DCF77: Како функционира системот за временски сигнал?

Здраво Хабр.

Веројатно многумина кои купуваат часовник или метеоролошка станица го виделе логото со радио контролиран часовник или дури и атомски часовник на пакувањето. Ова е многу погодно, бидејќи само треба да го ставите часовникот на маса, а по некое време тој автоматски ќе се прилагоди на точното време.


Ајде да откриеме како функционира и да напишеме декодер во Python.

Постојат различни системи за синхронизација на времето. Најпопуларен во Европа е германскиот систем DCF-77, Јапонија има свој систем Jеј, во САД постои систем WWVB, и така натаму. Следно, приказната ќе биде за DCF77, како најрелевантна и достапна за прием во некои места во европскиот дел на Русија и соседните земји (жителите на Далечниот Исток може да имаат спротивно мислење, но тие, пак, можат да добијат и анализирајте го јапонскиот сигнал;).

Сè што е напишано подолу ќе биде за DCF77.

Прием на сигнал

DCF77 е долга бранова станица која работи на фреквенција од 77.5 kHz и пренесува сигнали во амплитудна модулација. Станицата од 50 KW се наоѓа на 25 километри од Франкфурт, започна со работа во 1959 година, а во 1973 година информациите за датумот беа додадени на точното време. Брановата должина на фреквенција од 77 KHz е многу долга, така што димензиите на полето на антената се исто така доста пристојни (фото од Википедија):


Со таква антена и напојување, приемната област опфаќа речиси цела Европа, Белорусија, Украина и дел од Русија.

Секој може да сними сигнал. За да го направите ова, само одете до онлајн приемникот http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, изберете фреквенција 76.5KHz и USB модулација таму. Треба да се отвори слика што изгледа вака:

Таму го притискаме копчето за преземање и снимаме фрагмент долг неколку минути. Се разбира, ако имате „вистински“ приемник способен да снима фреквенција од 77.5 KHz, можете да го користите тоа.

Се разбира, со примање радио-временски сигнали преку Интернет, нема да добиеме навистина точно време - сигналот се пренесува со задоцнување. Но, нашата цел е само да ја разбереме структурата на сигналот; за ова, снимањето на Интернет е повеќе од доволно. Во реалниот живот, се разбира, специјализирани уреди се користат за примање и декодирање; тие ќе бидат разгледани подолу.

Значи, ја добивме снимката, да почнеме да ја обработуваме.

Декодирање на сигналот

Ајде да ја вчитаме датотеката користејќи Python и да ја видиме нејзината структура:

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()

Гледаме типична амплитудна модулација:


За да го поедноставиме декодирањето, да го земеме пликот на сигналот користејќи ја трансформацијата Хилберт:

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

Зголемен резултат:


Ајде да ги израмниме емисиите на бучава со помош на нископропусен филтер, а во исто време да ја пресметаме просечната вредност, која подоцна ќе биде корисна за парсирање.

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

Резултат (жолта линија): речиси квадратен бран сигнал кој е прилично лесен за анализа.

Парсирање

Прво треба да ја добиете низата на битови. Самата структура на сигналот е многу едноставна.


Импулсите се поделени на втори интервали. Ако растојанието помеѓу импулсите е 0.1 секунди (т.е. должината на самиот пулс е 0.9 секунди), додадете „0“ на секвенцата на битови; ако растојанието е 0.2 секунди (т.е. должината е 0.8 секунди), додадете „1“. Крајот на секоја минута е означен со „долг“ пулс, долг 2 секунди, низата на битови се ресетира на нула и полнењето започнува повторно.

Горенаведеното е лесно да се напише во 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

Како резултат на тоа, добиваме низа од битови, во нашиот пример за две секунди изгледа вака:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

Патем, интересно е што сигналот има и „втор слој“ на податоци. Редоследот на битови е исто така кодиран со користење фазна модулација. Во теорија, ова треба да обезбеди посилно декодирање дури и во случај на ослабен сигнал.

Нашиот последен чекор: добивање на вистинските податоци. Битовите се пренесуваат еднаш во секунда, така што имаме вкупно 59 бита, во кои се кодирани доста информации:


Битовите се опишани во Википедија, и тие се доста љубопитни. Првите 15 бита не се користат, иако се планираше да се користат за системи за предупредување и цивилна одбрана. Битот A1 покажува дека часовникот ќе се смени во летно сметање на времето во следниот час. Битот A2 покажува дека дополнително прескокната секунда, кој понекогаш се користи за прилагодување на времето според ротацијата на Земјата. Останатите битови кодираат часови, минути, секунди и датум.

За оние кои сакаат сами да експериментираат, кодот за декодирање е даден под спојлерот.
Извор

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)

Кога ќе ја извршиме програмата, ќе видиме излез сличен на овој:

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

Всушност, тоа е целата магија. Предноста на таквиот систем е што декодирањето е исклучително едноставно и може да се направи на секој, дури и на наједноставниот микроконтролер. Едноставно ја броиме должината на импулсите, акумулираме 60 бита и на крајот од секоја минута го добиваме точното време. Во споредба со другите методи за синхронизација на времето (GPS, на пример, или не дај Боже, Интернет :), таквата радио синхронизација практично не бара електрична енергија - на пример, редовна домашна метеоролошка станица работи околу една година на 2 AA батерии. Затоа, дури и рачните часовници се направени со радио синхронизација, а да не зборуваме, се разбира, за ѕидни часовници или часовници за улични станици.

Практичноста и едноставноста на DCF, исто така, привлекуваат љубители на DIY. За само 10-20 долари можете да купите готов модул за антена со готов ресивер и TTL излез, кој може да се поврзе со Arduino или друг контролер.


Веќе напишано за Arduino готови библиотеки. Сепак, веќе е познато дека што и да правите на микроконтролер, завршувате или со часовник или со метеоролошка станица. Со таков уред, да се добие точното време е навистина лесно, под услов, се разбира, да се наоѓате во просторот за прием. Па, можете да го закачите натписот „Атомски часовник“ на вашиот часовник и во исто време да им објасните на сите дека уредот е навистина синхронизиран со помош на атомски часовник.

Оние кои сакаат можат дури и да го надградат часовникот на својата стара баба со инсталирање на нов механизам со радио синхронизација:

Можете да најдете еден на eBay користејќи ги клучните зборови „Радио контролирано движење“.

И, конечно, лајф хак за оние кои прочитале до тука. Дури и ако нема ниту еден предавател на радио сигнал во следните неколку илјади километри, не е тешко сами да генерирате таков сигнал. Постои програма на Google Play наречена „DCF77 Emulator“ која го емитува сигналот до слушалките. Според авторот, ако ја завиткате жицата на слушалките околу часовникот, тие ќе го фатат сигналот (интересно е како, бидејќи обичните слушалки нема да произведуваат сигнал од 77 KHz, но приемот веројатно се должи на хармониците). На Android 9, програмата воопшто не работеше за мене - едноставно немаше звук (или можеби не го слушнав - на крајот на краиштата е 77 KHz :), но можеби некој ќе има подобра среќа. Сепак, некои се прават полноправен генератор на DCF сигнал, што е лесно да се направи на истиот Arduino или ESP32:

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

Заклучок

Системот DCF се покажа како навистина прилично едноставен и удобен. Со помош на едноставен и евтин ресивер можете да го имате точното време секогаш и секаде, се разбира во рецепцијата. Се чини дека и покрај широко распространетата дигитализација и Интернетот на нештата, ваквите едноставни решенија ќе бидат барани долго време.

Извор: www.habr.com