Синхронизация по радиоканалу на примере систем, передающих эталонное время

Функция синхронизации времени, реализованная в электронных устройствах специального и бытового назначения, обеспечивает не только точность «домашнего», сиречь бытового,, электронного хронометра. Точность измеряемого времени важна в любых стратегических исследованиях, разработках, устройствах управления и безопасности. Невозможно преуменьшить важность определения точного значения времени и его синхронизации для электронных устройств бытового и особенно военного назначения. Сбой в таких системах может иметь очень серьёзные последствия. Именно поэтому синхронизация с эталоном времени очень важна. В данной статье мы разберём на примерах ситуацию, когда коррекция времени осуществляется не с помощью электронных систем Интернета вещей или Интернета вообще, а по радиоканалу. Как это происходит? Интеллектуальная технология, разработанная компанией RST, позволяет в автоматическом режиме произвести настройку часов и (или) метеостанции на точное время. Радиосигнал посылается на сверхдлинных волнах трижды в час (повтор 2 раза) между 20­й и 32­й секундой 19­й, 39­й и 59­й минуты.

Системы синхронизации времени

Существуют различные системы синхронизации времени. Все известные системы корректируют ход цифровых часов как ординарного инструмента учёта времени для миллионов пользователей, не нуждающегося в «ручной» коррекции времени. Однако существует общая проблема: связь по радиоканалу возможна только в условиях гарантированного приёма сигнала на LF. Для синхронизации часов диапазон LF выбран не случайно, а в связи с особенностями прохождения радиосигналов в эфире. В Японии разработана система синхронизации JJY, в США – система WWVB, есть и другие примеры. Для жителей европейской части России удобна немецкая система передачи сигналов точного времени DCF­77, имеющая некоторые особенности. Существуют аналогичные системы передачи в эфир эталонного времени и в России.

Российская Федерация полностью отказалась от массового радиовещания на длинных волнах примерно 10 лет назад, поэтому радиопередатчики высокой мощности уничтожены или законсервированы. Примеры законсервированного антенного хозяйства передатчиков можно найти на севере и юге Санкт­Петербурга (см. рис. 1).

Такие антенные поля могут пригодиться при соответствующей чрезвычайной ситуации – для массового радиовещания и (или) глушения сигналов «вражьих голосов», как это было во времена позднего СССР. По состоянию на 2021 год они бездействуют.

На показанном антенном поле находится площадка № 2 Передающего цеха радиовещания филиала «РТРС – Санкт­Петербургский РЦ». Во второй половине ХХ века его технические возможности использовались для обеспечения магистральных и зоновых радиосвязей, а также для противодействия вещанию западных радиостанций на СССР с использованием средневолновых передатчиков. Технологический комплекс включает 8 ДВ­передатчиков мощностью 10 кВт. Антенное хозяйство площадки состоит из 4 антенн­мачт типа «вертикальный цилиндр» высотой 50 м каждая, включая одну резервную. Длина радиоволны в диапазоне LF при частоте 77,5 кГц достигает 3868,2 метра, притом что эффективной является антенна в половину или четверть длины волны. Отсюда и размеры антенного поля: для мощного передатчика они расположены на площади в несколько гектаров (см. рис. 1).

Эталонный сигнал времени «отечественного производства» можно получить и в Москве. Это позволяет организовать производство в России собственного оборудования, включая бытовые электронные системы, на примере часов и метеостанций с радиокоррекцией времени. RWM – позывной группы КВ­передатчиков «Москва». Причём ординарный сигнал, взятый за эталон времени, находится во ВНИИФТРИ (Менделеево). Мощность передатчиков на частоте 4996 кГц составляет 5 кВт, на частотах 9996 кГц и 14 996 кГц – 8 кВт.

В данной системе используются типы модуляции N0N и A1A. Между 0 и 8 минутами после начала часа RWM передаёт немодулированную несущую. На 9­й минуте RWM передаёт собственный позывной в коде азбуки Морзе. Между 10 и 20 минутами после начала часа RWM передаёт радиоимпульсы каждую секунду, удвоенные импульсы обозначают разность между астрономическим (UT1) и атомным координированным (UTC) временем: каждый удвоенный импульс в первой трети минуты обозначает 0,1 с (DUT), во второй – 0,02 с (dUT). Если серии удвоенных импульсов начинаются с 1­й и 21­й секунды, то они обозначают положительную разность, в противном случае – отрицательную. Между 20 и 30 минутами после начала часа RWM передаёт 10 радиоимпульсов в секунду. Цикл и структура передающего сигнала регламентированы ГОСТ 8.323­2016 и повторяются каждые полчаса. В табл. 1 представлена часовая программа работы радиостанции с позывным RWM.

Сигналы времени 56, 57, 58, 59­й секунд, следующие после 9, 14, 19, 24, 29, 39, 44, 49, 54 и 59­й минуты, пропускаются. Альтернативный вариант – позывной RBU – длинноволновый передатчик точного времени и частоты на территории Радиоцентра № 3 (Талдом) с эталоном в том же центре в Менделеево. Сигнал передаётся на частоте 66²/₃ кГц или 66,(6) кГц с излучаемой мощностью 50 кВт. Каждые 100 мс передаётся один бит информации. Структура сигнала представлена в табл. 2.

Сигналы с поднесущей частотой 312,5 Гц используются для маркирования единиц («1») в двоичном коде. Сигналы с поднесущей частотой 100 Гц используются для маркирования нулей («0») в двоичном коде. Каждая секунда состоит из 10 битов: 6 из них фиксированы, два используются для определения конца минуты, два — для передачи информации. Информация о формате секунды в передающем коде представлена в табл. 3. В табл. 4 представлены сведения о формате временно́го кода.

Европейская система DCF­77

Для того чтобы послушать периодический сигнал точного времени «на слух», необходимо задать частоты 77,5 кГц при USB­модуляции. Есть возможность записать этот сигнал в память ПК, но это не главное. При наличии реального (не ПК) радиоприёмника, принимающего радиосигналы в диапазоне LF, получатся примерно те же результаты. Так можно понять структуру сигнала точного времени.

В России ориентируются на систему DCF­77 как наиболее доступную. Длинноволновая (LF) радиостанция мощностью радиоизлучения более 50 кВт работает на частоте 77,5 кГц и передаёт сигналы в АМ. Эта система известна с 50­х гг. ХХ века. О начале его круглосуточного вещания писали в 1959 году, в 1973­м к передаче по радиоканалу точного времени добавлена информация о текущей дате. А первые наручные часы «Аккутрон» с радиокоррекцией, с электромеханическим балансиром и встроенным микрорадиоприёмником выпущены в США в 1962 году фирмой Hamilton Watch Company. На рис. 2 представлена карта покрытия системы DCF­77, на которой можно увидеть Россию и другие страны.

На веб­странице [1] в режиме онлайн организован настраиваемый приёмник HF, MF и LF. Это проект радиоклуба ETGD при университете Твенте. На рис. 3 представлен скриншот настройки онлайн радиоприёмника.

Интерпретация сигналов точного времени в электронных устройствах

Сигнал точного времени принимается в кодированном виде и декодируется аппаратными средствами. Если опустить детали декодирования сигнала типичной АМ с применением огибающей сигнала с помощью преобразования Гильберта и сглаживания после фильтрации на выходе, получим сигнал почти прямоугольной формы, который можно наглядно анализировать (см. рис. 4).

Упрощённо это выглядит как битовая последовательность с относительно простой структурой сигнала. Как видно из рис. 5, импульсы поделены на секундные интервалы. К примеру, когда расстояние между импульсами составляет 0,1 с (при длине импульса 0,9 с), к битовой последовательности добавляют «0», а если расстояние 0,2 с (длина импульса 0,8 с), то добавляют «1».

Конец каждой минуты обозначается импульсом длиной 2 с, битовая последовательность обнуляется, и заполнение начинается заново. В результате получаем последовательность бит, что в конкретном примере для двух минут выглядит таким образом:

0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000;

0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000.

В сигнале присутствует дополнительный «слой» данных, где последовательность бит закодирована с помощью FМ. Эта дополнительная страховка делает передачу сигналов корректировки времени универсальной и обеспечивает устойчивое декодирование данных даже в зоне неуверенного приёма.

Биты передаются один раз в 1 с. Таким образом получается 59 бит информации. На рис. 5 представлена схема распределения информации.

Поясним данную схему. Первые 15 бит не используются, они зарезервированы на случай чрезвычайных ситуаций. Активный бит A1 указывает на то, что с наступлением следующего часового периода «хронометраж» переводится на летнее время. Бит А2 указывает, что в следующий час будет добавлена одна дополнительная секунда, которая используется для коррекции времени в соответствии с вращением Земли. Остальные биты кодируют часы, минуты и дату. Видно, что декодирование может быть организовано совсем несложным способом с применением простых микроконтроллеров по системе электронного подсчёта длины импульсов, сравниваемых с 60 битами, и в конце каждой минуты получается точное время.

Варианты развития идеи

Синхронизировать время можно посредством GPS­модуля с интерфейсом RS­432, выдающего информацию о координатах в NMEA, но и в этом способе есть проблемные вопросы, например, необходимость располагать приёмник в условной видимости спутника (желательно нескольких), что не всегда приемлемо. В условиях ограниченного помещения можно создать инженерное решение в формате беспроводной синхронизации, когда устройство по радиоканалу «раздаёт» сигнал точного времени в пределах одного здания, помещения. В условиях ограниченного помещения это можно осуществить на частоте 433 МГц с помощью коммутатора Lightcom­S100­8 с интерфейсом Ethernet 10/100. Коммутатор является узловым элементом сегмента сети и обеспечивает передачу пакетов между подключёнными к нему устройствами. Управление коммутатора построено на процессоре PIC18F452, что расширяет его возможности. А если применить микроконтроллер и RF­трансивер на 868 МГц или трансивер NRF24L01 (2,4 ГГц), то можно достичь результатов под задачи конкретного помещения для уверенной передачи сигналов в условиях уплотнённой застройки мегаполиса.

Практика улучшения приёма в бытовых условиях

В промышленных моделях устройств с функцией синхронизации времени тип синхронизации указан в названии модели (например, DCF или др.). Можно реализовать синхронизацию времени по радиоканалу на других частотах, к примеру, 433 МГц – от имитатора синхросигналов, расположенного неподалеку, или реализовать синхронизацию времени от GPS. Однако такие способы синхронизации времени (GPS, Интернет и др.) требуют больших затрат на оборудование и потребляемую электроэнергию, в то время как синхронизация времени по радио от источника в диапазоне LF может быть встроена дополнительной функцией (блоком) почти в любое бытовое электронное устройство – от наручных до вокзальных часов. Радиолюбители, работающие с конструкторами Arduino, давно освоили самоделки с громким названием «синхронизация с помощью атомных часов – “Atomic Clock”». Главное условие работоспособности системы синхронизации – позиционирование устройства в зоне уверенного приёма радиосигналов или принятие мер по улучшению уверенного приёма, к примеру, простыми способами, рассмотренными далее.

В диапазоне длинных волн LF (кодировка «ДВ» в России) из­за удалённости от европейских передатчиков приём не всегда будет уверенным. Случается, что часы, приобретённые в Финляндии, там работают хорошо, а в средней полосе России не могут поймать сигнал для синхронизации и, как следствие, «уходят» от точности. В зоне неуверенного приёма устройство функционирует лучше, если принять меры к удлинению штатной антенны. Это всего лишь мысль, но не лишённая практического обоснования. Вспомним, что старые радиоприёмники в диапазоне СВ и ДВ улучшали приём дальних станций, когда их устанавливали рядом с электропроводкой, выполняющей функцию дополнительной антенны.

На рис. 6 представлено электронное устройство – часы­будильник с синхронизацией по радиоканалу. Часы с функцией Radio Controlled Clock или Atomic Clock позиционируются как современное оборудование. Через несколько минут после включения устройство автоматически настроится на точное время.

Штатная антенна внутри корпуса устройства представляет собой небольшую катушку на ферромагнитной основе, установленную на печатной плате. Вскрыв корпус устройства, необходимо припаять в месте соединения штатной антенны и печатной платы отрезок одножильного монтажного провода типа МГТФ­0.6 или аналогичного длиной 1,5…2 м. Диаметр дополнительного проводника в данном случае непринципиален, провод свёрнут в петлю окружностью 50–60 см. Параметры длины провода и окружности петли условны и подбираются опытным путём, однако таким способом удалось восстановить функцию электронной синхронизации времени по радиоволнам для финских часов в 300 км к юго­востоку от Москвы. Эксперимент проводился в Рязанской области весной 2021 года. Следовательно, проверенная практикой теория может быть обсуждена и усовершенствована. Другим простым и бесконтактным способом улучшения радиоприёма в диапазоне LF будет металлическая линейка или иной проводящий ток штырь длиной от 1 м, на который в горизонтальной плоскости установлен корпус приёмного устройства (см. рис. 6). Частным случаем дополнительной антенны является развёрнутое на 2…3 м полотно рулетки, на которое установлено приёмное устройство. В двух последних случаях направления линейки, штыря и полотна рулетки выбирают экспериментальным путём.

Литература