DCF77: ລະບົບສັນຍານເວລາເຮັດວຽກແນວໃດ?

ສະບາຍດີ Habr.

ອາດຈະເປັນຫຼາຍຄົນທີ່ຊື້ໂມງຫຼືສະຖານີສະພາບອາກາດໄດ້ເຫັນໂມງຄວບຄຸມວິທະຍຸຫຼືແມ້ກະທັ້ງໂລໂກ້ໂມງປະລໍາມະນູຢູ່ໃນເຄື່ອງຫຸ້ມຫໍ່. ນີ້ແມ່ນສະດວກຫຼາຍ, ເພາະວ່າທ່ານພຽງແຕ່ຕ້ອງການວາງໂມງໃສ່ໂຕະ, ແລະຫຼັງຈາກເວລາໃດຫນຶ່ງ, ມັນຈະປັບອັດຕະໂນມັດຕາມເວລາທີ່ແນ່ນອນ.


ໃຫ້ພວກເຮົາຄິດອອກວ່າມັນເຮັດວຽກແນວໃດແລະຂຽນຕົວຖອດລະຫັດໃນ Python.

ມີລະບົບ synchronization ເວລາທີ່ແຕກຕ່າງກັນ. ທີ່ນິຍົມທີ່ສຸດໃນເອີຣົບແມ່ນລະບົບເຢຍລະມັນ DCF-77, ປະເທດຍີ່ປຸ່ນມີລະບົບຂອງຕົນເອງ ເຈ, ໃນສະຫະລັດມີລະບົບ WWBB, ແລະອື່ນໆ. ຕໍ່ໄປ, ເລື່ອງຈະກ່ຽວກັບ DCF77, ເປັນທີ່ກ່ຽວຂ້ອງທີ່ສຸດແລະສາມາດເຂົ້າເຖິງສໍາລັບການຕ້ອນຮັບໃນບາງບ່ອນໃນພາກເອີຣົບຂອງລັດເຊຍແລະປະເທດເພື່ອນບ້ານ (ຜູ້ທີ່ຢູ່ອາໄສໃນຕາເວັນອອກໄກອາດຈະມີຄວາມຄິດເຫັນກົງກັນຂ້າມ, ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ພວກເຂົາເຈົ້າ, ໃນທາງກັບກັນ, ສາມາດໄດ້ຮັບ. ແລະວິເຄາະສັນຍານພາສາຍີ່ປຸ່ນ;).

ທຸກສິ່ງທຸກຢ່າງທີ່ຂຽນຂ້າງລຸ່ມນີ້ຈະກ່ຽວກັບ DCF77.

ການຮັບສັນຍານ

DCF77 ເປັນສະຖານີຄື້ນຍາວທີ່ດໍາເນີນການຢູ່ທີ່ຄວາມຖີ່ຂອງ 77.5 kHz ແລະສົ່ງສັນຍານໃນໂມດູນຄວາມກວ້າງຂອງຂວາງ. ສະຖານີ 50KW ຕັ້ງຢູ່ຫ່າງຈາກ Frankfurt 25 ກິໂລແມັດ, ມັນໄດ້ເລີ່ມດໍາເນີນການໃນປີ 1959, ແລະໃນປີ 1973 ຂໍ້ມູນວັນທີໄດ້ຖືກເພີ່ມເຂົ້າໃນເວລາທີ່ແນ່ນອນ. ຄວາມຍາວຄື້ນຢູ່ທີ່ຄວາມຖີ່ຂອງ 77 KHz ແມ່ນຍາວຫຼາຍ, ສະນັ້ນ ຂະໜາດຂອງສະໜາມສາຍອາກາດແມ່ນຂ້ອນຂ້າງເໝາະສົມ (ຮູບຈາກ Wikipedia):


ດ້ວຍເສົາອາກາດແລະພະລັງງານດັ່ງກ່າວ, ພື້ນທີ່ຮັບແຂກກວມເອົາເກືອບທັງຫມົດຂອງເອີຣົບ, ເບລາຣູດ, ຢູເຄລນແລະສ່ວນຫນຶ່ງຂອງລັດເຊຍ.

ທຸກຄົນສາມາດບັນທຶກສັນຍານໄດ້. ເພື່ອເຮັດສິ່ງນີ້, ພຽງແຕ່ໄປຫາຜູ້ຮັບອອນໄລນ໌ http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, ເລືອກຄວາມຖີ່ 76.5KHz ແລະໂມດູນ USB ຢູ່ທີ່ນັ້ນ. ຮູບພາບຄວນຈະເປີດທີ່ມີລັກສະນະນີ້:

ຢູ່ທີ່ນັ້ນພວກເຮົາກົດປຸ່ມດາວໂຫລດແລະບັນທຶກຊິ້ນສ່ວນຍາວຫຼາຍນາທີ. ແນ່ນອນ, ຖ້າທ່ານມີຕົວຮັບ "ທີ່ແທ້ຈິງ" ທີ່ສາມາດບັນທຶກຄວາມຖີ່ 77.5KHz, ທ່ານສາມາດນໍາໃຊ້ໄດ້.

ແນ່ນອນ, ໂດຍການໄດ້ຮັບສັນຍານເວລາວິທະຍຸຜ່ານອິນເຕີເນັດ, ພວກເຮົາຈະບໍ່ໄດ້ຮັບເວລາທີ່ຖືກຕ້ອງຢ່າງແທ້ຈິງ - ສັນຍານຖືກສົ່ງກັບຄວາມລ່າຊ້າ. ແຕ່ເປົ້າຫມາຍຂອງພວກເຮົາແມ່ນພຽງແຕ່ເຂົ້າໃຈໂຄງສ້າງຂອງສັນຍານ; ສໍາລັບນີ້, ການບັນທຶກອິນເຕີເນັດແມ່ນຫຼາຍກ່ວາພຽງພໍ. ໃນຊີວິດຈິງ, ແນ່ນອນ, ອຸປະກອນພິເສດແມ່ນໃຊ້ສໍາລັບການຮັບແລະການຖອດລະຫັດ; ພວກເຂົາຈະຖືກປຶກສາຫາລືຂ້າງລຸ່ມນີ້.

ດັ່ງນັ້ນ, ພວກເຮົາໄດ້ຮັບການບັນທຶກ, ໃຫ້ເລີ່ມຕົ້ນການປຸງແຕ່ງມັນ.

ການຖອດລະຫັດສັນຍານ

ລອງໂຫລດໄຟລ໌ໂດຍໃຊ້ Python ແລະເບິ່ງໂຄງສ້າງຂອງມັນ:

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()

ພວກເຮົາເຫັນໂມດູນຄວາມກວ້າງໃຫຍ່ປົກກະຕິ:


ເພື່ອເຮັດໃຫ້ການຖອດລະຫັດງ່າຍຂຶ້ນ, ໃຫ້ເອົາຊອງສັນຍານໂດຍໃຊ້ Hilbert transform:

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

ຂະຫຍາຍຜົນ:


ຂໍໃຫ້ຫຼຸດການລະບາຍສຽງລົບກວນໂດຍນໍາໃຊ້ຕົວກອງຕ່ໍາຜ່ານ, ແລະໃນເວລາດຽວກັນຄິດໄລ່ຄ່າສະເລ່ຍ, ເຊິ່ງຈະເປັນປະໂຫຍດຕໍ່ມາສໍາລັບການວິເຄາະ.

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

ຜົນໄດ້ຮັບ (ເສັ້ນສີເຫຼືອງ): ເປັນສັນຍານຄື້ນເກືອບສີ່ຫລ່ຽມທີ່ຂ້ອນຂ້າງງ່າຍທີ່ຈະວິເຄາະ.

ການແຍກວິເຄາະ

ກ່ອນອື່ນ ໝົດ, ທ່ານ ຈຳ ເປັນຕ້ອງໄດ້ຮັບ ລຳ ດັບນ້ອຍ. ໂຄງສ້າງສັນຍານຕົວມັນເອງແມ່ນງ່າຍດາຍຫຼາຍ.


ກໍາມະຈອນແບ່ງອອກເປັນໄລຍະທີສອງ. ຖ້າໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງກໍາມະຈອນແມ່ນ 0.1s (ເຊັ່ນ: ຄວາມຍາວຂອງກໍາມະຈອນເອງແມ່ນ 0.9s), ເພີ່ມ “0” ໃສ່ລໍາດັບບິດ; ຖ້າໄລຍະຫ່າງແມ່ນ 0.2s (ເຊັ່ນ: ຄວາມຍາວແມ່ນ 0.8s), ເພີ່ມ “1”. ໃນຕອນທ້າຍຂອງແຕ່ລະນາທີແມ່ນສະແດງໂດຍກໍາມະຈອນ "ຍາວ", ຍາວ 2s, ລໍາດັບບິດໄດ້ຖືກປັບເປັນສູນ, ແລະການຕື່ມຂໍ້ມູນເລີ່ມຕົ້ນອີກເທື່ອຫນຶ່ງ.

ຂ້າງເທິງນີ້ແມ່ນງ່າຍທີ່ຈະຂຽນໃນ 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

ດັ່ງນັ້ນ, ພວກເຮົາໄດ້ຮັບລໍາດັບຂອງ bits, ໃນຕົວຢ່າງຂອງພວກເຮົາສໍາລັບສອງວິນາທີມັນເບິ່ງຄືວ່ານີ້:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

ໂດຍວິທີທາງການ, ມັນຫນ້າສົນໃຈທີ່ສັນຍານຍັງມີ "ຊັ້ນທີສອງ" ຂອງຂໍ້ມູນ. ລໍາດັບບິດຍັງຖືກເຂົ້າລະຫັດໂດຍໃຊ້ ໂມດູນໄລຍະ. ໃນທາງທິດສະດີ, ນີ້ຄວນຈະສະຫນອງການຖອດລະຫັດທີ່ເຂັ້ມແຂງກວ່າເຖິງແມ່ນວ່າໃນກໍລະນີຂອງສັນຍານອ່ອນລົງ.

ຂັ້ນຕອນສຸດທ້າຍຂອງພວກເຮົາ: ໄດ້ຮັບຂໍ້ມູນຕົວຈິງ. Bits ຖືກສົ່ງຕໍ່ຫນຶ່ງຄັ້ງຕໍ່ວິນາທີ, ດັ່ງນັ້ນພວກເຮົາມີຈໍານວນທັງຫມົດ 59 bits, ເຊິ່ງຂ້ອນຂ້າງຫຼາຍຂອງຂໍ້ມູນຖືກເຂົ້າລະຫັດ:


ບິດໄດ້ຖືກອະທິບາຍຢູ່ໃນ Wikipedia, ແລະພວກເຂົາເຈົ້າແມ່ນຂ້ອນຂ້າງ curious. 15 ບິດທໍາອິດບໍ່ໄດ້ຖືກນໍາໃຊ້, ເຖິງແມ່ນວ່າມີແຜນການທີ່ຈະນໍາໃຊ້ພວກມັນສໍາລັບລະບົບເຕືອນໄພແລະການປ້ອງກັນພົນລະເຮືອນ. Bit A1 ຊີ້ບອກວ່າໂມງຈະປ່ຽນເປັນເວລາປະຢັດແສງກາງເວັນໃນຊົ່ວໂມງຕໍ່ໄປ. Bit A2 ຊີ້ໃຫ້ເຫັນເຖິງການເພີ່ມເຕີມ ກ້າວ​ກະ​ໂດດ​ຄັ້ງ​ທີ​ສອງ​, ເຊິ່ງບາງຄັ້ງໃຊ້ເພື່ອປັບເວລາຕາມການຫມຸນຂອງໂລກ. ບິດທີ່ຍັງເຫຼືອເຂົ້າລະຫັດຊົ່ວໂມງ, ນາທີ, ວິນາທີ ແລະວັນທີ.

ສໍາລັບຜູ້ທີ່ຕ້ອງການທົດລອງດ້ວຍຕົນເອງ, ລະຫັດການຖອດລະຫັດແມ່ນໃຫ້ພາຍໃຕ້ spoiler.
ລະຫັດແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ

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)

ໃນ​ເວ​ລາ​ທີ່​ພວກ​ເຮົາ​ດໍາ​ເນີນ​ການ​ໂຄງ​ການ​, ພວກ​ເຮົາ​ຈະ​ເຫັນ​ຜົນ​ຜະ​ລິດ​ຄ້າຍ​ຄື​ກັນ​ກັບ​ນີ້​:

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

ໃນຄວາມເປັນຈິງ, ນັ້ນແມ່ນ magic ທັງຫມົດ. ປະໂຫຍດຂອງລະບົບດັ່ງກ່າວແມ່ນວ່າການຖອດລະຫັດແມ່ນງ່າຍດາຍທີ່ສຸດແລະສາມາດເຮັດໄດ້ໃນທຸກ, ເຖິງແມ່ນວ່າ microcontroller ທີ່ງ່າຍດາຍທີ່ສຸດ. ພວກເຮົາພຽງແຕ່ນັບຄວາມຍາວຂອງກໍາມະຈອນ, ສະສົມ 60 bits, ແລະໃນຕອນທ້າຍຂອງແຕ່ລະນາທີພວກເຮົາໄດ້ຮັບທີ່ໃຊ້ເວລາທີ່ແນ່ນອນ. ເມື່ອປຽບທຽບກັບວິທີການອື່ນໆຂອງ synchronization ທີ່ໃຊ້ເວລາ (GPS, ສໍາລັບການຍົກຕົວຢ່າງ, ຫຼືພຣະເຈົ້າຫ້າມ, ອິນເຕີເນັດ:), ການ synchronization ວິທະຍຸດັ່ງກ່າວຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີເກືອບບໍ່ມີໄຟຟ້າ - ສໍາລັບການຍົກຕົວຢ່າງ, ສະຖານີສະພາບອາກາດເຮືອນປົກກະຕິດໍາເນີນການປະມານຫນຶ່ງປີໃນ 2 ຫມໍ້ໄຟ AA. ເພາະສະນັ້ນ, ເຖິງແມ່ນວ່າ wristwatches ແມ່ນເຮັດດ້ວຍການ synchronization ວິທະຍຸ, ແນ່ນອນ, ເບິ່ງຝາຫຼືສະຖານີຖະຫນົນ.

ຄວາມສະດວກສະບາຍແລະຄວາມງ່າຍດາຍຂອງ DCF ຍັງດຶງດູດຜູ້ທີ່ມີຄວາມກະຕືລືລົ້ນ DIY. ສໍາລັບພຽງແຕ່ $ 10-20 ທ່ານສາມາດຊື້ໂມດູນເສົາອາກາດທີ່ກຽມພ້ອມທີ່ມີເຄື່ອງຮັບແລະຜົນຜະລິດ TTL, ເຊິ່ງສາມາດເຊື່ອມຕໍ່ກັບ Arduino ຫຼືຕົວຄວບຄຸມອື່ນໆ.


ຂຽນແລ້ວສໍາລັບ Arduino ຫ້ອງສະຫມຸດພ້ອມແລ້ວ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ມັນເປັນທີ່ຮູ້ຈັກແລ້ວວ່າບໍ່ວ່າທ່ານຈະເຮັດຫຍັງຢູ່ໃນ microcontroller, ທ່ານຈະສິ້ນສຸດດ້ວຍໂມງຫຼືສະຖານີສະພາບອາກາດ. ດ້ວຍອຸປະກອນດັ່ງກ່າວ, ການໄດ້ຮັບເວລາທີ່ແນ່ນອນແມ່ນງ່າຍແທ້ໆ, ສະຫນອງໃຫ້, ແນ່ນອນ, ວ່າທ່ານຢູ່ໃນພື້ນທີ່ຮັບ. ແລ້ວ, ເຈົ້າສາມາດວາງສາຍຄຳຈາລຶກ “ໂມງປະລໍາມະນູ” ໃສ່ໂມງຂອງເຈົ້າ, ແລະໃນຂະນະດຽວກັນກໍອະທິບາຍໃຫ້ທຸກຄົນຮູ້ວ່າອຸປະກອນຖືກ synchronized ແທ້ໆໂດຍໃຊ້ໂມງປະລໍາມະນູ.

ຜູ້​ທີ່​ປາດ​ຖະ​ຫນາ​ເຖິງ​ແມ່ນ​ວ່າ​ສາ​ມາດ​ຍົກ​ລະ​ດັບ​ໂມງ​ແມ່​ເຖົ້າ​ຂອງ​ເຂົາ​ເຈົ້າ​ໂດຍ​ການ​ຕິດ​ຕັ້ງ​ກົນ​ໄກ​ໃຫມ່​ທີ່​ມີ​ການ synchronization ວິ​ທະ​ຍຸ​:

ທ່ານສາມາດຊອກຫາຫນຶ່ງໃນ ebay ໂດຍໃຊ້ຄໍາສໍາຄັນ "ການເຄື່ອນໄຫວຄວບຄຸມວິທະຍຸ".

ແລະສຸດທ້າຍ, hack ຊີວິດສໍາລັບຜູ້ທີ່ໄດ້ອ່ານນີ້ໄກ. ເຖິງແມ່ນວ່າບໍ່ມີເຄື່ອງສົ່ງສັນຍານວິທະຍຸດຽວໃນສອງສາມພັນກິໂລແມັດຕໍ່ໄປ, ມັນບໍ່ຍາກທີ່ຈະສ້າງສັນຍານດັ່ງກ່າວດ້ວຍຕົນເອງ. ມີໂຄງການຢູ່ໃນ Google Play ທີ່ເອີ້ນວ່າ "DCF77 Emulator" ທີ່ສົ່ງສັນຍານໄປຫາຫູຟັງ. ອີງຕາມຜູ້ຂຽນ, ຖ້າທ່ານເອົາສາຍຂອງຫູຟັງຢູ່ຮອບໂມງ, ພວກມັນຈະຈັບສັນຍານ (ມັນຫນ້າສົນໃຈແນວໃດ, ເພາະວ່າຫູຟັງທໍາມະດາຈະບໍ່ຜະລິດສັນຍານ 77KHz, ແຕ່ການຮັບແມ່ນອາດຈະເປັນຍ້ອນຄວາມກົມກຽວກັນ). ໃນ Android 9, ໂປລແກລມບໍ່ໄດ້ເຮັດວຽກທັງຫມົດສໍາລັບຂ້ອຍ - ມີພຽງແຕ່ບໍ່ມີສຽງ (ຫຼືບາງທີຂ້ອຍບໍ່ໄດ້ຍິນ - ມັນແມ່ນ 77KHz, ຫຼັງຈາກທີ່ທັງຫມົດ:), ແຕ່ບາງທີຄົນອາດຈະໂຊກດີກວ່າ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ບາງຄົນເຮັດໃຫ້ຕົວເອງເປັນເຄື່ອງສ້າງສັນຍານ DCF ເຕັມຮູບແບບ, ເຊິ່ງງ່າຍທີ່ຈະເຮັດໃນ Arduino ຫຼື ESP32 ດຽວກັນ:

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

ສະຫລຸບ

ລະບົບ DCF ໄດ້ກາຍເປັນງ່າຍດາຍແລະສະດວກຫຼາຍ. ດ້ວຍຄວາມຊ່ອຍເຫລືອຂອງເຄື່ອງຮັບທີ່ງ່າຍດາຍແລະລາຄາຖືກ, ທ່ານສາມາດມີເວລາທີ່ແນ່ນອນສະເຫມີແລະຢູ່ທົ່ວທຸກແຫ່ງ, ແນ່ນອນຢູ່ໃນພື້ນທີ່ຮັບ. ມັນເບິ່ງຄືວ່າເຖິງແມ່ນວ່າການແຜ່ຂະຫຍາຍດິຈິຕອນແລະອິນເຕີເນັດຂອງສິ່ງຕ່າງໆ, ການແກ້ໄຂງ່າຍໆດັ່ງກ່າວຈະມີຄວາມຕ້ອງການເປັນເວລາດົນນານ.

ແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ: www.habr.com