🥇DCF77: kuidas töötab täpsete aegade edastamise süsteem?

Tere, Habr.

Tõenäoliselt on paljud, kes ostavad kella või ilmateatejaama, näinud pakendil logo Radio Controlled Clock või isegi Atomic Clock. See on väga mugav, sest piisab, kui asetada kell lauale, ja see seadistub mõne aja pärast automaatselt täpselt õigeks ajaks.

Selgitage, kuidas see töötab ja kirjutame dekoodri Pythonis.

Aja sünkroonimiseks on erinevaid süsteeme. Euroopas on kõige populaarsem saksa süsteem DCF-77, Jaapanis on oma süsteem JJY, Ameerika Ühendriikides on süsteem WWVB, ja nii edasi. Edasi räägitakse DCF77-st, kuna see on kõige aktuaalsem ja kergesti vastuvõetav mõnes Euroopa Venemaa piirkonnas ja naabruses (Kaug-Ida elanikel võib olla vastupidine arvamus, kuid nad omakorda võivad vastu võtta ja analüüsida Jaapani signaali;).

Kõik, mis edasi kirjutatakse, käsitleb DCF77.

Signaali vastuvõtt

DCF77 on pikalainejaam, mis töötab sagedusel 77,5 kHz ja edastab amplituudmodulatsiooniga signaale. 50 kW võimsusega jaam asub Frankfurtist 25 km kaugusel, alustas ta tööd juba 1959. aastal ning 1973. aastal lisati täpsetele ajale ka kuupäeva info. 77 kHz sagedusel on lainepikkus üsna suur, seega on ka antenni välja suurus märkimisväärne (foto Wikimedia Commons-ist):

Sellise antenni ja edastatava võimsusega katab vastuvõtuala praktiliselt kogu Euroopa, Valgevene, Ukraina ja osa Venemaast.

Signaali saab salvestada igaüks. Selleks piisab, kui minna veebivastuvõtjale http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, valida seal sagedus 76,5 kHz ja USB-modulatsioon. Pidada avama pilt umbes sellise:

Seal vajutame nupule alla laadida ja salvestame mitu minutit kestva lõigu. Loomulikult võib kasutada ka „päris“ vastuvõtjat, mis suudab salvestada sagedust 77,5 kHz.

Muidugi, kui võtame Interneti kaudu täpsete aja raadiosignaale, ei saa me tõeliselt täpset aega – signaal edastatakse viivitusega. Kuid meie eesmärk on mõista signaali struktuuri, selleks on Interneti salvestused rohkem kui piisavad. Tegelikult kasutatavad spetsialiseeritud seadmed signaali vastuvõtmiseks ja dekodeerimiseks, millest räägime allpool.

Nii saime salvestuse, alustame selle töötlemist.

Signaali dekodeerimine

Laadime faili Pythoniga ja vaatame selle struktuuri:

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()

Näeme tüüpilist amplituudimodulatsiooni:

Dekodeerimise lihtsustamiseks võtame signaali ümbrise Hilberti transformatsiooni abil:

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

Tulemus suurendatud kujul:

Silume müra välja viskamise puhul madalate sageduste filtri abil ja arvutame samal ajal keskmise, mis tuleb hiljem parsimiseks kasuks.

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

Tulemus (kollane joon): praktiliselt ristkülikukujuline signaal, mida on üsna lihtne analüüsida.

Andmete kogumine

Esialgu tuleb saada bittide järjestus. Signaali struktuur on väga lihtne.

Impulsid on jagatud sekundi intervallideks. Kui impulsi vahemaa on 0,1 s (st impulsi pikkus 0,9 s), lisame bittide järjestusse '0', kui vahemaa on 0,2 s (st pikkus 0,8 s), lisame '1'. Iga minuti lõppu tähistatakse 'pika' impulssiga, mille pikkus on 2 s, mille käigus bittide järjestus nullitakse ja täitmine algab uuesti.

Ülaltoodud on lihtne üles kirjutada Pythonis.

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

        diff = sig_stop - sig_start
    
        if diff  0.85*sample_rate and diff  1.5*sample_rate:
            print(bits_str)
            bits_str = ""

    pos += 1

Tulemusena saame bittide järjestuse, meie näites näeb see välja järgmiselt kahe sekundi jooksul:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000 0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

Üldiselt on huvitav, et signaalis on ka "teine kiht" andmeid. Bitijada on samuti kodeeritud faasi modulaatoriga. Teoreetiliselt peaks see tagama stabiilsema dekodeerimise isegi nõrgenenud signaali korral.

Meie viimane samm: saada tegelikud andmed. Bitid edastatakse iga sekundi tagant, seega on meil kokku 59 bitti, milles on kodeeritud piisavalt teavet:

Bitid on kirjeldatud Vikipeediale, ja need on üsna huvitavad. Esimesi 15 bitti ei kasutata, ehkki oli plaan kasutada neid häiresüsteemide ja tsiviilkaitse jaoks. Bit A1 näitab, et järgmisel tunnil kellad seatakse suveajale. Bit A2 näitab, et järgmisel tunnil lisatakse täiendav sekund, mida mõnikord kasutatakse aja korrigeerimiseks vastavalt Maa pöörlemisele. Ülejäänud bitid kodeerivad tunde, minuteid, sekundeid ja kuupäeva.

Neile, kes soovivad ise katsetada, on dekodeerimise kood toodud spoileris.
Allikasood

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 = ('Pühapäev', 'Esmaspäev', 'Teisipäev', 'Kolmapäev', 'Neljapäev', 'Reede', 'Laupäev', 'Pühapäev')
    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)

Käivitades programmi, näeme umbkaudu sellist väljundit:

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

Siin on kogu maagia. Sellise süsteemi eeliseks on see, et dekodeerimine on äärmiselt lihtne ja seda saab teostada igasugustes, isegi kõige lihtsamates mikrokontrollerites. Lihtsalt loeme impulsi pikkuse, kogume 60 bitti ja iga minuti lõpus saame täpse aja. Võrreldes teiste ajasünkroniseerimise meetoditega (näiteks GPS-i või, jumala kaitse, Internetiga :), vajab selline raadiotehnika energiat praktiliselt mitte midagi — näiteks tavaline kodune ilmateade töötab umbes aasta kahe AA patareiga. Seetõttu kasutatakse raadiotehnika võimalusi isegi käekellades, rääkimata seinalehtedest või väljakute kelladest.

DCF mugavus ja lihtsus meeldivad ka DIY entusiastidele. Ainult 10-20 dollari eest saab osta valmis mooduli antenniga koos valmis vastuvõtja ja TTL-väljundiga, mida saab ühendada Arduino või muu kontrolleriga.

Arduino jaoks on juba kirjutatud ja valmis raamatukogud. Kuid on juba ammu teada, et ükskõik mida mikrokontrolleriga teha, tulevad välja kas kell või ilmateade. Sellise seadmega on tõepoolest lihtne täpset aega saada, kui olla vastuvõtualas. Ja kellale võib lisada sildi „Aatomikell”, ning seletada kõigile, kes soovivad, et seade tõepoolest sünkroniseerub aatomikelladega.

Soovijad võivad isegi vanaema kella uuendada, paigaldades sinna uue raadio sünkroniseerimise mehhanismi:

Sellist võib leida ebay's otsesõnadega „Raadio juhitav mehhanism”.

Ja lõpuks, nip neile, kes on siiani saanud. Isegi kui lähima paari tuhande kilomeetri raadiovastuvõtjat ei ole, on sellise signaali genereerimine üsna lihtne. Google Play's on rakendus nimega „DCF77 Emulator”, mis edastab signaali kõrvaklappidesse. Autori kinnitusel, kui mähkida kõrvaklappide juhe kellade ümber, peaksid need signaali saama (huvitav, kuidas, sest tavalised kõrvaklapid ei tooda 77 kHz signaali, aga tõenäoliselt toimub vastuvõtt harmoonikate kaudu). Minu Android 9 seadmest see rakendus ei töötanud — lihtsalt ei olnud heli (võib-olla ei kuulnud ma seda — 77 kHz ju :), aga äkki mõnedele see rohkem õnnestub. Mõned, muide, teevad endale ka korraliku DCF-signaaligeneraatori, mille valmistamine on lihtne sama Arduino või ESP32 peal.

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

Kokkuvõte

DCF süsteem osutus tõeliselt lihtsaks ja mugavaks. Lihtsa ja odava vastuvõtjaga on võimalik alati ja igal pool täpset aega saada, muidugi vastuvõtu alas. Usun, et isegi vaatamata laialdasele digitaliseerimisele ja „asjade internetile” jäävad sellised lihtsad lahendused seriaalmasiinaks veel pikaks ajaks.

Allikas: habr.com

DCF77: kuidas töötab täpsete ajasignaalide edastamise süsteem?

Signaali vastuvõtt

Signaali dekodeerimine

Andmete kogumine

Kokkuvõte