DCF77

DCF77 es una emisora de radio alemana de frecuencia estándar y señal horaria de onda larga. Entró en servicio como estación de frecuencia estándar el 1 de enero de 1959. En junio de 1973 se agregó información de fecha y hora. Su transmisor principal y de respaldo están ubicados en 50°0′56″N 9°00′39″E / 50.01556°N 9.01083°E / 50.01556; 9.01083 en Mainflingen, a unos 25 km al sureste de Fráncfort del Meno, Alemania. El transmisor genera una potencia nominal de 50 kW, de los cuales entre 30 y 35 kW se pueden radiar a través de una antena en T.

DCF77 está controlado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el laboratorio nacional de física de Alemania y transmite en funcionamiento continuo (24 horas). Es operado por Media Broadcast GmbH (anteriormente una subsidiaria de Deutsche Telekom AG), en nombre del PTB. Con Media Broadcast GmbH, se ha acordado una disponibilidad de transmisión temporal de al menos el 99,7 % por año o menos de 26,28 horas de tiempo de inactividad anual. La mayoría de las interrupciones del servicio son desconexiones a corto plazo de menos de dos minutos. Las interrupciones del servicio de transmisión más duraderas generalmente son causadas por fuertes vientos, lluvia helada o movimiento de la antena en T inducido por la nieve. Esto se manifiesta en la desafinación eléctrica del circuito de resonancia de la antena y, por lo tanto, en una modulación de fase medible de la señal recibida. Cuando el desajuste es demasiado grande, el transmisor se pone fuera de servicio temporalmente. En el año 2002, se logró una disponibilidad de casi el 99,95 %, o poco más de 4,38 horas de tiempo de inactividad. La marca de tiempo enviada está en hora universal coordinada (UTC)+1 o UTC+2 según el horario de verano.

La alta precisión de 77,5 kHz (3868 .2897806 m longitud de onda) la señal portadora se genera a partir de relojes atómicos locales que están vinculados con los relojes maestros alemanes en el PTB en Braunschweig. La señal horaria DCF77 se utiliza para la difusión de la hora legal nacional alemana al público.

Los radiorrelojes y relojes han sido muy populares en Europa desde finales de la década de 1980 y, en Europa continental, la mayoría de ellos utilizan la señal DCF77 para configurar la hora automáticamente. La emisión de radio de onda larga DCF77 ofrece penetración en edificios y las transmisiones de tiempo pueden ser recibidas por pequeñas antenas de ferrita incorporadas en el caso de cronometradores de bajo costo controlados por radio sin la ayuda de antenas exteriores. La precisión de las señales de tiempo moduladas en amplitud DCF77 es suficiente para el uso diario de relojes por parte de los consumidores, donde la precisión a largo plazo importa principalmente. Otros sistemas industriales de cronometraje en estaciones ferroviarias, en el campo de la tecnología de la información y las telecomunicaciones, y en estaciones de radio y televisión están controlados por radio mediante DCF77, así como los relojes de cambio de tarifas de las empresas de suministro de energía y los relojes en las instalaciones de semáforos..

Señal

Señal horaria

La señal de la estación DCF77 transporta una señal de datos de 1 bit/s codificada por ancho de pulso y modulada en amplitud. La misma señal de datos también se modula en fase en la portadora utilizando una secuencia pseudoaleatoria de 512 bits de longitud (modulación de espectro ensanchado de secuencia directa). La señal de datos transmitida se repite cada minuto.

• Fecha y hora actuales;
• Salto de segunda advertencia;
• Imminent change of CET to CEST, or viceversa, Announcement bit;
• Tiempo Central Europeo (CET) / Tiempo de Verano Centroeuropeo (CEST) bit;
• bit de identificación de operación de transmisor anormal;
• Varias partes de paridad.

Señal de emergencia de defensa civil experimental

Desde 2003, catorce bits del código de tiempo no utilizados anteriormente se han utilizado para señales de emergencia de defensa civil. Este es un servicio experimental, cuyo objetivo es reemplazar algún día la red alemana de sirenas de defensa civil.

Señal de protección civil y previsión meteorológica

Desde el 22 de noviembre de 2006, el transmisor DCF77 utiliza los bits 1 a 14 para transmitir mensajes de advertencia e información meteorológica. Bajo la responsabilidad de la Oficina Federal Alemana de Protección Civil y Asistencia en Casos de Desastre (el Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe alemán, BBK), se pueden transmitir advertencias a la población utilizando estos 14 bits. Como una extensión adicional del contenido de información transmitido por DCF77, los relojes de radio debidamente equipados pueden proporcionar un pronóstico del tiempo de cuatro días para 60 regiones diferentes de Europa. Los datos de pronóstico son proporcionados por y bajo la responsabilidad de la empresa suiza Meteo Time GmbH y se transfieren en un protocolo de transferencia propietario. Los mismos 14 bits se emplean de manera que se garantice la compatibilidad con los protocolos de transmisión de los mensajes de advertencia. Para decodificar los datos del pronóstico del tiempo se requiere una licencia. Dado que se utilizan los bits previamente reservados para el PTB, los relojes de radio más antiguos no deberían verse afectados por la señal de datos meteorológicos.

Futuro y distintivo de llamada

El contrato de distribución de señal entre el PTB y el operador del transmisor DCF77 Media Broadcast GmbH se renueva periódicamente. Después de negociaciones en 2021, PTB y Media Broadcast GmbH acordaron continuar con la difusión de la hora legal nacional alemana durante los próximos 10 años. Para mejorar la confiabilidad de la transmisión y también la facilidad de mantenimiento por parte del operador, Media Broadcast GmbH ha anunciado que construirá un segundo transmisor de alto rendimiento controlable a distancia en 2022. Luego, las instalaciones se duplicarán por completo en el sitio. En el pasado, el PTB expresó que iniciará nuevas negociaciones si se considera necesario realizar actividades de modernización en la estación transmisora para mejorar la confiabilidad de la recepción de la señal en toda Europa.

El distintivo de llamada DCF77 significa D = Deutschland (Alemania), C = señal de onda larga, F = los transmisores de onda larga en las instalaciones de la estación de transmisión Mainflingen (debido a su proximidad a Frankfurt am Principal), 77 = frecuencia: 77,5 kHz.

Detalles del código de tiempo

Como la mayoría de los transmisores de tiempo de onda larga (similares a la señal de tiempo TDF de 162 kHz y 800 kW que se transmite desde Francia), el DCF77 marca los segundos al reducir la potencia de la portadora durante un intervalo que comienza en el segundo. La duración de la reducción varía para transmitir un bit de código de tiempo por segundo, repitiéndose cada minuto. La portadora está sincronizada, por lo que el cruce por cero ascendente se produce en el segundo. Todos los cambios de modulación también ocurren en los cruces por cero ascendentes.

Modulación de amplitud

La señal DCF77 utiliza modulación por desplazamiento de amplitud para transmitir información de tiempo codificada digitalmente mediante la reducción de la amplitud de la portadora al 15 % de lo normal (−16½ dB) durante 0,1 o 0,2 segundos al principio de cada segundo. Una reducción de 0,1 segundos (7750 ciclos de la amplitud de la portadora de 77500 Hz) denota un 0 binario; una reducción de 0,2 segundos denota un 1 binario. Como caso especial, el último segundo de cada minuto está marcado sin reducción de potencia de la portadora.

También existió una identificación de estación en código Morse hasta 2006, que se enviaba durante los minutos 19, 39 y 59 de cada hora, sin embargo esto fue descontinuado ya que la estación es fácilmente identificable por la señal característica. Se generaba un tono de 250 Hz mediante onda cuadrada modulando la portadora entre el 100 % y el 85 % de potencia, y ese tono se usaba para enviar una letra por segundo, entre las marcas de segundo. Durante los segundos 20 a 32, el distintivo de llamada "DCF77" se transmitió dos veces.

Modulación de fase

Además, durante 793 ms a partir de los 200 ms, cada bit de código de tiempo se transmite mediante espectro ensanchado de secuencia directa. El bit se mezcla con una secuencia de chip pseudoaleatoria de 512 bits y se codifica en la portadora utilizando una modulación por desplazamiento de fase de ±15,6°. La secuencia de chips contiene cantidades iguales de cada fase, por lo que la fase promedio permanece sin cambios. Cada chip abarca 120 ciclos de la portadora, por lo que la duración exacta es ciclos 15500 a 76940 de 77500. Los últimos 560 ciclos (7,23 ms) de cada segundo no están modulados en fase.

La secuencia de chips se genera mediante un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) de 9 bits, se repite cada segundo y comienza con 00000100011000010011100101010110000….

Una implementación de software de un Galois LFSR puede generar la secuencia completa del chip:

 no firmado int i, lfsr; lfsr = 0; para ()i = 0; i . 512; i++) {} no firmado int chip; chip = lfsr " 1; output_chip()chip); lfsr > 1; si ()chip Silencio !lfsr) lfsr ^= 0x110; }

Cada bit de código de tiempo que se va a transmitir se relaciona con la salida LFSR. La secuencia chip final se utiliza para modular la fase del transmisor. Durante 0 chips la portadora se transmite con un avance de fase de +15,6°, mientras que durante 1 chips se transmite con un desfase de −15,6°.

En lugar del marcador de minutos especial utilizado en el código de amplitud, el bit 59 se transmite como un bit 0 normal y los primeros 10 bits (segundos 0–9) se transmiten como un 1 binario.

En comparación con la modulación de amplitud, la modulación de fase hace un mejor uso del espectro de frecuencia disponible y da como resultado una distribución de tiempo de baja frecuencia más precisa con menos sensibilidad a las interferencias. Sin embargo, muchos receptores DCF77 no utilizan la modulación de fase. La razón de esto es la disponibilidad mundial de las señales (referencia de tiempo preciso) transmitidas por los sistemas globales de navegación por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), GLONASS, Galileo y BeiDou. Debido a la estructura de la señal del GPS y al mayor ancho de banda disponible, la recepción del GPS, en principio, lograría una incertidumbre de la transmisión de tiempo menor en al menos un orden de magnitud que la incertidumbre que se puede lograr con el hardware receptor de modulación de fase DCF77. (La hora del GPS tiene una precisión de aproximadamente ± 10 a 30 nanosegundos y el informe de rendimiento trimestral de Galileo de abril, mayo y junio de 2021 del Centro de servicios GNSS europeo informó que la precisión del servicio de difusión de la hora UTC fue ≤ 4,3 ns, calculada mediante la acumulación de muestras durante los 12 anteriores meses y superando el objetivo de ≤ 30 ns).

Interpretación del código de tiempo

La hora se representa en decimal codificado en binario. Representa el tiempo civil, incluidos los ajustes del horario de verano. La hora transmitida es la hora del minuto siguiente; p.ej. durante el 31 de diciembre a las 23:59, la hora de transmisión codifica el 1 de enero a las 00:00.

Los primeros 20 segundos son banderas especiales. Los minutos se codifican en los segundos 21 a 28, las horas en los segundos 29 a 34 y la fecha en los segundos 36 a 58.

Dos banderas advierten de los cambios que se producirán al final de la hora actual: un cambio de zona horaria y una inserción de segundo bisiesto. Estas banderas se establecen durante la hora hasta el evento. Esto incluye el último minuto antes del evento, durante el cual los demás bits de código de tiempo (incluidos los bits indicadores de zona horaria) codifican el tiempo del primer minuto después del evento.

En el caso de que se agregue un segundo intercalar, se inserta un bit 0 durante el segundo 59 y el bit especial que falta se transmite durante el propio segundo intercalar, el segundo 60.

Aunque el código de tiempo solo incluye dos dígitos del año, es posible deducir dos bits del siglo utilizando el día de la semana. Todavía hay una ambigüedad de 400 años, ya que el calendario gregoriano repite semanas cada 400 años, pero esto es suficiente para determinar qué años que terminan en 00 son años bisiestos.

Los bits de zona horaria pueden considerarse una representación codificada en binario del desplazamiento UTC. El conjunto Z1 indica UTC+2, mientras que Z2 indica UTC+1.

La modulación de fase generalmente codifica los mismos datos que la modulación de amplitud, pero difiere para los bits 59 a 14, inclusive. El bit 59 (sin modulación de amplitud) está modulado en fase como un bit 0. Los bits del 0 al 9 se modulan en fase como bits 1 y los bits del 10 al 14 se modulan en fase como bits 0. Los avisos de protección civil y la información meteorológica no se incluyen en los datos modulados en fase.

Área de recepción

Con una potencia relativamente alta de 50 kW, las transmisiones DCF77 se pueden recibir de forma fiable en gran parte de Europa, hasta 2000 km (1243 mi) del transmisor en Mainflingen. Dentro de este rango, la intensidad de la señal de la señal DCF77 según lo especificado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) es ≥ 100 µV/m. Esta evaluación de la intensidad de la señal se realizó de acuerdo con el modelo de reflexión con una reflexión (un salto) en la capa D ionosférica. A modo de ejemplo, la recepción con relojes de grado de consumo, suponiendo que el reloj de radio empleado pueda gestionar la recepción con una intensidad de señal de ≈ 100 µV/m, es posible en Noruega (Bodø), Rusia (Moscú), Turquía (Estambul), Gibraltar y Portugal (durante horas de la noche). Las estructuras metálicas o las interferencias provocadas por otros dispositivos electrónicos pueden causar problemas de recepción dentro de este rango. A distancias más cortas, la intensidad de la señal DCF77 es mucho mayor. Por ejemplo, a menos de 500 km (311 mi) del transmisor en Mainflingen, la intensidad de la señal esperada de la onda de superficie es ≥ 1 mV/m.

Dependiendo de la propagación de la señal y los reflejos múltiples (saltos) y la interferencia local, la señal DCF77 a veces se puede recibir más lejos (ver propagación troposférica). Esto está asociado con una disminución significativa en la intensidad de la señal y depende de muchos factores, por ejemplo, el día y la estación, el ángulo de incidencia de la onda ionosférica en la capa D y la actividad solar.

Control

La señal de control no se transmite por cable desde el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig hasta la estación de radio transmisora en Mainflingen, sino que se genera en el lugar de emisión mediante una unidad de control desarrollada por el PTB. Esta unidad de control, que está alojada en una sala con aire acondicionado de la estación transmisora, está protegida contra interferencias de alta frecuencia y controlada desde Braunschweig. Por razones de confiabilidad operativa, la señal de control es generada por tres canales de control independientes, todos equipados con su propio reloj atómico de cesio. Además, un reloj atómico de rubidio está disponible en el sitio. Para evitar emisiones incorrectas, la salida de estos tres canales se compara en dos circuitos de interruptores electrónicos en el sitio. La salida para transmisión solo se genera cuando al menos dos de los tres canales están de acuerdo. A través de la red telefónica pública, los datos operativos de la unidad de control se pueden consultar con la ayuda de un sistema de telecontrol. Además, el tiempo de fase de la portadora y los estados de los segundos marcadores se comparan en Braunschweig con los puntos de ajuste especificados por los relojes maestros atómicos del PTB que proporcionan el UTC (PTB). De estos relojes atómicos, el reloj atómico CS2 en Braunschweig proporciona el estándar de tiempo legal nacional alemán y puede usarse como un estándar de frecuencia de alta precisión. En caso de existir desviaciones, se realizarán las correcciones necesarias a través del sistema de telecontrol.

Precisión

Transmisión

La incertidumbre relativa de la frecuencia portadora transmitida DCF77 es 2 × 10⁻¹² durante un período de 24 horas y 2 × 10⁻¹³ durante 100 días, con una desviación en fase con respecto a UTC que nunca supera los 5,5 ± 0,3 microsegundos. Los cuatro relojes atómicos primarios alemanes de cesio (fuente) (CS1, CS2, CSF1 y CSF2) que utiliza el PTB en Braunschweig garantizan una desviación del reloj significativamente menor a largo plazo que los relojes atómicos utilizados en la instalación DCF77 en Mainflingen. Con la ayuda de correcciones externas de Braunschweig, se espera que la unidad de control de DCF77 en Mainflingen no gane ni pierda un segundo en aproximadamente 300.000 años.

En teoría, un reloj externo controlado por DCF77 debería poder sincronizarse dentro de la mitad del período de la frecuencia portadora de 77,5 kHz transmitida de la señal DCF77, o dentro de ± 6,452 × 10⁻⁶ s o ± 6,452 microsegundos.

Recepción

Debido al proceso de propagación, la fase y/o los cambios de frecuencia observados en las señales recibidas, la precisión práctica que se puede obtener es menor que la obtenida originalmente con los relojes atómicos en el lugar de transmisión. Al igual que con cualquier transmisor de radio de señal horaria, el establecimiento preciso de la hora se ve afectado por la distancia al transmisor, ya que la señal horaria se propaga a un receptor de señal horaria a la velocidad de la luz. Para un receptor DCF77 ubicado a 1000 km (621 mi) del transmisor DCF77, debido al retraso en el tránsito, el receptor se configurará con más de 3 milisegundos de retraso. Una desviación tan pequeña rara vez será de interés y, si se desea, los receptores de tiempo de grado del instrumento pueden corregirse por retraso de tránsito.

El tipo de onda que registra el receptor puede causar otras imprecisiones. Si se prevé una recepción de ondas terrestres puras y la ubicación de la recepción es permanente, se puede incluir una constante en el cálculo, mientras que en el caso de ondas espaciales puras, el receptor no puede compensar las fluctuaciones, ya que éstas son el resultado del cambio de altitud de los reflectores y capa de flexión de la ionosfera. Surgen problemas similares cuando se superponen las ondas terrestres y ionosféricas. Este campo no es constante pero cambia en el curso del día entre aproximadamente 600 a 1100 km (373 a 684 mi) desde la posición del transmisor.

Los receptores DCF77 de grado de instrumento corregido, que utilizan señales de tiempo moduladas en amplitud con antenas complementarias orientadas tangencialmente a la antena del transmisor en Mainflingern para garantizar la mejor recepción de señal de tiempo sin interferencias posible en ubicaciones fijas, pueden lograr una práctica incertidumbre de precisión mejor que ± 2 milisegundos.

Además de la transmisión de la señal de tiempo modulada en amplitud, esta información también se transmite desde junio de 1983 por DCF77 a través de una modulación de fase de la onda portadora con una secuencia de ruido pseudoaleatoria de 512 bits de longitud. Usando la correlación cruzada, la señal reproducida en el extremo receptor se puede usar para determinar el comienzo de los segundos marcadores con mucha más precisión. El inconveniente de usar señales de tiempo moduladas en fase radica en el complejo hardware de recepción de grado de instrumento requerido para usar este método de recepción de señal de tiempo. Con este método, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) midió desviaciones estándar de ± 2 a 22 microsegundos entre UTC (PTB) y UTC (DCF77), según la hora del día y la estación. Esto se hizo en Braunschweig, ubicado a 273 km (170 mi) del transmisor en Mainflingen.

Los receptores DCF77 normales de bajo costo para el consumidor dependen únicamente de las señales de tiempo moduladas en amplitud y usan receptores de banda estrecha (con un ancho de banda de 10 Hz) con pequeñas antenas de bucle de ferrita y circuitos con un retraso de procesamiento de señal digital no óptimo y, por lo tanto, solo se puede esperar para determinar el comienzo de un segundo con una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundo. Esto es suficiente para relojes controlados por radio de bajo costo para el consumidor y relojes que usan relojes de cuarzo de calidad estándar para el cronometraje entre los intentos de sincronización DCF77 diarios, ya que serán más precisos inmediatamente después de una sincronización exitosa y serán menos precisos a partir de ese momento hasta el siguiente. sincronización. Algunos movimientos de cuarzo de grado de consumidor controlados por DCF77 promueven el cronometraje preciso al sincronizar y corregir su tiempo automáticamente más de una vez repartidas en un día.

Uso del reloj de referencia del protocolo de tiempo de red

Los servidores de tiempo del protocolo de tiempo de red muestran el identificador refid .DCFa. (modulación de amplitud) o .DCFp. (modulación de fase) cuando se utiliza un receptor de tiempo DCF77 estándar como la fuente de tiempo de referencia.