовалась резервная антенна.		:35	П2		Четность битов 29–35 часов.		:55	20
:16	А1		Объявление о летнем времени . Установите за час до изменения.		:36	1		День месяца. 01–31		:56	40
:17	Z1		Установите значение 1, если CEST действует .		:37	2				:57	80
:18	Z2		Установите значение 1, когда центральноевропейское время действует .		:38	4				:58	П3		Четность битов даты 36–58.
:19	А2		Прыжок второго объявления. Устанавливается в течение часа до дополнительной секунды.		:39	8				:59	0	Минутная отметка: амплитудная модуляция отсутствует.

В случае добавленной дополнительной секунды нулевой бит вставляется в течение секунды 59, а специальный недостающий бит передается во время самой секунды координации, секунды 60.

Хотя временной код включает только две цифры года, по дню недели можно определить два бита века. Все еще существует 400-летняя неопределенность, поскольку григорианский календарь повторяет недели каждые 400 лет, но этого достаточно, чтобы определить, какие годы, оканчивающиеся на 00, являются високосными.

Биты часового пояса можно рассматривать как двоичное представление смещения UTC . Набор Z1 указывает UTC+2 , а Z2 указывает UTC+1 .

Фазовая модуляция обычно кодирует те же данные, что и амплитудная модуляция, но отличается для битов с 59 по 14 включительно. Бит 59 (без амплитудной модуляции) модулируется по фазе как 0-бит. Биты 0–9 модулируются по фазе как биты 1, а биты 10–14 модулируются по фазе как биты 0. Предупреждения гражданской защиты и информация о погоде не включены в фазово-модулированные данные.

Приемная

Приемная DCF77 из Майнфлингена

Уровень сигнала DCF77 за 24 часа измерен в Нерхе , на южном побережье Испании, в 1801 км (1119 миль) от передатчика. Около часа ночи он достигает пика мощности сигнала ≈ 100 мкВ/м. Днем сигнал ослабляется из-за ионизации ионосферы из-за солнечной активности.

Благодаря относительно высокой мощности в 50 кВт передачи DCF77 могут надежно приниматься на большей части Европы, на расстоянии до 2000 км (1243 миль) от передатчика в Майнфлингене. В этом диапазоне мощность сигнала DCF77, указанная Федеральным физико-техническим институтом (PTB), составляет ≥ 100 мкВ/м. Данная оценка мощности сигнала производилась по модели отражения с отражением (один скачок) от D-слоя ионосферы . Например, прием с помощью часов потребительского уровня (при условии, что используемые радиочасы могут обеспечить прием с мощностью сигнала ≈ 100 мкВ/м) возможен в Норвегии (Будё), России (Москва), Турции (Стамбул), Гибралтаре и Португалии (во время ночные часы). Металлические конструкции или помехи, создаваемые другими электронными устройствами, могут вызвать проблемы с приемом в этом диапазоне. На более коротких расстояниях мощность сигнала DCF77 намного выше. Например, на расстоянии менее 500 км (311 миль) от передатчика в Майнфлингене ожидаемая мощность сигнала земной волны составляет ≥ 1 мВ/м.

В зависимости от распространения сигнала , множественных отражений (скачков) и местных помех сигнал DCF77 иногда может быть принят дальше (см. Распространение в тропосфере ). Это связано со значительным снижением мощности сигнала и зависит от многих факторов, например, от времени суток и сезона, угла падения ионосферной волны на D-слой и солнечной активности.

Контроль

Атомные главные часы CS2 используются в PTB для проверки отклонений.

Управляющий сигнал не передается по проводу от Физико-технического федерального института (PTB) в Брауншвейге на передающую радиостанцию ​​в Майнфлингене, а генерируется на месте излучения с помощью блока управления, разработанного PTB. Этот блок управления, расположенный в кондиционированном помещении передающей станции, экранирован от высокочастотных помех и управляется из Брауншвейга. В целях эксплуатационной надежности сигнал управления генерируется тремя независимыми каналами управления, каждый из которых оснащен собственными атомными цезиевыми часами . Кроме того, рубидиевые атомные часы на территории отеля имеются . Чтобы избежать некорректных излучений, выходные сигналы этих трех каналов сравниваются на месте в двух электронных схемах переключателей. Выходные данные для передачи формируются только в том случае, если хотя бы два из трех каналов согласованы. Через телефонную сеть общего пользования можно вызвать рабочие данные блока управления с помощью системы телеуправления. Кроме того, время фазы несущей и состояния вторых маркеров сравниваются в Брауншвейге с заданными значениями, заданными атомными главными часами PTB, которые обеспечивают UTC (PTB). Из этих атомных часов атомные часы CS2 в Брауншвейге обеспечивают немецкий национальный юридический стандарт времени и могут использоваться в качестве высокоточного стандарта частоты. При наличии отклонений необходимые корректировки будут внесены через систему телеконтроля.

Точность

Передача инфекции

DCF77 составляет 2 × 10. передаваемой несущей частоты Относительная погрешность ⁻¹² в течение 24 часов и 2 × 10 ⁻¹³ более 100 дней, с отклонением фазы относительно UTC, никогда не превышающим 5,5 ± 0,3 микросекунды . Четыре немецких первичных цезиевых (фонтанных) атомных часа (CS1, CS2, CSF1 и CSF2), используемых PTB в Брауншвейге, обеспечивают значительно меньший долговременный дрейф часов , чем атомные часы, используемые на установке DCF77 в Майнфлингене. Ожидается, что с помощью внешних поправок из Брауншвейга контрольный блок DCF77 в Майнфлингене не выиграет и не потеряет ни секунды примерно за 300 000 лет.

Теоретически внешний тактовый сигнал, управляемый DCF77, должен быть способен синхронизироваться с точностью до половины периода передаваемой несущей частоты 77,5 кГц сигнала DCF77, или в пределах ± 6,452 × 10. ⁻⁶ с или ± 6,452 микросекунды.

Прием

Радиочасы потребительского класса с приемником DCF77 (справа) в часах. небольшая ферритовая петлевая антенна, используемая в этом будильнике. Слева видна

Из-за процесса распространения фазовых и/или частотных сдвигов, наблюдаемых в принимаемых сигналах, практическая точность оказывается ниже, чем первоначально предполагалось при использовании атомных часов в месте передачи. Как и в случае с любым радиопередатчиком сигнала времени, на точное установление времени влияет расстояние до передатчика, поскольку сигнал времени распространяется к приемнику сигнала времени со скоростью света . Для приемника DCF77, расположенного на расстоянии 1000 км (621 миль ) от передатчика DCF77, из-за задержки в пути приемник будет установлен с опозданием более чем на 3 миллисекунды . Такое небольшое отклонение редко будет представлять интерес, и при желании в приемниках времени приборного класса можно скорректировать задержку прохождения.

Дальнейшие неточности могут быть вызваны типом волны, которую регистрирует приемник. Если предполагается прием чисто земных волн и место приема постоянно, в расчет может быть включена константа, тогда как в случае чисто космических волн приемник не может компенсировать флуктуации, поскольку они являются результатом изменения высоты отражающей и изгибающий слой ионосферы. Аналогичные проблемы возникают там, где наземные и небесные волны перекрываются. Это поле не является постоянным, а меняется в течение дня примерно на расстоянии от 600 до 1100 км (от 373 до 684 миль ) от положения передатчика.

Приемники DCF77 с корректировкой приборного класса, использующие амплитудно-модулированные сигналы времени с сопутствующими антеннами, ориентированными по касательной к антенне передатчика в Майнфлингерне, чтобы обеспечить наилучший прием сигнала времени без помех в фиксированных местах, могут достичь практической неопределенности точности лучше ± 2 миллисекунды. .

Помимо передачи амплитудно-модулированного сигнала времени, эта информация с июня 1983 года также передается DCF77 посредством фазовой модуляции несущей волны псевдослучайной шумовой последовательностью длиной 512 бит. Используя кросс-корреляцию, воспроизведенный сигнал на приемной стороне можно использовать для гораздо более точного определения начала вторых маркеров. Недостаток использования фазомодулированных сигналов времени заключается в сложном приемном оборудовании приборного класса, необходимом для использования этого метода приема сигналов времени. Используя этот метод, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) измерил стандартные отклонения от ± 2 до 22 микросекунд между UTC (PTB) и UTC (DCF77), в зависимости от времени суток и сезона. Это было сделано в Брауншвейге, расположенном в 273 км (170 миль ) от передатчика в Майнфлингене.

Обычные недорогие приемники DCF77 потребительского класса полагаются исключительно на сигналы с амплитудной модуляцией времени и используют узкополосные приемники (с полосой пропускания 10 Гц) с небольшими ферритовыми петлевыми антеннами и схемами с неоптимальной задержкой цифровой обработки сигнала, и поэтому от них можно ожидать только определения начало секунды с практической погрешностью ± 0,1 секунды. Этого достаточно для недорогих радиоуправляемых часов потребительского класса и часов, использующих кварцевые часы стандартного качества для измерения времени между ежедневными попытками синхронизации DCF77, поскольку они будут наиболее точными сразу после успешной синхронизации и станут менее точными с этого момента до следующей. синхронизация. Некоторые кварцевые механизмы потребительского класса, управляемые DCF77, обеспечивают точное отслеживание времени, автоматически синхронизируя и корректируя время более одного раза в течение дня.

Использование эталонных часов протокола сетевого времени

Основная статья: Протокол сетевого времени

Серверы времени Network Time Protocol отображают идентификатор refid .DCFa. (амплитудная модуляция) или .DCFp. (фазовая модуляция), когда стандартный приемник времени DCF77 используется в качестве опорного источника времени.

Дальнейшее чтение

• Дитце, Андреас; Кридт, Ганс; Вондра, Юрген (август 1981 г.). «Предложение для тиражирования: Простой приемник сигналов времени DCF77» (PDF) . Страницы приложений. Funk-Technik - отраслевой журнал по всей бытовой электронике (на немецком языке). Том 36, № 8. Гейдельберг, Германия: Др. Альфред Хютиг Верлаг ГмбХ. стр. 279–282. ISSN   0016-2825 . Архивировано (PDF) из оригинала 10 июля 2021 г. Проверено 10 июля 2021 г. (4 страницы)

Внешние ссылки

• Официальная веб-страница DCF77 на PTB
• (на немецком языке) Атомные часы во Франкфурте/Главная Германия
• DCF77. Архивировано 31 марта 2012 г. в Wayback Machine в глобальной базе данных частот. Архивировано 30 марта 2013 г. в Wayback Machine.
• Описание тайм-кода
• Наблюдение DCF77 во время високосной секунды
• реализации DCF77 Arduino, Аппаратное обеспечение заархивировано 22 июля 2013 г. на Wayback Machine , сигнал заархивирован 24 июля 2013 г. на Wayback Machine , код заархивирован 25 июля 2013 г. на Wayback Machine.
• Метеовремя
• Распространение по времени и частоте с DCF77: 1959–2009 и последующие годы» – подробное описание истории DCF77.
• Как построить часы DCF (копия archive.org)
• Исторический визит Эккехарда Плихта в DCF77 Майнфлинген.