DCF77: সময় সংকেত সিস্টেম কিভাবে কাজ করে?

হ্যালো হাবর।

সম্ভবত অনেকেই যারা ঘড়ি বা আবহাওয়া স্টেশন কিনেছেন তারা প্যাকেজিংয়ে রেডিও নিয়ন্ত্রিত ঘড়ি বা এমনকি পারমাণবিক ঘড়ির লোগো দেখেছেন। এটি খুব সুবিধাজনক, কারণ আপনাকে কেবল ঘড়িটি টেবিলে রাখতে হবে এবং কিছুক্ষণ পরে এটি স্বয়ংক্রিয়ভাবে সঠিক সময়ের সাথে সামঞ্জস্য করবে।


আসুন এটি কীভাবে কাজ করে তা খুঁজে বের করুন এবং পাইথনে একটি ডিকোডার লিখুন।

বিভিন্ন সময় সিঙ্ক্রোনাইজেশন সিস্টেম আছে. ইউরোপে সবচেয়ে জনপ্রিয় হল জার্মান সিস্টেম DCF-77, জাপানের নিজস্ব ব্যবস্থা আছে জেজেওয়াই, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে একটি সিস্টেম আছে ডাব্লুডব্লিউভিবি, এবং তাই। পরবর্তী, গল্পটি DCF77 সম্পর্কে হবে, কারণ রাশিয়ার ইউরোপীয় অংশ এবং প্রতিবেশী দেশগুলির কিছু জায়গায় অভ্যর্থনার জন্য সবচেয়ে প্রাসঙ্গিক এবং অ্যাক্সেসযোগ্য (দূর প্রাচ্যের বাসিন্দাদের বিপরীত মতামত থাকতে পারে, তবে, তারা, ঘুরে, গ্রহণ করতে পারে) এবং জাপানি সংকেত বিশ্লেষণ;)

নীচে যা লেখা আছে সবই হবে DCF77 সম্পর্কে।

সংকেত অভ্যর্থনা

DCF77 হল একটি দীর্ঘ তরঙ্গ স্টেশন যা 77.5 kHz ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করে এবং প্রশস্ততা মড্যুলেশনে সংকেত প্রেরণ করে। 50KW স্টেশনটি ফ্রাঙ্কফুর্ট থেকে 25 কিলোমিটার দূরে অবস্থিত, এটি 1959 সালে কাজ শুরু করে এবং 1973 সালে সঠিক সময়ে তারিখের তথ্য যোগ করা হয়েছিল। 77 KHz ফ্রিকোয়েন্সিতে তরঙ্গদৈর্ঘ্য খুব দীর্ঘ, তাই অ্যান্টেনা ক্ষেত্রের মাত্রাগুলিও বেশ শালীন (উইকিপিডিয়া থেকে ছবি):


এই ধরনের একটি অ্যান্টেনা এবং পাওয়ার ইনপুট সহ, অভ্যর্থনা এলাকাটি প্রায় সমগ্র ইউরোপ, বেলারুশ, ইউক্রেন এবং রাশিয়ার অংশ জুড়ে।

যে কেউ একটি সংকেত রেকর্ড করতে পারেন. এটি করতে, শুধু অনলাইন রিসিভারে যান http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, সেখানে ফ্রিকোয়েন্সি 76.5KHz এবং USB মডুলেশন নির্বাচন করুন। একটি চিত্র খোলা উচিত যা দেখতে এইরকম কিছু দেখায়:

সেখানে আমরা ডাউনলোড বোতাম টিপুন এবং কয়েক মিনিট দীর্ঘ একটি খণ্ড রেকর্ড করি। অবশ্যই, আপনার যদি 77.5KHz ফ্রিকোয়েন্সি রেকর্ড করতে সক্ষম একটি "বাস্তব" রিসিভার থাকে তবে আপনি এটি ব্যবহার করতে পারেন।

অবশ্যই, ইন্টারনেটের মাধ্যমে রেডিও সময় সংকেত গ্রহণ করে, আমরা সত্যিকারের সঠিক সময় পাব না - সংকেতটি বিলম্বের সাথে প্রেরণ করা হয়। কিন্তু আমাদের লক্ষ্য শুধুমাত্র সংকেতের গঠন বোঝা; এর জন্য, ইন্টারনেট রেকর্ডিং যথেষ্ট বেশি। বাস্তব জীবনে, অবশ্যই, বিশেষ ডিভাইসগুলি গ্রহণ এবং ডিকোডিংয়ের জন্য ব্যবহৃত হয়; সেগুলি নীচে আলোচনা করা হবে।

সুতরাং, আমরা রেকর্ডিং পেয়েছি, এর প্রক্রিয়াকরণ শুরু করা যাক।

সংকেত ডিকোডিং

আসুন পাইথন ব্যবহার করে ফাইলটি লোড করি এবং এর গঠন দেখি:

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()

আমরা সাধারণ প্রশস্ততা মড্যুলেশন দেখতে পাই:


ডিকোডিং সহজ করতে, হিলবার্ট ট্রান্সফর্ম ব্যবহার করে সংকেত খাম নেওয়া যাক:

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

বর্ধিত ফলাফল:


আসুন একটি লো-পাস ফিল্টার ব্যবহার করে শব্দ নির্গমনকে মসৃণ করি এবং একই সাথে গড় মান গণনা করি, যা পরে পার্সিংয়ের জন্য কার্যকর হবে।

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

ফলাফল (হলুদ রেখা): একটি প্রায় বর্গাকার তরঙ্গ সংকেত যা বিশ্লেষণ করা বেশ সহজ।

পারসিং

প্রথমে আপনাকে বিট সিকোয়েন্স পেতে হবে। সংকেত গঠন নিজেই খুব সহজ.


ডাল দ্বিতীয় ব্যবধানে বিভক্ত করা হয়। যদি ডালের মধ্যে দূরত্ব 0.1s হয় (অর্থাৎ নাড়ির দৈর্ঘ্য নিজেই 0.9s), বিট সিকোয়েন্সে "0" যোগ করুন; যদি দূরত্ব 0.2s হয় (অর্থাৎ দৈর্ঘ্য 0.8s), "1" যোগ করুন। প্রতিটি মিনিটের শেষ একটি "দীর্ঘ" পালস দ্বারা নির্দেশিত হয়, 2s দীর্ঘ, বিট সিকোয়েন্সটি শূন্যে রিসেট করা হয় এবং ফিলিং আবার শুরু হয়।

উপরেরটি পাইথনে লেখা সহজ।

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

ফলস্বরূপ, আমরা বিটগুলির একটি ক্রম পাই, আমাদের উদাহরণে দুই সেকেন্ডের জন্য এটি এইরকম দেখায়:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

যাইহোক, এটি আকর্ষণীয় যে সংকেতটিতে ডেটার একটি "দ্বিতীয় স্তর" রয়েছে। বিট সিকোয়েন্স ব্যবহার করে এনকোড করা হয় ফেজ মড্যুলেশন. তাত্ত্বিকভাবে, এটি দুর্বল সংকেতের ক্ষেত্রেও আরও শক্তিশালী ডিকোডিং প্রদান করবে।

আমাদের শেষ ধাপ: প্রকৃত তথ্য পাওয়া। বিট প্রতি সেকেন্ডে একবার প্রেরণ করা হয়, তাই আমাদের কাছে মোট 59 বিট রয়েছে, যার মধ্যে প্রচুর তথ্য এনকোড করা হয়েছে:


বিট বর্ণনা করা হয় উইকিপিডিয়া, এবং তারা বেশ কৌতূহলী. প্রথম 15 বিট ব্যবহার করা হয় না, যদিও সতর্কতা ব্যবস্থা এবং নাগরিক প্রতিরক্ষার জন্য তাদের ব্যবহার করার পরিকল্পনা ছিল। বিট A1 নির্দেশ করে যে ঘড়ির কাঁটা পরের ঘন্টায় দিনের আলো সংরক্ষণের সময় পরিবর্তিত হবে। বিট A2 নির্দেশ করে যে একটি অতিরিক্ত দ্বিতীয় লাফ, যা কখনও কখনও পৃথিবীর ঘূর্ণন অনুযায়ী সময় সামঞ্জস্য করতে ব্যবহৃত হয়। অবশিষ্ট বিট ঘন্টা, মিনিট, সেকেন্ড এবং তারিখ এনকোড করে।

যারা নিজেরাই পরীক্ষা করতে চান তাদের জন্য স্পয়লারের নিচে ডিকোডিং কোড দেওয়া আছে।
উত্স কোড

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)

যখন আমরা প্রোগ্রামটি চালাব, তখন আমরা এর অনুরূপ আউটপুট দেখতে পাব:

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

আসলে, এই সব জাদু. এই ধরনের সিস্টেমের সুবিধা হল যে ডিকোডিং অত্যন্ত সহজ এবং যে কোনও, এমনকি সবচেয়ে সহজ মাইক্রোকন্ট্রোলারেও করা যেতে পারে। আমরা কেবল ডালের দৈর্ঘ্য গণনা করি, 60 বিট জমা করি এবং প্রতিটি মিনিটের শেষে আমরা সঠিক সময় পাই। অন্যান্য সময় সিঙ্ক্রোনাইজেশন পদ্ধতির তুলনায় (জিপিএস, উদাহরণস্বরূপ, বা ঈশ্বর নিষেধ করুন, ইন্টারনেট:), এই ধরনের রেডিও সিঙ্ক্রোনাইজেশনের জন্য কার্যত কোন বিদ্যুৎ প্রয়োজন হয় না - উদাহরণস্বরূপ, একটি নিয়মিত হোম ওয়েদার স্টেশন 2 AA ব্যাটারিতে প্রায় এক বছর ধরে চলে। অতএব, এমনকি কব্জি ঘড়ি রেডিও সিঙ্ক্রোনাইজেশনের সাথে তৈরি করা হয়, উল্লেখ করার মতো নয়, অবশ্যই, দেয়াল ঘড়ি বা রাস্তার স্টেশন ঘড়ি।

DCF এর সুবিধা এবং সরলতা DIY উত্সাহীদেরও আকৃষ্ট করে৷ মাত্র 10-20 ডলারে আপনি একটি রেডিমেড রিসিভার এবং TTL আউটপুট সহ একটি রেডিমেড অ্যান্টেনা মডিউল কিনতে পারেন, যা একটি Arduino বা অন্য কন্ট্রোলারের সাথে সংযুক্ত হতে পারে।


ইতিমধ্যে Arduino জন্য লিখিত রেডিমেড লাইব্রেরি. যাইহোক, এটি ইতিমধ্যেই জানা গেছে যে আপনি মাইক্রোকন্ট্রোলারে যাই করেন না কেন, আপনি একটি ঘড়ি বা আবহাওয়া স্টেশন দিয়ে শেষ করবেন। এই ধরনের একটি ডিভাইসের সাথে, সঠিক সময় পাওয়া সত্যিই সহজ, প্রদান করা হয়, অবশ্যই, আপনি অভ্যর্থনা এলাকায় আছেন। ঠিক আছে, আপনি আপনার ঘড়িতে "পারমাণবিক ঘড়ি" শিলালিপি ঝুলিয়ে রাখতে পারেন এবং একই সাথে সবাইকে ব্যাখ্যা করতে পারেন যে ডিভাইসটি সত্যিই একটি পারমাণবিক ঘড়ি ব্যবহার করে সিঙ্ক্রোনাইজ করা হয়েছে।

যারা ইচ্ছুক তারা রেডিও সিঙ্ক্রোনাইজেশনের সাথে একটি নতুন প্রক্রিয়া ইনস্টল করে তাদের পুরানো দাদির ঘড়ি আপগ্রেড করতে পারেন:

আপনি "রেডিও নিয়ন্ত্রিত আন্দোলন" কীওয়ার্ড ব্যবহার করে ইবেতে একটি খুঁজে পেতে পারেন।

এবং অবশেষে, যারা এই পর্যন্ত পড়েছেন তাদের জন্য একটি লাইফ হ্যাক। পরের কয়েক হাজার কিলোমিটারে যদি একটি রেডিও সিগন্যাল ট্রান্সমিটার নাও থাকে, তবুও এই ধরনের সিগন্যাল তৈরি করা কঠিন নয়। "DCF77 এমুলেটর" নামে গুগল প্লেতে একটি প্রোগ্রাম রয়েছে যা হেডফোনগুলিতে সিগন্যাল আউটপুট করে। লেখকের মতে, আপনি যদি ঘড়ির চারপাশে হেডফোনগুলির তারটি মুড়ে দেন তবে তারা সিগন্যালটি তুলে নেবে (এটি কীভাবে আকর্ষণীয়, কারণ সাধারণ হেডফোনগুলি 77KHz সংকেত তৈরি করবে না, তবে অভ্যর্থনা সম্ভবত হারমোনিক্সের কারণে)। অ্যান্ড্রয়েড 9-এ, প্রোগ্রামটি আমার জন্য মোটেও কাজ করেনি - সেখানে কেবল কোনও শব্দ ছিল না (বা হয়তো আমি এটি শুনতে পাইনি - এটি 77KHz, সর্বোপরি :), তবে হয়তো কারও ভাগ্য ভাল হবে। কেউ কেউ অবশ্য নিজেদেরকে একটি পূর্ণাঙ্গ ডিসিএফ সিগন্যাল জেনারেটর তৈরি করে, যা একই Arduino বা ESP32-এ তৈরি করা সহজ:

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

উপসংহার

DCF সিস্টেম সত্যিই বেশ সহজ এবং সুবিধাজনক হতে পরিণত. একটি সহজ এবং সস্তা রিসিভারের সাহায্যে, আপনি সর্বদা এবং সর্বত্র সঠিক সময় পেতে পারেন, অবশ্যই অভ্যর্থনা এলাকায়। মনে হচ্ছে ব্যাপক ডিজিটালাইজেশন এবং ইন্টারনেট অফ থিংস সত্ত্বেও, এই জাতীয় সহজ সমাধানগুলি দীর্ঘ সময়ের জন্য চাহিদা থাকবে।

উত্স: www.habr.com