Vysílač časového signálu a normál. frekvence DCF77

Stanoviště

Rádiová vysílací stanice Mainflingen (50° 01' severní šířky, 09° 00' východní délky), asi 25 km jihovýchodně od Frankfurtu nad Mohanem. Provoz zajišťují společně Spolková pošta Telekom, která provozuje vlastní vysílač a antény, a Spolkový fyzikálně-technický ústav PTB Braunschweig, který odpovídá za řídící signál odvozovaný od atomových hodin. Stanice začala vysílat v září roku 1970.

Nosná frekvence

• normálová frekvence 77,5 kHz
• relativní odchylka frekvence nosné od nominální střední hodnoty za 1 den < 1 * 10^-12, za 100 dní < 2 * 10^-13

Fáze času DCF77 je řízena tak, že zůstává na vysílacím místě přibližně ±0,3 µs v souladu s UTC(PTB). Větší fáze, popř. frekvenční kolísání pozorované na přijímacím místě jsou vyvolány skládáním prostorových a přízemních vln.

Výkon

• Výkon vysílače: 50 kW
• Odhadovaný vyzářený výkon (ERP) asi: 30 kW

Anténa

150 m (v případě vysílání rezervní anténou 200 m) vysoká vertikální všesměrová paprsková anténa s kapacitním nástavcem.

Dosah vysílače

Dle údajů PTB je vzdálenost dosahu vysílače přibližně 2000 km. Dále je uveden seznam vzdálených míst, kde byl vysílač DCF77 přijímán.

• Danzig (Gdansk, Polsko) 800 km
• Lodz (Lodz, Polsko) 800 km
• východní okraj Polska 1000 km
• Belgrade (Jugoslávie) 1100 km
• Stockholm (Švédsko) 1200 km
• Mallorca (Španělsko) 1200 km
• Trondheim (Norsko) 1400 km
• Teneriffa (Španělsko) cca. 2500 km, ovšem pouze v noci a s velmi dobrým přijímačem
• Jedda, Riath (Jemen) cca. 5500 km, pouze v noci, 3 až 4 hodiny s radio hodinami Junghans

Vysílací čas

24h trvající provoz. Krátká přerušení (několik minut) jsou možná, pokud musí být přepnuto na rezervní vysílač nebo rezervní anténu při rušení nebo při údržbových pracích. Za bouřek mohou přicházet v úvahu i delší výpadky.

Identifikace vysílače

Volací značka vysílače je přenášena třikrát v hodině v 19, 39 a 59 minutě každé hodiny tónovou modulací nosné 250 Hz znaky morseovy abecedy bez přerušení vysílání časových značek.

Časové signály

Nosná je modulována amplitudově sekundovými znaky. Na začátku každé sekundy (s vyjímkou 59. sekundy každé minuty) je amplituda nosné snížena na dobu 0,1 s nebo 0,2 s asi o 25%. Začátek snížení nosné je přesný začátek sekundy (dříve to byl okamžik dosažení 70% plné amplitudy). Nesnížení 59. sekundy oznamuje následující minutový znak. Sekundové znaky jsou fázově synchronní s nosnou. Přenosem je nejistota se kterou mohou být časové body sekundových znaků přijímány větší než u řízených atomových hodin. Příčinou toho je nepatrná šířka pásma vysílací antény, vlivy prostorových vln a možné interference. Přesto jsou při příjmu sekundových znaků ve vzdálenosti několika stovek kilometrů od vysílacího místa dosažitelné nejistoty přijímaných časových bodů nižší než 0,1 ms.

Časový kód

Během každé minuty jsou přenášena čísla minuty, hodiny, dne, dne v týdnu, měsíce a roku imupulsovou modulací sekundových znaků v kódu BCD. Tento telegram platí vždy pro následující minutu. Přitom odpovídají sekundové znaky o délce 0,1 s binární nule a o délce 0,2 s binární jedničce. Přiřazení jednotlivých sekundových znaků k přenášené časové informaci ukazuje kódovací schéma. Tři kontrolní bity P1, P2 a P3 doplňují vždy předcházející informační slova (7 bitů pro minutu, 6 bitů pro hodiny a 22 bitů pro datum, včetně čísla dnu v týdnu) právě na sudý počet jedniček (sudá parita).

	M	minutová značka (vždy 0b)
	R	anténa: 0b - normální anténa, 1b - náhradní anténa
	A1	oznámení změny z SEČ na SELČ nebo naopak, 1 h před změnou (0b nic, 1b změna)
	Z1, Z2	Časová zóna (rozdíl v hodinách oproti UTC, 00b = +0 h, 01b = +1 h = SEČ, 10b = +2 h = SELČ, 11b = +3 h)
	A2	oznámení přestupné sekundy 1 h před změnou (0b nic, 1b změna)
	S	startovací bit kódované časové informace (vždy 1b)
	P1-P3	kontolní bity (sudá parita)

Časové znaky Z1 a Z2 (č. 17 a 18) ukazují, na který časový systém se vztahuje vysílaná časová informace. Při vysílání SEČ jsou sekundové znaky Z1, Z2 = 01b, při vysílání SELČ jsou Z1, Z2 = 10b, ostaní kombinace 00b a 11b nejsou prozatím využívány.

Před přechodem z SEČ na SELČ, nebo naopak, se vysílá kromě toho vždy po celou jednu hodinu před změnou sekundový znak A1 (č. 16) = 1b. Toto prodloužení začíná při přechodu z SEČ na SELČ (z SELČ na SEČ) v 01:00:16 hodin SEČ (2:00:16 hodin SELČ) a končí v 01:59:16 hodin SEČ (02:59:16 hodin SELČ)

Sekundový znak A2 (č. 19) oznamuje vložení přestupné sekundy. Vysílá se rovněž po jednu hodinu před zavedením přestupné sekundy jako A2 = 1b. Přestupné sekundy se zavádí na světě ke stejnému časovému okamžiku do koordinované světové časové stupnice UTC, přednostně na konci poslední hodiny 31. prosince nebo 30. června. To znamená, že přestupné sekundy jsou v SRN vsunuty do zákonného času sekundu před 1 hodinou SEČ 1. ledna nebo před 2 hodinou SELČ 1. července. Při zavedení přestupné sekundy 1. ledna (1. července) začíná signalizace sekundovým znakem A2 v 00:00:19 hodin SEČ (01:00:19 hodin SELČ) a končí v 00:59:19 hodin SEČ (01:59:19 hodin SELČ).

Při zavedení přestupné sekundy trvá příslušná minuta 61 sekund, značka před 01:00:00 hodin SEČ (02:00:00 hodin SELČ) (59. sekundový znak) vysílána snížená po 0,1 sekundu (0b) a příslušný znak vložené 60. sekundy je vynechán (minutová značka).

Klíčování fáze DCF77 nosné pseudonáhodnou sekvencí

Dodatečně k amplitudované modulaci (AM) je nosná DCF77 klíčována od roku 1983 pseudonáhodným fázový šumem. Toho je dosaženo tak, že je fáze nosné klíčována fázovým zdvihem ±12% pesudonáhodnou binární sekvencí, přičemž střední hodnota fáze nosné zůstane nezměněna.

Pseudonáhodná sekvence je generována devítibitovým posuvným registrem jehož výstupy na 5-tém a 9-tém bitu jsou vedeny přes XOR hradlo na zpět na vstup posuvného registru. Pokaždé po uplynutí 0,2 s nové sekundy je spuštěn posuvný registr ze stavu nula. Registr se zastaví po uplynutí úplného cyklu, což je přibližně 7 ms před dalším sekundovým znakem. Regitr je taktován frekvencí 645,8333333 Hz což je 120-tá subharmonická nosné frekvence 77,5 kHz. Doba celého cyklu posuvného registru je necelých 793 ms. Každým cyklem šumu je přenesen 1 bit, přičemž invertované pseudonáhodné pořadí odpovídá datovému stavu log. 1. Fázovým šumem je přenášena, až na vynechaný 59. sekundový znak u AM (signalizující minutový znak), stejná binární informace jako u AM. Namísto vynechaného 59. sekundového znaku u AM se při kódování sekvencí inverzního klíčování (SIK) fáze nosné signalizuje minutová značka deseti invertovanými pseudonáhodnými sekvencemi v 0 až 9 sekundě nové minuty.

Na příjímací straně se dá použitá pseudonáhodná sekvence reprodukovat jako hledající signál křížově korelovaný s přijímaným fázovým šumem. Křížová korelace ve spojení s pseudonáhodným fázovým šumem dovoluje přesné určení pozice časové značky v přijímaném signálu. Díky použití pesudonáhodného fázového šumu není rušen příjem amplitudově modulovaných časových signálů a také nejsou ovlivněny vlastnosti DCF77 jako vysílače normálové frekvence. Zavedením kódování časové informace SIK fáze nosné je umožněn příjem časové informace tímto druhem provozu ve větších vzdálenostech od vysílače při horším poměru signál / šum a větší odolnost proti rušení, než tomu bylo při příjmu informace kódované poklesem amplitudy.

Telefonní časová služba PTB

Od roku 1995 poskytuje PTB telefonní časovou službu na tel. čísle +49 531 51 20 38. Pomocí této služby lze počítačem s telefonním modemem získat časovou informaci z atomových hodin v PTB přes veřejnou telefonní síť. Pro přenos časového protokolu je použito ASCII kódu, který používá většina modemů a počítačů. Přenášeny jsou následující informace: zákonný čas a datum včetně čísla dne v týdnu, týdnu v roce a dne v roce, koordinovaný světový čas UTC, datum přechodu ze středoevropského času SEČ na středoevropský letní čas SELČ a zpět, datum vložení přestupné sekundy, diferenci DUT1 (rozdíl mezi UT1 a UTC) a dále astronomický čas UT1.

Telefonní časová služba je schopna změřit dobu zpoždění šíření kódované časové informace telefonní linkou. Na straně přijímače je příchozí signál vysílán zpět vysílací straně. Za předpokladu že je linka reciproká může systém podělením změřeného času dvěmi korigovat vzniklé zpoždění přenášené časové informace. Dosažitelná vzniklá nepřesnost touto technikou je několik milisekund.

Komunikační parametry jsou následující: CCITT-V.22 modem, 1200 baud, 8-mi bitová ASCII data, jeden stop bit, žádná parita. Změna z CR (carriage return) na LF (line feed) indikuje začátek každé přenášené sekundy. Informace přenesená před touto časovou značkou (náběžná hrana start bitu LF) odpovídá následující sekundě.

Pro možnost korekce zpoždění vzniklého přenosem je přenos informace ukončen příkazem "//" (dvěma lomítky), příchozí časové značky CR-LF jsou echovány zpět a generátor časového kódu je nastaven příkazem "GDM" (do režimu měření zpoždění generátoru). V tomto režimu generátor časového kódu změří 8 krát zpoždění přenosového kanálu, spočítá průměr a standartní odchylku a upraví časovou značku o polovinu spočtené průměrné doby. Pokud je příkaz GDM úspěšně vykonán, změní se zobrazovaná časová značka z "*" na "#".

Synchronizace přes internet

Synchronizace času přes internet je možná pomocí protokolu NTP (Network Time Protocol). K dispozici jsou dva servery ptbtime1.ptb.de a ptbtime2.ptb.de poskytující čas UTC(PTB), který je k serverům vysílán z atomových hodin přes linky z optických vláken a pro kontrolu ještě z pomocného přijímače DCF77. Více o synchronizaci času naleznete v části Čas a PC.

Výhled do budoucnosti

Protože je vysílač DCF77 od konce roku 1995 jedinný svého druhu na evropském kontinentě (HBG Prangins, Švýcarsko - vypnut; OMA 50, Česká Republika - vypnuta koncem roku 1995) jsou si PTB a Spolková pošta Telekom vědomi odpovědnosti za rozsáhlou síť časoměrných zařízení (i mimo území SRN) závislých na jejich vysílání. Díky tomu že je dlouhovlnné vysílání technickou nenáročností přijímacího zařízení na straně uživatele jedním z nejvýhodnějších způsobů sdělování přesného času, podnikají obě instituce kroky k neustálému zlepšování technického vybavení stanice DCF77 a k zajištění její existence i do budoucnosti.

Fotogalerie DCF77

Velmi pěkné obrázky z návštěvy vysílače DCF77 pořídil a na internetu publikoval něměcký radioamatér DF4OR - Ekkehard (Ekki) Plicht. Obrázky včetně komentáře v angličtině naleznete zde.