Meinberg DCF77 - technické podrobnosti

Úvod a zasazení do kontextu

Firma Meinberg vyrábí dvě základní kategorie DCF přijímačů. Levnější kategorie přijímačů obsahuje analogový demodulátor, který zpracovává amplitudovou složku modulace - sem patří například modely DCF77C51, USB5131, COM52HS nebo RU226. Dražší kategorie přijímačů obsahuje softwarový demodulátor implementovaný v DSP, který zpracovává fázovou složku modulace - sem patří například karta PCI511 nebo modul PZF, používaný v serverech LanTime (nebo i samostatně v zákaznických sestavách).

Signál DCF77 nese obě složky modulace zároveň - původní amplitudovou modulaci i později uvedenou fázovou složku. Modulační schéma je vymyšleno tak, aby AM demodulátory "neviděly" fázovou složku, a naopak fázové detektory mají signál na vstupu "zarovnaný" limiterem, takže AM složku ignorují.

Zmíněné dražší přijímače s fázovou demodulací (PZF) vykazují mnohem lepší odolnost proti rušení - firma Meinberg tvrdí, že PZF přijímač leckdy ukazuje bezchybná demodulovaná data ještě i na signálu, kde užitečná amplitudová modulace už prakticky není vidět (je překryta rušením).

I levnější kategorie přijímačů obsahuje čistě provedenou signálovou cestu s dostatečnou selektivitou. Většina modelů se dodává s aktivní externí anténou, která obsahuje feritovou tyčku laděnou klasickým LC obvodem a k tomuto LC obvodu navázaný předzesilovač (napájený po anténním svodu přiloženým ss napětím). Další LC rezonátor je na vstupu přijímače. Tyto LC obvody mají nicméně ještě relativně malou strmost (široké pásmo) a slouží hlavně k základní ochraně proti přebuzení silnými signály mimo užitečné pásmo. Skutečně kvalitní selektivitu dodávají DCF přijímačům keramické rezonátory (filtry) s šířkou pásma 40 Hz - každý přijímač Meinberg obsahuje jeden až dva stupně těchto filtrů. V anténě použitý univerzální zesilovač i v přijímači použitý jednoúčelový čip DCF77 přijímače mají v našich příjmových podmínkách vlastní šum vstupního tranzistoru hluboko pod reálně přijímanou úrovní signálu - a čip přijímače má dostatečně široký rozsah regulace zisku (AGC), aby zpracoval prakticky jakýkoli signál, ať už je pár kilometrů od vysílače, nebo pár decibelů nad svým šumovým prahem (0.4 uV). Sami Meinbergové tvrdí, že předzesilovač v anténě je určen víceméně k překlenutí delších úseků anténní kabeláže (k vyrovnání útlumu) a že při krátkém anténním kabelu jeho zisk reálně není vůbec zapotřebí.

Přes to všechno je hledání správného místa pro anténu často dobrodružstvím, při kterém zajásá srdce pravověrného radioamatéra - zejména pokud si zákazník předem znesnadní výchozí situaci tím, že se zaměří na levnější analogové přijímače (pravda je, že PZF se vyrábí v mnohem menší pestrosti variant) a trvá na použití pokojové antény, tj. chce se vyhnout umístění antény ven, případně navíc trvá na umístění v příjmově nevhodném místě (viz níže). Pokojová anténa AI01 (nebo integrovaná v přijímači) má navíc oproti venkovní AW02 tu nevýhodu, že nemá držák s možností přesného směrování v rozsahu 360 stupňů. V konkrétních reálných pokusech o instalaci přijímače s anténou se naši zákazníci pravidelně potýkají se "slabým příjmem", kdy přijímač trvale hlásí "bez synchronizace" (svítí červená kontrolka), tj. přijímač vidí v přijímaných datech chyby.

Jak již bylo výše zmíněno, problém není ani tak ve slabém signálu ve smyslu geografické vzdálenosti od vysílače v otevřené krajině, ale zejména v relativně vysoké úrovni místního elektromagnetického rušení v poměru k signálu (který je navíc více či méně tlumen uvnitř budov). Problém rozhodně nespočívá ve špatné citlivosti či selektivitě přijímače Meinberg. Přijímač s anténou mají citlivosti na rozdávání a selektivitu velmi dobrou, ale přijímají signál silně zarušený přímo v užitečném pásmu.

Konkrétní praktické poznámky k umístění antény a oživení přijímače

• Provozně optimální místo pro anténu je vně budovy - teoreticky nejlépe na střeše s výhledem na západ (na Frankfurt), prakticky i na fasádě zvenčí za oknem je to zásadně lepší než uvnitř budovy, a na orientaci dané stěny vůči vysílači (Frankfurt) kupodivu nijak výrazně nezáleží. U venkovního umístění ovšem pozor na odpovídající jištění proti blesku a přepětí, což hodně zvýší cenu DCF77 "řešení", pokud se použije kompletní doporučené zapojení ochran v souladu s "bleskovými" normami (venkovní anténa, dvě bleskojistky a BLV). Rozdíl mezi pokojovým a venkovním příjmem může být v běžném kancelářském paneláku až takový, že uvnitř v kanceláři stěží najdete vhodné místo, kde anténa v optimálním směru přijímá dostatečně silný a nezarušený signál, a venku na parkovišti o dvě patra níž je sice absolutní síla signálu o pár decibelů nižší, ale přijímač dává přesná data nezávisle na nasměrování antény (tj. příjem je bezchybný i ve dvou ostrých směrových minimech feritové antény).
• Železné výztuže v železobetonových konstrukcích způsobují útlum signálu DCF77 uvnitř budov. Čím dál od vnějšího pláště budovy směrem do středu, tím hůř. Výztuže deformují homogenitu elektromagnetického pole signálu a obecně signál tlumí. Toto se týká klasických "paneláků" i novějších budov, postavených technologií odlévání železobetonu na místě - plus všemožných továrních hal a budov různého stáří. Také moderní lehčené stavebnicové systémy železobetonových žebírkových stropních konstrukcí používané v menších stavbách a rodinných domcích jsou technicky založeny na propracovaném systému prostorových železných výztuží.
• Signál DCF77 je kupodivu významně tlumen i determálními (pokovenými) skly v moderních oknech. Že tato skla tlumí VF signál WiFi nebo mobilních telefonů, to je známý jev - kupodivu podobně působí i na dlouhovlnný signál DCF77.
• Silnými zdroji rušení jsou počítače všeho druhu. Tradičně se to tvrdí o analogových monitorech (CRT obrazovky = katodové trubice), u kterých ruší hlavně elektromagnety horizontálního vychylování elektronového paprsku (hlavně při některých kombinacích rozlišení a snímkové obnovovací frekvence). Prakticky máme ovšem ověřeno, že ruší ve větší či menší míře i kterýkoli stolní počítač, dokonce i notebooky (možná spíš jejich napájecí adaptéry).
• Podobně obtížnými zdroji rušení je ruční elektrické nářadí a domácí spotřebiče všeho druhu, obsahující jednofázový motorek na 230V. Tyto druhy motorků obsahují typicky komutátor = zdroj jiskření a širokopásmového rušení, které se šíří prostorem i rozvody 230V st. Tyto spotřebiče samozřejmě obsahují odrušovací prvky podle jakýchsi technických norem, přesto úroveň odrušení nebývá vůči signálu DCF77 dostatečná.
• Lokálními ohnisky rušení jsou domovní rozvody 230 / 380 V st. - rozvodné trasy a zejména rozvaděčové skříně, kde se jednotlivé žíly rozplétají a tvoří větší smyčky (závity ve smyslu indukčním). Ne snad že by 50Hz silovina přímo rušila DCF příjem, ale po těchto rozvodech se šíří široké spektrum rušení od výše zmíněných problematických spotřebičů (počítače, spínané zdroje, komutátorové motory). Stoupačky a rozvaděče výkonové elektřiny bývají v obytných a kancelářských budovách umístěny poblíž středu půdorysu - což je vedle útlumu druhý důvod, proč se směrem od pláště ke středu budovy zhoršuje příjem DCF77.
• Pokud je Váš přijímač napájen stejnosměrným napětím (např. COM52HS na 24V) a napájíte ho individuálně malým adaptérem 230V/24V, ověřte si (třeba jenom experimentem), že příjem DCF77 není rušen tímto napájecím adaptérem. Paradoxně lepší než levný spínaný zdroj může být ještě levnější transformátorový adaptérek - ideálně s lineárním stabilizátorem. Levné spínané zdroje často dost ruší - malé trafo s lineárním stabilizátorem má sice mizernou účinnost, ale neruší vůbec. Pozor, úplně nejlevnější spotřební trafo-adaptéry mají nedostatečnou filtraci (mají na výstupu 50Hz brum) - případně lze přidat filtrační kondenzátor o přiměřené kapacitě. Pochopitelně může rušit i jakýkoli jiný blízký "spínaný" zdroj nebo měnič. Nutno podotknout, že i přijímače s nízkým stejnosměrným napájením obsahují uvnitř ještě miniaturní spínaný DC-DC převodník (s 5V výstupem) s důkladným odrušením výstupu, takže i případné rušení přes napájecí přívod je výrazně utlumeno. Nicméně případné dodatečné vnější odrušovací prvky v napájecím přívodu jistě ničemu neublíží - jejich použití ponecháváme na uvážení zákazníka. Máme prakticky ověřenu funkčnost hodin COM52HS s malým průmyslovým spínaným zdrojem Axima AXSP3P01 i bez přídavného odrušení.
• Pokud hledáte zdroj rušení, dávejte pozor zejména na anténu - vlastní přijímač je na přímé rušení "vzduchem" mnohem méně citlivý.
• Anténu rozlaďují blízké kovové předměty o větších než nepatrných rozměrech. Doporučená minimální vzdálenost od nejbližších větších kovových předmětů je 0,5 m. Feromagnetické předměty ovlivňují indukčnost cívky navinuté na feritové tyčce, takže se změní rezonanční frekvence z výroby naladěného vstupního LC obvodu - a na užitečné frekvenci 77.5 kHz klesne zisk, naopak se zvýší citlivost vůči rušení ve směru rozladění. Předměty z neferomagnetických kovů mohou představovat závit nakrátko (snižují jakost LC obvodu, snižují zisk a selektivitu přijímače). Vedle možné indukce rušení jde o další dobrý důvod, proč by anténa neměla být namontována přímo na plechové skříni nebo nějakém kovovém rámu, Meinbergové v této souvislosti (opět) upozorňují i na výztuže v železobetonu. Prakticky neznamená blízký kovový předmět vždy zásadně nepoužitelný příjem, často je příjem dostatečně kvalitní i přes porušení tohoto pravidla - ale obecně pozor na rozladění antény většími kovovými předměty. Jedná se mimochodem o další důvod, proč pošilhávat po venkovní anténě AW02 - má užitečný plastový držák/rameno o délce cca 30 cm.
• Firma Meinberg dodává dva základní modely externích antén pro DCF77: pokojovou AI01 a venkovní AW02. Obě obsahují identické vnitřnosti (feritku a předzesilovač) a mají identické příjmové vlastnosti. Rozdíl je v provedení pouzdra a v příslušenství. Pokojová AI01 se montuje pomocí šroubů na plochý podklad. Zákazník si sám musí zajistit správnou orientaci antény a nekovový podklad. Pouzdro AI01 má sice víko s těsněním, které slibuje podobné krytí proti vodě a prachu jako venkovní AW02, ale použitý konektor BNC dostatečné krytí nemá a navíc není ani "pod deštníkem", pokud se anténa namontuje do venkovního prostředí. Samozřejmě lze montovat anténu AI01 do venkovní krabice, ale znamená to komplikaci. Naproti tomu venkovní AW02 má rozumně vodotěsný konektor typu N, navíc přirozeně chráněný odkapovým "límcem" pouzdra antény. Standardním příslušenstvím AW02 je plastový držák (rameno) o délce cca 30 cm, který umožňuje snadné nasměrování antény do libovolného azimutu v horizontální rovině (360 stupňů). K levným přijímačům (všem s výjimkou serverů LanTime/PZF) se dodává standardně anténa AI01 - doporučujeme zvážit "factory upgrade" na AW02 (cena se zvýší o rozdíl ceny antén).
• V našich příjmových podmínkách je znát rozdíl mezi dnem a nocí - myšleno rozdíl v síle přijímaného signálu. Krátce po setmění se v ionosféře rekombinuje odrazivá vrstva, která změní šíření energie vysílače DCF77 prostorem - konkrétně soustředí energii více k zemskému povrchu (částečně zamezí jejímu unikání do prostoru). Nárůst síly signálu je překvapivě znatelný (možná i přes 10 dB). Zároveň mimo pracovní dobu utichnou mnohé lokální zdroje rušení (problematické spotřebiče), zejména v době nočního klidu domácností. Ale třeba v kancelářích v zimním období střídání dne a noci zajímavě koreluje se začátkem a koncem pracovní doby :-) Proto taky pozor, kdy testujete a kde.
• Může se Vám stát, že na konkrétním místě bez problémů funguje DCF budík nebo nějaký konkurenční průmyslový DCF přijímač, a Meinbergovic DCF ne a ne, nebo s velkými problémy. Při takovém srovnání pozor na několik věcí: DCF budíky se synchronizují typicky pouze jednou denně, a to o půlnoci (nebo třeba ve dvě ráno). Tj. v době s nejsilnějším signálem a s nejmenším rušením z kanceláří a domácností. Zbytek dne běží budík podle lokálního oscilátoru. U přijímačů pro synchronizaci počítačů (nebo zejm. pro průmysl) toto obvykle neplatí, přijímač se synchronizuje trvale - nicméně i v této oblasti levné modely přijímačů často postrádají kvalitnější kontrolu (a indikaci) jednobitových chyb a skokových změn v časovém údaji. Což se prakticky projevuje náhodnými chybami v hlášeném čase na libovolném desetinném místě - čas skočí třeba o hodinu a s příštím přijatým framem zase zpátky, a přijímač se tváří spokojeně. Přijímače značky Meinberg jsou ohledně detekce a hlášení chyb velmi pečlivé - jeden chybně přijatý rámec a rozsvítí se červená kontrolka. Další možné vysvětlení "nesrovnalosti" spočívá v odlišném umístění antény.
• V našich příjmových podmínkách přes den je rezerva napěťového zisku ve vstupním zesilovači (řízeném AGC) hrubým odhadem o tři desítkové řády (1000x), tj. řekněme 60 dB. Úroveň signálu klesá se vzdáleností od vysílače (Frankfurt). Bez vlivu odrazu od ionosféry klesá absolutní síla signálu teoreticky s druhou mocninou vzdálenosti (protože kulová plocha má povrch podle vzorce 4 * Pí * r^2, a vlna energie šířící se prostorem má tvar kulové plochy). Tj. výkon dopadající na plochu klesne na čtvrtinu s každým zdvojnásobením vzdálenosti. Tj. o 6 dB na každé zdvojnásobení vzdálenosti. Pokud vezmeme v úvahu vzdálenost různých míst na území ČR od vysílače, je zřejmé, že rezerva zisku stačí pro příjem v rámci našeho území s velkou rezervou. Pokud jsou někde problémy s příjmem, jsou způsobeny útlumem uvnitř budovy a/nebo relativní úrovní místního rušení.
• Pár příkladů: Na našem montážním pracovišti, kde přijímače před expedicí zběžně testujeme, je příjem na pokojovou anténu bez problému. O patro výš v kanceláři je přes den docela problém, přes noc bez problému. V kumbálu pro dlouhodobé zátěžové testy uvnitř budovy je příjem nepoužitelný. Na parkovišti před budovou je příjem bezvadný - to je v Ústí nad Labem, v sídlišti poměrně vysoko nad řekou. V labském údolí v Českém Středohoří v místě zvaném "Porta Bohemica" (strmé skalnaté svahy z obou stran), mezi silnicí a elektrifikovanou tratí s jedoucím vlakem, je příjem bezvadný. Na dálniční benzínce u Lovosic, přímo pod silovým vedením 400 kV, je příjem bezvadný. V rafinerii v Kralupech je příjem bezvadný jak před vrátnicí, tak uvnitř areálu, stejně jako v rozvodně řídícího systému závodové elektrárny (spousta tlustoproudu všude okolo, starší technologická železobetonová budova s konstrukcí připomínající svou bytelností spíš bunkr). V Praze víme o několika Meinbergovic DCFkách vesměs v kancelářských budovách, vesměs se jedná o dražší PZF přijímače (v NTP serverech), vesměs s anténou na střeše, všechny bez problému (včetně jednoho analogového přijímače s pokojovou anténou pod sedlovou střechou). Máme hlášeny fatální problémy s otestovaným bezvadným (analogovým) přijímačem v konkrétní kancelářské budově na předměstí Hradce Králové (vlastně rekonstruovaný dvoupatrový obytný dům s cca 4 byty a půdou). Máme několik nezávislých hlášení o obtížném příjmu na různých místech v ostravské aglomeraci, i na venkovní anténu na střeše. Máme potvrzený úspěšný příjem na střeše kancelářského paneláku v rámci jedné továrny vo Veľkom Krtíši na středním Slovensku (přijímač PZF v serveru LanTime) - s anténou o dvě patra níž na fasádě to nešlo, na střeše ano. Taky máme hlášení od člověka, který není naším zákazníkem, ale provozuje kvalitní DCFkový přijímač vlastní výroby, že v místě jeho bydliště ve středních Čechách se nedávno objevil silný místní zdroj rušení o poměrně velkém dosahu v rámci města... (Update: měřící četa od ČTÚ dohledala tento zdroj rušení - někomu se v bytě zbláznil miniaturní spínaný zdroj, něco jako nabíječka mobilu.) Dílčí závěr: pokud jste pořídili DCFku pro nějaký průmyslový provoz, a nejste schopni přijímač rozběhat zkusmo napřed na stole v kanceláři Vaší projekčně-inženýrské firmy, nezoufejte - velmi pravděpodobně se jedná o lokální problém v kanceláři, a v průmyslovém provozu je překvapivě slušná šance na bezproblémový příjem. "Ve fabrice" je možná lepší šance na bezproblémový příjem, než v kanceláři nebo v domácnosti!
• Signál DCF77 přenáší jeden bit za vteřinu. Jednou za vteřinu je na signálu modulován pulz o šířce 100 nebo 200 ms (logická 0/1). Přenos celého rámce trvá minutu, ukončen je absencí pulsu. Pokud si na výstup demodulátoru připojíte reproduktor, slyšíte v optimálním případě pravidelné klapání v 1s taktu. Pouhým poslechem rozeznáte dlouhé a krátké pulzy, i konec rámce. Rozeznáte taky rušení - pulzy mimo takt a zákmity okolo užitečných hran. Stačí jeden chybně přijatý bit, a do minuty se rozsvítí červená kontrolka. Pokud v je následující rámec bezchybný, za další minutu červená kontrolka opět zhasne. Toto minutové "zpoždění reakce" červené kontrolky je dáno čistě délkou rámce DCF77. Je škoda, že přímý výstup demodulátoru u většiny přijímačů není vyveden na vnější konektory/svorkovnici - při hledání optimálního místa pro anténu je tento akustický odposlech velice užitečný. Firma Meinberg dodává tester síly pole, který má výstupem demodulátoru klíčovaný bzučák. Síla signálu je indikována ručkovým měřidlem s logaritmickou stupnicí cejchovanou v dBi. Jedním kusem tohoto testeru firma FCC PS disponuje. Cejchovaná stupnice není o moc lepší, než multimetr pověšený na AGC výstupu rozmontovaného přijímače, klíčovaný bzučák je o trochu méně užitečný než lupající repráček - ale nesporným přínosem originálního testeru jsou kompaktní rozměry a úhledná skříňka. Po dohodě jsme schopni otestovat příjem na konkrétním místě nebo pomoci nalézt optimální místo pro anténu.

Ionosférické úniky příjmu

Na závěr ještě upřesnění ohledně šíření signálu DCF77 v průběhu dne a noci. Hrubá představa, že přes den je užitečný signál slabší, a v noci silnější díky odrazu od ionosféry, je poměrně zjednodušená. Ano, signál se v noci odráží od vrstvy D v ionosféře. Takže u přijímače na zemském povrchu dochází ke složení (interferenci) zhruba dvou vln (trajektorií šíření): vlny čistě pozemní a vlny odražené od ionosféry. V závislosti na poloze přijímače a stavu ionosféry může součtem obou vln dojít k zesílení signálu, nebo k jeho zeslabení (třeba i docela citelnému, zřejmě až o několik desítek dB). Záleží na přesné vzájemné fázi a poměru amplitud obou vln v místě příjmu. Reálně se pak příjem chová zhruba tak, že obecně je v noci silnější, přesto několikrát za noc může dojít ke strmému krátkému "úniku" (doba trvání čtvrt hodiny nebo déle) - viz grafy síly signálu, naměřené improvizovaným "záznamníkem" na analogovém demodulátoru přijímače Meinberg DCF77C51:

Ústí nad Labem, anténa uvnitř místnosti, bez zesílení, délka vzorku 2 hodiny

Slovensko, považská nížina, anténa na střeše, vřazen zesilovač BLV = +10 dB, délka vzorku 2 dny

Slovensko, považská nížina, anténa na střeše, střídavě se zesilovačem a bez, délka vzorku 2 týdny

Poslední slovo má úroveň rušení v porovnání s okamžitou sílou užitečného signálu. Když užitečný signál utone v "šumovém pozadí", tak si s tím nakonec neporadí sebelepší přijímač. Mimochodem se nám při tomto měření potvrdilo, že digitální přijímače PZF jsou skutečně o poznání odolnější.
Jedna věc je síla užitečného signálu, ovlivňovaná ionosférou. A druhá věc je, že v noci sice obecně poklesne rušení z mnoha malých místních zdrojů, ale může zesílit případné průmyslové rušení ze silných vzdálenějších zdrojů... (svařovna s třísměnným provozem apod.)

Dostal se nám do ruky propagační materiál německého úřadu, který vysílání a monitorování DCF77 zajišťuje z pracovišť v Mainflingenu kousek od Frankfurtu (vysílač) a v Braunschweigu (300 km daleko) - který existenci interferenčních úniků jednoznačně potvrzuje a podrobně vysvětluje. Pozemní vlna co do amplitudy převažuje cca do 300 km od vysílače - pak ale začíná výrazně slábnout, až po 2000 km prakticky neexistuje. Vlna odražená od ionosféry je slabší, ale také pomaleji slábne, takže se dá přijímat i ve vzdálenostech přes 2000 km (existují věrohodné zmínky o přijímačích DCF77, které fungují v Kanadě). Noční interferenční úniky (a obecně kolísání síly signálu) se údajně projevují nejvíce ve vzdálenostech 600 až 2000 km. Což by vysvětlovalo pozorované pravidelné a výrazné úniky na konkrétním místě u našeho zákazníka v považské nížině na Slovensku, nějakých 700 km od Mainflingenu. Nicméně jsou docela výrazné i v Ústí nad Labem (cca 400 km od Mainflingenu) a jsou občas, s menším výkyvem, pozorovány i na zmíněném pracovišti "Spolkového fyzikálně-technického ústavu" v Braunschweigu.

Odkazy

Oficiální homepage vysílání DCF77 na webu PTB (Fyzikálně-technický ústav Národního metrologického institutu SRN)

Nezávislá webová stránka radioamatéra t5b6_de (Thomas Berends), která obsahuje logy příjmu DCF77. V datech jsou kromě tu a tam náhodné chyby v jednotlivém rámci k vidění také případné rozsáhlé výpadky vysílače, např. 17.1.2024 12:58-15:34 a 18.1.2024 01:28-06:21.