DCF77: समय संकेत प्रणालीले कसरी काम गर्छ?

नमस्ते Habr।

घडी वा मौसम स्टेशन खरिद गर्ने धेरैले प्याकेजिङ्गमा रेडियो नियन्त्रित घडी वा परमाणु घडीको लोगो पनि देखेका छन्। यो धेरै सुविधाजनक छ, किनकि तपाईले केवल टेबलमा घडी राख्नु पर्छ, र केहि समय पछि यो स्वचालित रूपमा सही समय समायोजन हुनेछ।


यसले कसरी काम गर्छ भनेर पत्ता लगाउनुहोस् र पाइथनमा डिकोडर लेख्नुहोस्।

त्यहाँ विभिन्न समय सिंक्रोनाइजेसन प्रणालीहरू छन्। युरोपमा सबैभन्दा लोकप्रिय जर्मन प्रणाली हो DCF-77, जापानको आफ्नै प्रणाली छ JJY, संयुक्त राज्य अमेरिका मा एक प्रणाली छ WWVB, र यस्तै। अर्को, कथा DCF77 को बारे मा हुनेछ, रूस को युरोपेली भाग र छिमेकी देशहरु को केहि स्थानहरुमा स्वागत को लागी सबै भन्दा सान्दर्भिक र पहुँचयोग्य को रूप मा (सुदूर पूर्व को बासिन्दाहरु को विपरीत राय हुन सक्छ, तथापि, उनीहरु, बारीमा, प्राप्त गर्न सक्छन्। र जापानी संकेत विश्लेषण;)।

तल लेखिएका सबै कुरा DCF77 को बारेमा हुनेछ।

priem signaala

DCF77 एक लामो तरंग स्टेशन हो जुन 77.5 kHz को फ्रिक्वेन्सीमा सञ्चालन हुन्छ र एम्प्लिट्यूड मोड्युलेसनमा सिग्नलहरू प्रसारण गर्दछ। 50KW स्टेशन फ्रैंकफर्ट देखि 25 किमी स्थित छ, यो 1959 मा सञ्चालन सुरु भयो, र 1973 मा मिति जानकारी सही समयमा थपियो। 77 KHz को फ्रिक्वेन्सीमा तरंगदैर्ध्य धेरै लामो छ, त्यसैले एन्टेना क्षेत्रको आयामहरू पनि धेरै सभ्य छन् (विकिपिडियाबाट फोटो):


यस्तो एन्टेना र पावर इनपुटको साथ, रिसेप्शन क्षेत्रले लगभग सबै युरोप, बेलारुस, युक्रेन र रूसको भाग समेट्छ।

जो कोहीले संकेत रेकर्ड गर्न सक्छ। यो गर्नको लागि, केवल अनलाइन रिसीभरमा जानुहोस् http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, त्यहाँ फ्रिक्वेन्सी 76.5KHz र USB मोडुलेशन चयन गर्नुहोस्। एउटा छवि खुल्नु पर्छ जुन यो जस्तो देखिन्छ:

त्यहाँ हामी डाउनलोड बटन थिच्छौं र धेरै मिनेट लामो टुक्रा रेकर्ड गर्छौं। अवश्य पनि, यदि तपाइँसँग 77.5KHz फ्रिक्वेन्सी रेकर्ड गर्न सक्षम "वास्तविक" रिसीभर छ भने, तपाइँ यसलाई प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ।

निस्सन्देह, इन्टरनेट मार्फत रेडियो समय संकेतहरू प्राप्त गरेर, हामी साँच्चै सही समय प्राप्त गर्दैनौं - संकेत ढिलाइ संग प्रसारित छ। तर हाम्रो लक्ष्य केवल संकेत को संरचना बुझ्न को लागी छ; यसको लागि, इन्टरनेट रेकर्डिङ पर्याप्त भन्दा बढी छ। वास्तविक जीवनमा, निस्सन्देह, विशेष उपकरणहरू प्राप्त र डिकोडिङको लागि प्रयोग गरिन्छ; तिनीहरू तल छलफल गरिनेछ।

त्यसोभए, हामीले रेकर्डिङ प्राप्त गरेका छौं, यसलाई प्रशोधन सुरु गरौं।

सिग्नल डिकोडिङ

पाइथन प्रयोग गरेर फाइल लोड गरौं र यसको संरचना हेर्नुहोस्:

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()

हामी विशिष्ट आयाम मोड्युलेसन देख्छौं:


डिकोडिङ सरल बनाउन, हिल्बर्ट रूपान्तरण प्रयोग गरेर संकेत खाम लिनुहोस्:

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

विस्तारित परिणाम:


कम-पास फिल्टर प्रयोग गरेर आवाज उत्सर्जनलाई सहज बनाउनुहोस्, र एकै समयमा औसत मान गणना गर्नुहोस्, जुन पछि पार्सिङको लागि उपयोगी हुनेछ।

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

नतिजा (पहेंलो रेखा): एक लगभग वर्ग लहर संकेत विश्लेषण गर्न एकदम सजिलो छ।

पार्सिङ

पहिले तपाईंले बिट अनुक्रम प्राप्त गर्न आवश्यक छ। संकेत संरचना आफैमा धेरै सरल छ।


दालहरू दोस्रो अन्तरालहरूमा विभाजित छन्। यदि पल्सहरू बीचको दूरी ०.१ सेकेन्ड छ (अर्थात नाडीको लम्बाइ ०.९ सेकेन्ड हो), बिट अनुक्रममा "०" थप्नुहोस्; यदि दूरी ०.२ सेकेन्ड (अर्थात लम्बाइ ०.८ सेकेन्ड छ भने), "१" थप्नुहोस्। प्रत्येक मिनेटको अन्त्य "लामो" पल्स द्वारा संकेत गरिएको छ, 0.1s लामो, बिट अनुक्रम शून्यमा रिसेट हुन्छ, र भर्न फेरि सुरु हुन्छ।

माथिको पाइथनमा लेख्न सजिलो छ।

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

नतिजाको रूपमा, हामीले बिटहरूको अनुक्रम पाउँछौं, हाम्रो उदाहरणमा दुई सेकेन्डको लागि यो यस्तो देखिन्छ:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000

वैसे, यो चाखलाग्दो छ कि संकेतमा डेटाको "दोस्रो तह" पनि छ। बिट अनुक्रम पनि प्रयोग गरेर एन्कोड गरिएको छ चरण मोड्युलेसन। सिद्धान्तमा, यसले कमजोर संकेतको अवस्थामा पनि थप बलियो डिकोडिङ प्रदान गर्नुपर्छ।

हाम्रो अन्तिम चरण: वास्तविक डाटा प्राप्त गर्दै। बिट्स प्रति सेकेन्ड एक पटक प्रसारित हुन्छन्, त्यसैले हामीसँग कुल 59 बिटहरू छन्, जसमा धेरै जानकारी इन्कोड गरिएको छ:


बिट्स मा वर्णन गरिएको छ विकिपेडिया, र तिनीहरू धेरै उत्सुक छन्। पहिलो 15 बिटहरू प्रयोग गरिएको छैन, यद्यपि त्यहाँ तिनीहरूलाई चेतावनी प्रणाली र नागरिक रक्षाको लागि प्रयोग गर्ने योजनाहरू थिए। Bit A1 ले अर्को घण्टामा घडी डेलाइट सेभिङ टाइममा परिवर्तन हुने संकेत गर्छ। बिट A2 ले एक अतिरिक्त संकेत गर्दछ सेकेन्ड छलांग, जुन कहिलेकाहीँ पृथ्वीको परिक्रमा अनुसार समय समायोजन गर्न प्रयोग गरिन्छ। बाँकी बिट्सले घण्टा, मिनेट, सेकेन्ड र मिति इन्कोड गर्दछ।

आफ्नै प्रयोग गर्न चाहनेहरूका लागि, डिकोडिङ कोड स्पोइलर अन्तर्गत दिइएको छ।
स्रोत 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)

जब हामी कार्यक्रम चलाउँछौं, हामी यो जस्तै आउटपुट देख्नेछौं:

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

वास्तवमा, यो सबै जादू हो। यस्तो प्रणालीको फाइदा यो हो कि डिकोडिङ अत्यन्त सरल छ र कुनै पनि, सरल माइक्रोकन्ट्रोलरमा पनि गर्न सकिन्छ। हामी केवल दालहरूको लम्बाइ गणना गर्छौं, 60 बिटहरू जम्मा गर्छौं, र प्रत्येक मिनेटको अन्त्यमा हामीले सही समय पाउँछौं। समय सिङ्क्रोनाइजेसनको अन्य विधिहरूको तुलनामा (GPS, उदाहरणका लागि, वा God forbid, Internet:), यस्तो रेडियो सिङ्क्रोनाइजेसनलाई लगभग कुनै बिजुलीको आवश्यकता पर्दैन - उदाहरणका लागि, 2 AA ब्याट्रीहरूमा नियमित गृह मौसम स्टेशन लगभग एक वर्ष चल्छ। त्यसकारण, नाडी घडीहरू पनि रेडियो सिङ्क्रोनाइजेसनसँग बनाइन्छ, उल्लेख नगर्ने, अवश्य पनि, भित्ता घडीहरू वा सडक स्टेशन घडीहरू।

DCF को सुविधा र सरलताले पनि DIY उत्साहीहरूलाई आकर्षित गर्छ। केवल $ 10-20 को लागी तपाइँ एक रेडिमेड रिसीभर र TTL आउटपुटको साथ एक रेडिमेड एन्टेना मोड्युल किन्न सक्नुहुन्छ, जुन Arduino वा अन्य नियन्त्रकमा जडान गर्न सकिन्छ।


पहिले नै Arduino को लागी लेखिएको छ तयार पुस्तकालयहरू। यद्यपि, यो पहिले नै थाहा छ कि तपाईले माइक्रोकन्ट्रोलरमा जे गरे पनि, तपाइँ या त घडी वा मौसम स्टेशनको साथ समाप्त हुन्छ। यस्तो यन्त्रको साथ, सही समय प्राप्त गर्न साँच्चै सजिलो छ, अवश्य पनि, तपाइँ स्वागत क्षेत्रमा हुनुहुन्छ। ठिक छ, तपाईले आफ्नो घडीमा "परमाणु घडी" शिलालेख झुण्ड्याउन सक्नुहुन्छ, र एकै समयमा सबैलाई व्याख्या गर्नुहोस् कि उपकरण वास्तवमै परमाणु घडी प्रयोग गरेर सिंक्रोनाइज गरिएको छ।

चाहनेहरूले रेडियो सिङ्क्रोनाइजेसनको साथ नयाँ संयन्त्र स्थापना गरेर आफ्नो पुरानो हजुरआमाको घडी अपग्रेड गर्न सक्छन्:

तपाईंले "रेडियो नियन्त्रित आन्दोलन" कुञ्जी शब्दहरू प्रयोग गरेर eBay मा एउटा फेला पार्न सक्नुहुन्छ।

र अन्तमा, यो पढेकाहरूका लागि जीवन ह्याक। अर्को दुई हजार किलोमिटरमा एउटै रेडियो सिग्नल ट्रान्समिटर नभए पनि, यस्तो सिग्नल आफैले उत्पन्न गर्न गाह्रो छैन। Google Play मा "DCF77 Emulator" नामक एउटा कार्यक्रम छ जसले हेडफोनमा सिग्नल आउटपुट गर्छ। लेखकका अनुसार, यदि तपाईंले हेडफोनको तार घडीको वरिपरि लपेट्नुहुन्छ भने, तिनीहरूले सिग्नल उठाउनेछन् (यो चाखलाग्दो छ कि कसरी, सामान्य हेडफोनले 77KHz सिग्नल उत्पादन गर्दैन, तर रिसेप्शन सम्भवतः हार्मोनिक्सको कारणले हो)। एन्ड्रोइड 9 मा, कार्यक्रमले मेरो लागि काम गरेन - त्यहाँ कुनै आवाज थिएन (वा सायद मैले यो सुनेको छैन - यो 77KHz हो, आखिर :), तर सायद कसैको भाग्य राम्रो हुनेछ। केहि, तथापि, आफैलाई एक पूर्ण विकसित DCF सिग्नल जेनेरेटर बनाउँदछ, जुन समान Arduino वा ESP32 मा बनाउन सजिलो छ:

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

निष्कर्षमा

DCF प्रणाली साँच्चै एकदम सरल र सुविधाजनक भएको छ। एक सरल र सस्तो रिसीभरको मद्दतले, तपाईंसँग सधैं र जताततै सही समय हुन सक्छ, पक्कै पनि स्वागत क्षेत्रमा। यस्तो देखिन्छ कि व्यापक डिजिटलाइजेशन र चीजहरूको इन्टरनेटको बावजुद पनि, यस्ता सरल समाधानहरू लामो समयको लागि माग हुनेछ।

स्रोत: www.habr.com