DCF77: តើប្រព័ន្ធសញ្ញាពេលវេលាដំណើរការយ៉ាងដូចម្តេច?

សួស្តី Habr ។

ប្រហែលជាមនុស្សជាច្រើនដែលទិញនាឡិកា ឬស្ថានីយ៍អាកាសធាតុបានឃើញ នាឡិកាដែលគ្រប់គ្រងដោយវិទ្យុ ឬសូម្បីតែនិមិត្តសញ្ញានាឡិកាអាតូមិចនៅលើវេចខ្ចប់។ នេះ​គឺ​ងាយស្រួល​ណាស់ ព្រោះ​អ្នក​គ្រាន់តែ​ត្រូវ​ដាក់​នាឡិកា​នៅលើ​តុ ហើយ​មួយសន្ទុះ​ក្រោយមក វា​នឹង​កែសម្រួល​ដោយស្វ័យប្រវត្តិ​ទៅតាម​ពេលវេលា​ពិតប្រាកដ។


ចូរយើងស្វែងយល់ពីរបៀបដែលវាដំណើរការ និងសរសេរកម្មវិធីឌិកូដនៅក្នុង Python ។

មានប្រព័ន្ធធ្វើសមកាលកម្មពេលវេលាខុសៗគ្នា។ ការពេញនិយមបំផុតនៅអឺរ៉ុបគឺប្រព័ន្ធអាល្លឺម៉ង់ DCF-77ប្រទេសជប៉ុនមានប្រព័ន្ធផ្ទាល់ខ្លួន ជេនៅសហរដ្ឋអាមេរិកមានប្រព័ន្ធមួយ។ WWVB, ល​ល។ បន្ទាប់មក រឿងនេះនឹងនិយាយអំពី DCF77 ដែលពាក់ព័ន្ធបំផុត និងអាចចូលដំណើរការបានសម្រាប់ការទទួលភ្ញៀវនៅកន្លែងខ្លះនៅក្នុងផ្នែកអ៊ឺរ៉ុបនៃប្រទេសរុស្ស៊ី និងបណ្តាប្រទេសជិតខាង (អ្នកស្រុកនៅឆ្ងាយបូព៌ាអាចមានមតិផ្ទុយគ្នា ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ពួកគេអាចទទួលបាន និងវិភាគសញ្ញាជប៉ុន;)

អ្វីគ្រប់យ៉ាងដែលបានសរសេរខាងក្រោមនឹងនិយាយអំពី DCF77 ។

ការទទួលសញ្ញា

DCF77 គឺជាស្ថានីយ៍រលកវែងដែលដំណើរការនៅប្រេកង់ 77.5 kHz និងបញ្ជូនសញ្ញាក្នុងម៉ូឌុលអំព្លីទីត។ ស្ថានីយ៍ 50KW មានទីតាំងនៅ 25 គីឡូម៉ែត្រពីទីក្រុង Frankfurt វាបានចាប់ផ្តើមប្រតិបត្តិការនៅឆ្នាំ 1959 ហើយនៅឆ្នាំ 1973 ព័ត៌មានកាលបរិច្ឆេទត្រូវបានបន្ថែមទៅពេលវេលាពិតប្រាកដ។ ប្រវែងរលកនៅប្រេកង់ 77 KHz គឺវែងណាស់ ដូច្នេះវិមាត្រនៃវាលអង់តែនក៏សមរម្យដែរ (រូបថតពីវិគីភីឌា)៖


ជាមួយនឹងការបញ្ចូលអង់តែន និងថាមពលបែបនេះ កន្លែងទទួលភ្ញៀវគ្របដណ្តប់ស្ទើរតែទាំងអស់នៃទ្វីបអឺរ៉ុប បេឡារុស្ស អ៊ុយក្រែន និងផ្នែកមួយនៃប្រទេសរុស្ស៊ី។

នរណាម្នាក់អាចថតសញ្ញាបាន។ ដើម្បីធ្វើដូចនេះគ្រាន់តែចូលទៅកាន់អ្នកទទួលតាមអ៊ីនធឺណិត http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/ជ្រើសរើសប្រេកង់ 76.5KHz និងម៉ូឌុល USB នៅទីនោះ។ រូបភាពគួរតែបើកដែលមើលទៅដូចនេះ៖

នៅទីនោះយើងចុចប៊ូតុងទាញយក ហើយកត់ត្រាបំណែកមួយរយៈពេលជាច្រើននាទី។ ជាការពិតណាស់ប្រសិនបើអ្នកមានអ្នកទទួល "ពិតប្រាកដ" ដែលអាចថតប្រេកង់ 77.5KHz អ្នកអាចប្រើវាបាន។

ជាការពិតណាស់ដោយការទទួលសញ្ញាម៉ោងវិទ្យុតាមរយៈអ៊ីនធឺណិតយើងនឹងមិនទទួលបានពេលវេលាត្រឹមត្រូវពិតប្រាកដទេ - សញ្ញាត្រូវបានបញ្ជូនជាមួយនឹងការពន្យាពេល។ ប៉ុន្តែគោលដៅរបស់យើងគឺគ្រាន់តែស្វែងយល់ពីរចនាសម្ព័ន្ធនៃសញ្ញាប៉ុណ្ណោះ សម្រាប់រឿងនេះ ការថតតាមអ៊ីនធឺណិតគឺលើសពីគ្រប់គ្រាន់។ នៅក្នុងជីវិតពិត ឧបករណ៍ឯកទេសត្រូវបានប្រើសម្រាប់ការទទួល និងការឌិកូដ ពួកគេនឹងត្រូវបានពិភាក្សាដូចខាងក្រោម។

ដូច្នេះ យើង​បាន​ទទួល​ការ​ថត​ហើយ​ តោះ​ចាប់​ផ្ដើម​ដំណើរ​ការ​វា។

ការឌិកូដសញ្ញា

តោះផ្ទុកឯកសារដោយប្រើ Python ហើយមើលរចនាសម្ព័ន្ធរបស់វា៖

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()

យើងឃើញម៉ូឌុលទំហំធម្មតា៖


ដើម្បី​សម្រួល​ការ​ឌិកូដ សូម​យក​ស្រោមសំបុត្រ​សញ្ញា​ដោយ​ប្រើ Hilbert transform៖

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

លទ្ធផលពង្រីក៖


សូម​សម្រួល​ការ​បញ្ចេញ​សំឡេង​ដោយ​ប្រើ​តម្រង​កម្រិត​ទាប ហើយ​ក្នុង​ពេល​ជាមួយ​គ្នា​នឹង​គណនា​តម្លៃ​មធ្យម ដែល​នឹង​មាន​ប្រយោជន៍​ពេល​ក្រោយ​សម្រាប់​ការ​ញែក។

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

លទ្ធផល (បន្ទាត់ពណ៌លឿង)៖ ជាសញ្ញារលករាងការ៉េដែលងាយស្រួលវិភាគ។

ការញែក

ដំបូងអ្នកត្រូវទទួលបានលំដាប់ប៊ីត។ រចនាសម្ព័ន្ធសញ្ញាខ្លួនវាគឺសាមញ្ញណាស់។


ជីពចរត្រូវបានបែងចែកទៅជាចន្លោះទីពីរ។ ប្រសិនបើចម្ងាយរវាងជីពចរគឺ 0.1s (ពោលគឺប្រវែងជីពចរខ្លួនឯងគឺ 0.9s) សូមបន្ថែម "0" ទៅលំដាប់ប៊ីត ប្រសិនបើចម្ងាយគឺ 0.2s (ពោលគឺប្រវែងគឺ 0.8s) សូមបន្ថែម "1"។ ចុងបញ្ចប់នៃនាទីនីមួយៗត្រូវបានបង្ហាញដោយជីពចរ "វែង" ប្រវែង 2 វិនាទី លំដាប់ប៊ីតត្រូវបានកំណត់ឡើងវិញទៅសូន្យ ហើយការបំពេញចាប់ផ្តើមម្តងទៀត។

ខាងលើងាយស្រួលសរសេរក្នុង 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

ជាលទ្ធផល យើងទទួលបានបណ្តុំនៃប៊ីត ក្នុងឧទាហរណ៍របស់យើងរយៈពេលពីរវិនាទី វាមើលទៅដូចនេះ៖

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

និយាយអញ្ចឹងវាគួរឱ្យចាប់អារម្មណ៍ដែលសញ្ញាក៏មាន "ស្រទាប់ទីពីរ" នៃទិន្នន័យផងដែរ។ លំដាប់ប៊ីតក៏ត្រូវបានអ៊ិនកូដដោយប្រើ ម៉ូឌុលដំណាក់កាល. តាមទ្រឹស្ដី នេះគួរតែផ្តល់នូវការឌិកូដដ៏រឹងមាំបន្ថែមទៀត សូម្បីតែក្នុងករណីមានសញ្ញាខ្សោយក៏ដោយ។

ជំហានចុងក្រោយរបស់យើង៖ ទទួលបានទិន្នន័យពិតប្រាកដ។ ប៊ីតត្រូវបានបញ្ជូនម្តងក្នុងមួយវិនាទី ដូច្នេះយើងមានសរុប 59 ប៊ីត ដែលក្នុងនោះព័ត៌មានជាច្រើនត្រូវបានអ៊ិនកូដ៖


ប៊ីតត្រូវបានពិពណ៌នានៅក្នុង Wikipediaហើយពួកគេពិតជាចង់ដឹងចង់ឃើញណាស់។ 15 ប៊ីតដំបូងមិនត្រូវបានប្រើទេ ទោះបីជាមានគម្រោងប្រើវាសម្រាប់ប្រព័ន្ធព្រមាន និងការការពារស៊ីវិលក៏ដោយ។ ប៊ីត A1 បង្ហាញថានាឡិកានឹងប្តូរទៅម៉ោងសន្សំពន្លឺថ្ងៃក្នុងមួយម៉ោងបន្ទាប់។ ប៊ីត A2 បង្ហាញថាការបន្ថែម លោតលើកទីពីរដែលពេលខ្លះត្រូវបានប្រើដើម្បីកែតម្រូវពេលវេលាទៅតាមការបង្វិលរបស់ផែនដី។ ប៊ីតដែលនៅសល់អ៊ិនកូដម៉ោង នាទី វិនាទី និងកាលបរិច្ឆេទ។

សម្រាប់អ្នកដែលចង់ពិសោធន៍ដោយខ្លួនឯង កូដឌិកូដត្រូវបានផ្តល់ឱ្យនៅក្រោម spoiler ។
ប្រភព

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)

នៅពេលដែលយើងដំណើរការកម្មវិធី យើងនឹងឃើញលទ្ធផលស្រដៀងនឹងនេះ៖

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

តាមពិត នោះជាវេទមន្តទាំងអស់។ អត្ថប្រយោជន៍នៃប្រព័ន្ធបែបនេះគឺថាការឌិកូដគឺសាមញ្ញបំផុត ហើយអាចធ្វើបាននៅលើណាមួយសូម្បីតែ microcontroller សាមញ្ញបំផុតក៏ដោយ។ យើងគ្រាន់តែរាប់ប្រវែងនៃជីពចរ ប្រមូលផ្តុំ 60 ប៊ីត ហើយនៅចុងបញ្ចប់នៃនាទីនីមួយៗ យើងទទួលបានពេលវេលាពិតប្រាកដ។ បើប្រៀបធៀបទៅនឹងវិធីសាស្រ្តផ្សេងទៀតនៃការធ្វើសមកាលកម្មពេលវេលា (ឧទាហរណ៍ GPS ឬព្រះហាមឃាត់ អ៊ិនធឺណិត :) ការធ្វើសមកាលកម្មវិទ្យុបែបនេះទាមទារស្ទើរតែគ្មានអគ្គិសនី - ឧទាហរណ៍ ស្ថានីយ៍អាកាសធាតុក្នុងផ្ទះធម្មតាដំណើរការប្រហែលមួយឆ្នាំលើអាគុយ AA ចំនួន 2 ។ ហេតុដូច្នេះហើយ សូម្បីតែនាឡិកាដៃក៏ត្រូវបានផលិតឡើងជាមួយនឹងការធ្វើសមកាលកម្មវិទ្យុ មិនមែននិយាយពីនាឡិកាជញ្ជាំង ឬនាឡិកាស្ថានីយ៍តាមដងផ្លូវនោះទេ។

ភាពងាយស្រួល និងភាពសាមញ្ញរបស់ DCF ក៏ទាក់ទាញអ្នកចូលចិត្ត DIY ផងដែរ។ សម្រាប់ត្រឹមតែ $10-20 អ្នកអាចទិញម៉ូឌុលអង់តែនដែលត្រៀមរួចជាស្រេច ជាមួយនឹងឧបករណ៍ទទួល និងទិន្នផល TTL ដែលត្រៀមរួចជាស្រេច ដែលអាចភ្ជាប់ជាមួយ Arduino ឬឧបករណ៍បញ្ជាផ្សេងទៀត។


បានសរសេររួចហើយសម្រាប់ Arduino បណ្ណាល័យដែលត្រៀមរួចជាស្រេច. ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ វាត្រូវបានគេដឹងរួចហើយថាមិនថាអ្នកធ្វើអ្វីនៅលើ microcontroller អ្នកបញ្ចប់ដោយនាឡិកា ឬស្ថានីយអាកាសធាតុ។ ជាមួយនឹងឧបករណ៍បែបនេះ ការទទួលបានពេលវេលាពិតប្រាកដគឺពិតជាងាយស្រួលណាស់ ដែលបានផ្តល់ថាអ្នកស្ថិតនៅក្នុងកន្លែងទទួលភ្ញៀវ។ ជាការប្រសើរណាស់ អ្នកអាចព្យួរសិលាចារឹក "នាឡិកាអាតូមិក" នៅលើនាឡិការបស់អ្នក ហើយក្នុងពេលតែមួយពន្យល់ដល់មនុស្សគ្រប់គ្នាថាឧបករណ៍នេះពិតជាធ្វើសមកាលកម្មដោយប្រើនាឡិកាអាតូមិច។

អ្នក​ដែល​ប្រាថ្នា​អាច​ដំឡើង​នាឡិកា​ជីដូន​ចាស់​បាន​ដោយ​ដំឡើង​យន្តការ​ថ្មី​ជាមួយ​នឹង​ការ​ធ្វើ​សមកាលកម្ម​វិទ្យុ៖

អ្នកអាចស្វែងរកមួយនៅលើ ebay ដោយប្រើពាក្យគន្លឹះ "ចលនាដែលគ្រប់គ្រងដោយវិទ្យុ"។

ហើយជាចុងក្រោយ, ការ hack ជីវិតសម្រាប់អ្នកដែលបានអានឆ្ងាយនេះ។ ទោះបីជាមិនមានឧបករណ៍បញ្ជូនសញ្ញាវិទ្យុតែមួយក្នុងចម្ងាយពីរពាន់គីឡូម៉ែត្រខាងមុខក៏ដោយ ក៏វាមិនពិបាកក្នុងការបង្កើតសញ្ញាបែបនេះដោយខ្លួនឯងដែរ។ មានកម្មវិធីមួយនៅលើ Google Play ដែលមានឈ្មោះថា "DCF77 Emulator" ដែលបញ្ចេញសញ្ញាទៅកាន់កាស។ យោងទៅតាមអ្នកនិពន្ធ ប្រសិនបើអ្នករុំខ្សែនៃកាសជុំវិញនាឡិកា ពួកគេនឹងចាប់សញ្ញា (វាគួរអោយចាប់អារម្មណ៍ពីរបៀបដែលកាសស្តាប់ធម្មតានឹងមិនបង្កើតសញ្ញា 77KHz ទេ ប៉ុន្តែការទទួលគឺប្រហែលជាដោយសារអាម៉ូនិក)។ នៅលើប្រព័ន្ធប្រតិបត្តិការ Android 9 កម្មវិធីនេះមិនដំណើរការទាល់តែសោះសម្រាប់ខ្ញុំ - វាមិនមានសំឡេងទេ (ឬប្រហែលជាខ្ញុំមិនបានឮវា - វាគឺ 77KHz បន្ទាប់ពីទាំងអស់ :) ប៉ុន្តែប្រហែលជានរណាម្នាក់នឹងមានសំណាងជាង។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយអ្នកខ្លះធ្វើឱ្យខ្លួនពួកគេក្លាយជាឧបករណ៍បង្កើតសញ្ញា DCF ពេញលេញដែលងាយស្រួលក្នុងការបង្កើតនៅលើ Arduino ឬ ESP32 ដូចគ្នា:

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

សេចក្តីសន្និដ្ឋាន

ប្រព័ន្ធ DCF ប្រែទៅជាពិតជាសាមញ្ញ និងងាយស្រួល។ ដោយមានជំនួយពីអ្នកទទួលសាមញ្ញ និងថោក អ្នកអាចមានពេលវេលាពិតប្រាកដជានិច្ច និងគ្រប់ទីកន្លែង ជាការពិតនៅក្នុងតំបន់ទទួលភ្ញៀវ។ វាហាក់បីដូចជា ទោះបីជាមានការរីករាលដាលជាឌីជីថល និងអ៊ីនធឺណែតនៃអ្វីៗក៏ដោយ ដំណោះស្រាយដ៏សាមញ្ញបែបនេះនឹងមានតម្រូវការក្នុងរយៈពេលយូរ។

ប្រភព: www.habr.com