DCF77

La señal de la estación DCF77 transporta una señal de datos de 1 bit/s con modulación de amplitud y codificación por ancho de pulso. Esta misma señal de datos también se modula en fase sobre la portadora mediante una secuencia pseudoaleatoria de 512 bits ( modulación de espectro ensanchado de secuencia directa ). La señal de datos transmitida se repite cada minuto.

• bits de fecha y hora actuales;
• Bit de advertencia de segundo intercalar ;
• Cambio inminente de CET a CEST, o viceversa, anuncio breve;
• Hora de Europa Central (CET) / Hora de Verano de Europa Central (CEST) bit;
• Bit de identificación de funcionamiento anómalo del transmisor;
• Varios bits de paridad .

Desde 2003, catorce bits del código de tiempo, que antes no se utilizaban, se emplean para las señales de emergencia de la defensa civil . Se trata de un servicio experimental, cuyo objetivo es sustituir algún día la red alemana de sirenas de defensa civil .

Desde el 22 de noviembre de 2006, el transmisor DCF77 utiliza los bits 1-14 para transmitir mensajes de alerta e información meteorológica. ^{[ 12 ] [ 13 ]} 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 alertas a la población utilizando estos 14 bits. Como extensión adicional del contenido informativo transmitido por DCF77, los radiorelojes equipados adecuadamente pueden proporcionar un pronóstico meteorológico de cuatro días para 60 regiones diferentes de Europa. Los datos del pronóstico son proporcionados y están bajo la responsabilidad de la empresa suiza Meteo Time GmbH y se transfieren en un protocolo de transferencia propietario. ^{[ 14 ]} Los mismos 14 bits se emplean de manera que se garantice la compatibilidad con los protocolos de transmisión de los mensajes de alerta. Para decodificar los datos del pronóstico meteorológico, se requiere una licencia. ^{[ 13 ] [ 15 ]} 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 señal entre la PTB y el operador del transmisor DCF77, Media Broadcast GmbH, se renueva periódicamente. Tras las negociaciones de 2021, la PTB y Media Broadcast GmbH acordaron continuar la difusión de la hora legal nacional alemana durante los próximos 10 años. Con el fin de mejorar la fiabilidad de la transmisión y facilitar el mantenimiento por parte del operador, Media Broadcast GmbH anunció la construcción de un segundo transmisor de alto rendimiento controlable remotamente en 2022. Las instalaciones se duplicarán por completo en el sitio. Anteriormente, la PTB había manifestado que iniciaría nuevas negociaciones si se consideraban necesarias actividades de modernización en la estación transmisora ​​para mejorar la fiabilidad de la recepción de la señal en toda Europa. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El indicativo DCF77 significa D = Deutschland (Alemania), C = señal de onda larga, F = Frankfurt am Main como unidad regional paraguas, 77 = frecuencia: 77,5  kHz.

La señal DCF77 utiliza modulación por desplazamiento de amplitud (ADM) para transmitir información de tiempo codificada digitalmente, reduciendo la amplitud de la portadora al 15 % de la 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) representa un 0 binario; una reducción de 0,2 segundos representa un 1 binario. Como caso especial, el último segundo de cada minuto no presenta 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, esto se suspendió ya que la estación es fácilmente identificable por la señal característica. ^{[ 18 ]}  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 usaba para enviar una letra por segundo, entre las marcas de segundo. Durante los segundos 20 a 32, el indicativo "DCF77" se transmitía dos veces.

Además, durante 793 ms a partir de los 200 ms, cada bit de código de tiempo se transmite mediante espectro ensanchado de secuencia directa . El bit se mezcla con una secuencia de chips pseudoaleatoria de 512 bits y se codifica en la portadora mediante modulación por desplazamiento de fase de ±15,6° . ^{[ 19 ]} La secuencia de chips 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 un total de 77500. Los últimos 560 ciclos (7,23 ms) de cada segundo no están modulados en fase. ^{[ 20 ]}

La secuencia del chip es generada por 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 LFSR de Galois puede generar la secuencia completa del chip:

entero sin signo i , lfsr ; lfsr = 0 ;para ( i = 0 ; i < 512 ; i ++ ) { unsigned int chip ;chip = lfsr & 1 ; output_chip ( chip );lfsr >>= 1 ; if ( chip ^ ! lfsr ) lfsr ^= 0x110 ; }

Cada bit del código de tiempo que se va a transmitir se combina mediante una operación OR exclusiva con la salida del LFSR. La secuencia final de chips se utiliza para modular la fase del transmisor. Durante 0 chips, la portadora se transmite con un adelanto 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 minuto especial utilizado en el código de amplitud, el bit 59 se transmite como un bit 0 ordinario, y los primeros 10 bits (segundos 0-9) se transmiten como binario 1.

En comparación con la modulación de amplitud, la modulación de fase aprovecha mejor el espectro de frecuencias disponible y ofrece una distribución temporal de baja frecuencia más precisa, con menor sensibilidad a las interferencias. Sin embargo, muchos receptores DCF77 no utilizan la modulación de fase. Esto se debe a 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 lograría, en principio, una incertidumbre de la transmisión de tiempo que es al menos un orden de magnitud menor 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 ^{[ 21 ] [ 22 ]} y el Informe trimestral de rendimiento de Galileo de abril, mayo y junio de 2021 del Centro de Servicio GNSS europeo informó que la precisión del servicio de difusión de tiempo UTC fue ≤  4,3 ns, calculada acumulando muestras durante los 12 meses anteriores y superando el  objetivo de ≤ 30 ns ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} ).

La hora se representa en formato decimal codificado en binario . Representa la hora civil, incluyendo los ajustes por horario de verano. La hora transmitida corresponde al minuto siguiente ; por ejemplo  , el 31  de diciembre a las 23:59, la hora transmitida corresponde al 1  de enero a las 00:00. ^{[ 26 ]}

Los primeros 20 segundos son indicadores especiales. Los minutos se codifican entre los segundos 21 y 28, las horas entre los segundos 29 y 34, y la fecha entre los segundos 36 y 58.

Dos indicadores advierten sobre cambios que ocurrirán al final de la hora actual: un cambio de zona horaria y la inserción de un segundo intercalar. Estos indicadores se activan durante la hora previa 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 posterior al 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. ^{[ 26 ]}

Aunque el código de tiempo solo incluye dos dígitos del año, es posible deducir dos bits del siglo utilizando el día de la semana. Todavía existe una ambigüedad de 400 años, ya que el calendario gregoriano repite las semanas cada 400 años, pero esto es suficiente para determinar qué años que terminan en 00 son bisiestos. ^{[ 29 ]}

Los bits de la zona horaria pueden considerarse una representación codificada en binario del desplazamiento UTC . Z1 activado 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 al 14, ambos 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. ^{[ 30 ]} Las alertas de protección civil y la información meteorológica no se incluyen en los datos modulados en fase.

La incertidumbre relativa de la frecuencia portadora transmitida del DCF77 es de 2 × 10 ⁻¹² en un período de 24 horas y de 2 × 10 ⁻¹³ en 100 días, con una desviación en fase con respecto a UTC que nunca excede los 5,5 ± 0,3 microsegundos . ^{[ 36 ]} Los cuatro relojes atómicos de cesio primarios alemanes (de fuente) (CS1, CS2, CSF1 y CSF2) en uso por el PTB en Braunschweig aseguran una deriva del reloj a largo plazo significativamente menor que los relojes atómicos utilizados en la instalación DCF77 en Mainflingen. ^{[ 37 ]} 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 con una precisión de hasta la mitad del período de la  frecuencia portadora transmitida de 77,5 kHz de la señal DCF77, o con una precisión de ± 6,452 × 10 ⁻⁶ s o ± 6,452 microsegundos. ^{[ 20 ]}

Debido al proceso de propagación, las variaciones de fase y/o frecuencia observadas en las señales recibidas hacen que la precisión práctica alcanzable sea menor que la lograda originalmente con los relojes atómicos en el lugar de transmisión. Como ocurre con cualquier transmisor de radio de señal horaria, la sincronización precisa se ve afectada por la distancia al transmisor, ya que la señal horaria se propaga al receptor a la velocidad de la luz . Para un receptor DCF77 situado a 1000 km (600 millas ) del transmisor DCF77, debido al retardo de tránsito, el receptor se sincronizará con un retraso superior a 3 milisegundos . Esta pequeña desviación rara vez resulta relevante y, si se desea, los receptores de hora de grado instrumental pueden corregirse para compensar el retardo de tránsito.  

Pueden producirse imprecisiones adicionales debido al tipo de onda que registra el receptor. 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 estas son el resultado de la variación de la altitud de la capa reflectante y de refracción de la ionosfera. Problemas similares surgen cuando se superponen las ondas terrestres y las ondas ionosféricas . Este campo no es constante, sino que cambia a lo largo del día entre aproximadamente 600 y 1100 km (400 y 700 millas ) de la posición del transmisor. ^{[ 32 ]}  

Los receptores DCF77 de grado instrumental corregido, que utilizan señales de tiempo moduladas en amplitud con antenas adjuntas orientadas tangencialmente a la antena del transmisor en Mainflingen para garantizar la mejor recepción posible de la señal de tiempo sin interferencias en ubicaciones fijas, pueden lograr una incertidumbre de precisión práctica mejor que ± 2 milisegundos. ^{[ 38 ]}

Además de la transmisión de la señal horaria modulada en amplitud, esta información también se transmite desde junio de 1983 por DCF77 mediante una modulación de fase de la onda portadora con una secuencia de ruido pseudoaleatorio de 512 bits. Mediante la correlación cruzada, la señal reproducida en el extremo receptor se puede utilizar para determinar el inicio de los marcadores de segundo con mucha mayor precisión. El inconveniente de utilizar señales horarias moduladas en fase reside en el complejo hardware de recepción de grado instrumental necesario para 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, situada a 273 km (170 mi ) del transmisor en Mainflingen. ^{[ 20 ]}  

Los receptores DCF77 de consumo de bajo costo se basan únicamente en las 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, por lo que 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 relojes de pulsera y de pared de consumo de bajo costo controlados por radio que utilizan relojes de cuarzo de calidad estándar para mantener la hora 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. ^{[ 39 ]} Algunos movimientos de cuarzo de consumo controlados por DCF77 promueven una medición precisa del tiempo al sincronizar y corregir su hora automáticamente más de una vez a lo largo del día. ^{[ 40 ]}