DCF77: כיצד פועלת מערכת איתות הזמן?

שלום הבר.

כנראה שרבים שרוכשים שעון או תחנת מזג אוויר ראו את הלוגו של שעון מבוקר רדיו או אפילו שעון אטומי על האריזה. זה מאוד נוח, כי אתה רק צריך לשים את השעון על השולחן, ולאחר זמן מה הוא יתאים אוטומטית לשעה המדויקת.


בואו להבין איך זה עובד ונכתוב מפענח בפייתון.

ישנן מערכות שונות לסנכרון זמן. הפופולרית ביותר באירופה היא השיטה הגרמנית DCF-77, ליפן יש מערכת משלה ג'יי ג'יי, בארה"ב יש מערכת WWVB, וכולי. לאחר מכן, הסיפור יעסוק ב-DCF77, בתור הרלוונטי והנגיש ביותר לקבלה במקומות מסוימים בחלק האירופי של רוסיה ובמדינות השכנות (ייתכן שלתושבי המזרח הרחוק יש דעה הפוכה, אולם הם, בתורם, יכולים לקבל ולנתח את האות היפני ;).

כל מה שנכתב למטה יהיה על DCF77.

קליטת אות

DCF77 היא תחנת גלים ארוכים הפועלת בתדר של 77.5 קילו-הרץ ומשדרת אותות באפנון משרעת. תחנת ה-50KW ממוקמת 25 ק"מ מפרנקפורט, היא החלה לפעול בשנת 1959, ובשנת 1973 נוספה מידע תאריך לשעה המדויקת. אורך הגל בתדר של 77 KHz הוא ארוך מאוד, כך שגם מימדי שדה האנטנה הם די הגונים (צילום מויקיפדיה):


עם אנטנה כזו וכניסת חשמל, אזור הקליטה מכסה כמעט את כל אירופה, בלארוס, אוקראינה וחלק מרוסיה.

כל אחד יכול להקליט אות. כדי לעשות זאת, פשוט עבור אל המקלט המקוון http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, בחר את התדר 76.5KHz ואת אפנון USB שם. אמורה להיפתח תמונה שנראית בערך כך:

שם אנו לוחצים על כפתור ההורדה ומקליטים קטע באורך מספר דקות. כמובן, אם יש לך רסיבר "אמיתי" המסוגל להקליט את תדר 77.5KHz, אתה יכול להשתמש בזה.

כמובן שבקבלת אותות זמן רדיו דרך האינטרנט לא נקבל זמן מדויק באמת – האות מועבר באיחור. אבל המטרה שלנו היא רק להבין את מבנה האות; בשביל זה, ההקלטה באינטרנט היא די והותר. בחיים האמיתיים, כמובן, מכשירים מיוחדים משמשים לקבלה ולפענוח; הם יידונו להלן.

אז, קיבלנו את ההקלטה, בואו נתחיל לעבד אותה.

פענוח אותות

בוא נטען את הקובץ באמצעות Python ונראה את המבנה שלו:

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()

אנו רואים אפנון משרעת טיפוסי:


כדי לפשט את הפענוח, הבה ניקח את מעטפת האות באמצעות טרנספורמציה של הילברט:

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

תוצאה מוגדלת:


בואו להחליק את פליטת הרעש באמצעות פילטר מעביר נמוך, ובמקביל לחשב את הערך הממוצע, שיהיה שימושי מאוחר יותר לניתוח.

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

תוצאה (קו צהוב): אות גל כמעט מרובע שקל למדי לנתח אותו.

ניתוח

ראשית עליך לקבל את רצף הסיביות. מבנה האות עצמו פשוט מאוד.


הפולסים מחולקים למרווחים שניים. אם המרחק בין הפולסים הוא 0.1 שניות (כלומר אורך הדופק עצמו הוא 0.9 שניות), הוסף "0" לרצף הסיביות; אם המרחק הוא 0.2 שניות (כלומר האורך הוא 0.8 שניות), הוסף "1". סוף כל דקה מצוין בפולס "ארוך", באורך של 2 שניות, רצף הסיביות מאופס לאפס, והמילוי מתחיל שוב.

קל לכתוב את האמור לעיל בפייתון.

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

כתוצאה מכך, אנו מקבלים רצף של ביטים, בדוגמה שלנו למשך שתי שניות זה נראה כך:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

אגב, מעניין שלאות יש גם "שכבה שנייה" של נתונים. רצף הסיביות מקודד גם באמצעות אפנון פאזה. בתיאוריה, זה אמור לספק פענוח חזק יותר גם במקרה של אות מוחלש.

הצעד האחרון שלנו: קבלת הנתונים בפועל. סיביות מועברות פעם בשנייה, כך שיש לנו בסך הכל 59 סיביות, שבהן מקודד די הרבה מידע:


הסיביות מתוארות ב ויקיפדיה, והם די סקרנים. 15 הביטים הראשונים אינם בשימוש, אם כי היו תוכניות להשתמש בהם עבור מערכות התרעה והגנה אזרחית. סיביות A1 מציינת שהשעון ישתנה לשעון קיץ בשעה הבאה. סיביות A2 מציינת כי נוסף לזנק שנייה, המשמש לעתים להתאמת זמן לפי סיבוב כדור הארץ. הסיביות הנותרות מקודדות שעות, דקות, שניות ותאריך.

למי שרוצה להתנסות בעצמו, קוד הפענוח ניתן תחת הספוילר.
קוד מקור

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)

כאשר נריץ את התוכנית, נראה פלט דומה לזה:

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

למעשה, זה כל הקסם. היתרון של מערכת כזו הוא שהפענוח הוא פשוט ביותר וניתן לעשותו על כל מיקרו-בקר, אפילו הפשוט ביותר. אנחנו פשוט סופרים את אורך הפולסים, צוברים 60 ביטים, ובסוף כל דקה נקבל את השעה המדויקת. בהשוואה לשיטות אחרות של סנכרון זמן (GPS, למשל, או חלילה, האינטרנט :)), סנכרון רדיו כזה לא דורש כמעט חשמל - למשל, תחנת מזג אוויר ביתית רגילה פועלת כשנה על 2 סוללות AA. לכן, גם שעוני יד מיוצרים עם סנכרון רדיו, שלא לדבר כמובן על שעוני קיר או שעוני תחנת רחוב.

הנוחות והפשטות של DCF מושכים גם חובבי עשה זאת בעצמך. תמורת 10-20$ בלבד תוכלו לקנות מודול אנטנה מוכן עם מקלט מוכן ויציאת TTL, שניתן לחבר ל- Arduino או בקר אחר.


כבר נכתב עבור Arduino ספריות מוכנות. עם זאת, זה כבר ידוע שלא משנה מה אתה עושה על מיקרו-בקר, אתה בסופו של דבר עם שעון או תחנת מזג אוויר. עם מכשיר כזה, קל מאוד לקבל את השעה המדויקת, בתנאי, כמובן, שאתה נמצא באזור הקבלה. ובכן, אתה יכול לתלות את הכיתוב "שעון אטומי" על השעון שלך, ובמקביל להסביר לכולם שהמכשיר באמת מסונכרן באמצעות שעון אטומי.

מי שרוצה יכול אפילו לשדרג את השעון של סבתא הישן על ידי התקנת מנגנון חדש עם סנכרון רדיו:

אתה יכול למצוא אחד ב-ebay באמצעות מילות המפתח "תנועה מבוקרת רדיו".

ולבסוף, פריצת חיים למי שקרא עד כאן. גם אם אין משדר אות רדיו אחד באלפי הק"מ הקרובים, לא קשה לייצר אות כזה בעצמך. יש תוכנית ב-Google Play בשם "DCF77 Emulator" שמוציאה את האות לאוזניות. לדברי המחבר, אם תכרכו את החוט של האוזניות סביב השעון, הן יקלוטו את האות (מעניין איך, כי אוזניות רגילות לא יפיקו אות של 77KHz, אבל הקליטה היא כנראה בגלל הרמוניות). באנדרואיד 9, התוכנית לא עבדה בכלל בשבילי - פשוט לא היה צליל (או אולי לא שמעתי אותו - אחרי הכל זה 77KHz:), אבל אולי למישהו יהיה יותר מזל. עם זאת, חלקם מייצרים את עצמם מחולל אותות DCF מן המניין, שקל לעשות אותו באותו Arduino או ESP32:

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

מסקנה

מערכת DCF התגלתה כפשוטה ונוחה למדי. בעזרת מקלט פשוט וזול תוכלו לקבל את השעה המדויקת תמיד ובכל מקום, כמובן באזור הקבלה. נראה שגם למרות הדיגיטליזציה הנרחבת והאינטרנט של הדברים, פתרונות פשוטים כאלה יהיו מבוקשים לאורך זמן.

מקור: www.habr.com