Czas na Fali (radiowej)

Do dzisiejszego wpisu podchodziłem wiele razy, z braku czasu co rusz odkładałem go na później. Przepychałem do coraz to głębszych podfolderów, których nazwy pokroju prawie_gotowe_do_publikacji nie oddawały rzeczywistych postępów nad wpisem. Gdy już ostatecznie zabrałem się za dokończenie tekstu, to okazało się, że na dysku mam już dwie różne wersje tekstu. Oczywiście wyciągnąłem z tego kilka wniosków i od teraz zamierzam tworzyć wpisy na blogu według starych zasad szkoły arabskiej, czyli wszystko za jednym zamachem;) A co ważniejsze, w końcu trzeba się zabrać za porządkowanie danych na dysku. Wiosenne porządki odłożę na później, najwyższy czas przejść do konkretów.

A dzisiaj właśnie będzie o czasie, w którym notabene jest coś fascynującego i tajemniczego. Przecież godziny, minuty, to tylko wymysły ludzi na potrzeby cywilizacji. Czym jest czas i czy naprawdę istnieje? Tego niestety nie wiem, to co jest (raczej) pewne to to, że czas jest pochodną związków pomiędzy zdarzeniami we wszechświecie. I to właśnie dzięki odstępom pomiędzy zdarzeniami możemy z mniejszą bądź większą dokładnością mierzyć czas.

Najdokładniejszymi zegarami są zegary atomowe, obecnie margines ich błędu wynosi jedną sekundę na 138 milionów lat. W tym miejscu warto odnotować, że pierwszy zegar atomowy, który został zbudowany w 1949 roku, był mniej dokładny, niż dzisiejsze zegarki kwarcowe. Na co dzień nie potrzebujemy aż takiej dokładności, a zbudowanie zegara atomowego w domowych warunkach raczej nie jest możliwe. I tu właśnie z pomocą przychodzi wzorzec czasu nadawany drogą radiową, dzięki któremu zbudujemy namiastkę zegara atomowego za mniej, niż równowartość butelki dobrego piwa!

DCF 77- czyli atomowe radyjko

Z niemieckiej miejscowości Mainflngen, w paśmie fal ultradługich na częstotliwości 77,5 KhZ nadawany jest wzorzec czasu. Moc głównego nadajnika, która wynosi 50 kW, w zupełności wystarcza, aby sygnał rozciągał się w promieniu do 2500 km. Aby zapobiec ewentualnym awariom, antenę główną wspierają dwie anteny rezerwowe. Cały system składa się z trzech anten, dwóch atomowych zegarów cezowych wspieranych przez jeden zegar rubidowy. Musimy pogodzić się z tym, że ten cezowy zegar atomowy może pochwalić się "tylko" dokładnością 1 sekundy na 1 milion lat pracy. Sygnał zawierający kompletną informację o aktualnej dacie i czasie nadawany jest drogą radiową, więc aby odebrać sygnał w pierwszej kolejności, musimy zaopatrzyć się w odbiornik radiowy zestrojony na częstotliwości 77,5 KHz. A dopiero później zajmiemy się dekodowaniem otrzymywanego sygnału o zawrotnej prędkości 59 bitów na minutę.

Jeżeli chodzi o odbiornik to możemy kupić gotowy moduł atomowego radyjka, za ok 60 zł. Albo wykorzystując dosłownie kilka elementów elektronicznych zlutować własny odbiornik. Dla ambitnych- elementy potrzebne do zbudowania odbiornika:

• pręt ferrytowy (fi ~7mm, długość ok 55mm)
• drut emaliowany o średnicy ok 0.12 mm
• wyspecjalizowany Układ U4221B
• rezonator kwarcowy 77.5 kHz

Pierwszym i najtrudniejszym etapem jest przygotowanie anteny. Na ferrytowy pręt należy nawinąć 2x40 zwojów z papierową przekładką pomiędzy warstwami. Zamiennie można nawinąć 90 zwoi z drutu 0.10 mm. A najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie anteny ze starego odbiornika AM Nie licząc anteny, cały układ liczy dosłownie 4 elementy.

Najdroższym elementem jest układ U4221B, za który należy zapłacić ok 9 zł. Kwarc 77.5 kHz to wydatek rzędu 1‑2 zł, pozostałe elementy to dosłownie groszowa sprawa.

Z uwagi na to, że U4221B jest w wersji SMD, z montażem muszę się chwilowo wstrzymać, czekam na płytki drukowane, a że mam otrzymać je za darmo, więc nie ponaglam tej sprawy:)

Pierwszy kontakt z zegarami DCF77 miałem w nieistniejącej już firmie NordElektronik w okolicach 1999, w tamtych czasach samonastawiający się zegar mógł robić wrażenie, dzisiaj już nie bardzo.

Od strony elektronicznej, jest to po prostu zwykły odbiornik radiowy ustawiony na konkretną częstotliwość. Jeżeli podłączylibyśmy głośnik do tego odbiornika, to usłyszelibyśmy coś, co przypominałoby kod morsa. A skoro tak, to trzeba określić, czym będzie zero logiczne, a czym będzie jedynka logiczna. I co najważniejsze, jak otrzymane informacje przekształcić i zaprezentować na urządzeniu końcowym.

Dekodowanie sygnału DCF77

Transmisja poszczególnych bitów trwa dokładnie jedną sekundę. Zero logiczne jest impulsem o czasie trwania 0,1s, natomiast jedynka logiczna jest impulsem o czasie trwania 0,2s.

Aby zapobiec przekłamaniom i błędom w transmisji do zakodowanego sygnału zostały dodane trzy bity parzystości (28,35,58), które mają za zadanie wyłapanie nieprawidłowości w odbieranym sygnale. Jeżeli wszystko działa prawidłowo, otrzymamy 58 bitów informacji, które rozkodujemy wykorzystując poniższe dane:

Dekodowanie rozpoczynamy od bitu 0, który łatwo wychwycić dzięki bitowi synchronizującemu 59. Jest to jedyny bit, w którym nie jest nadawany impuls. Transmisja części danych odbywa się w kodzie BCD. Polega on na zakodowaniu liczb dziesiętnych na system dwójkowy, przy wykorzystaniu czterech bitów. Bity zapisywane są od najmniej znaczącego do najbardziej znaczącego bitu. Dla przykładu weźmy godzinę 11:00 (bity 29‑34). Według rozpiski powyżej najpierw podajemy jednostki godziny (bity 29‑32)- 000,a następnie dziesiątki godzin 0010. Kolejny w kolejności bit oznacza parzystość tej ramki. Gdy wartość tego bitu wynosi 0, oznacza to, że liczba jedynek w ramce jest parzysta, wartość 1, gdy jest nieparzysta.

Obecnie dekodowanie sygnału DCF77 można traktować jedynie jako ciekawostkę. Istnieje wiele tańszych i prostszych do zastosowania rozwiązań, chociażby opisany ostatnio na łamach bloga zegar RTC za 2$. Nawet zastosowanie odbiornika GPS jako wzorca czasu wydaje się rozsądniejsze, niż budowanie odbiornika radiowego DCF77. Tym bardziej, że jest on bardzo wrażliwy na zakłócenia pochodzące z innych urządzeń i zapewnienie dobrych warunków odbioru sygnału nie zawsze jest możliwe.