DCF77: Как работи системата за времеви сигнал?

Здравей Хабр.

Вероятно мнозина, които купуват часовник или метеорологична станция, са виждали радиоуправляемия часовник или дори логото на атомния часовник на опаковката. Това е много удобно, защото просто трябва да поставите часовника на масата и след известно време той автоматично ще се настрои към точното време.


Нека да разберем как работи и да напишем декодер на Python.

Има различни системи за синхронизиране на времето. Най-популярната в Европа е немската система DCF-77, Япония има своя собствена система JJY, в САЩ има система WWVB, и така нататък. След това историята ще бъде за DCF77, като най-подходящия и достъпен за приемане на някои места в европейската част на Русия и съседните страни (жителите на Далечния изток може да имат обратното мнение, но те от своя страна могат да получат и анализирайте японския сигнал;).

Всичко написано по-долу ще бъде за DCF77.

Приемане на сигнал

DCF77 е дълговълнова станция, работеща на честота 77.5 kHz и предаваща сигнали в амплитудна модулация. Станцията 50KW се намира на 25 км от Франкфурт, започва работа през 1959 г., а през 1973 г. към точния час е добавена информация за датата. Дължината на вълната при честота от 77 KHz е много голяма, така че размерите на антенното поле също са доста прилични (снимка от Wikipedia):


С такава антена и входна мощност зоната на приемане покрива почти цяла Европа, Беларус, Украйна и част от Русия.

Всеки може да запише сигнал. За да направите това, просто отидете на онлайн приемника http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, изберете там честота 76.5KHz и USB модулация. Трябва да се отвори изображение, което изглежда по следния начин:

Там натискаме бутона за изтегляне и записваме фрагмент с дължина няколко минути. Разбира се, ако имате „истински“ приемник, способен да записва честота от 77.5 KHz, можете да го използвате.

Разбира се, получавайки радиосигнали за време през интернет, няма да получим наистина точно време - сигналът се предава със закъснение. Но нашата цел е само да разберем структурата на сигнала, за това записът в Интернет е повече от достатъчен. В реалния живот, разбира се, се използват специализирани устройства за приемане и декодиране, те ще бъдат разгледани по-долу.

И така, получихме записа, нека започнем да го обработваме.

Декодиране на сигнала

Нека заредим файла с помощта на Python и да видим неговата структура:

from scipy.io import wavfile
from scipy import signal
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

sample_rate, data = wavfile.read("dcf_websdr_2019-03-26T20_25_34Z_76.6kHz.wav")
plt.plot(data[:100000])
plt.show()

Виждаме типична амплитудна модулация:


За да опростим декодирането, нека вземем обвивката на сигнала, използвайки трансформацията на Хилберт:

analytic_signal = signal.hilbert(data)
A = np.abs(analytic_signal)
plt.plot(A[:100000])

Увеличен резултат:


Нека да изгладим шумовите емисии с помощта на нискочестотен филтър и в същото време да изчислим средната стойност, която ще бъде полезна по-късно за анализ.

b, a = signal.butter(2, 20.0/sample_rate)
zi = signal.lfilter_zi(b, a)
A, _ = signal.lfilter(b, a, A, zi=zi*A[0])
avg = (np.amax(A) + np.amin(A))/2

Резултат (жълта линия): почти правоъгълен сигнал, който е доста лесен за анализ.

Разбор

Първо трябва да получите битовата последователност. Самата структура на сигнала е много проста.


Импулсите са разделени на секундни интервали. Ако разстоянието между импулсите е 0.1s (т.е. дължината на самия импулс е 0.9s), добавете „0“ към последователността от битове; ако разстоянието е 0.2s (т.е. дължината е 0.8s), добавете „1“. Краят на всяка минута се обозначава с „дълъг“ импулс, дълъг 2 s, битовата последователност се нулира и пълненето започва отново.

Горното е лесно за писане на Python.

sig_start, sig_stop = 0, 0
pos = 0
bits_str = ""
while pos < cnt - 4:
    if A[pos] < avg and A[pos+1] > avg:
        # Signal begin
        sig_start = pos
    if A[pos] > avg and A[pos+1] < avg:
        # Signal end
        sig_stop = pos

        diff = sig_stop - sig_start
    
        if diff < 0.85*sample_rate:
            bits_str += "1"
        if diff > 0.85*sample_rate and diff < 1.25*sample_rate:
            bits_str += "0"
        if diff > 1.5*sample_rate:
            print(bits_str)
            bits_str = ""

    pos += 1

В резултат на това получаваме последователност от битове, в нашия пример за две секунди изглежда така:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

Между другото, интересно е, че сигналът има и „втори слой“ от данни. Последователността от битове също се кодира с помощта на фазова модулация. На теория това трябва да осигури по-стабилно декодиране дори в случай на отслабен сигнал.

Нашата последна стъпка: получаване на действителните данни. Битовете се предават веднъж в секунда, така че имаме общо 59 бита, в които е кодирана доста информация:


Битовете са описани в Wikipedia, и са доста любопитни. Първите 15 бита не се използват, въпреки че имаше планове да се използват за системи за предупреждение и гражданска защита. Бит A1 показва, че часовникът ще премине към лятно часово време през следващия час. Бит A2 показва, че допълнителен скок секунда, който понякога се използва за коригиране на времето според въртенето на Земята. Останалите битове кодират часове, минути, секунди и дата.

За тези, които искат да експериментират сами, кодът за декодиране е даден под спойлера.
Изходен код

def decode(bits):
    if bits[0] != '0' or bits[20] != '1':
        return
    
    minutes, hours, day_of_month, weekday, month, year = map(convert_block,
                                                             (bits[21:28], bits[29:35], bits[36:42], bits[42:45],
                                                              bits[45:50], bits[50:58]))
    days = ('Sunday', 'Monday', 'Tuesday', 'Wednesday', 'Thursday', 'Friday', 'Saturday', 'Sunday')
    print('{dow}, {dom:02}.{mon:02}.{y}, {h:02}:{m:02}'.format(h=hours, m=minutes, dow=days[weekday],
                                                               dom=day_of_month, mon=month, y=year))


def convert_ones(bits):
    return sum(2**i for i, bit in enumerate(bits) if bit == '1')


def convert_tens(bits):
    return 10*convert_ones(bits)


def right_parity(bits, parity_bit):
    num_of_ones = sum(int(bit) for bit in bits)
    return num_of_ones % 2 == int(parity_bit)


def convert_block(bits, parity=False):
    if parity and not right_parity(bits[:-1], bits[-1]):
        return -1
    
    ones = bits[:4]
    tens = bits[4:]
    return convert_tens(tens) + convert_ones(ones)

Когато стартираме програмата, ще видим резултат, подобен на този:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:41
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:42

Всъщност това е цялата магия. Предимството на такава система е, че декодирането е изключително просто и може да се направи на всеки, дори и най-простият микроконтролер. Просто броим дължината на импулсите, натрупваме 60 бита и в края на всяка минута получаваме точното време. В сравнение с други методи за синхронизация на времето (GPS, например, или не дай си Боже, Интернет :), такава радио синхронизация не изисква почти никакво електричество - например обикновена домашна метеорологична станция работи около година с 2 батерии АА. Следователно дори ръчните часовници се правят с радиосинхронизация, да не говорим, разбира се, за стенните часовници или часовниците на уличните станции.

Удобството и простотата на DCF също привличат ентусиастите „направи си сам“. Само за $10-20 можете да закупите готов антенен модул с готов приемник и TTL изход, който може да бъде свързан към Arduino или друг контролер.


Вече е написано за Arduino готови библиотеки. Но вече е известно, че каквото и да правите с микроконтролера, в крайна сметка получавате или часовник, или метеорологична станция. С такъв уред получаването на точния час е наистина лесно, при условие, разбира се, че сте на рецепцията. Е, можете да окачите надписа „Атомен часовник“ на часовника си и в същото време да обясните на всички, че устройството наистина се синхронизира с помощта на атомен часовник.

Желаещите могат дори да надстроят стария си часовник на баба, като инсталират нов механизъм с радиосинхронизация:

Можете да намерите такъв в ebay, като използвате ключовите думи „Радиоуправляемо движение“.

И накрая, един лайфхак за тези, които са прочели до тук. Дори и да няма нито един предавател на радиосигнал в следващите няколко хиляди километра, не е трудно да генерирате такъв сигнал сами. В Google Play има програма, наречена „DCF77 Emulator“, която извежда сигнала към слушалките. Според автора, ако увиете кабела на слушалките около часовника, те ще уловят сигнала (интересно е как, защото обикновените слушалки няма да произведат 77KHz сигнал, но приемането вероятно се дължи на хармоници). На Android 9 програмата изобщо не работи за мен - просто нямаше звук (или може би не го чух - все пак е 77KHz :), но може би някой ще има повече късмет. Някои обаче си правят пълноценен DCF генератор на сигнали, който е лесен за създаване на същия Arduino или ESP32:

(източник sgfantasytoys.wordpress.com/2015/05/13/synchronize-radio-controlled-watch-without-access)

Заключение

Системата DCF се оказа наистина доста проста и удобна. С помощта на прост и евтин приемник можете да имате точния час винаги и навсякъде, разбира се в рецепцията. Изглежда, че дори въпреки широко разпространената дигитализация и Интернет на нещата, подобни прости решения ще бъдат търсени дълго време.

Източник: www.habr.com