Zegar ścienny, budzik albo stacja pogodowa potrafią przez wiele miesięcy chodzić na zwykłej baterii, a mimo to same ustawiają właściwą godzinę i przechodzą z czasu zimowego na letni. Nie potrzebują Wi-Fi, karty SIM ani połączenia z satelitą. Wystarcza im niewielka antena ferrytowa i sygnał radiowy nadawany na falach długich. W znacznej części Europy źródłem tej informacji jest niemiecka stacja DCF77.
To szczególny rodzaj radia. Nie ma w nim muzyki, głosu prowadzącego ani serwisów informacyjnych. Nadajnik bez przerwy emituje nośną o częstotliwości 77,5 kHz, a jej krótkie osłabienia tworzą cyfrowy kod. Odbiornik zbiera go przez minutę, sprawdza poprawność i ustawia wskazania. Mechanizm jest prosty, lecz za jego pozorną prostotą stoją zegary atomowe, rozbudowana infrastruktura nadawcza i międzynarodowy system wyznaczania czasu.
Skąd właściwie bierze się dokładny czas?
Punktem odniesienia nie jest pojedynczy zegar stojący w laboratorium. Międzynarodowe Biuro Miar, czyli BIPM, tworzy skalę UTC na podstawie danych z instytutów metrologicznych i ich zegarów atomowych. BIPM opisuje UTC jako międzynarodową skalę odniesienia, która stanowi podstawę skoordynowanego rozpowszechniania częstotliwości wzorcowych i sygnałów czasu.
Poszczególne kraje utrzymują własne fizyczne realizacje tej skali. W Niemczech robi to Physikalisch-Technische Bundesanstalt, znany jako PTB. Jego skala UTC(PTB) jest podstawą niemieckiego czasu urzędowego. Jednym ze sposobów przekazywania go użytkownikom jest właśnie długofalowy DCF77.
Nie oznacza to, że sygnał każdej sekundy wędruje przewodem z laboratorium w Brunszwiku do nadajnika. PTB wyjaśnia, że kod czasu powstaje na miejscu emisji, w Mainflingen, w urządzeniach zaprojektowanych przez instytut i nadzorowanych z Brunszwiku. W samym ośrodku pracują zegary atomowe, z których wyprowadzane są częstotliwość nośna i znaczniki czasu.
Dlaczego nadajnik stoi w Mainflingen?
Stacja znajduje się w Mainflingen niedaleko Frankfurtu nad Menem. Lokalizacja nie jest przypadkowa. Rozbudowana instalacja uziemiająca i wilgotny grunt w dolinie Menu sprzyjają emisji fal długich. Za wytwarzanie i kontrolę informacji odpowiada PTB, natomiast infrastrukturę nadawczą obsługuje Media Broadcast.
Opis instalacji PTB wskazuje, że podstawowy nadajnik półprzewodnikowy ma moc nominalną 50 kW. Dostępny jest również nadajnik rezerwowy i zapasowa antena. Główna antena ma około 150 metrów wysokości, a rezerwowa 200 metrów. W praktyce wypromieniowana moc jest mniejsza od nominalnej mocy nadajnika, ale wciąż wystarczająca, aby pokryć znaczną część Europy.
DCF77 pracuje przez całą dobę. PTB podaje gwarantowaną dostępność roczną na poziomie 99,7 procent, nie licząc zdarzeń o charakterze siły wyższej. Krótkie przerwy mogą wystąpić podczas przełączania na urządzenia rezerwowe lub w czasie awarii, lecz zwykły zegar nie musi odbierać każdej minuty. Po udanej synchronizacji potrafi przez dłuższy czas korzystać z własnego mechanizmu kwarcowego.
Jedna minuta zamieniona w ciąg zer i jedynek
Najciekawsza część systemu polega na sposobie kodowania danych. Na początku niemal każdej sekundy amplituda nośnej zostaje na chwilę zmniejszona do około 15 procent normalnego poziomu. Jeśli osłabienie trwa 0,1 sekundy, oznacza zero. Jeśli trwa 0,2 sekundy, oznacza jedynkę. Ostatnia sekunda minuty nie otrzymuje zwykłego znacznika, dzięki czemu odbiornik rozpoznaje granicę kolejnej minuty.
W ciągu minuty przekazywane są numer minuty i godziny, dzień miesiąca, dzień tygodnia, miesiąc oraz dwie ostatnie cyfry roku. Kod zawiera też informację o tym, czy obowiązuje czas środkowoeuropejski, czy letni czas środkowoeuropejski, a osobny bit z wyprzedzeniem zapowiada zmianę. Inny bit może zapowiedzieć sekundę przestępną. Szczegółowy układ pól i bitów kontrolnych pokazuje oficjalny opis kodu DCF77.
Dane dotyczą następnej minuty. Gdy odbiornik zbierze pełną ramkę, może sprawdzić bity parzystości i odrzucić przekaz uszkodzony przez zakłócenia. Dopiero prawidłowy zestaw jest używany do ustawienia zegara. To wyjaśnia, dlaczego po włożeniu baterii urządzenie nie pokazuje dokładnego czasu natychmiast. Musi najpierw znaleźć sygnał i odebrać co najmniej jedną kompletną minutę informacji, a producenci często wymagają kilku zgodnych ramek.
Dlaczego fale długie docierają do zegara w mieszkaniu?
Częstotliwość 77,5 kHz odpowiada długości fali liczonej w kilometrach. Taki sygnał dobrze rozchodzi się jako fala przyziemna wzdłuż powierzchni Ziemi i stosunkowo łatwo przenika do budynków. Mały odbiornik nie potrzebuje rozkładanej anteny. W jego obudowie znajduje się zwykle ferrytowy pręt z cewką, dobrany do częstotliwości DCF77.
Według analizy zasięgu przygotowanej przez PTB typowe odbiorniki komercyjne mogą pracować w promieniu około 2000 kilometrów od Mainflingen. Do odbiorcy dociera zarówno stabilna fala przyziemna, jak i fala odbita od dolnej części jonosfery. Ich wzajemne nakładanie czasami osłabia sygnał, szczególnie w pewnych przedziałach odległości, lecz zmiany są na tyle powolne, że zegar zwykle znajduje moment odpowiedni do synchronizacji.
Polska znajduje się w obszarze, w którym odbiór DCF77 jest zazwyczaj możliwy. Nie oznacza to jednak, że każde miejsce w mieszkaniu jest równie dobre. Metalowa konstrukcja budynku, żelbet, urządzenia impulsowe, ładowarki, telewizory i monitory mogą utrudniać odbiór. Pomaga odsunięcie zegara od elektroniki, ustawienie go bliżej okna oraz obrócenie obudowy o 90 stopni, ponieważ antena ferrytowa ma wyraźnie kierunkową charakterystykę.
To nie jest RDS ani połączenie internetowe
Niektóre radia samochodowe również ustawiają czas automatycznie, ale często wykorzystują do tego CT przesyłane w systemie RDS wraz z programem FM. DCF77 działa niezależnie od stacji radiowych przeznaczonych do słuchania. Jest osobnym nadajnikiem czasu na falach długich, a jego odbiornik nie odtwarza dźwięku.
Różni się też od synchronizacji internetowej. Komputery i telefony najczęściej pobierają czas z serwerów NTP albo z infrastruktury sieci komórkowej i satelitarnej. DCF77 nie wie, ile urządzeń go słucha, nie prowadzi z nimi dwukierunkowej komunikacji i nie wymaga abonamentu. Jeden sygnał może obsługiwać dowolną liczbę odbiorników.
Po co utrzymywać radiowy zegar w epoce smartfonów?
Najbardziej widocznymi odbiornikami są domowe zegary, ale zastosowania nie kończą się na budzikach. PTB wymienia systemy kolei, telekomunikacji, radiofonii i telewizji, przełączniki taryfowe u dostawców energii, sterowanie ruchem oraz zegary w sygnalizacji świetlnej. Fala długa ma istotną zaletę: dociera do wielu wnętrz bez anteny zewnętrznej i bez widoku nieba, którego potrzebują systemy satelitarne.
Nie jest to rozwiązanie najdokładniejsze z możliwych. Opóźnienie propagacji, zakłócenia i prostota tanich odbiorników sprawiają, że DCF77 nie zastępuje specjalistycznej synchronizacji satelitarnej ani sieciowej tam, gdzie liczą się mikrosekundy. Do ustawienia zegara domowego, sterownika ogrzewania czy urządzenia przemysłowego dokładność jest jednak więcej niż wystarczająca.
DCF77 pokazuje, że radio może przesyłać użyteczne dane bez wielkiej przepustowości. Cała wiadomość powstaje z niewielkich zmian amplitudy rozłożonych na sześćdziesiąt sekund. Zegar słucha cierpliwie, odrzuca błędne ramki i raz na jakiś czas koryguje własny chód. W efekcie technologia ukryta w niepozornym budziku łączy domową elektronikę z zegarami atomowymi i systemem pomiaru czasu obejmującym cały świat.