Odbiór i dekodowanie sygnału DCF77

         DCF77 jest radiowym sygnałem czasu rozsyłanym na częstotliwości 77,5kHz w paśmie LW. Nadajnik usytuowany jest w miejscowości Mainflingen (50⁰01' północ, 09⁰00' wschód), niedaleko Frankfurtu, w Niemczech, a jego zasięg wynosi około 2500km. Nadajnik wyposażony jest w 150 metrową antenę nadawczą i 200 metrową antenę zapasową. Moc nadajnika to 50kW, a moc sygnału wypromieniowywanego sięga 25kW. W przesyłanym sygnale zakodowane są informacje o bieżącej godzinie, dacie oraz informacje dodatkowe. Przesyłany czas jest czasem urzędowym UE. Do odbioru sygnału stosuje się odbiorniki radiowe zestrojone na częstotliwość 77,5kHz wyposażone, często, w cyfrowy obwód dekodowania danych. Opóźnienia w odbiorze wynikają zarówno z warunków propagacyjnych, jak i opóźnień wprowadzanych przez sam odbiornik.

[do góry]

KODOWANIE

         Sygnał DCF kodowany jest amplitudowo z modulacją długości impulsu (PWM). Pojawiające się cyklicznie, co sekundę, impulsy mające czas trwania od 100 do 200 milisekund reprezentowane są przez zmniejszenie amplitudy sygnału nośnego o 25%. Impuls o czasie trwania 100ms traktowany jest jako logiczne "0", zaś impuls o czasie trwania 200ms jako logiczna "1".

Dekodowanie najlepiej wykonuje się w oparciu o mikrokontrolery, lub komputery mogące precyzyjnie wyznaczać długość krótkich odcinków czasu.
Kompletna ramka danych składa się z 59 bitów danych i 1 bitu synchronizacji, i jest transmitowana przez jedną minutę. Przesyłana informacja dotyczy minuty następującej po zakończeniu procesu transmisji danych. Transmisja poszczególnych bitów trwa dokładnie jedną sekundę. Początkiem każdego z nich jest impuls ("0" lub "1"). Wyjątek stanowi bit synchronizacji, który w ciągu całej sekundy nie zawiera żadnego impulsu. Transmisja realizowana jest szeregowo, tzn. bit po bicie, a numer i znaczenie każdego z nich znajduje się w tabelce poniżej.

Zwyczajowo bit 59. nie posiada żadnego impulsu, lecz 2 razy na 3 lata jest on transmitowany. Wypada to w ostatniej minucie czerwca, lub grudnia wówczas, gdy transmitowana jest jednocześnie zapowiedź dodatkowej sekundy i jest to moment jej uwzględnienia (bit 19.).

[do góry]

ODBIÓR

         Do odbioru sygnału DCF77 stosuje się odbiorniki radiowe zestrojone na częstotliwość 77,5kHz. Wydzielony w tak zestrojonym filtrze LC sygnał zostaje wzmocniony i poddany procesowi dekodowania. Z uwagi na fakt występowania szumów w odbieranym sygnale, często wykorzystuje się do tego celu specjalizowane układy. Najpopularniejszymi z rozwiązań to odbiorniki oparte na układach: U2275B, U4221B, U4224B, lub UE2125. Ze względu na wykorzystanie układów specjalizowanych obwody dyskretne ograniczone są do niezbędnego minimum, a ilość elementów jest niewielka. Pozwala to na budowanie bardzo małych odbiorników mieszczących się razem z anteną w pudełku od zapałek.

Sygnał uzyskiwany z takich odbiorników jest sygnałem prostokątnym, gdzie reprezentacją impulsu jest skok napięcia wyjściowego z poziomu masy od +zasilania.

W obwodzie wyjściowym znajduje się tranzystor bipolarny, którego kolektor stanowi końcówkę sygnałową odbiornika. Spotykane są czasem wersje odbiorników działające odwrotnie, gdzie stanem spoczynkowym jest napięcie +Uzas, a aktywnym (impuls) zwieranie wyjścia do masy. Z tego też powodu czasem należy dodać prosty obwód pośredniczący, zmieniający polaryzację sygnału wyjściowego z odbiornika tzw. inwerter.

[do góry]

ZAKŁÓCENIA

         Przy zagadnieniu odbioru sygnału DCF77 nie można zapomnieć o problemie zakłóceń. Jako, że jest to sygnał AM transmitowany na niskiej częstotliwości, jest on bardzo podatny na zakłócenia. Możliwość poprawnego odbioru uzależniona jest od aktualnych warunków meteorologicznych i propagacyjnych, oraz miejsca zamontowania samego odbiornika. Pomijając dwa pierwsze problemy, na które raczej nie mamy wpływu, należy wspomnieć o doborze miejsca dla odbiornika. Wszelkie pobliskie linie zasilające generują zakłócenia radiowe. Należy wystrzegać się linii napowietrznych przebiegających nad lub w sąsiedztwie odbiornika, gdyż skutecznie może to uniemożliwić nie tyle poprawny, lecz jakikolwiek odbiór. Generacją zakłóceń, mających wpływ na odbiornik, "zajmują" się także wszelkie urządzenia przełączające i komutacyjne, które pracują bez dobrej jakości sterowania i filtracji (np. ściemniacze tyrystorowe, wiertarki komutatorowe). Dodatkowo bliska obecność sprzętu komputerowego pogarsza warunki odbioru. Wychodzi więc na to, że wypada przenieść się z odbiornikiem gdzieś w wolny obszar, lub na dach. Jedną z ważnych rzeczy, o których także należy pamiętać to fakt, iż sygnał radiowy ma tendencje do odbijania się od ścian, dla tego też nie należy montować odbiornika w miejscach, których układ ścian działałby jak reflektor. Ostatnią rzeczą jest zapewnienie dobrych warunków przesyłu odebranego sygnału do układu dekodującego przewodem ekranowanym, lub bezprzewodowo.

[do góry]

DEKODOWANIE

         Dekodowanie należy rozpocząć od bitu 0. Do "wytropienia" go służy bit synchronizujący (59). Zauważmy, że w bicie tym nie występuje żaden impuls, charakterystyczny przy przesyłaniu "0" lub "1", oraz że stan taki trwa jedną sekundę. Pamiętając przy tym, że bit 58 to "0" lub "1", więc poczynając od zakończenia impulsu mamy moment, w którym występuje jego brak przez 1,8 - 1,9s (reszta bitu 58 + bit synchronizujący). Można przyjąć, że jeżeli brak impulsu zmieści się w przedziale 1,5 - 2s to jesteśmy zsynchronizowani do bitu zerowego i można rozpocząć odbiór danych DCF.
Odbiór powinien wyglądać w taki sposób, że urządzenie dekodujące mierzy czasy, w których nie występuje żaden impuls, jak i długości samych impulsów. Dane radiowe ulegają na swojej drodze wielokrotnym odbiciom, więc odbierany sygnał może zmieniać nieznacznie swoje parametry czasowe. Mimo to można na bieżąco decydować czy transmisja jest poprawna, czy nie zakładając z grubsza, że: czas trwania impulsu musi zmieścić się w przedziale 50 - 250ms, czas przerwy między impulsami musi zmieścić się w przedziale 0.6 - 1s. Podane zakresy są wartościami do zastosowań amatorskich i dla potrzeb przemysłowych zawęża się je.
Urządzenie dekodujące zbierając poszczególne dane zlicza ich ilość i gdy odbierze bit 58. zabiera się do sprawdzenia bitów parzystości. Sprawdzenie to polega na porównaniu czy liczba jedynek w przedziale danych, które obejmuje suma, jest parzysta i porównaniu z wartością odebranego bitu parzystości.
Kolejnym krokiem jest dokonanie dodatkowego sprawdzenia metodą "wykluczania debilizmów". Może się bowiem zdarzyć tak, że pomimo dobrego wyniku porównania danych z ich sumami kontrolnymi dane są niepoprawne i np. godzina wskazywana jest jako 27. Powinno się sprawdzić: czy godzina nie jest większa od 24, czy minuty nie są większe od 60, czy dni miesiąca nie przekraczają 31, czy dni tygodnia nie są równe 0, czy miesiące nie są większe od 12 i czy lata nie są większe od 99. Nieraz już na wstępie jesteśmy w stanie stwierdzić czy nie występują problemy z odbiorem, gdyż począwszy od bitu 0, a na 14 skończywszy powinniśmy otrzymać logiczne "0". Dodatkowo bit 19. to zawsze logiczna "1".
Wykrycie błędu w którymkolwiek z momentów powinno skutkować ignorowaniem odebranej, bądź odbieranej ramki danych, ewentualnym zasygnalizowaniem faktu i przyczyny utraty sygnału i przejściem do procedury synchronizacji.
Przypominam, że synchronizacja polega na ustaleniu początku ramki danych DCF. Dwa razy na trzy lata, w miejscu bitu synchronizacyjnego, pojawia się bit danych związany z wprowadzaną korektą sekund. Gdy w takim momencie urządzenie będzie chciało się zsynchronizować to niestety przyjęcie kryterium braku impulsu przez 1,5 - 2s nie będzie poprawne i synchronizacja wystąpi najprędzej dopiero w następnej minucie. Do zastosowań amatorskich przypadki te można jednak pominąć.

[do góry]

KY3ORR