DCF77: वेळ सिग्नल यंत्रणा कशी काम करते?

हॅलो हॅब्र.

घड्याळ किंवा वेदर स्टेशन खरेदी करणाऱ्या अनेकांनी पॅकेजिंगवर रेडिओ नियंत्रित घड्याळ किंवा अगदी अणु घड्याळाचा लोगो पाहिला असेल. हे खूप सोयीस्कर आहे, कारण आपल्याला फक्त घड्याळ टेबलवर ठेवण्याची आवश्यकता आहे आणि काही काळानंतर ते आपोआप अचूक वेळेनुसार समायोजित होईल.


चला ते कसे कार्य करते ते शोधू आणि पायथनमध्ये डीकोडर लिहू.

वेगवेगळ्या वेळ सिंक्रोनाइझेशन सिस्टम आहेत. युरोपमध्ये सर्वात लोकप्रिय जर्मन प्रणाली आहे DCF-77, जपानची स्वतःची यंत्रणा आहे जेजेवाय, यूएसए मध्ये एक प्रणाली आहे डब्ल्यूडब्ल्यूवीबी, आणि असेच. पुढे, कथा DCF77 बद्दल असेल, कारण रशियाच्या युरोपियन भागात आणि शेजारील देशांमधील काही ठिकाणी रिसेप्शनसाठी सर्वात संबंधित आणि प्रवेशयोग्य आहे (सुदूर पूर्वेतील रहिवाशांचे उलट मत असू शकते, तथापि, ते, यामधून, प्राप्त करू शकतात. आणि जपानी सिग्नलचे विश्लेषण करा;).

खाली लिहिलेली प्रत्येक गोष्ट DCF77 बद्दल असेल.

सिग्नल रिसेप्शन

DCF77 हे 77.5 kHz च्या वारंवारतेवर चालणारे आणि अॅम्प्लीट्यूड मॉड्युलेशनमध्ये सिग्नल प्रसारित करणारे लांबलहरी स्टेशन आहे. 50KW स्टेशन फ्रँकफर्टपासून 25 किमी अंतरावर आहे, ते 1959 मध्ये सुरू झाले आणि 1973 मध्ये तारीख माहिती अचूक वेळेत जोडली गेली. 77 KHz च्या वारंवारतेची तरंगलांबी खूप लांब आहे, म्हणून अँटेना फील्डचे परिमाण देखील खूप सभ्य आहेत (विकिपीडियावरील फोटो):


अशा अँटेना आणि पॉवर इनपुटसह, रिसेप्शन क्षेत्र जवळजवळ संपूर्ण युरोप, बेलारूस, युक्रेन आणि रशियाचा काही भाग व्यापतो.

कोणीही सिग्नल रेकॉर्ड करू शकतो. हे करण्यासाठी, फक्त ऑनलाइन रिसीव्हरवर जा http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, तेथे वारंवारता 76.5KHz आणि USB मॉड्यूलेशन निवडा. एक प्रतिमा उघडली पाहिजे जी यासारखे काहीतरी दिसते:

तेथे आम्ही डाउनलोड बटण दाबतो आणि काही मिनिटांचा तुकडा रेकॉर्ड करतो. नक्कीच, जर तुमच्याकडे 77.5KHz वारंवारता रेकॉर्ड करण्यास सक्षम "वास्तविक" रिसीव्हर असेल, तर तुम्ही ते वापरू शकता.

अर्थात, इंटरनेटद्वारे रेडिओ टाइम सिग्नल प्राप्त करून, आम्हाला खरोखर अचूक वेळ मिळणार नाही - सिग्नल विलंबाने प्रसारित केला जातो. परंतु आमचे ध्येय फक्त सिग्नलची रचना समजून घेणे आहे; यासाठी, इंटरनेट रेकॉर्डिंग पुरेसे आहे. वास्तविक जीवनात, अर्थातच, विशेष उपकरणे प्राप्त करण्यासाठी आणि डीकोडिंगसाठी वापरली जातात; त्यांची खाली चर्चा केली जाईल.

तर, आम्हाला रेकॉर्डिंग प्राप्त झाले आहे, चला त्यावर प्रक्रिया सुरू करूया.

सिग्नल डीकोडिंग

पायथन वापरून फाइल लोड करू आणि त्याची रचना पाहू:

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()

आम्ही ठराविक मोठेपणा मॉड्यूलेशन पाहतो:


डिकोडिंग सुलभ करण्यासाठी, हिल्बर्ट ट्रान्सफॉर्म वापरून सिग्नल लिफाफा घेऊ:

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

वाढवलेला परिणाम:


लो-पास फिल्टर वापरून ध्वनी उत्सर्जन सुरळीत करूया आणि त्याच वेळी सरासरी मूल्य मोजू, जे नंतर विश्लेषणासाठी उपयुक्त ठरेल.

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

परिणाम (पिवळी रेषा): जवळजवळ चौरस लहरी सिग्नल ज्याचे विश्लेषण करणे अगदी सोपे आहे.

पार्सिंग

प्रथम आपल्याला बिट क्रम प्राप्त करणे आवश्यक आहे. सिग्नलची रचना स्वतःच खूप सोपी आहे.


डाळी दुसऱ्या अंतराने विभागल्या जातात. जर कडधान्यांमधील अंतर 0.1s असेल (म्हणजेच नाडीची लांबी 0.9s असेल), तर बिट क्रमात "0" जोडा; जर अंतर 0.2s (म्हणजे लांबी 0.8s असेल) तर "1" जोडा. प्रत्येक मिनिटाचा शेवट "लांब" नाडीने दर्शविला जातो, 2s लांब, बिट क्रम शून्यावर रीसेट केला जातो आणि पुन्हा भरणे सुरू होते.

वरील गोष्टी पायथनमध्ये लिहिणे सोपे आहे.

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

परिणामी, आम्हाला बिट्सचा क्रम मिळतो, आमच्या उदाहरणात दोन सेकंदांसाठी ते असे दिसते:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

तसे, हे मनोरंजक आहे की सिग्नलमध्ये डेटाचा "द्वितीय स्तर" देखील आहे. बिट क्रम देखील वापरून एन्कोड केले आहे फेज मॉड्युलेशन. सिद्धांतानुसार, कमकुवत सिग्नलच्या बाबतीतही हे अधिक मजबूत डीकोडिंग प्रदान करेल.

आमची शेवटची पायरी: वास्तविक डेटा मिळवणे. बिट्स प्रति सेकंद एकदा प्रसारित केले जातात, म्हणून आमच्याकडे एकूण 59 बिट्स आहेत, ज्यामध्ये बरीच माहिती एन्कोड केलेली आहे:


बिट्स मध्ये वर्णन केले आहे विकिपीडिया, आणि ते खूप उत्सुक आहेत. चेतावणी प्रणाली आणि नागरी संरक्षणासाठी त्यांचा वापर करण्याची योजना असली तरीही पहिले 15 बिट वापरले जात नाहीत. बिट A1 सूचित करतो की पुढील तासात घड्याळ डेलाइट सेव्हिंग टाइममध्ये बदलेल. बिट A2 सूचित करते की अतिरिक्त झेप सेकंद, जे कधीकधी पृथ्वीच्या परिभ्रमणानुसार वेळ समायोजित करण्यासाठी वापरले जाते. उर्वरित बिट्स तास, मिनिटे, सेकंद आणि तारीख एन्कोड करतात.

ज्यांना स्वतः प्रयोग करायचा आहे त्यांच्यासाठी डिकोडिंग कोड स्पॉयलर अंतर्गत दिलेला आहे.
स्त्रोत कोड

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)

जेव्हा आपण प्रोग्राम चालवतो, तेव्हा आपल्याला यासारखे आउटपुट दिसेल:

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

खरं तर, ही सर्व जादू आहे. अशा प्रणालीचा फायदा असा आहे की डीकोडिंग अत्यंत सोपे आहे आणि कोणत्याही, अगदी सोप्या मायक्रोकंट्रोलरवर देखील केले जाऊ शकते. आम्ही फक्त डाळींची लांबी मोजतो, 60 बिट्स जमा करतो आणि प्रत्येक मिनिटाच्या शेवटी आम्हाला अचूक वेळ मिळतो. टाइम सिंक्रोनाइझेशनच्या इतर पद्धतींच्या तुलनेत (GPS, उदाहरणार्थ, किंवा God forbid, Internet:), अशा रेडिओ सिंक्रोनाइझेशनला अक्षरशः वीज लागत नाही - उदाहरणार्थ, 2 AA बॅटरीवर एक नियमित होम वेदर स्टेशन सुमारे एक वर्ष चालते. म्हणून, अगदी मनगटी घड्याळे रेडिओ सिंक्रोनाइझेशनसह बनविली जातात, अर्थातच, भिंतीवरील घड्याळे किंवा स्ट्रीट स्टेशन घड्याळे.

DCF ची सोय आणि साधेपणा देखील DIY उत्साही लोकांना आकर्षित करते. फक्त $10-20 मध्ये तुम्ही रेडीमेड रिसीव्हर आणि TTL आउटपुट असलेले रेडीमेड अँटेना मॉड्यूल खरेदी करू शकता, जे Arduino किंवा इतर कंट्रोलरशी कनेक्ट केले जाऊ शकते.


Arduino साठी आधीच लिहिले आहे तयार लायब्ररी. तथापि, हे आधीच ज्ञात आहे की आपण मायक्रोकंट्रोलरवर काहीही केले तरीही, आपण एकतर घड्याळ किंवा हवामान स्टेशनसह समाप्त करता. अशा डिव्हाइससह, अचूक वेळ मिळवणे खरोखर सोपे आहे, प्रदान केले आहे, अर्थातच, आपण रिसेप्शन क्षेत्रात आहात. बरं, तुम्ही तुमच्या घड्याळावर “अणु घड्याळ” हा शिलालेख टांगू शकता आणि त्याच वेळी प्रत्येकाला समजावून सांगू शकता की अणु घड्याळ वापरून डिव्हाइस खरोखर सिंक्रोनाइझ केले आहे.

ज्यांना इच्छा आहे ते रेडिओ सिंक्रोनाइझेशनसह नवीन यंत्रणा स्थापित करून त्यांच्या जुन्या आजीचे घड्याळ अपग्रेड करू शकतात:

"रेडिओ कंट्रोल्ड मूव्हमेंट" हे कीवर्ड वापरून तुम्ही eBay वर शोधू शकता.

आणि शेवटी, ज्यांनी हे आतापर्यंत वाचले आहे त्यांच्यासाठी एक लाइफ हॅक. पुढच्या दोन हजार किमीमध्ये एकही रेडिओ सिग्नल ट्रान्समीटर नसला, तरी असा सिग्नल स्वत: तयार करणे अवघड नाही. Google Play वर “DCF77 Emulator” नावाचा एक प्रोग्राम आहे जो हेडफोनला सिग्नल आउटपुट करतो. लेखकाच्या मते, जर तुम्ही हेडफोनची वायर घड्याळाभोवती गुंडाळली तर ते सिग्नल उचलतील (हे कसे मनोरंजक आहे, कारण सामान्य हेडफोन 77KHz सिग्नल तयार करत नाहीत, परंतु रिसेप्शन कदाचित हार्मोनिक्समुळे होते). Android 9 वर, प्रोग्राम माझ्यासाठी अजिबात कार्य करत नाही - फक्त कोणताही आवाज नव्हता (किंवा कदाचित मी तो ऐकला नाही - हे 77KHz आहे, शेवटी :), परंतु कदाचित एखाद्याचे नशीब चांगले असेल. तथापि, काही स्वत: ला पूर्ण विकसित डीसीएफ सिग्नल जनरेटर बनवतात, जे त्याच Arduino किंवा ESP32 वर बनवणे सोपे आहे:

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

निष्कर्ष

डीसीएफ प्रणाली खरोखरच सोपी आणि सोयीस्कर असल्याचे दिसून आले. सोप्या आणि स्वस्त रिसीव्हरच्या मदतीने, आपण नेहमीच आणि सर्वत्र अचूक वेळ घेऊ शकता, अर्थातच रिसेप्शन क्षेत्रात. असे दिसते की व्यापक डिजिटलायझेशन आणि गोष्टींचे इंटरनेट असूनही, अशा सोप्या उपायांना दीर्घकाळ मागणी असेल.

स्त्रोत: www.habr.com