DCF77 es una estación de radio de frecuencia estándar y señal horaria de onda larga alemana . Comenzó a prestar servicio como estación de frecuencia estándar el 1 de enero de 1959. En junio de 1973 se añadió información sobre fecha y hora. Su transmisor principal y de respaldo están ubicados en 50°0′56″N 9°00′39″E / 50.01556, -9.01083 en Mainflingen , a unos 25 km (20 mi) al sureste de Frankfurt am Main , Alemania . El transmisor genera una potencia nominal de 50 kW, de los cuales entre 30 y 35 kW pueden radiarse a través de una antena en T.
El DCF77 está controlado por el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el laboratorio nacional de física de Alemania , y transmite en funcionamiento continuo (24 horas). Su funcionamiento corre a cargo de Media Broadcast GmbH (anteriormente una filial de Deutsche Telekom AG ), en nombre del PTB. Con Media Broadcast GmbH se ha acordado una disponibilidad temporal de transmisión de al menos el 99,7 % anual o menos de 26,28 horas de inactividad anual. La mayoría de las interrupciones del servicio son desconexiones breves de menos de dos minutos. Las interrupciones más prolongadas del servicio de transmisión suelen estar provocadas por fuertes vientos, lluvia helada o movimiento de la antena en T inducido por la nieve. Esto se manifiesta en una desintonización 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. [1] En el año 2002, se alcanzó una disponibilidad de casi el 99,95%, o un poco más de 4,38 horas de tiempo de inactividad. [2] La marca de tiempo enviada está en Tiempo Universal Coordinado (UTC)+1 o UTC +2 dependiendo del horario de verano . [3]
El sensor de 77,5 kHz de gran precisión (La señal portadora (longitud de onda de 3 868,289 7806 m ) se genera a partir de relojes atómicos locales conectados con los relojes maestros alemanes del PTB en Braunschweig . La señal horaria DCF77 se utiliza para la difusión de la hora legal nacional alemana al público. [4]
Los relojes de pared y de pared con radio han sido muy populares en Europa desde finales de los años 80 y, en Europa continental, la mayoría de ellos utilizan la señal DCF77 para ajustar la hora automáticamente. [5] [6] La emisión de radio de onda larga DCF77 permite la penetración en los edificios y las transmisiones horarias pueden ser recibidas por pequeñas antenas de ferrita incorporadas en el caso de los relojes de pared de bajo coste controlados por radio sin la ayuda de antenas exteriores. [7] La precisión de las señales horarias moduladas en amplitud DCF77 es suficiente para el uso diario de relojes de pared y de pared por parte de los consumidores, donde lo que importa principalmente es la precisión a largo plazo. Otros sistemas de cronometraje industriales en estaciones de ferrocarril, en el campo de las telecomunicaciones y la tecnología de la información y en estaciones de radio y televisión están controlados por radio con DCF77, así como los relojes de cambio de tarifa de las compañías de suministro de energía y los relojes en las instalaciones de semáforos. [8]
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La señal de la estación DCF77 transporta una señal de datos de 1 bit/s con codificación por ancho de pulso y modulación de amplitud. La misma señal de datos también se modula en fase sobre la portadora utilizando una secuencia pseudoaleatoria de 512 bits de longitud ( modulación de espectro ensanchado por secuencia directa ). La señal de datos transmitida se repite cada minuto.
Desde 2003, catorce bits del código de tiempo que no se utilizaban anteriormente se utilizan para las señales de emergencia de protección civil . Se trata de un servicio experimental cuyo objetivo es sustituir algún día a la red alemana de sirenas de protección civil .
Desde el 22 de noviembre de 2006, el transmisor DCF77 utiliza los bits 1 a 14 para transmitir mensajes de advertencia e información meteorológica. [10] [11] Bajo la responsabilidad de la Oficina Federal Alemana de Protección Civil y Ayuda en Desastres ( Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe , 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 equipados adecuadamente pueden proporcionar un pronóstico meteorológico de cuatro días para 60 regiones diferentes en 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. [12] [13] Los mismos 14 bits se utilizan de una manera que garantiza la compatibilidad con los protocolos de transmisión de los mensajes de advertencia. Para decodificar los datos de pronóstico meteorológico se requiere una licencia. [11] [14] 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.
El contrato de distribución de señales entre el PTB y el operador del transmisor DCF77 Media Broadcast GmbH se renueva periódicamente. Tras las negociaciones celebradas en 2021, el PTB y Media Broadcast GmbH acordaron continuar con la difusión de la hora oficial alemana durante los próximos 10 años. Para mejorar la fiabilidad 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 y control remoto en 2022. Las instalaciones se duplicarán completamente in situ. En el pasado, el PTB manifestó que iniciará nuevas negociaciones si se consideran necesarias actividades de modernización en la estación transmisora para mejorar la fiabilidad de la recepción de la señal en toda Europa. [15] [16]
El indicativo de llamada DCF77 significa D = Deutschland (Alemania), C = señal de onda larga, F = Frankfurt am Main como unidad regional general, 77 = frecuencia: 77,5 kHz.
Al igual que la mayoría de los transmisores de tiempo de onda larga (similares a la señal de tiempo TDF de 162 kHz y 800 kW transmitida desde Francia), el DCF77 marca los segundos reduciendo 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 de modo que el cruce por cero ascendente se produce en el segundo. Todos los cambios de modulación también se producen en los cruces por cero ascendentes.
La señal DCF77 utiliza modulación por desplazamiento de amplitud para transmitir información de tiempo codificada digitalmente al reducir la amplitud de la portadora al 15 % de lo normal (−16½ dB ) durante 0,1 o 0,2 segundos al comienzo 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.
Hasta 2006 también existía un código Morse para identificar la estación, que se enviaba durante los minutos 19, 39 y 59 de cada hora, pero se dejó de utilizar porque la estación es fácilmente identificable por la señal característica. [17] Se generaba un tono de 250 Hz modulando la portadora con una onda cuadrada entre el 100% y el 85% de potencia, y ese tono se utilizaba para enviar una letra por segundo, entre las marcas de segundo. Durante los segundos 20 a 32, se transmitía dos veces el indicativo de llamada "DCF77".
Además, durante 793 ms a partir de los 200 ms, cada bit del código de tiempo se transmite utilizando un espectro ensanchado de secuencia directa . El bit se mezcla con una secuencia de chips pseudoaleatoria de 512 bits y se codifica en la portadora utilizando una modulación por desplazamiento de fase de ±15,6° . [18] La secuencia de chips contiene cantidades iguales de cada fase, por lo que la fase promedio permanece inalterada. Cada chip abarca 120 ciclos de la portadora, por lo que la duración exacta es de los ciclos 15500 a 76940 de 77500. Los últimos 560 ciclos (7,23 ms) de cada segundo no están modulados por fase. [19]
La secuencia de chip 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 de chip completa:
entero sin signo i , lfsr ; lfsr = 0 ; para ( i = 0 ; i < 512 ; i ++ ) { entero sin signo chip ; chip = lfsr & 1 ; salida_chip ( chip ); lfsr >>= 1 ; si ( chip || ! lfsr ) lfsr ^= 0x110 ; } Cada bit del código de tiempo que se va a transmitir se vincula en exclusiva con la salida LFSR. La secuencia de chips final se utiliza para modular la fase del transmisor. Durante los chips 0, la portadora se transmite con un avance de fase de +15,6°, mientras que durante los chips 1 se transmite con un desfase de fase 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 ordinario y los primeros 10 bits (segundos 0 a 9) se transmiten como 1 binario.
En comparación con la modulación de amplitud, la modulación de fase hace un mejor uso del espectro de frecuencias disponible y da como resultado una distribución temporal de frecuencias bajas más precisa con menos sensibilidad a las interferencias. Sin embargo, la modulación de fase no es utilizada por muchos receptores DCF77. La razón de esto es la disponibilidad mundial de las señales (de referencia temporal precisa) transmitidas por sistemas globales de navegación por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), GLONASS , Galileo y BeiDou . Debido a la estructura de la señal GPS y al mayor ancho de banda disponible, la recepción GPS, en principio, lograría una incertidumbre de la transmisión del tiempo que es menor en al menos un orden de magnitud que la incertidumbre que se puede lograr con el hardware de recepción de modulación de fase DCF77 (el tiempo GPS es preciso a aproximadamente ± 10 a 30 nanosegundos [20] [21] y el Informe de rendimiento trimestral de abril, mayo y junio de 2021 de Galileo del Centro de servicio GNSS europeo informó que la precisión del servicio de difusión de tiempo UTC fue ≤ 4,3 ns, calculada mediante la acumulación de muestras durante los 12 meses anteriores y superando el objetivo de ≤ 30 ns [22] [23] [24] ).
La hora se representa en decimal codificado en binario . Representa la hora civil, incluidos los ajustes del horario de verano. La hora transmitida es la hora del minuto siguiente ; por ejemplo, durante el 31 de diciembre a las 23:59, la hora transmitida codifica el 1 de enero a las 00:00. [25]
Los primeros 20 segundos son indicadores 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 indicadores advierten de los cambios que se producirán al final de la hora actual: un cambio de zona horaria y la inserción de un segundo intercalar. Estos indicadores se establecen durante la hora anterior al evento. Esto incluye el último minuto antes del evento, durante el cual los demás bits del código de tiempo (incluidos los bits indicadores de zona horaria) codifican la hora del primer minuto después del evento.
En caso de que se añada un segundo intercalar, se inserta un bit 0 durante el segundo 59 y el bit especial faltante se transmite durante el segundo intercalar mismo, el segundo 60. [25]
Aunque el código de tiempo sólo 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. [28]
Los bits de zona horaria pueden considerarse una representación codificada en binario de la diferencia horaria 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) se modula en fase como un bit 0. Los bits 0 a 9 se modulan en fase como bits 1, y los bits 10 a 14 se modulan en fase como bits 0. [29] Las advertencias de protección civil y la información meteorológica no se incluyen en los datos modulados en fase.
Con una potencia relativamente alta de 50 kW , las transmisiones DCF77 pueden recibirse de manera confiable en grandes partes de Europa, hasta 2000 km (1200 mi) del transmisor en Mainflingen. Dentro de este rango, la intensidad de la señal DCF77 según lo especificado por el 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 . Como ejemplo, la recepción con relojes de grado de consumidor, asumiendo que el reloj de radio empleado puede 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 las horas nocturnas). Las estructuras metálicas o la interferencia causada por otros dispositivos electrónicos pueden causar problemas de recepción dentro de este rango. [30] A distancias más cortas, la intensidad de la señal DCF77 es mucho mayor. Por ejemplo, a menos de 500 km (300 mi) del transmisor en Mainflingen, la intensidad de señal esperada de la onda terrestre es ≥ 1 mV/m. [31]
Dependiendo de la propagación de la señal y de las múltiples reflexiones (saltos) y de la interferencia local, la señal DCF77 a veces puede recibirse a mayor distancia (véase propagación troposférica ). Esto está asociado con una disminución significativa de la intensidad de la señal y depende de muchos factores, por ejemplo, la hora del día y la estación, el ángulo de incidencia de la onda ionosférica en la capa D y la actividad solar. [32]
La señal de control no se transmite por cable desde el Instituto Federal de Física y Tecnología (PTB) de Braunschweig hasta la estación de radiotransmisión de Mainflingen, sino que se genera en el lugar de emisión mediante una unidad de control desarrollada por el PTB. Esta unidad de control, que se encuentra en una sala climatizada de la estación de transmisión, está protegida contra interferencias de alta frecuencia y se controla desde Braunschweig. Por razones de seguridad operativa, la señal de control se genera mediante tres canales de control independientes, todos ellos equipados con su propio reloj atómico de cesio . Además, se dispone de un reloj atómico de rubidio en el lugar. Para evitar emisiones incorrectas, la salida de estos tres canales se compara en dos circuitos de conmutación electrónicos en el lugar. La salida para la transmisión solo se genera cuando al menos dos de los tres canales coinciden. A través de la red telefónica pública, se pueden consultar los datos operativos de la unidad de control con la ayuda de un sistema de telecontrol. Además, en Braunschweig se comparan el tiempo de fase de la portadora y los estados de los segundos marcadores con los puntos de ajuste especificados por los relojes atómicos maestros del PTB que proporcionan el UTC (PTB). De estos relojes atómicos, el reloj atómico CS2 de Braunschweig proporciona el estándar de tiempo legal nacional alemán y puede utilizarse como un estándar de frecuencia de alta precisión. [33] Si hay desviaciones, se realizarán las correcciones necesarias a través del sistema de telecontrol. [34]
La incertidumbre relativa de la frecuencia portadora transmitida por el DCF77 es de 2 × 10 −12 durante un período de 24 horas y de 2 × 10 −13 durante 100 días, con una desviación de fase con respecto al UTC que nunca supera los 5,5 ± 0,3 microsegundos . [35] 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 a largo plazo significativamente menor que los relojes atómicos utilizados en la instalación del DCF77 en Mainflingen. [36] Con la ayuda de correcciones externas de Braunschweig, se espera que la unidad de control del 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. [19]
Debido al proceso de propagación, los cambios de fase y/o frecuencia observados en las señales recibidas hacen que la precisión que se puede obtener en la práctica sea menor que la que se logró originalmente con los relojes atómicos en el lugar de transmisión. Como sucede con cualquier transmisor de radio de señales horarias, 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 señales horarias a la velocidad de la luz . En el caso de un receptor DCF77 ubicado a 1000 km (600 mi ) de distancia del transmisor DCF77, debido al retraso de tránsito, el receptor se ajustará 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 instrumental se pueden corregir para el retraso de tránsito.
El tipo de onda que registra el receptor puede provocar otras imprecisiones. Si se prevé la recepción de ondas terrestres puras y la ubicación de 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 de la altitud cambiante de la capa reflectante y de flexión de la ionosfera. Surgen problemas similares cuando las ondas terrestres y las ondas ionosféricas se superponen. Este campo no es constante, sino que cambia en el transcurso del día entre aproximadamente 600 y 1.100 km (400 a 700 mi ) desde la posición del transmisor. [31]
Los receptores DCF77 de grado instrumental corregido, que utilizan señales de tiempo moduladas en amplitud con antenas acompañantes orientadas tangencialmente a la antena del transmisor en Mainflingern para asegurar la mejor recepción posible de señales de tiempo sin interferencias en ubicaciones fijas, pueden lograr una incertidumbre de precisión práctica mejor que ± 2 milisegundos. [37]
Además de la transmisión de la señal horaria modulada en amplitud, esta información también se transmite desde junio de 1983 mediante DCF77 a través de una modulación de fase de la onda portadora con una secuencia de ruido pseudoaleatorio de 512 bits de longitud. Mediante la correlación cruzada, la señal reproducida en el extremo receptor se puede utilizar para determinar el comienzo de los marcadores de segundo con mucha más precisión. El inconveniente de utilizar señales horarias moduladas en fase reside en el complejo hardware de recepción de grado instrumental necesario para utilizar este método de recepción de señales horarias. Utilizando este método, el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) midió desviaciones estándar de ± 2 a 22 microsegundos entre UTC (PTB) y UTC (DCF77), dependiendo de la hora del día y la estación. Esto se realizó en Braunschweig, ubicada a 273 km (170 mi ) del transmisor en Mainflingen. [19]
Los receptores DCF77 de bajo coste para consumidores normales dependen únicamente de las señales horarias moduladas en amplitud y utilizan receptores de banda estrecha (con un ancho de banda de 10 Hz) con pequeñas antenas de ferrita y circuitos con un retardo de procesamiento de señal digital no óptimo y, por lo tanto, solo se puede esperar que determinen el comienzo de un segundo con una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundos. Esto es suficiente para los relojes de bajo coste para consumidores controlados por radio y los relojes que utilizan relojes de cuarzo de calidad estándar para el cronometraje entre los intentos diarios de sincronización DCF77, ya que serán más precisos inmediatamente después de una sincronización exitosa y se volverán menos precisos a partir de ese momento hasta la siguiente sincronización. [38] Algunos movimientos de cuarzo para consumidores controlados por DCF77 promueven el cronometraje preciso sincronizando y corrigiendo su hora automáticamente más de una vez a lo largo del día. [39]
Los servidores de tiempo del Protocolo de Tiempo de Red muestran el ID de referencia (REFID) .DCFa. (modulación de amplitud) o .DCFp. (modulación de fase) cuando se utiliza un receptor de tiempo DCF77 estándar como fuente de tiempo de referencia. [40]
