DCF77: കൃത്യമായ സമയ സിഗ്നലുകളുടെ സംപ്രേഷണ സംവിധാനം എങ്ങനെയാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്?

ഹലോ ഹബ്ർ.

ഒരു വാച്ചോ കാലാവസ്ഥാ സ്റ്റേഷനോ വാങ്ങുന്ന പലരും പാക്കേജിംഗിൽ റേഡിയോ നിയന്ത്രിത ക്ലോക്ക് അല്ലെങ്കിൽ ആറ്റോമിക് ക്ലോക്ക് ലോഗോ പോലും കണ്ടിട്ടുണ്ടാകും. ഇത് വളരെ സൗകര്യപ്രദമാണ്, കാരണം നിങ്ങൾ ക്ലോക്ക് മേശപ്പുറത്ത് വയ്ക്കേണ്ടതുണ്ട്, കുറച്ച് സമയത്തിന് ശേഷം അത് യാന്ത്രികമായി കൃത്യമായ സമയത്തിലേക്ക് ക്രമീകരിക്കും.


ഇത് എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നു എന്ന് കണ്ടുപിടിച്ച് പൈത്തണിൽ ഒരു ഡീകോഡർ എഴുതാം.

വ്യത്യസ്ത സമയ സമന്വയ സംവിധാനങ്ങളുണ്ട്. യൂറോപ്പിൽ ഏറ്റവും പ്രചാരമുള്ളത് ജർമ്മൻ സമ്പ്രദായമാണ് DCF-77, ജപ്പാന് അതിന്റേതായ സംവിധാനമുണ്ട് ജെജെവൈ, യുഎസ്എയിൽ ഒരു സംവിധാനമുണ്ട് WWVB, ഇത്യാദി. അടുത്തതായി, കഥ DCF77 നെക്കുറിച്ചായിരിക്കും, റഷ്യയുടെയും അയൽരാജ്യങ്ങളുടെയും യൂറോപ്യൻ ഭാഗത്തെ ചില സ്ഥലങ്ങളിൽ സ്വീകരണത്തിന് ഏറ്റവും പ്രസക്തവും ആക്സസ് ചെയ്യാവുന്നതുമാണ് (ഫാർ ഈസ്റ്റിലെ നിവാസികൾക്ക് വിപരീത അഭിപ്രായമുണ്ടാകാം, എന്നിരുന്നാലും, അവർക്ക് സ്വീകരിക്കാം. കൂടാതെ ജാപ്പനീസ് സിഗ്നൽ വിശകലനം ചെയ്യുക;).

താഴെ എഴുതിയിരിക്കുന്നതെല്ലാം DCF77 നെക്കുറിച്ചായിരിക്കും.

സിഗ്നൽ സ്വീകരണം

77 kHz ആവൃത്തിയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു നീണ്ട വേവ് സ്റ്റേഷനാണ് DCF77.5, ആംപ്ലിറ്റ്യൂഡ് മോഡുലേഷനിൽ സിഗ്നലുകൾ കൈമാറുന്നു. 50KW സ്റ്റേഷൻ ഫ്രാങ്ക്ഫർട്ടിൽ നിന്ന് 25 കിലോമീറ്റർ അകലെയാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്, ഇത് 1959 ൽ പ്രവർത്തനം ആരംഭിച്ചു, 1973 ൽ തീയതി വിവരങ്ങൾ കൃത്യമായ സമയത്തിലേക്ക് ചേർത്തു. 77 KHz ആവൃത്തിയിലുള്ള തരംഗദൈർഘ്യം വളരെ ദൈർഘ്യമേറിയതാണ്, അതിനാൽ ആന്റിന ഫീൽഡിന്റെ അളവുകളും തികച്ചും മാന്യമാണ് (വിക്കിപീഡിയയിൽ നിന്നുള്ള ഫോട്ടോ):


അത്തരമൊരു ആന്റിനയും പവർ ഇൻപുട്ടും ഉപയോഗിച്ച്, റിസപ്ഷൻ ഏരിയ മിക്കവാറും യൂറോപ്പ്, ബെലാറസ്, ഉക്രെയ്ൻ, റഷ്യയുടെ ഒരു ഭാഗം എന്നിവ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു.

ആർക്കും ഒരു സിഗ്നൽ രേഖപ്പെടുത്താം. ഇത് ചെയ്യുന്നതിന്, ഓൺലൈൻ റിസീവറിലേക്ക് പോകുക http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, അവിടെ 76.5KHz ആവൃത്തിയും USB മോഡുലേഷനും തിരഞ്ഞെടുക്കുക. ഇതുപോലെയുള്ള ഒരു ചിത്രം തുറക്കണം:

അവിടെ ഞങ്ങൾ ഡൗൺലോഡ് ബട്ടൺ അമർത്തി നിരവധി മിനിറ്റ് ദൈർഘ്യമുള്ള ഒരു ശകലം രേഖപ്പെടുത്തുന്നു. തീർച്ചയായും, നിങ്ങൾക്ക് 77.5KHz ഫ്രീക്വൻസി റെക്കോർഡ് ചെയ്യാൻ കഴിവുള്ള ഒരു "യഥാർത്ഥ" റിസീവർ ഉണ്ടെങ്കിൽ, നിങ്ങൾക്ക് അത് ഉപയോഗിക്കാം.

തീർച്ചയായും, ഇന്റർനെറ്റ് വഴി റേഡിയോ സമയ സിഗ്നലുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നതിലൂടെ, ഞങ്ങൾക്ക് യഥാർത്ഥ കൃത്യമായ സമയം ലഭിക്കില്ല - സിഗ്നൽ കാലതാമസത്തോടെ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. എന്നാൽ ഞങ്ങളുടെ ലക്ഷ്യം സിഗ്നലിന്റെ ഘടന മനസ്സിലാക്കുക മാത്രമാണ്; ഇതിനായി, ഇന്റർനെറ്റ് റെക്കോർഡിംഗ് ആവശ്യത്തിലധികം. യഥാർത്ഥ ജീവിതത്തിൽ, തീർച്ചയായും, പ്രത്യേക ഉപകരണങ്ങൾ സ്വീകരിക്കുന്നതിനും ഡീകോഡ് ചെയ്യുന്നതിനും ഉപയോഗിക്കുന്നു; അവ ചുവടെ ചർച്ചചെയ്യും.

അതിനാൽ, ഞങ്ങൾക്ക് റെക്കോർഡിംഗ് ലഭിച്ചു, നമുക്ക് അത് പ്രോസസ്സ് ചെയ്യാൻ ആരംഭിക്കാം.

സിഗ്നൽ ഡീകോഡിംഗ്

നമുക്ക് പൈത്തൺ ഉപയോഗിച്ച് ഫയൽ ലോഡ് ചെയ്ത് അതിന്റെ ഘടന നോക്കാം:

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()

ഞങ്ങൾ സാധാരണ ആംപ്ലിറ്റ്യൂഡ് മോഡുലേഷൻ കാണുന്നു:


ഡീകോഡിംഗ് ലളിതമാക്കാൻ, ഹിൽബർട്ട് രൂപാന്തരം ഉപയോഗിച്ച് സിഗ്നൽ എൻവലപ്പ് എടുക്കാം:

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

വിപുലീകരിച്ച ഫലം:


ലോ-പാസ് ഫിൽട്ടർ ഉപയോഗിച്ച് നമുക്ക് ശബ്ദ ഉദ്വമനം സുഗമമാക്കാം, അതേ സമയം ശരാശരി മൂല്യം കണക്കാക്കാം, ഇത് പിന്നീട് പാഴ്‌സിംഗ് ചെയ്യുന്നതിന് ഉപയോഗപ്രദമാകും.

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

ഫലം (മഞ്ഞ വര): വിശകലനം ചെയ്യാൻ വളരെ എളുപ്പമുള്ള ഏതാണ്ട് ചതുര തരംഗ സിഗ്നൽ.

പാഴ്സിംഗ്

ആദ്യം നിങ്ങൾ ബിറ്റ് സീക്വൻസ് നേടേണ്ടതുണ്ട്. സിഗ്നൽ ഘടന തന്നെ വളരെ ലളിതമാണ്.


പൾസുകളെ രണ്ടാം ഇടവേളകളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു. പൾസുകൾ തമ്മിലുള്ള ദൂരം 0.1സെ ആണെങ്കിൽ (അതായത് പൾസിന്റെ ദൈർഘ്യം തന്നെ 0.9 സെ), ബിറ്റ് സീക്വൻസിലേക്ക് "0" ചേർക്കുക; ദൂരം 0.2സെ ആണെങ്കിൽ (അതായത് ദൈർഘ്യം 0.8 സെ), "1" ചേർക്കുക. ഓരോ മിനിറ്റിന്റെയും അവസാനം ഒരു "നീണ്ട" പൾസ് സൂചിപ്പിക്കുന്നു, 2 സെക്കൻഡ് ദൈർഘ്യം, ബിറ്റ് സീക്വൻസ് പൂജ്യത്തിലേക്ക് പുനഃസജ്ജമാക്കി, പൂരിപ്പിക്കൽ വീണ്ടും ആരംഭിക്കുന്നു.

മുകളിൽ പറഞ്ഞവ പൈത്തണിൽ എഴുതാൻ എളുപ്പമാണ്.

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

തൽഫലമായി, നമുക്ക് ബിറ്റുകളുടെ ഒരു ശ്രേണി ലഭിക്കുന്നു, ഞങ്ങളുടെ ഉദാഹരണത്തിൽ രണ്ട് സെക്കൻഡിനുള്ളിൽ ഇത് ഇതുപോലെ കാണപ്പെടുന്നു:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

വഴിയിൽ, സിഗ്നലിന് ഒരു "രണ്ടാം പാളി" ഡാറ്റയും ഉണ്ടെന്നത് രസകരമാണ്. ബിറ്റ് സീക്വൻസും എൻകോഡ് ചെയ്യുന്നത് ഉപയോഗിച്ചാണ് ഘട്ടം മോഡുലേഷൻ. സിദ്ധാന്തത്തിൽ, ഇത് ദുർബലമായ സിഗ്നലിന്റെ കാര്യത്തിൽ പോലും കൂടുതൽ ശക്തമായ ഡീകോഡിംഗ് നൽകണം.

ഞങ്ങളുടെ അവസാന ഘട്ടം: യഥാർത്ഥ ഡാറ്റ നേടുക. ബിറ്റുകൾ സെക്കൻഡിൽ ഒരിക്കൽ പ്രക്ഷേപണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, അതിനാൽ ഞങ്ങൾക്ക് ആകെ 59 ബിറ്റുകൾ ഉണ്ട്, അതിൽ ധാരാളം വിവരങ്ങൾ എൻകോഡ് ചെയ്‌തിരിക്കുന്നു:


ബിറ്റുകൾ വിവരിച്ചിരിക്കുന്നു വിക്കിപീഡിയ, അവർ തികച്ചും ജിജ്ഞാസുക്കളാണ്. മുന്നറിയിപ്പ് സംവിധാനങ്ങൾക്കും സിവിൽ ഡിഫൻസിനുമായി ഉപയോഗിക്കാൻ പദ്ധതിയുണ്ടെങ്കിലും ആദ്യത്തെ 15 ബിറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നില്ല. അടുത്ത മണിക്കൂറിൽ ക്ലോക്ക് ഡേലൈറ്റ് സേവിംഗ് ടൈമിലേക്ക് മാറുമെന്ന് ബിറ്റ് എ1 സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ബിറ്റ് A2 ഒരു അധികമാണെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു കുതിച്ചുചാട്ടം, ഇത് ചിലപ്പോൾ ഭൂമിയുടെ ഭ്രമണത്തിനനുസരിച്ച് സമയം ക്രമീകരിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ശേഷിക്കുന്ന ബിറ്റുകൾ മണിക്കൂർ, മിനിറ്റ്, സെക്കൻഡ്, തീയതി എന്നിവ എൻകോഡ് ചെയ്യുന്നു.

സ്വന്തമായി പരീക്ഷണം നടത്താൻ ആഗ്രഹിക്കുന്നവർക്ക്, സ്‌പോയിലറിന് കീഴിൽ ഡീകോഡിംഗ് കോഡ് നൽകിയിരിക്കുന്നു.
ഉറവിട കോഡ്

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)

ഞങ്ങൾ പ്രോഗ്രാം പ്രവർത്തിപ്പിക്കുമ്പോൾ, ഇതുപോലുള്ള ഔട്ട്പുട്ട് നമുക്ക് കാണാം:

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

യഥാർത്ഥത്തിൽ, അതെല്ലാം മാന്ത്രികതയാണ്. അത്തരമൊരു സംവിധാനത്തിന്റെ പ്രയോജനം ഡീകോഡിംഗ് വളരെ ലളിതമാണ്, ഏറ്റവും ലളിതമായ മൈക്രോകൺട്രോളറിൽ പോലും ഇത് ചെയ്യാൻ കഴിയും. ഞങ്ങൾ പൾസുകളുടെ ദൈർഘ്യം കണക്കാക്കുന്നു, 60 ബിറ്റുകൾ ശേഖരിക്കുന്നു, ഓരോ മിനിറ്റിന്റെയും അവസാനം നമുക്ക് കൃത്യമായ സമയം ലഭിക്കും. സമയ സമന്വയത്തിന്റെ മറ്റ് രീതികളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ (GPS, ഉദാഹരണത്തിന്, അല്ലെങ്കിൽ ദൈവം വിലക്കിയിരിക്കുന്നു, ഇന്റർനെറ്റ് :)), അത്തരം റേഡിയോ സമന്വയത്തിന് ഫലത്തിൽ വൈദ്യുതി ആവശ്യമില്ല - ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു സാധാരണ ഹോം കാലാവസ്ഥാ സ്റ്റേഷൻ 2 AA ബാറ്ററികളിൽ ഏകദേശം ഒരു വർഷത്തേക്ക് പ്രവർത്തിക്കുന്നു. അതിനാൽ, റിസ്റ്റ് വാച്ചുകൾ പോലും റേഡിയോ സിൻക്രൊണൈസേഷൻ ഉപയോഗിച്ചാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്, തീർച്ചയായും, മതിൽ വാച്ചുകളോ തെരുവ് സ്റ്റേഷൻ വാച്ചുകളോ പരാമർശിക്കേണ്ടതില്ല.

DCF-ന്റെ സൗകര്യവും ലാളിത്യവും DIY പ്രേമികളെ ആകർഷിക്കുന്നു. വെറും $10-20-ന് നിങ്ങൾക്ക് ഒരു റെഡിമെയ്ഡ് റിസീവറും TTL ഔട്ട്പുട്ടും ഉള്ള ഒരു റെഡിമെയ്ഡ് ആന്റിന മൊഡ്യൂൾ വാങ്ങാം, അത് ഒരു Arduino അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് കൺട്രോളറുമായി ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും.


Arduino നായി ഇതിനകം എഴുതിയിട്ടുണ്ട് റെഡിമെയ്ഡ് ലൈബ്രറികൾ. എന്നിരുന്നാലും, നിങ്ങൾ ഒരു മൈക്രോകൺട്രോളറിൽ എന്ത് ചെയ്താലും, നിങ്ങൾ ഒരു ക്ലോക്ക് അല്ലെങ്കിൽ കാലാവസ്ഥാ സ്റ്റേഷനിൽ അവസാനിക്കുമെന്ന് ഇതിനകം അറിയാം. അത്തരമൊരു ഉപകരണം ഉപയോഗിച്ച്, കൃത്യമായ സമയം ലഭിക്കുന്നത് വളരെ എളുപ്പമാണ്, തീർച്ചയായും, നിങ്ങൾ റിസപ്ഷൻ ഏരിയയിലാണ്. ശരി, നിങ്ങളുടെ വാച്ചിൽ "ആറ്റോമിക് ക്ലോക്ക്" എന്ന ലിഖിതം തൂക്കിയിടാം, അതേ സമയം ഒരു ആറ്റോമിക് ക്ലോക്ക് ഉപയോഗിച്ച് ഉപകരണം ശരിക്കും സമന്വയിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ടെന്ന് എല്ലാവരോടും വിശദീകരിക്കുക.

റേഡിയോ സിൻക്രൊണൈസേഷനുള്ള ഒരു പുതിയ സംവിധാനം ഇൻസ്റ്റാൾ ചെയ്തുകൊണ്ട് ആഗ്രഹിക്കുന്നവർക്ക് അവരുടെ പഴയ മുത്തശ്ശിയുടെ വാച്ച് അപ്‌ഗ്രേഡ് ചെയ്യാം:

"റേഡിയോ നിയന്ത്രിത ചലനം" എന്ന കീവേഡുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നിങ്ങൾക്ക് ebay-ൽ ഒന്ന് കണ്ടെത്താം.

അവസാനമായി, ഇത് വരെ വായിച്ചവർക്ക് ഒരു ലൈഫ് ഹാക്ക്. അടുത്ത രണ്ടായിരം കിലോമീറ്ററിൽ ഒരു റേഡിയോ സിഗ്നൽ ട്രാൻസ്മിറ്റർ പോലും ഇല്ലെങ്കിലും, അത്തരമൊരു സിഗ്നൽ സ്വയം സൃഷ്ടിക്കുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള കാര്യമല്ല. ഗൂഗിൾ പ്ലേയിൽ "DCF77 എമുലേറ്റർ" എന്ന് വിളിക്കുന്ന ഒരു പ്രോഗ്രാം ഉണ്ട്, അത് ഹെഡ്ഫോണുകളിലേക്ക് സിഗ്നൽ ഔട്ട്പുട്ട് ചെയ്യുന്നു. രചയിതാവ് പറയുന്നതനുസരിച്ച്, നിങ്ങൾ വാച്ചിന് ചുറ്റും ഹെഡ്‌ഫോണുകളുടെ വയർ പൊതിയുകയാണെങ്കിൽ, അവർ സിഗ്നൽ എടുക്കും (എങ്ങനെയെന്നത് രസകരമാണ്, കാരണം സാധാരണ ഹെഡ്‌ഫോണുകൾ 77KHz സിഗ്നൽ സൃഷ്ടിക്കില്ല, പക്ഷേ സ്വീകരണം ഹാർമോണിക്‌സ് മൂലമാകാം). ആൻഡ്രോയിഡ് 9-ൽ, പ്രോഗ്രാം എനിക്കായി ഒട്ടും പ്രവർത്തിച്ചില്ല - കേവലം ഒരു ശബ്‌ദവുമില്ല (അല്ലെങ്കിൽ ഞാൻ അത് കേട്ടില്ലായിരിക്കാം - ഇത് 77KHz ആണ്, എല്ലാത്തിനുമുപരി :)), പക്ഷേ ആർക്കെങ്കിലും നല്ല ഭാഗ്യമുണ്ടാകാം. എന്നിരുന്നാലും, ചിലർ സ്വയം ഒരു പൂർണ്ണമായ DCF സിഗ്നൽ ജനറേറ്ററാക്കി മാറ്റുന്നു, അത് ഒരേ Arduino അല്ലെങ്കിൽ ESP32-ൽ നിർമ്മിക്കാൻ എളുപ്പമാണ്:

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

തീരുമാനം

DCF സിസ്റ്റം വളരെ ലളിതവും സൗകര്യപ്രദവുമായി മാറി. ലളിതവും വിലകുറഞ്ഞതുമായ റിസീവറിന്റെ സഹായത്തോടെ, നിങ്ങൾക്ക് എല്ലായ്പ്പോഴും എല്ലായിടത്തും കൃത്യമായ സമയം ലഭിക്കും, തീർച്ചയായും റിസപ്ഷൻ ഏരിയയിൽ. വ്യാപകമായ ഡിജിറ്റലൈസേഷനും ഇന്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്‌സും ഉണ്ടായിരുന്നിട്ടും, അത്തരം ലളിതമായ പരിഹാരങ്ങൾക്ക് വളരെക്കാലം ആവശ്യക്കാരുണ്ടാകുമെന്ന് തോന്നുന്നു.

അവലംബം: www.habr.com