Dziś krótki wpis na temat DCF77, którym się ostatnio zainteresowałem. Czasem można spotkać się z określeniem „system DCF77”, ale w rzeczywistości mamy do czynienia z sygnałem radiowym, który pełni rolę wzorca czasu. Jeśli więc nie słyszałeś wcześniej o sygnale/systemie DCF77 to zachęcam Cię do lektury tego wpisu – może zainspiruje Cię do stworzenia jakiegoś projektu opartego właśnie o ten system?
System, a może sygnał DCF77?
W sumie trudno mi jednoznacznie określić czy słowo „system” jest w tym przypadku w 100% trafne. Choć chyba można to również w ten sposób interpretować. Myślę jednak, że nie jest to w tej chwili aż tak istotne. Na pewno określenie „sygnał DCF77” jest w tym przypadku jak najbardziej właściwe. W końcu chodzi o sygnał radiowy nadawany w paśmie LF (ang. Low Frequency), czyli na falach długich.
Czym właściwie jest DCF77?
DCF77 jest sygnałem radiowym pełniącym rolę wzorca czasu. Właściwie skrót ten można odnieść również do pokaźnego centrum nadawczego położonego w niemieckiej miejscowości Mainflingen (okolice Frankfurtu nad Menem). Mieszczą się tam sporych rozmiarów instalacje antenowe, a moc samego nadajnika również jest… pokaźna. Stacja nadaje mocą 50 kW (50 000 W). Dzięki temu sygnał można odebrać w promieniu 2000 km (teoretycznie obszar ponad 12 mln km²). To stwarza naprawdę ogromne możliwości. Nie bez powodu odbiorniki DCF77 można znaleźć w niektórych zegarkach na rękę czy budzikach. Synchronizacja czasu drogą radiową odbywa się bez naszego udziału. Zegarek stoi na półce, albo jest zapięty na ręce, a my musimy co najwyżej pamiętać o wymianie baterii. Słowem „czas nastawia się sam”, a my możemy być zawsze punktualni. I to nie byle jak! Całe rozwiązanie oparte jest o atomowy wzorzec czasu (cezowy zegar atomowy), który teoretycznie pozwala na zachowanie bardzo wysokiej dokładności – błąd wynoszący 1 sekundę w ciągu 1 miliona lat. To chyba wystarczy żeby się nie spóźnić na ważne spotkanie, nieprawdaż? No, chyba, że nie będzie nam się chciało wstać z łóżka. Tu DCF77 pozostaje bezradny 🙂
Na fali DCF77, czyli kilka słów o propagacji fal długich
Mam nadzieję, że – o ile wcześniej nie wiedziałeś – czujesz już i rozumiesz czym jest DCF77. Jak ktoś się zapyta, to zabłyśniesz wiedzą. Albo podasz mu link do tego artykułu 😀 Wspomniałem o zasięgu, o dużej mocy, etc. Warto zwrócić jeszcze uwagę na kolejną istotną rzecz, o której nie napisałem wcześniej, a którą jest częstotliwość. Kompleks radiowy w Mainflingen nadaje sygnał DCF77 na częstotliwości 77.5 kHz. Są to fale długie. W tym paśmie możemy posłuchać również Programu Pierwszego Polskiego Radia (na częstotliwości 225 kHz). Czym są fale długie i jak się rozchodzą? Kilka słów na ten temat w kolejnym akapicie.
Fale długie, zwane też „falami kilometrowymi”, obejmują zakres częstotliwości od 30 kHz do 300 kHz. Skąd przydomek „fale kilometrowe”? Ano wynika on z długości fali. Uproszczony wzór na długość fali wygląda następująco…
$\rm{\lambda[m]=\frac{300}{f [MHz]}}$
Liczbę 300 dzielimy przez częstotliwość (w MHz, czyli w megahercach!). Wynikiem jest długość fali w metrach. Tyle. Jak to się ma do podanego zakresu fal długich wynoszącego 30-300 kHz? Sprawdźmy.
- dla 30 kHz: $\rm{\lambda=\frac{300}{0.03}=10000m=10km}$
- dla 300 kHz: $\rm{\lambda=\frac{300}{0.3}=1000m=1km}$
Jak widać mamy do czynienia z długościami fali rzędu kilometrów, stąd nazwa. Zauważ, że im niższa częstotliwość, tym większa jest długość fali. Analogicznie dla częstotliwości rzędu GHz (gigaherców) długość fali jest dużo mniejsza. Przykładowo dla popularnych sieci WiFi pracujących na częstotliwościach ok. 2.4 GHz (2400 MHz) długość fali wynosi jakieś 12.5 cm (wg uproszczonego wzoru dla dokładnie 2.4 GHz). Stąd też wynikają zróżnicowane rozmiary anten. W przypadku wspomnianych sieci bezprzewodowych rozmiary te są stosunkowo niewielkie. W przypadku fal długich rozmiary anten potrafią być naprawdę kolosalne (jeśli jesteś zainteresowany to wpisz w wyszukiwarce Google hasło: „RCN Solec Kujawski”). Wróćmy jednak do fal długich, związanych bezpośrednio z tematem przewodnim artykułu, czyli DCF77.
Fale długie łatwo uginają się, gdy na ich drodze pojawi się przeszkoda, cechuje je też małe tłumienie i duża dyfrakcja. A czym jest dyfrakcja? No właśnie – najprościej rzecz ujmując – dyfrakcja oznacza ugięcie fali. Dodam też, że fale te potrafią rozchodzić się na stosunkowo duże odległości dzięki tzw. „fali powierzchniowej”. Zjawisko to polega na tym, że fala rozchodzi się stosunkowo blisko Ziemi (w porównaniu z falami, które odbijają się od jonosfery). Temat jest dość złożony i stosunkowo trudny, więc nie będę się tu rozpisywał. Chciałem Ci po prostu zasygnalizować, że takie zjawiska mają miejsce, a jeśli Cię zainteresują, to zachęcam to samodzielnego zgłębiania wiedzy. Naprawdę warto.
Co jeszcze o DCF77?
To już ostatni… No dobra, przedostatni akapit (ostatnim będzie tradycyjne już „Podsumowanie”). Co jeszcze warto dodać? Sygnał jest przesyłany w postaci ramek. Każda ramka trwa minutę i składa się 59 bitów, po których następuje sekunda przerwy (żaden sygnał, żaden impuls nie jest nadawany) i znowu… I tak w kółko. W takiej ramce, oprócz informacji o tym „którą godzinę mamy?”, jest też przesyłana informacja o tym czy mamy „czas letni” czy też „czas zimowy”. To istotne, bo urządzenia (najlepszym przykładem są po prostu zegary), które korzystają z DCF77, są w stanie „same się przestawić”. Nie musimy wstawać w nocy i robić tego ręcznie (pytanie czy ktokolwiek wstaje 🙂 ), gdy następuje zmiana czasu z letniego na zimowy. I na odwrót. Może sam spróbujesz zbudować urządzenie (chociażby zwykły budzik) korzystające z dobrodziejstw DCF77? Ciekawe informacje na ten temat znajdziesz z pewnością w Internecie, m.in. na tej stronie. Jeśli już coś zbudujesz (a może już zbudowałeś) to pochwal się w komentarzu pod artykułem. Myślę, że nie tylko ja będę zainteresowany.
Podsumowanie
Dobrnęliśmy do końca. Dotąd publikowałem artykuły dotyczące raczej podstaw elektroniki, kierowane do początkujących. Ten wpis ma nieco inny, bardziej popularnonaukowy charakter. Zamysł jest taki, by poruszać tematy czasem mniej, czasem bardziej złożone, może mniej znane (choć nie zawsze), takie tematy-ciekawostki. Może jakieś luźniejsze przemyślenia. Mam zamiar częściej publikować tego typu treści. Jak często? Jeszcze nie wiem. Z pewnością jest to pierwszy taki artykuł (albo „artykulik”), ale na pewno nie ostatni. No i oczywiście nie rezygnuję z publikowania artykułów o podstawach elektroniki, w których staram się jak najprościej wytłumaczyć różne zawiłości. To by było na tyle. Dzięki, że jesteś i przeczytałeś ten tekst. Jeśli masz jakieś sugestie, uwagi, albo po prostu wpis Ci się podobał – napisz o tym w komentarzu pod nim. Zdjęcia, poza tytułową grafiką, pochodzą z serwisu Unsplash.com, naprawdę warto tam zajrzeć.
Jednocześnie zachęcam do śledzenia profilu elektroniczny.eu na Facebooku 🙂