Salutami Habr.
Probabilmente parechji chì acquistanu un orologio o una stazione meteorologica anu vistu u Clock Radio Controlled o ancu u logu di l'Orologio Atomicu nantu à l'imballu. Questu hè assai còmuda, perchè avete bisognu di mette u clock nantu à a tavula, è dopu un pocu tempu si aghjustà automaticamente à l'ora esatta.
Scupritemu cumu funziona è scrive un decodificatore in Python.
Ci sò diversi sistemi di sincronizazione di u tempu. U più populari in Europa hè u sistema tedescu , u Giappone hà u so propiu sistema , in i Stati Uniti ci hè un sistema , eccetera. In seguitu, a storia serà nantu à DCF77, cum'è u più pertinenti è accessibile per l'accolta in certi lochi in a parte europea di Russia è i paesi vicini (i residenti di l'Estremo Oriente ponu avè l'opinione opposta, però, à u turnu, ponu riceve. è analizà u signale giapponese;).
Tuttu ciò chì hè scrittu quì sottu serà nantu à u DCF77.
Ricezzione di signali
DCF77 hè una stazione d'onda longa chì opera à una frequenza di 77.5 kHz è trasmette segnali in modulazione di amplitude. A stazione 50KW hè situata à 25 km da Francoforte, hà cuminciatu à operare in u 1959, è in u 1973 l'infurmazione di data hè stata aghjunta à l'ora esatta. A lunghezza d'onda à una freccia di 77 KHz hè assai longa, cusì e dimensioni di u campu di l'antenna sò ancu abbastanza decentu (foto da Wikipedia):
Cù una tale antenna è input di putenza, a zona di ricezione copre quasi tutta l'Europa, Bielorussia, Ucraina è parte di Russia.
Qualchese pò arregistrà un signalu. Per fà questu, basta à andà à u ricevitore in linea , selezziunate a frequenza 76.5KHz è a modulazione USB quì. Una maghjina deve esse aperta chì pare cusì cusì:
Ci avemu appughjà u buttone di scaricamentu è arregistrà un fragmentu longu parechji minuti. Di sicuru, sè vo avete un "veru" receptore capace di registrà a freccia di 77.5KHz, pudete aduprà.
Di sicuru, ricevendu segnali di u tempu di radio via Internet, ùn riceveremu micca u tempu veramente precisu - u signale hè trasmessu cun ritardu. Ma u nostru scopu hè solu di capisce a struttura di u signale; per questu, a registrazione in Internet hè più chè abbastanza. In a vita reale, sicuru, i dispositi specializati sò usati per riceve è decodificà; seranu discututi quì sottu.
Dunque, avemu ricevutu a registrazione, cuminciamu à processà.
Decodificazione di signali
Caricà u schedariu cù Python è vede a so struttura:
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()
Avemu vistu a modulazione di amplitude tipica:
Per simplificà a decodificazione, pigliemu l'envelope di signale utilizendu a trasformazione di Hilbert:
analytic_signal = signal.hilbert(data)
A = np.abs(analytic_signal)
plt.plot(A[:100000])
Risultatu ingrandatu:
Lisciamu l'emissioni di rumore cù un filtru low-pass, è à u stessu tempu calcule u valore mediu, chì serà utile più tardi per l'analisi.
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
Risultatu (linea gialla): un signalu d'onda quasi quatratu chì hè abbastanza faciule da analizà.
Parsing
Prima avete bisognu di ottene a sequenza di bit. A struttura di u signale stessu hè assai simplice.
I pulsati sò spartuti in secunni intervalli. Se a distanza trà i pulsazioni hè 0.1 s (vale à dì a durata di l'impulsu stessu hè 0.9 s), aghjunghje "0" à a sequenza di bit; se a distanza hè 0.2 s (vale à dì a durata hè 0.8 s), aghjunghje "1". A fine di ogni minutu hè indicatu da un impulsu "longu", 2s longu, a sequenza di bit hè resettata à zero, è u riempimentu principia di novu.
U sopra hè faciule da scrive in 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
In u risultatu, avemu una sequenza di bits, in u nostru esempiu per dui seconde pare cusì:
0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000
In modu, hè interessante chì u signale hà ancu una "seconda capa" di dati. A sequenza di bit hè ancu codificata usendu . In teoria, questu deve furnisce una decodificazione più robusta ancu in u casu di un signalu debilitatu.
U nostru ultimu passu: uttene e dati attuali. Bits sò trasmessi una volta per seconda, cusì avemu un totale di 59 bits, in quale assai infurmazione hè codificata:
I pezzi sò descritti in , è sò abbastanza curiosi. I primi 15 bits ùn sò micca utilizati, ancu s'ellu ci sò stati piani di usà per i sistemi d'avvertimentu è a difesa civile. Bit A1 indica chì u clock cambierà à l'ora d'estate in l'ora dopu. Bit A2 indica chì un supplementu , chì hè qualchì volta usatu per aghjustà u tempu secondu a rotazione di a Terra. I bits restante codificanu ore, minuti, seconde è data.
Per quelli chì volenu sperimentà per sè stessu, u codice di decodificazione hè datu sottu u spoiler.
Codice fonte
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)
Quandu eseguimu u prugramma, vedemu un output simile à questu:
0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:41
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:42
In fatti, hè tutta a magia. U vantaghju di un tali sistema hè chì a decodificazione hè assai simplice è pò esse fatta nantu à qualsiasi, ancu u microcontroller più simplice. Contemu simpricimenti a durata di l'impulsi, accumule 60 bits, è à a fine di ogni minutu avemu u tempu esatta. In cunfrontu cù altri metudi di sincronizazione di u tempu (GPS, per esempiu, o Diu ùn ci vole, Internet :), una tale sincronizazione di a radiu ùn hà micca bisognu di elettricità - per esempiu, una stazione meteorologica regulare di casa funziona per circa un annu nantu à 2 batterie AA. Per quessa, ancu i wristwatches sò fatti cù a sincronizazione di radiu, per ùn dì, di sicuru, orologio di muru o orologio di stazione di strada.
A cunvenzione è a simplicità di DCF attrae ancu i dilettanti di DIY. Per solu $ 10-20 pudete cumprà un modulu d'antenna pronta cù un ricevitore prontu è un output TTL, chì pò esse cunnessu à un Arduino o un altru controller.
Già scrittu per Arduino . In ogni casu, hè digià cunnisciutu chì ùn importa ciò chì fate nantu à un microcontroller, finiscinu cù un clock o una stazione meteorologica. Cù un tali dispusitivu, uttene l'ora esatta hè veramente faciule, basta, sicuru, chì site in l'area di ricezione. Ebbè, pudete appiccà l'inscription "Atomic Clock" in u vostru sguardu, è à u stessu tempu spiegà à tutti chì u dispusitivu hè veramente sincronizatu cù un clock atomicu.
Quelli chì vulianu ponu ancu aghjurnà l'orologio di a so vechja nanna installendu un novu mecanismu cù sincronizazione radio:
Pudete truvà unu in ebay utilizendu e parolle chjave "Movimentu Radio Controlled".
È infine, un pirate di vita per quelli chì anu lettu finu à quì. Ancu s'ellu ùn ci hè micca un unicu trasmettitore di signale radio in i prossimi dui milla km, ùn hè micca difficiule di generà un tali signalu stessu. Ci hè un prugramma in Google Play chjamatu "DCF77 Emulator" chì emette u signale à l'auriculare. Sicondu l'autori, si mette u filu di l'auriculare intornu à l'orologio, piglianu u signale (hè interessante cumu, perchè l'auriculare ordinariu ùn pruducerà micca un signalu di 77KHz, ma a ricezione hè probabilmente dovuta à l'armoniche). In Android 9, u prugramma ùn hà micca travagliatu in tuttu per mè - ùn ci era simplicemente micca sonu (o forse ùn l'aghju micca intesu - hè 77KHz, dopu à tuttu :), ma forsi qualchissia averà megliu furtuna. Certains, toutefois, se font un générateur de signal DCF à part entière, qui est facile à faire sur le même Arduino ou ESP32 :
(surghjente )
cunchiusioni
U sistema DCF hè diventatu veramente abbastanza simplice è cunvene. Cù l'aiutu di un ricevitore simplice è prezzu, pudete avè l'ora esatta sempre è in ogni locu, sicuru in l'area di ricezione. Sembra chì ancu malgradu a digitalizazione diffusa è l'Internet di e Cose, tali suluzioni simplici seranu dumandate per un bellu pezzu.
Source: www.habr.com