DCF77 es una estación 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 añadió 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 Frankfurt am Main , Alemania . El transmisor genera una potencia nominal de 50 kW, de los cuales entre 30 y 35 kW pueden irradiarse a través de una antena T.
DCF77 está controlado por el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el laboratorio nacional de física de Alemania , y transmite en funcionamiento continuo (24 horas). Está operado por Media Broadcast GmbH (anteriormente una filial 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 % anual o menos de 26,28 horas de inactividad anual. La mayoría de las interrupciones del servicio son desconexiones de corta duración, de menos de dos minutos. Las interrupciones más duraderas del servicio de transmisión generalmente son causadas por fuertes vientos, lluvia helada o movimiento de la antena T inducido por la nieve. Esto se manifiesta en una desintonización eléctrica del circuito de resonancia de la antena y, por tanto, en una modulación de fase mensurable de la señal recibida. Cuando el desajuste es demasiado grande, el transmisor queda fuera de servicio temporalmente. [1] En el año 2002, se logró una disponibilidad de casi el 99,95%, o poco más de 4,38 horas de tiempo de inactividad. [2] La marca de tiempo enviada está en Hora Universal Coordinada (UTC)+1 o UTC +2 dependiendo del horario de verano . [3]
Los 77,5 kHz de alta precisión (3 868,289 7806 m de longitud de onda) se genera a partir de relojes atómicos locales que están conectados con los relojes maestros alemanes en el PTB de Braunschweig . La señal horaria DCF77 se utiliza para difundir al público la hora legal nacional alemana . [4]
Los radiorrelojes y relojes han sido muy populares en Europa desde finales de los años 1980 y, en Europa continental, la mayoría utiliza la señal DCF77 para ajustar la hora automáticamente. [5] [6] La emisión de radio de onda larga DCF77 ofrece penetración en los edificios y las transmisiones horarias pueden recibirse mediante pequeñas antenas de ferrita incorporadas en el caso de los cronometradores radiocontrolados de bajo coste sin la ayuda de antenas exteriores. [7] La precisión de las señales horarias con modulación de amplitud DCF77 es suficiente para el uso diario de relojes por parte de los consumidores, donde lo más importante es la precisión a largo plazo. Con el DCF77 se controlan por radio otros sistemas industriales de cronometraje en estaciones de ferrocarril, en el ámbito de las telecomunicaciones y la tecnología de la información, así como en estaciones de radio y televisión, así como relojes de cambio de tarifas de empresas de suministro de energía y relojes en instalaciones de semáforos. . [8]
La señal de la estación DCF77 transporta una señal de datos de 1 bit/s codificada en 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.
Desde 2003, se han utilizado catorce bits del código de tiempo no utilizados anteriormente para señales de emergencia de la defensa civil . Se trata de un servicio experimental, destinado a sustituir algún día la red alemana de sirenas de defensa 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 Asistencia en Casos de Desastre ( Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe , BBK), se pueden transmitir avisos a la población utilizando estos 14 bits. Como ampliación adicional del contenido informativo transmitido por DCF77, los radiorrelojes equipados adecuadamente pueden proporcionar una previsión meteorológica 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 patentado. [12] [13] Los mismos 14 bits se emplean de manera que garanticen la compatibilidad con los protocolos de transmisión de los mensajes de advertencia. Para decodificar los datos del pronóstico del tiempo 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 PTB y el operador del transmisor DCF77 Media Broadcast GmbH se renueva periódicamente. Tras las negociaciones de 2021, el PTB y Media Broadcast GmbH acordaron continuar la difusión de la hora legal nacional 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 en 2022 un segundo transmisor de alto rendimiento controlable a distancia. Luego, las instalaciones se duplicarán completamente in situ. En el pasado, el PTB expresó que iniciará nuevas negociaciones si se consideran necesarias actividades de modernización en la estación transmisora para mejorar la confiabilidad de la recepción de la señal en toda Europa. [15] [16]
El distintivo de llamada DCF77 significa D = Deutschland (Alemania), C = señal de onda larga, F = transmisores de onda larga en las instalaciones de la estación transmisora de Mainflingen (debido a su proximidad a Frankfurt am Main), 77 = frecuencia: 77,5 kHz.
Como la mayoría de los transmisores horarios de onda larga (similares a la señal horaria 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 por lo que el cruce por cero ascendente se produce en la segunda. Todos los cambios de modulación también ocurren en los cruces por cero ascendentes.
La señal DCF77 utiliza manipulación por desplazamiento de amplitud para transmitir información de tiempo codificada digitalmente reduciendo 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.
También existía una identificación de estación en código Morse hasta 2006, enviada durante los minutos 19, 39 y 59 de cada hora, sin embargo, se suspendió debido a que la estación es fácilmente identificable por la señal característica. [17] Se generó un tono de 250 Hz mediante onda cuadrada modulando la portadora entre 100% y 85% de potencia, y ese tono se usó para enviar una letra por segundo, entre las segundas marcas. Durante los segundos 20 a 32, el distintivo de llamada "DCF77" se transmitió dos veces.
Además, durante 793 ms a partir de 200 ms, cada bit de código de tiempo se transmite utilizando espectro ensanchado de secuencia directa . El bit se mezcla con una secuencia de chip pseudoaleatoria de 512 bits y se codifica en el portador mediante codificación por desplazamiento de fase de ±15,6° . [18] La secuencia del chip 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 de los ciclos 15500 a 76940 de 77500. Los últimos 560 ciclos (7,23 ms) de cada segundo no están modulados en fase. [19]
La secuencia del 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 completa del chip:
int sin firmar i , lfsr ; lfsr = 0 ; for ( i = 0 ; i < 512 ; i ++ ) { chip int sin signo ; chip = lfsr & 1 ; salida_chip ( chip ); lfsr >>= 1 ; si ( chip || ! lfsr ) lfsr ^= 0x110 ; } Cada bit de código de tiempo que se transmitirá tiene conexión exclusiva con la salida LFSR. La secuencia de 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 chip se transmite con un retraso 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 frecuencia disponible y da como resultado una distribución del 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 horaria 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 lograría, en principio, una incertidumbre de la transmisión temporal 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. (La hora GPS tiene una precisión de aproximadamente ± 10 a 30 nanosegundos [20] [21] y el Informe de rendimiento trimestral 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 por acumulando muestras durante los 12 meses anteriores y superando el objetivo de ≤ 30 ns [22] [23] [24] ).
La hora se representa en formato 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 las 00:00 del 1 de enero. [25]
Los primeros 20 segundos son banderas especiales. Los minutos están codificados 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 zonas horarias y la inserción de un segundo intercalar. Estas banderas se colocan durante la hora previa al evento. Esto incluye el último minuto antes del evento, durante el cual los otros bits del código de tiempo (incluidos los bits indicadores de zona horaria) codifican la hora 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. [25]
Aunque el código de tiempo sólo incluye dos dígitos del año, es posible deducir dos bits de siglo utilizando el día de la semana. Todavía existe 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 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 0 a 9 están modulados en fase como 1 bits y los bits 10 a 14 están modulados en fase como 0 bits. [29] Los avisos 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 se pueden recibir de forma fiable en gran parte de Europa, hasta a 2.000 km (1.243 millas) del transmisor en Mainflingen. Dentro de este rango, la intensidad 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 según el modelo de reflexión con una reflexión (un salto) en la capa D ionosférica . Por ejemplo, la recepción con relojes 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 nocturnas). Las estructuras metálicas o las interferencias provocadas por otros dispositivos electrónicos pueden provocar 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 (311 millas) del transmisor en Mainflingen, la intensidad de la señal esperada de la onda terrestre es ≥ 1 mV/m. [31]
Dependiendo de la propagación de la señal , las múltiples reflexiones (saltos) y las interferencias locales, la señal DCF77 a veces puede recibirse más lejos (ver propagación troposférica ). Esto se asocia con una disminución significativa de 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 sobre la capa D y la actividad solar. [32]
La señal de control no se transmite por cable desde el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Braunschweig a la estación de radio emisora 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 emisora, está protegida contra interferencias de alta frecuencia y se controla desde Braunschweig. Por motivos de fiabilidad operativa, la señal de control se genera mediante tres canales de control independientes, todos equipados con su propio reloj atómico de cesio . Además, en el lugar hay un reloj atómico de rubidio . Para evitar emisiones incorrectas, la salida de estos tres canales se compara en dos circuitos de conmutación electrónicos in situ. La salida para transmisión sólo se genera cuando al menos dos de los tres canales están de acuerdo. A través de la red telefónica pública se pueden consultar los datos operativos de la unidad de control con ayuda de un sistema de telecontrol. Además, en Braunschweig se comparan el tiempo de la fase de la portadora y los estados de las segundas marcas con los valores nominales especificados por los relojes maestros atómicos 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 patrón de frecuencia de alta precisión. [33] Si hay desviaciones, las correcciones necesarias se realizarán a través del sistema de telecontrol. [34]
La incertidumbre relativa de la frecuencia portadora transmitida por DCF77 es de 2 × 10 −12 en un período de 24 horas y de 2 × 10 −13 en 100 días, con una desviación de fase con respecto a 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 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 transmitida de 77,5 kHz de la señal DCF77, o dentro de ± 6,452 × 10 −6 s o ± 6,452 microsegundos. [19]
Debido al proceso de propagación, a los cambios de fase y/o 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. Como ocurre 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 millas ) de distancia 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 de instrumento se pueden corregir por retraso de tránsito.
Otras imprecisiones pueden deberse al tipo de onda que registra el receptor. Si se prevé una recepción de onda terrestre pura y el lugar 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 las ondas reflectantes y Capa de flexión de la ionosfera. Surgen problemas similares cuando las ondas terrestres y celestes se superponen. Este campo no es constante pero cambia en el transcurso del día entre aproximadamente 600 y 1100 km (373 a 684 millas ) desde la posición del transmisor. [31]
Los receptores DCF77 de grado instrumental corregido, que utilizan señales horarias de amplitud modulada con antenas adjuntas orientadas tangencialmente a la antena del transmisor en Mainflingern para garantizar la mejor recepción de señal horaria libre de interferencias posible en ubicaciones fijas, pueden lograr una incertidumbre de precisión práctica mejor que ± 2 milisegundos. . [37]
Además de la transmisión de señales temporales con modulación de amplitud, esta información también se transmite desde junio de 1983 a través del DCF77 mediante una modulación de fase de la onda portadora con una secuencia de ruido pseudoaleatoria de 512 bits de longitud. Usando 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 utilizar señales horarias moduladas en fase radica en el complejo hardware de recepción de calidad de instrumento 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 hizo en Braunschweig, ubicado a 273 km (170 millas ) del transmisor en Mainflingen. [19]
Los receptores DCF77 normales de bajo costo para el consumidor se basan únicamente en señales de tiempo 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 la comienzo de un segundo con una incertidumbre de precisión práctica de ± 0,1 segundo. Esto es suficiente para relojes y relojes de consumo de bajo costo controlados por radio 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 serán menos precisos a partir de ese momento hasta el siguiente. sincronización. [38] Algunos movimientos de cuarzo de consumo controlados por DCF77 promueven una hora exacta al sincronizar y corregir la hora automáticamente más de una vez a lo largo de un día. [39]
Los servidores de hora del protocolo de hora de red muestran el identificador refid .DCFa. (modulación de amplitud) o .DCFp. (modulación de fase) cuando se utiliza un receptor de tiempo estándar DCF77 como fuente de tiempo de referencia. [40]
