DCF77: ટાઇમ સિગ્નલ સિસ્ટમ કેવી રીતે કામ કરે છે?

હેલો હેબ્ર.

કદાચ ઘડિયાળ અથવા વેધર સ્ટેશન ખરીદનારા ઘણા લોકોએ પેકેજિંગ પર રેડિયો નિયંત્રિત ઘડિયાળ અથવા તો અણુ ઘડિયાળનો લોગો જોયો હશે. આ ખૂબ અનુકૂળ છે, કારણ કે તમારે ફક્ત ઘડિયાળને ટેબલ પર મૂકવાની જરૂર છે, અને થોડા સમય પછી તે ચોક્કસ સમય સાથે આપમેળે ગોઠવાઈ જશે.


ચાલો આકૃતિ કરીએ કે તે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે અને પાયથોનમાં ડીકોડર લખો.

ત્યાં વિવિધ સમય સિંક્રનાઇઝેશન સિસ્ટમ્સ છે. યુરોપમાં સૌથી વધુ લોકપ્રિય જર્મન સિસ્ટમ છે DCF-77, જાપાનની પોતાની સિસ્ટમ છે જેજેવાય, યુએસએમાં એક સિસ્ટમ છે ડબલ્યુડબલ્યુવીબી, અને તેથી વધુ. આગળ, વાર્તા DCF77 વિશે હશે, કારણ કે રશિયાના યુરોપીયન ભાગો અને પડોશી દેશોમાં કેટલાક સ્થળોએ સ્વાગત માટે સૌથી સુસંગત અને સુલભ છે (દૂર પૂર્વના રહેવાસીઓ વિરુદ્ધ અભિપ્રાય હોઈ શકે છે, જો કે, તેઓ બદલામાં, પ્રાપ્ત કરી શકે છે. અને જાપાનીઝ સિગ્નલનું વિશ્લેષણ કરો;).

નીચે લખેલું બધું DCF77 વિશે હશે.

સિગ્નલ રિસેપ્શન

DCF77 એ એક લાંબી વેવ સ્ટેશન છે જે 77.5 kHz ની આવર્તન પર કાર્ય કરે છે અને કંપનવિસ્તાર મોડ્યુલેશનમાં સંકેતો પ્રસારિત કરે છે. 50KW સ્ટેશન ફ્રેન્કફર્ટથી 25 કિમી દૂર આવેલું છે, તેણે 1959માં કામગીરી શરૂ કરી હતી અને 1973માં તારીખની માહિતી ચોક્કસ સમયે ઉમેરવામાં આવી હતી. 77 KHz ની આવર્તન પર તરંગલંબાઇ ખૂબ લાંબી છે, તેથી એન્ટેના ક્ષેત્રના પરિમાણો પણ ખૂબ જ યોગ્ય છે (વિકિપીડિયામાંથી ફોટો):


આવા એન્ટેના અને પાવર ઇનપુટ સાથે, સ્વાગત વિસ્તાર લગભગ સમગ્ર યુરોપ, બેલારુસ, યુક્રેન અને રશિયાના ભાગને આવરી લે છે.

કોઈપણ સિગ્નલ રેકોર્ડ કરી શકે છે. આ કરવા માટે, ફક્ત ઑનલાઇન રીસીવર પર જાઓ http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, ત્યાં ફ્રીક્વન્સી 76.5KHz અને USB મોડ્યુલેશન પસંદ કરો. એક છબી ખુલવી જોઈએ જે કંઈક આના જેવું દેખાય છે:

ત્યાં આપણે ડાઉનલોડ બટન દબાવીએ છીએ અને થોડી મિનિટો લાંબો ટુકડો રેકોર્ડ કરીએ છીએ. અલબત્ત, જો તમારી પાસે 77.5KHz આવર્તન રેકોર્ડ કરવા માટે સક્ષમ "વાસ્તવિક" રીસીવર હોય, તો તમે તેનો ઉપયોગ કરી શકો છો.

અલબત્ત, ઈન્ટરનેટ દ્વારા રેડિયો ટાઈમ સિગ્નલ પ્રાપ્ત કરીને, અમે ખરેખર ચોક્કસ સમય પ્રાપ્ત કરીશું નહીં - સિગ્નલ વિલંબ સાથે પ્રસારિત થાય છે. પરંતુ અમારો ધ્યેય ફક્ત સિગ્નલની રચનાને સમજવાનો છે; આ માટે, ઇન્ટરનેટ રેકોર્ડિંગ પર્યાપ્ત કરતાં વધુ છે. વાસ્તવિક જીવનમાં, અલબત્ત, વિશિષ્ટ ઉપકરણોનો ઉપયોગ પ્રાપ્ત કરવા અને ડીકોડ કરવા માટે થાય છે; તેઓની નીચે ચર્ચા કરવામાં આવશે.

તેથી, અમને રેકોર્ડિંગ પ્રાપ્ત થયું છે, ચાલો તેની પ્રક્રિયા શરૂ કરીએ.

સિગ્નલ ડીકોડિંગ

ચાલો Python નો ઉપયોગ કરીને ફાઈલ લોડ કરીએ અને તેનું બંધારણ જોઈએ:

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()

અમે લાક્ષણિક કંપનવિસ્તાર મોડ્યુલેશન જોઈએ છીએ:


ડીકોડિંગને સરળ બનાવવા માટે, ચાલો હિલ્બર્ટ ટ્રાન્સફોર્મનો ઉપયોગ કરીને સિગ્નલ પરબિડીયું લઈએ:

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

વિસ્તૃત પરિણામ:


ચાલો ઓછા-પાસ ફિલ્ટરનો ઉપયોગ કરીને અવાજ ઉત્સર્જનને સરળ બનાવીએ, અને તે જ સમયે સરેરાશ મૂલ્યની ગણતરી કરીએ, જે પછીથી પદચ્છેદન માટે ઉપયોગી થશે.

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

પરિણામ (પીળી રેખા): લગભગ ચોરસ તરંગ સિગ્નલ કે જેનું પૃથક્કરણ કરવું એકદમ સરળ છે.

પદચ્છેદન

પ્રથમ તમારે બીટ સિક્વન્સ મેળવવાની જરૂર છે. સિગ્નલ માળખું પોતે ખૂબ જ સરળ છે.


કઠોળને બીજા અંતરાલમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. જો કઠોળ વચ્ચેનું અંતર 0.1 સે છે (એટલે ​​​​કે પલ્સની લંબાઈ પોતે 0.9 સે છે), તો બીટ સિક્વન્સમાં "0" ઉમેરો; જો અંતર 0.2 સે (એટલે ​​​​કે લંબાઈ 0.8 સે છે), તો "1" ઉમેરો. દરેક મિનિટનો અંત "લાંબી" પલ્સ દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે, 2 સે લાંબી, બીટ સિક્વન્સ શૂન્ય પર રીસેટ થાય છે, અને ફરીથી ભરવાનું શરૂ થાય છે.

પાયથોનમાં ઉપર લખવું સરળ છે.

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

પરિણામે, અમને બિટ્સનો ક્રમ મળે છે, અમારા ઉદાહરણમાં બે સેકન્ડ માટે તે આના જેવો દેખાય છે:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

માર્ગ દ્વારા, તે રસપ્રદ છે કે સિગ્નલમાં ડેટાનો "બીજો સ્તર" પણ છે. બીટ સિક્વન્સનો ઉપયોગ કરીને એન્કોડ પણ કરવામાં આવે છે તબક્કો મોડ્યુલેશન. સિદ્ધાંતમાં, આ નબળા સિગ્નલના કિસ્સામાં પણ વધુ મજબૂત ડીકોડિંગ પ્રદાન કરે છે.

અમારું છેલ્લું પગલું: વાસ્તવિક ડેટા મેળવવો. બિટ્સ પ્રતિ સેકન્ડમાં એકવાર પ્રસારિત થાય છે, તેથી અમારી પાસે કુલ 59 બિટ્સ છે, જેમાં ઘણી બધી માહિતી એન્કોડ કરેલી છે:


બિટ્સમાં વર્ણવેલ છે વિકિપીડિયા, અને તેઓ ખૂબ જ વિચિત્ર છે. પ્રથમ 15 બિટ્સનો ઉપયોગ થતો નથી, જો કે ચેતવણી પ્રણાલીઓ અને નાગરિક સંરક્ષણ માટે તેનો ઉપયોગ કરવાની યોજના હતી. Bit A1 સૂચવે છે કે ઘડિયાળ આગામી કલાકમાં ડેલાઇટ સેવિંગ ટાઇમમાં બદલાશે. બીટ A2 સૂચવે છે કે વધારાની લીપ સેકન્ડ, જેનો ઉપયોગ ક્યારેક પૃથ્વીના પરિભ્રમણ અનુસાર સમયને સમાયોજિત કરવા માટે થાય છે. બાકીના બિટ્સ કલાક, મિનિટ, સેકન્ડ અને તારીખને એન્કોડ કરે છે.

જેઓ પોતાની જાતે પ્રયોગ કરવા માગે છે તેમના માટે ડિકોડિંગ કોડ સ્પોઈલર હેઠળ આપવામાં આવ્યો છે.
સ્રોત

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)

જ્યારે આપણે પ્રોગ્રામ ચલાવીએ છીએ, ત્યારે આપણે આના જેવું જ આઉટપુટ જોશું:

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

ખરેખર, તે બધો જાદુ છે. આવી સિસ્ટમનો ફાયદો એ છે કે ડીકોડિંગ અત્યંત સરળ છે અને કોઈપણ, સૌથી સરળ માઇક્રોકન્ટ્રોલર પર પણ કરી શકાય છે. અમે ફક્ત કઠોળની લંબાઈ ગણીએ છીએ, 60 બિટ્સ એકઠા કરીએ છીએ, અને દરેક મિનિટના અંતે અમને ચોક્કસ સમય મળે છે. સમય સુમેળની અન્ય પદ્ધતિઓ (ઉદાહરણ તરીકે, GPS, અથવા ગોડ ફોરબિડ, ઈન્ટરનેટ:) ની તુલનામાં, આવા રેડિયો સિંક્રોનાઈઝેશન માટે વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈ વીજળીની જરૂર નથી - ઉદાહરણ તરીકે, 2 AA બેટરી પર નિયમિત હોમ વેધર સ્ટેશન લગભગ એક વર્ષ સુધી ચાલે છે. તેથી, કાંડા ઘડિયાળો પણ રેડિયો સિંક્રોનાઇઝેશન સાથે બનાવવામાં આવે છે, અલબત્ત, દિવાલ ઘડિયાળો અથવા સ્ટ્રીટ સ્ટેશન ઘડિયાળોનો ઉલ્લેખ ન કરવો.

DCF ની સગવડતા અને સરળતા પણ DIY ઉત્સાહીઓને આકર્ષે છે. માત્ર $10-20 માં તમે તૈયાર રીસીવર અને TTL આઉટપુટ સાથે તૈયાર એન્ટેના મોડ્યુલ ખરીદી શકો છો, જે Arduino અથવા અન્ય નિયંત્રક સાથે કનેક્ટ કરી શકાય છે.


Arduino માટે પહેલેથી જ લખ્યું છે તૈયાર પુસ્તકાલયો. જો કે, તે પહેલાથી જ જાણીતું છે કે તમે માઇક્રોકન્ટ્રોલર પર શું કરો છો તે કોઈ બાબત નથી, તમે કાં તો ઘડિયાળ અથવા હવામાન સ્ટેશન સાથે સમાપ્ત થશો. આવા ઉપકરણ સાથે, ચોક્કસ સમય મેળવવો ખરેખર સરળ છે, જો કે, અલબત્ત, તમે સ્વાગત ક્ષેત્રમાં છો. સારું, તમે તમારી ઘડિયાળ પર શિલાલેખ "અણુ ઘડિયાળ" લટકાવી શકો છો, અને તે જ સમયે દરેકને સમજાવો કે ઉપકરણ ખરેખર અણુ ઘડિયાળનો ઉપયોગ કરીને સિંક્રનાઇઝ થયેલ છે.

જેઓ ઈચ્છે છે તેઓ રેડિયો સિંક્રોનાઇઝેશન સાથે નવી મિકેનિઝમ ઇન્સ્ટોલ કરીને તેમની જૂની દાદીની ઘડિયાળને પણ અપગ્રેડ કરી શકે છે:

તમે "રેડિયો કંટ્રોલ્ડ મૂવમેન્ટ" કીવર્ડ્સનો ઉપયોગ કરીને ઇબે પર એક શોધી શકો છો.

અને છેલ્લે, જેમણે આટલું વાંચ્યું છે તેમના માટે લાઇફ હેક. જો આગામી બે હજાર કિમીમાં એક પણ રેડિયો સિગ્નલ ટ્રાન્સમીટર ન હોય તો પણ આવા સિગ્નલ જાતે જનરેટ કરવા મુશ્કેલ નથી. ગૂગલ પ્લે પર "DCF77 એમ્યુલેટર" નામનો એક પ્રોગ્રામ છે જે હેડફોન પર સિગ્નલ આઉટપુટ કરે છે. લેખકના મતે, જો તમે ઘડિયાળની આજુબાજુ હેડફોન્સના વાયરને લપેટી લો, તો તેઓ સિગ્નલને પસંદ કરશે (તે કેવી રીતે રસપ્રદ છે, કારણ કે સામાન્ય હેડફોન 77KHz સિગ્નલ ઉત્પન્ન કરશે નહીં, પરંતુ રિસેપ્શન કદાચ હાર્મોનિક્સને કારણે છે). એન્ડ્રોઇડ 9 પર, પ્રોગ્રામ મારા માટે બિલકુલ કામ કરતું ન હતું - ત્યાં કોઈ અવાજ ન હતો (અથવા કદાચ મેં તે સાંભળ્યું ન હતું - તે 77KHz છે, છેવટે:), પરંતુ કદાચ કોઈને વધુ સારું નસીબ હશે. જો કે, કેટલાક પોતાને સંપૂર્ણ DCF સિગ્નલ જનરેટર બનાવે છે, જે સમાન Arduino અથવા ESP32 પર બનાવવા માટે સરળ છે:

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

નિષ્કર્ષ

ડીસીએફ સિસ્ટમ ખરેખર એકદમ સરળ અને અનુકૂળ હોવાનું બહાર આવ્યું છે. એક સરળ અને સસ્તા રીસીવરની મદદથી, તમે હંમેશા અને દરેક જગ્યાએ ચોક્કસ સમય મેળવી શકો છો, અલબત્ત રિસેપ્શન એરિયામાં. એવું લાગે છે કે વ્યાપક ડિજિટલાઇઝેશન અને વસ્તુઓનું ઇન્ટરનેટ હોવા છતાં, આવા સરળ ઉકેલો લાંબા સમયથી માંગમાં રહેશે.

સોર્સ: www.habr.com