Znáte tajemství signálu DCF?

Signál DCF využijeme u časoměrných zařízení. Jedná se buď o autonomní nástěnné hodiny, budíky atd. nebo o systémy rozvodu jednotného času. 

V signálu DCF je zakódována informace o momentálním přesném čase. Slouží k automatickému seřízení časoměrného stroje, automatickému přechodu z letního na zimní čas a opačně. 

Pro možnost příjmu a využití kódované informace DCF musí být časoměrné zařízení vybaveno přijímačem a dekodérem tohoto signálu.

Systémy rozvodu jednotného času sestávají z řídících hodin, kabelového vedení, podružných hodin a výstupních zařízení. 

Trochu odbočíme od tématu a alespoň v kostce si vysvětlíme princip systému rozvodu jednotného času.

Orientační schema rozvodu jednotného času je vyznačeno na obrázku, který si můžete otevřít zde.

Řídící hodiny (v současné době je již drtivá většina řešena s vlastním mikroprocesorem) zajistí informaci o zobrazovaném čase, intervalové spínání dalších zařízení dle předem naprogramovaných časových úseků a programování a seřizování celého systému rozvodu jednotného času. 

Přesnou informaci o čase zajistí vlastní vestavěný obvod s krystalovým oscilátorem, tento je však postupem času stále více nahrazován právě přijímačem a dekodérem signálu DCF.

Řídící hodiny předávají časové informace podružným hodinám. 

Podružné hodiny mohou být elektromechanické - ručičkové s minutovým posunem, nebo s digitálním (přímo zobrazujícím číslice) světelným displejem, zobrazujícím hodiny a minuty, mohou však zobrazovat i další časové informace, tj., sekundy, datum atd.

Elektromechanické ručičkové hodiny jsou řídícími hodinami ovládány krátkými napěťovými impulsy (nejčastěji 24VDC), které jsou vysílány vždy jeden v celou minutu. Na elektromechanickém strojku podružných hodin tento impuls zajistí vždy posun o jednu minutu.

Řízení digitálních (resp. přímo zobrazujících číslice) hodin se světelným displejem je řešeno vysíláním kódovaného signálu o časové, případně kalendářní nebo jiné informaci. Princip kódování tohoto signálu uvnitř rozvodu jednotného času je odvislý od výrobce systému. Pro podružné ručičkové hodiny není třeba dodávat žádné další napájecí napětí. 

Pro světelné displeje je však nutné zajistit napájecí napětí (buď 24VDC, nebo 230VAC/50Hz, dle použitého typu podružných digitálních hodin).

Kabelové vedení pro rozvod jednotného času bývá řešeno dvoužilovými kabely o průřezu žil 1.5mm (nečastěji bývá využíván kabel CYKY 2Ax1.5). Po tomto vedení je možné distribuovat buď 24V impulsy nebo kódovaný signál pro světelné digitální displeje. Při delší trase kabelového vedení (cca nad 300-500m) je nutné zvětšit průřez žil, nebo použít pro další ručičkové hodiny na vedení opakovací relé. Vzhledem k úbytku napětí minutové impulsy na těchto delších trasách nedosahují amplitudy 24VDC a nezajistí spolehlivý posun elektromechanického strojku v podružných hodinách. 

Rovněž u kódovaného signálu rozvodu jednotného času pro digitální podružné hodiny je výrobcem stanovena maximální délka kabelového vedení.

Řídící hodiny v systému rozvodu jednotného času můžeme programovat, sestavit časové intervaly a nastavit spínání dalších zařízení. Typickým a nejrozšířenějším příkladem je spínání napětí 75V pro zvonky školního zvonění.

Ale zpět k signálu DCF

Tato časová informace je vysílána stanicí DCF77 na dlouhých vlnách s kmitočtem 77,5 kHz z vysílače v Mainflingenu (asi 24 km jihovýchodně od Frankfurtu nad Mohanem v Německu, souřadnice 50°01' severní šířky, 09°00' východní délky). Vysílač má výkon 50 kW, odhadnutý vyzářený výkon je přibližně 25 kW. K vysílání je určena 150 m vysoká (200 m vysoká záložní) vertikální všesměrová anténa s kapacitím nástavcem. Dosah vysílače je okolo 1500-2000 km.

Dosah signálu DCF

Střední hodnota nosného kmitočtu 77,5 kHz se neodchyluje od jmenovité hodnoty více než o 10^-12 týdně. Relativní nepřesnost za více než 100 dní je pouze 2*10^-13. Provádět měření přesnosti za kratší dobu nemá význam, neboť vysílač vysílá za týden pouze 77500*3600*24*7 = 4,6872*10¹⁰ sinusových kmitů. Aby bylo kontrolní měření prováděno s přesností 10^-12, musí rozeznat 1/20 periody za týden. Dlouhodobá přesnost 2*10^-13 odpovídá při 77,5 kHz jednomu kmitu za dva roky.

Kódování časové informace je prováděno pulzně šířkovou modulací, poklesem amplitudy nosné na 25 % na začátku každé sekundy. Klíčování je synchroniozováno fázovou synchronizací s nosnou a odpovídá na 10 μs přesně úřední časové stupnici fyzikálně technického ústavu v Braunschweigu (PTB - Physikalisch-Technischen Bundesanstalt). 

Tento pokles však odpadá při 59 sekundě každé minuty - minutová značka. Pokles trvá 100 ms - log 0, a 200 ms - log 1. Vzhledem k dokmitávání vysílací antény je však pokles na začátku modulačního impulsu poněkud zploštěn. 150 μs po začátku klíčování je amplituda nosné ještě 80 % nominální hodnoty. Referenčním okamžikem udávajícím přesný počátek sekundy je začátek poklesu amplitudy (dříve 70% plné amplitudy). 

Technologické zázemí vysílače

Příjem signálu DCF a správné nasměrování antény

Přijímače DCF prakticky od všech výrobců používají feritovou anténu, která je pro dlouhovlnné pásmo optimální. Anténa je citlivá na magnetickou složku signálu a proti drátovým anténám, citlivým na elektrickou složku, mají tyto odlišnosti: 

   Nezáleží na výšce antény nad zemí.
   Směrová charakteristika feritové antény je osmičková.

Feritová anténa pracuje stejně dobře i přímo na zemi a její činnosti nevadí ani silné zdi budov. Proto je zbytečné dávat ji na vyvýšené místo, nebo ven mimo budovu. Naopak, takové umístění by jen zvýšilo pravděpodobnost poškození přijímače při bouřce. Signál zeslabují jen železobetonové stavby, ale i tam je provoz přijímače možný. 

Směrová charakteristika feritové antény má dvě široká maxima otočená o 180 stupňů a kolmo na ně dvě ostrá minima. 

Když signál přichází ze západu, má mít feritová anténa směr sever-jih. 

Pokud se směr antény liąí aľ o 45 stupňů, nemá to na kvalitu příjmu vliv. 

Často však vznikají problémy s rušením signálu. Pokud rušení přichází jen z jednoho směru a rozdíl od směru užitečného signálu je alespoň 30 stupňů, je výhodné anténu směrovat ne na maximum signálu, ale na minimum rušení. Pokud se rušení šíří železobetonovou konstrukcí budovy a přichází ze všech stran, nedá se směrováním antény odstranit. V takovém případě je nutné pro přijímač hledat jiné místo, obvykle na okně. 

Mezi nejčastější zdroje rušení patří televizory. Snímkový kmitočet 50 Hz má široké spektrum harmonických a 1550. harmonická leží přímo na přijímaném kmitočtu. Počítačové monitory jsou mnohem lépe stíněny a používají jiný snímkový kmitočet. Dále ruší např. spínané zdroje používané v počítačích, faxech atd. Tyto zdroje obvykle zaruší pouze okruh cca do 1 až 2 m. Rušení je jednak přímo vyzařované do okolí, jednak se šíří po elektroinstalaci. Tak může znemožnit příjem až do vzdálenosti desítek metrů. 

Přijímač signálu DCF

Pokud se k přijímači použije externí anténa, lze dosáhnout na feritové anténě přijímače cca 20x větąí signál, než je signál přijímaný přímo. Pak záleží především na umístění externí antény a přijímač může být umístěn i v prostředí s vyšší úrovní rušení. 

Literatura: AR 8,9/1994, katalogy výrobců, servisní manuály časoměrných zařízení, hw-server.