DCF77
| DCF77 Zeitcode-Sender ⓘ | |
|---|---|
 Die Niederfrequenz-T-Antennen von DCF77 in Mainflingen | |
| Standort | Langwellensender Mainflingen, Mainflingen, Deutschland |
| Koordinaten | 50°00′56″N 9°00′39″E / 50.01556°N 9.01083°EKoordinaten: 50°00′56″N 9°00′39″E / 50.01556°N 9.01083°E |
| Höhenlage | 113 m (371 ft) |
| Betreiber | Media Broadcast GmbH im Auftrag der PTB |
| Frequenz | 77,5 kHz |
| Leistung | 50 kW |
| Aufnahme des Betriebs | 1. Januar 1959; kontinuierliche Datums- und Zeitangaben wurden im Juni 1973 hinzugefügt |
| Offizielle Reichweite | 2.000 km (1.243 Meilen) |
| Website | DCF 77 |
DCF77 ist ein deutscher Langwellenzeitsignal- und Normalfrequenzsender. Er wurde am 1. Januar 1959 als Normalfrequenzsender in Betrieb genommen. Im Juni 1973 wurde er um Datums- und Zeitinformationen ergänzt. Der Haupt- und der Reservesender befinden sich in 50°0′56″N 9°00′39″E / 50.01556°N 9.01083°E in Mainflingen, etwa 25 km südöstlich von Frankfurt am Main, Deutschland. Der Sender erzeugt eine Nennleistung von 50 kW, wovon etwa 30 bis 35 kW über eine T-Antenne abgestrahlt werden können. ⓘ
DCF77 wird von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), dem nationalen Physiklabor Deutschlands, kontrolliert und sendet im Dauerbetrieb (24 Stunden). Sie wird von der Media Broadcast GmbH (früher eine Tochtergesellschaft der Deutschen Telekom AG) im Auftrag der PTB betrieben. Mit der Media Broadcast GmbH ist eine zeitliche Übertragungsverfügbarkeit von mindestens 99,7 % pro Jahr bzw. unter 26,28 Stunden jährlicher Ausfallzeit vereinbart worden. Bei den meisten Unterbrechungen handelt es sich um kurzfristige Unterbrechungen von unter zwei Minuten. Länger andauernde Unterbrechungen der Übertragungsdienste werden in der Regel durch starken Wind, gefrierenden Regen oder schneebedingte Bewegungen der T-Antennen verursacht. Dies äußert sich in einer elektrischen Verstimmung des Antennenschwingkreises und damit in einer messbaren Phasenmodulation des Empfangssignals. Wenn die Fehlanpassung zu groß ist, wird der Sender vorübergehend außer Betrieb genommen. Im Jahr 2002 wurde eine Verfügbarkeit von fast 99,95 % bzw. eine Ausfallzeit von etwas mehr als 4,38 Stunden erreicht. Der gesendete Zeitstempel wird je nach Sommerzeit entweder in Coordinated Universal Time (UTC)+1 oder UTC+2 gesendet. ⓘ
Das hochgenaue 77,5 kHz (3868,2897806 m Wellenlänge) Trägersignal wird von lokalen Atomuhren erzeugt, die mit den deutschen Hauptuhren in der PTB in Braunschweig gekoppelt sind. Das DCF77-Zeitsignal wird für die Verbreitung der deutschen gesetzlichen Zeit in der Öffentlichkeit verwendet. ⓘ
Funkuhren sind in Europa seit den späten 1980er Jahren sehr beliebt, und auf dem europäischen Festland nutzen die meisten von ihnen das DCF77-Signal, um ihre Zeit automatisch einzustellen. Das DCF77-Langwellensignal dringt bis in Gebäude ein, und die Zeitübertragungen können von kleinen Ferritantennen empfangen werden, die in funkgesteuerten preisgünstigen Zeitmessern ohne Außenantennen eingebaut sind. Die Genauigkeit der DCF77-amplitudenmodulierten Zeitsignale reicht für den alltäglichen Gebrauch von Uhren durch Verbraucher aus, bei denen es vor allem auf die Langzeitgenauigkeit ankommt. Weitere industrielle Zeitmessanlagen in Bahnhöfen, in der Telekommunikations- und Informationstechnik, in Rundfunk- und Fernsehanstalten werden mit DCF77 funkgesteuert, ebenso wie Tarifumschaltuhren von Energieversorgungsunternehmen und Uhren in Ampelanlagen. ⓘ
Die Sendefrequenz beträgt 77,5 kHz. Die Bezeichnung DCF77 ist das dem Sender zur internationalen Identifikation zugewiesene Rufzeichen. Er ist Teil der Sendeanlagen in Mainflingen. ⓘ
Seine im Sekundentakt gesendeten Zeitzeichen übertragen innerhalb einer Minute entweder die mitteleuropäische Zeit oder die mitteleuropäische Sommerzeit, im Gegensatz zu anderen Zeitzeichensendern nicht die Differenz dUT1 zwischen Erdrotationszeit und Atomzeit. Andere bekannte Zeitdienste sind MSF in England (60 kHz), France Inter in Frankreich (162 kHz), sowie die Sendergruppen RWM in Russland (4,996 MHz, 9,996 MHz und 14,996 MHz), WWV, WWVB, WWVH in den USA (60 kHz; 2,5, 5, 10, 15 und 20 MHz) und bis 2011 HBG in der Schweiz (75 kHz). ⓘ
Signal
Zeitsignal
Das DCF77-Sendesignal trägt ein amplitudenmoduliertes, pulsweitencodiertes 1-Bit/s-Datensignal. Das gleiche Datensignal wird zusätzlich mit einer 512 Bit langen Pseudozufallssequenz auf den Träger phasenmoduliert (Direct Sequence Spread Spectrum Modulation). Das übertragene Datensignal wird jede Minute wiederholt.
- Bits für das aktuelle Datum und die Uhrzeit;
- Schaltsekunden-Warnbit;
- Bevorstehender Wechsel von MEZ zu MESZ oder umgekehrt, Ankündigungsbit;
- Bit für mitteleuropäische Zeit (MEZ) / mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ);
- Bit zur Identifizierung eines abnormalen Senderbetriebs;
- Mehrere Paritätsbits. ⓘ
Experimentelles Notfallsignal des Zivilschutzes
Seit 2003 werden vierzehn bisher ungenutzte Bits des Zeitcodes für Notfallsignale des Zivilschutzes verwendet. Es handelt sich um einen Versuchsdienst, der eines Tages das deutsche Netz der Zivilschutzsirenen ersetzen soll. ⓘ
Katastrophenschutz- und Wettervorhersagesignal
Seit dem 22. November 2006 nutzt der DCF77-Sender die Bits 1-14 zur Übertragung von Warnmeldungen und Wetterinformationen. Unter der Verantwortung des Bundesamtes für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) können mit diesen 14 Bits Warnungen an die Bevölkerung übertragen werden. Als weitere Erweiterung des von DCF77 übermittelten Informationsgehaltes können entsprechend ausgerüstete Funkuhren eine viertägige Wettervorhersage für 60 verschiedene Regionen in Europa liefern. Die Vorhersagedaten werden von und unter der Verantwortung der Schweizer Firma Meteo Time GmbH bereitgestellt und in einem proprietären Übertragungsprotokoll übertragen. Dabei werden die gleichen 14 Bits verwendet, so dass die Kompatibilität mit den Übertragungsprotokollen der Warnmeldungen gewährleistet ist. Für die Entschlüsselung der Wettervorhersagedaten ist eine Lizenz erforderlich. Da die bisher für die PTB reservierten Bits verwendet werden, sollten ältere Funkuhren durch das Wetterdatensignal nicht beeinträchtigt werden. ⓘ
Zukunft und Rufzeichen
Der Signalverbreitungsvertrag zwischen der PTB und dem DCF77-Senderbetreiber Media Broadcast GmbH wird periodisch erneuert. Nach Verhandlungen im Jahr 2021 einigten sich die PTB und die Media Broadcast GmbH darauf, die Verbreitung der deutschen nationalen gesetzlichen Zeit für die nächsten 10 Jahre fortzusetzen. Um die Zuverlässigkeit der Übertragung und auch die Wartungsfreundlichkeit für den Betreiber zu verbessern, hat die Media Broadcast GmbH angekündigt, im Jahr 2022 einen zweiten fernsteuerbaren Hochleistungssender zu bauen. Die Anlagen werden dann komplett vor Ort dupliziert. Die PTB hat in der Vergangenheit geäußert, dass sie neue Verhandlungen aufnehmen wird, wenn Modernisierungsmaßnahmen an der Sendeanlage zur Verbesserung der europaweiten Empfangssicherheit des Signals für notwendig erachtet werden. ⓘ
Das Rufzeichen DCF77 steht für D = Deutschland, C = Langwellensignal, F = die Langwellensender auf dem Gelände der Sendestation Mainflingen (wegen der Nähe zu Frankfurt am Main), 77 = Frequenz: 77,5 kHz. ⓘ
Angaben zum Zeitcode
Wie die meisten Langwellenzeitsender (ähnlich dem 162 kHz 800 kW TDF-Zeitsignal aus Frankreich) kennzeichnet DCF77 die Sekunden durch Reduzierung der Trägerleistung für ein Intervall, das mit der Sekunde beginnt. Die Dauer der Absenkung wird variiert, um ein Bit des Zeitcodes pro Sekunde zu übertragen, was sich jede Minute wiederholt. Der Träger wird so synchronisiert, dass der steigende Nulldurchgang in der Sekunde erfolgt. Alle Modulationsänderungen erfolgen ebenfalls bei steigenden Nulldurchgängen. ⓘ
Amplitudenmodulation
Das DCF77-Signal verwendet die Amplitudenumtastung, um digital kodierte Zeitinformationen zu übertragen, indem die Amplitude des Trägers zu Beginn jeder Sekunde für 0,1 oder 0,2 Sekunden auf 15 % des Normalwerts (-16½ dB) reduziert wird. Eine Reduzierung um 0,1 Sekunden (7750 Zyklen der Trägeramplitude von 77500 Hz) bedeutet eine binäre 0; eine Reduzierung um 0,2 Sekunden bedeutet eine binäre 1. Als Sonderfall wird die letzte Sekunde jeder Minute ohne Trägerleistungsreduktion markiert. ⓘ
Bis 2006 gab es auch eine Morsecode-Stationskennung, die in den Minuten 19, 39 und 59 jeder Stunde gesendet wurde, die jedoch eingestellt wurde, da die Station anhand des charakteristischen Signals leicht zu erkennen ist. Ein 250-Hz-Ton wurde durch eine Rechteckwelle erzeugt, die den Träger zwischen 100 % und 85 % Leistung modulierte, und dieser Ton wurde verwendet, um einen Buchstaben pro Sekunde zwischen den Sekundenmarken zu senden. In den Sekunden 20-32 wurde das Rufzeichen "DCF77" zweimal gesendet. ⓘ
Das Rufzeichen des Senders, festgelegt in der Internationalen Frequenzliste der ITU, lautet „DCF77“. Es leitet sich ab von D für Deutschland, C für Langwellensender, F wegen der Nähe zu Frankfurt, sowie der Zahl 77 für die Trägerfrequenz 77,5 kHz. ⓘ
Phasenmodulation
Darüber hinaus wird für 793 ms, beginnend bei 200 ms, jedes Zeitcode-Bit mit Direktsequenz-Spreizspektrum übertragen. Das Bit wird mit einer 512-Bit-Pseudo-Zufalls-Chipsequenz gemischt und mit ±15,6° Phasenumtastung auf dem Träger kodiert. Die Chipsequenz enthält von jeder Phase den gleichen Anteil, so dass die durchschnittliche Phase unverändert bleibt. Jeder Chip erstreckt sich über 120 Zyklen des Trägers, so dass die genaue Dauer der Zyklen 15500 bis 76940 von 77500 beträgt. Die letzten 560 Zyklen (7,22 ms) einer jeden Sekunde sind nicht phasenmoduliert. ⓘ
Die Chipsequenz wird von einem 9-Bit-Schieberegister mit linearer Rückkopplung (LFSR) erzeugt, wiederholt sich jede Sekunde und beginnt mit 00000100011000010011100101010110000.... ⓘ
Eine Softwareimplementierung eines Galois-LFSR kann die gesamte Chipsequenz erzeugen:
unsigned int i, lfsr;
lfsr = 0; <span title="Aus: Englische Wikipedia, Abschnitt "Phase modulation"" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77#Phase_modulation <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>
for (i = 0; i < 512; i++) {
unsigned int chip; <span title="Aus: Englische Wikipedia, Abschnitt "Phase modulation"" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77#Phase_modulation <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>
chip = lfsr & 1;
output_chip(chip); <span title="Aus: Englische Wikipedia, Abschnitt "Phase modulation"" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77#Phase_modulation <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>
lfsr >>= 1;
if (chip || !lfsr)
lfsr ^= 0x110;
}Jedes zu übertragende Zeitcode-Bit wird mit dem LFSR-Ausgang exklusiv verknüpft. Die endgültige Chipsequenz wird zur Modulation der Sendephase verwendet. Bei 0 Chips wird der Träger mit einer Phasenverschiebung von +15,6° gesendet, während er bei 1 Chip mit einer Phasenverschiebung von -15,6° gesendet wird. ⓘ
Anstelle der speziellen Minutenmarkierung, die im Amplitudencode verwendet wird, wird Bit 59 als normales 0-Bit übertragen, und die ersten 10 Bits (Sekunden 0-9) werden als binäre 1 übertragen. ⓘ
Im Vergleich zur Amplitudenmodulation nutzt die Phasenmodulation das verfügbare Frequenzspektrum besser aus und führt zu einer präziseren Zeitverteilung im Niederfrequenzbereich mit geringerer Empfindlichkeit gegenüber Störungen. Die Phasenmodulation wird jedoch von vielen DCF77-Empfängern nicht genutzt. Der Grund dafür ist die weltweite Verfügbarkeit der (präzisen Zeitreferenz-) Signale, die von globalen Navigationssatellitensystemen wie dem Global Positioning System (GPS), GLONASS, Galileo und BeiDou übertragen werden. Aufgrund der GPS-Signalstruktur und der größeren verfügbaren Bandbreite würde der GPS-Empfang im Prinzip eine Unsicherheit der Zeitübertragung erreichen, die um mindestens eine Größenordnung geringer ist als die Unsicherheit, die mit DCF77-Phasenmodulations-Empfangshardware erreicht werden kann (die GPS-Zeit ist auf etwa ± 10 bis 30 Nanosekunden genau, und der vierteljährliche Galileo-Leistungsbericht April, Mai, Juni 2021 des Europäischen GNSS-Dienstzentrums meldet, dass die Genauigkeit des UTC-Zeitverbreitungsdienstes ≤ 4. 3 ns, berechnet durch Akkumulation von Stichproben über die letzten 12 Monate und Überschreitung des Ziels von ≤ 30 ns). ⓘ
Interpretation des Zeitcodes
Die Zeit wird in binär kodierten Dezimalzahlen dargestellt. Sie entspricht der zivilen Zeit, einschließlich der Sommerzeitumstellung. Die übermittelte Zeit ist die Zeit der folgenden Minute; z.B. während des 31. Dezembers 23:59, kodiert die übermittelte Zeit den 1. Januar 00:00. ⓘ
Die ersten 20 Sekunden sind spezielle Flaggen. Die Minuten werden in den Sekunden 21-28, die Stunden in den Sekunden 29-34 und das Datum in den Sekunden 36-58 kodiert. ⓘ
Zwei Flaggen warnen vor Änderungen am Ende der aktuellen Stunde: ein Wechsel der Zeitzone und das Einfügen einer Schaltsekunde. Diese Flaggen werden in der Stunde vor dem Ereignis gesetzt. Dazu gehört auch die letzte Minute vor dem Ereignis, in der die anderen Timecode-Bits (einschließlich der Bits für die Zeitzonenanzeige) die Zeit der ersten Minute nach dem Ereignis kodieren. ⓘ
| Bit | Gewicht | Bedeutung | Bit | Gewicht | Bedeutung | Bit | Gewicht | Bedeutung ⓘ | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PhM | AM | PhM | AM | PhM | AM | ||||||||
| :00 | 1 | M | Beginn der Minute. Immer 0. | :20 | S | Beginn der kodierten Zeit. Immer 1. | :40 | 10 | Tag des Monats (Fortsetzung) | ||||
| :01 | 1 | Zivile Warnbits, bereitgestellt durch das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenwarnung (Bundesamt Bevölkerungsschutz und Katastrophenwarnung). Enthält auch Wettersendungen. |
:21 | 1 | Minuten 00–59 |
:41 | 20 | ||||||
| :02 | 1 | :22 | 2 | :42 | 1 | Tag der Woche Montag=1, Sonntag=7 | |||||||
| :03 | 1 | :23 | 4 | :43 | 2 | ||||||||
| :04 | 1 | :24 | 8 | :44 | 4 | ||||||||
| :05 | 1 | :25 | 10 | :45 | 1 | Nummer des Monats 01–12 | |||||||
| :06 | 1 | :26 | 20 | :46 | 2 | ||||||||
| :07 | 1 | :27 | 40 | :47 | 4 | ||||||||
| :08 | 1 | :28 | P1 | Gerade Parität über die Minutenbits 21-28. | :48 | 8 | |||||||
| :09 | 1 | :29 | 1 | Stunden 0–23 |
:49 | 10 | |||||||
| :10 | 0 | :30 | 2 | :50 | 1 | Jahr innerhalb des Jahrhunderts 00–99 | |||||||
| :11 | 0 | :31 | 4 | :51 | 2 | ||||||||
| :12 | 0 | :32 | 8 | :52 | 4 | ||||||||
| :13 | 0 | :33 | 10 | :53 | 8 | ||||||||
| :14 | 0 | :34 | 20 | :54 | 10 | ||||||||
| :15 | R | Rufbit: abnormaler Senderbetrieb. Zuvor: Ersatzantenne in Betrieb. | :35 | P2 | Gerade Parität über Stundenbits 29-35. | :55 | 20 | ||||||
| :16 | A1 | Ankündigung der Sommerzeit. Wird während der Stunde vor der Umstellung eingestellt. |
:36 | 1 | Tag des Monats. 01–31 |
:56 | 40 | ||||||
| :17 | Z1 | Wird auf 1 gesetzt, wenn MESZ gilt. | :37 | 2 | :57 | 80 | |||||||
| :18 | Z2 | Auf 1 setzen, wenn MEZ in Kraft ist. | :38 | 4 | :58 | P3 | Gerade Parität über die Datumsbits 36-58. | ||||||
| :19 | A2 | Ankündigung der Schaltsekunde. Wird während der Stunde vor der Schaltsekunde gesetzt. |
:39 | 8 | :59 | 0 | Minutenmarke: keine Amplitudenmodulation. | ||||||
Im Falle einer zusätzlichen Schaltsekunde wird in der Sekunde 59 ein 0-Bit eingefügt, und das spezielle fehlende Bit wird in der Schaltsekunde selbst, der Sekunde 60, übertragen. ⓘ
Obwohl der Zeitcode nur zwei Ziffern des Jahres enthält, ist es möglich, aus dem Wochentag zwei Bits des Jahrhunderts abzuleiten. Da der gregorianische Kalender die Wochen alle 400 Jahre wiederholt, besteht immer noch eine 400-Jahres-Mehrdeutigkeit, aber dies reicht aus, um zu bestimmen, welche Jahre, die auf 00 enden, Schaltjahre sind. ⓘ
Die Bits der Zeitzone können als binär codierte Darstellung des UTC-Offsets betrachtet werden. Z1 steht für UTC+2, während Z2 für UTC+1 steht. ⓘ
Die Phasenmodulation kodiert im Allgemeinen dieselben Daten wie die Amplitudenmodulation, unterscheidet sich jedoch bei den Bits 59 bis einschließlich 14. Bit 59 (keine Amplitudenmodulation) ist als 0-Bit phasenmoduliert. Die Bits 0-9 sind als 1-Bit phasenmoduliert, und die Bits 10-14 sind als 0-Bit phasenmoduliert. Die Zivilschutzwarnungen und Wetterinformationen sind nicht in den phasenmodulierten Daten enthalten. ⓘ
Die Struktur der Bits für den Feldversuch zur Bevölkerungswarnung im Katastrophenfall hat folgenden Aufbau:
| Kurzblock | Kurzblock | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bit-Nr. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Bedeutung | A | D1 | D2 | P1 | D3 | P2 | P3 | A | D1 | D2 | P1 | D3 | P2 | P3 |
| Langblock | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bit-Nr. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Bedeutung | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 | D9 | P4 | D10 | D11 | D12 | P5 | D13 | P6 | P7 |
- A: Alarmbit, Hinweis, dass nachfolgend Adressdaten übermittelt werden
- Dx: Datenbits
- Px: Sicherungsbits, Paritätsbits ⓘ
Die übermittelten Daten wurden doppelt gesichert: Paritätsbits und Wiederholung der Übermittlung. Der Kurzblock, in der ersten Minute zweimal gesendet, enthält eine grobe Einteilung der Bundesrepublik in drei Regionen. Der Langblock, in der zweiten und dritten Minute gesendet, enthält die feinere Gliederung der im Kurzblock übermittelten Region bis hinunter auf Kreisebene. ⓘ
Empfangsbereich
Mit einer relativ hohen Leistung von 50 kW können die DCF77-Sendungen in weiten Teilen Europas, bis zu 2.000 km vom Sender in Mainflingen entfernt, zuverlässig empfangen werden. In diesem Bereich beträgt die Signalstärke des DCF77-Signals nach Angaben der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ≥ 100 µV/m. Diese Signalstärkeabschätzung wurde nach dem Reflexionsmodell mit einer Reflexion (ein Hop) an der ionosphärischen D-Schicht vorgenommen. Beispielsweise ist der Empfang mit Consumer-Uhren - vorausgesetzt, die verwendete Funkuhr schafft den Empfang mit ≈ 100 µV/m Signalstärke - in Norwegen (Bodø), Russland (Moskau), der Türkei (Istanbul), Gibraltar und Portugal (während der Nachtstunden) möglich. Metallstrukturen oder Störungen durch andere elektronische Geräte können in diesem Bereich zu Empfangsproblemen führen. Bei kürzeren Entfernungen ist die DCF77-Signalstärke wesentlich höher. Beispielsweise beträgt die erwartete Signalstärke der Bodenwelle unter 500 km vom Sender in Mainflingen ≥ 1 mV/m. ⓘ
Abhängig von der Signalausbreitung, Mehrfachreflexionen (Hops) und lokalen Störungen kann das DCF77-Signal manchmal auch weiter entfernt empfangen werden (siehe troposphärische Ausbreitung). Dies ist mit einer deutlichen Abnahme der Signalstärke verbunden und hängt von vielen Faktoren ab, z. B. von der Tages- und Jahreszeit, dem Einfallswinkel der Himmelswelle auf die D-Schicht und der Sonnenaktivität. ⓘ
Steuerung
Das Steuersignal wird nicht auf dem Drahtweg von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig zur Sendestation in Mainflingen übertragen, sondern am Ort der Aussendung mit einem von der PTB entwickelten Steuergerät erzeugt. Dieses Steuergerät, das in einem klimatisierten Raum der Sendestation untergebracht ist, ist gegen hochfrequente Störungen abgeschirmt und wird von Braunschweig aus gesteuert. Aus Gründen der Betriebssicherheit wird das Steuersignal von drei unabhängigen Steuerkanälen erzeugt, die alle mit einer eigenen Cäsium-Atomuhr ausgestattet sind. Zusätzlich steht vor Ort eine Rubidium-Atomuhr zur Verfügung. Um Fehlausstrahlungen zu vermeiden, werden die Ausgaben dieser drei Kanäle in zwei elektronischen Schaltkreisen vor Ort verglichen. Nur wenn mindestens zwei der drei Kanäle übereinstimmen, wird ein Ausgang für die Übertragung erzeugt. Über das öffentliche Telefonnetz können mit Hilfe eines Fernwirksystems Betriebsdaten des Steuergerätes abgerufen werden. Außerdem werden in Braunschweig die Trägerphasenzeit und die Zustände der Sekundenmarken mit den Sollwerten der Atomhauptuhren der PTB verglichen, die die UTC (PTB) liefern. Von diesen Atomuhren liefert die CS2-Atomuhr in Braunschweig das nationale gesetzliche Zeitnormal in Deutschland und kann als hochgenaues Frequenznormal verwendet werden. Bei Abweichungen werden die notwendigen Korrekturen über das Fernwirksystem vorgenommen. ⓘ
Ganggenauigkeit
Übertragung
Die relative Unsicherheit der übertragenen DCF77-Trägerfrequenz beträgt 2 × 10-12 über einen Zeitraum von 24 Stunden und 2 × 10-13 über 100 Tage, wobei die Phasenabweichung gegenüber der UTC nie mehr als 5,5 ± 0,3 Mikrosekunden beträgt. Die vier deutschen primären Cäsium-Atomuhren (CS1, CS2, CSF1 und CSF2), die von der PTB in Braunschweig verwendet werden, gewährleisten eine deutlich geringere Langzeitdrift als die in der DCF77-Anlage in Mainflingen verwendeten Atomuhren. Mit Hilfe der externen Korrekturen aus Braunschweig wird erwartet, dass die Steuereinheit von DCF77 in Mainflingen in etwa 300.000 Jahren weder eine Sekunde gewinnt noch verliert. ⓘ
Theoretisch sollte eine DCF77-gesteuerte externe Uhr in der Lage sein, sich auf die Hälfte der Periode der übertragenen 77,5 kHz Trägerfrequenz des DCF77-Signals oder auf ± 6,452 × 10-6 s oder ± 6,452 Mikrosekunden zu synchronisieren. ⓘ
Empfang
Aufgrund des Ausbreitungsprozesses, der Phasen- und/oder Frequenzverschiebungen in den empfangenen Signalen ist die in der Praxis erreichbare Genauigkeit geringer als ursprünglich mit den Atomuhren am Ort der Übertragung. Wie bei jedem Zeitsignal-Funksender wird die genaue Zeitbestimmung durch die Entfernung zum Sender beeinflusst, da sich das Zeitsignal mit Lichtgeschwindigkeit zu einem Zeitsignalempfänger ausbreitet. Bei einem DCF77-Empfänger, der 1.000 km vom DCF77-Sender entfernt ist, wird der Empfänger aufgrund der Laufzeitverzögerung mehr als 3 Millisekunden zu spät eingestellt. Eine solch geringe Abweichung ist selten von Interesse, und falls gewünscht, können Zeitempfänger mit Instrumentenqualität um die Transitverzögerung korrigiert werden. ⓘ
Weitere Ungenauigkeiten können durch die Art der Welle verursacht werden, die der Empfänger aufnimmt. Wird reiner Bodenwellenempfang erwartet und ist der Empfangsort dauerhaft, kann eine Konstante in die Berechnung einbezogen werden, während bei reinen Raumwellen der Empfänger die Schwankungen nicht ausgleichen kann, da diese auf die wechselnde Höhe der reflektierenden und biegenden Schicht der Ionosphäre zurückzuführen sind. Ähnliche Probleme treten auf, wenn sich Boden- und Raumwellen überlagern. Dieses Feld ist nicht konstant, sondern ändert sich im Laufe des Tages zwischen ca. 600 und 1.100 km von der Senderposition. ⓘ
Korrigierte DCF77-Empfänger, die die amplitudenmodulierten Zeitsignale mit Begleitantennen nutzen, die tangential zur Antenne des Senders in Mainflingern ausgerichtet sind, um einen möglichst störungsfreien Zeitsignalempfang an festen Standorten zu gewährleisten, können eine praktische Genauigkeitsunsicherheit von besser als ± 2 Millisekunden erreichen. ⓘ
Zusätzlich zur amplitudenmodulierten Zeitsignalübertragung wird diese Information bei DCF77 seit Juni 1983 auch über eine Phasenmodulation der Trägerwelle mit einer pseudozufälligen Rauschfolge von 512 Bit Länge übertragen. Mit Hilfe der Kreuzkorrelation kann aus dem wiedergegebenen Signal auf der Empfangsseite der Beginn der zweiten Markierung wesentlich genauer bestimmt werden. Der Nachteil der Verwendung von phasenmodulierten Zeitsignalen liegt in der komplexen, instrumentengerechten Empfangshardware, die für den Einsatz dieser Zeitsignalempfangsmethode erforderlich ist. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat mit dieser Methode Standardabweichungen von ± 2 bis 22 Mikrosekunden zwischen UTC (PTB) und UTC (DCF77) gemessen, je nach Tages- und Jahreszeit. Dies geschah in Braunschweig, das 273 km (170 mi) vom Sender in Mainflingen entfernt ist. ⓘ
Normale preiswerte DCF77-Empfänger der Verbraucherklasse stützen sich ausschließlich auf die amplitudenmodulierten Zeitsignale und verwenden Schmalbandempfänger (mit 10 Hz Bandbreite) mit kleinen Ferritschleifenantennen und Schaltungen mit nicht optimaler digitaler Signalverarbeitungsverzögerung, so dass der Sekundenanfang nur mit einer praktischen Ungenauigkeit von ± 0,1 Sekunden bestimmt werden kann. Dies ist ausreichend für funkgesteuerte, preisgünstige Verbraucheruhren, die Quarzuhren von Standardqualität für die Zeitmessung zwischen den täglichen DCF77-Synchronisationsversuchen verwenden, da sie unmittelbar nach einer erfolgreichen Synchronisation am genauesten sind und von diesem Zeitpunkt an bis zur nächsten Synchronisation ungenauer werden. Einige DCF77-gesteuerte Quarzuhren für den Endverbraucher unterstützen die genaue Zeitmessung, indem sie ihre Zeit automatisch mehr als einmal über einen Tag verteilt synchronisieren und korrigieren. ⓘ
Mit optimierten Dekodieralgorithmen und keiner zu starken Bandbegrenzung im Empfangsfilter liegt die zeitliche Unsicherheit, mit der der exakte Beginn der amplitudenmodulierten Sekundenmarken erkannt werden kann, bei über 100 µs. Haushaltsübliche Funkuhren setzen schmalbandige Empfänger ein, mit üblichen Bandbreiten um 10 Hz, und können daher den Sekundenbeginn bei Verwendung der Amplitudenmodulation nur auf 0,1 s genau feststellen. ⓘ
Bei der Phasenmodulation mittels Pseudozufallsfolge (PZF) und Kreuzkorrelation im Empfänger liegt die absolute Genauigkeit bei 6,5 μs bis 25 μs, abhängig von Tages- und Jahreszeit, was gegenüber den amplitudenmodulierten Sekundenmarken eine Verbesserung der Zeitauflösung um den Faktor von ca. 1.000 bedeutet. ⓘ
Verwendung des Network Time Protocol als Referenzuhr
Bei Zeitservern steht die Kennung .DCFa. für einen Standard-DCF77-Empfänger als Referenzzeitquelle. Es wird hier die Amplitudenmodulation ausgewertet, die Auswertung der Phasenmodulation wird durch .DCFp. indiziert. ⓘ
Allgemein
Empfangsgebiet
Das DCF77-Signal kann – abhängig von der Tages- und Jahreszeit – bis zu einer Entfernung von etwa 2000 km empfangen werden. Bei Überreichweiten ist die Reichweite von Langwellen erheblich größer. Es sind Fälle bekannt, in denen sich Uhren in Kanada und auf den Malediven synchronisierten. ⓘ
Rechtliche Bedeutung
Im Zeitgesetz von 1978 wurde die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) mit der Verbreitung der gesetzlichen Zeit in Deutschland beauftragt. Vorher wurde diese Aufgabe vom Deutschen Hydrographischen Institut (DHI) wahrgenommen. Die über DCF77 verbreitete Zeitinformation stellt die offizielle Zeit der Bundesrepublik Deutschland dar. Das Zeitgesetz wurde 2008 durch das Einheiten- und Zeitgesetz abgelöst. Die Aufgabe der PTB, „die gesetzliche Zeit darzustellen und zu verbreiten“, ist darin übernommen worden. ⓘ
Übertragungsverfahren
Die Zeitinformationen werden sowohl mittels Amplitudenumtastung, das ist das ältere Verfahren, als auch seit Mitte 1983 und parallel dazu mittels Phasenmodulation, übertragen. Die Phasenmodulation erlaubt gegenüber der Amplitudenumtastung eine um mehrere Zehnerpotenzen genauere absolute zeitliche Auflösung zur Erkennung des Sekundenanfangs. Die Trägerfrequenz des Senders, also 77,5 kHz, stellt zusätzlich die Normalfrequenz dar. ⓘ
Phasenmodulation
Zusätzlich zur amplitudenmodulierten Zeitübertragung wird seit Juni 1983 die Information des Sekundenbeginns über eine Phasenmodulation des Trägers mit einer Pseudozufallsfolge (PZF) mit einer Länge von 512 Chips in einer Sekunde, der Zeitdauer eines Nutzdatenbits, übertragen. Die Chipfolge trägt dabei die idente Nutzdateninformation von einem Bit pro Sekunde wie bei der Amplitudenumtastung, je nach Zustand des Nutzdatenbits wird dazu die Chipfolge normal oder invertiert gesendet. ⓘ
Mittels Kreuzkorrelation der Pseudozufallsfolge kann der exakte Sekundenbeginn auf Empfangsseite genauer als bei der Amplitudenmodulation ermittelt werden. Damit die zusätzliche Phasenmodulation keine Störungen im AM-Betrieb verursacht, bleibt dabei die mittlere Phasenlage unverändert, d. h. die Chipfolge weist 256 zeitlich positive und 256 zeitlich negative Phasenverschiebungen pro Sekunde auf, die sich in Summe gegenseitig aufheben. ⓘ
Zusatznutzung
Alarmierung
Seit 1999 gibt es Untersuchungen und Versuche, über den Sender DCF77 zusätzlich Alarmierungen auszulösen, beispielsweise im Katastrophenschutz oder bei größeren Schadenslagen (Chemiekatastrophe, Hochwasser). Im Auftrag des Bundesministeriums des Innern führte die Firma HKW-Elektronik GmbH Ende 2003 zusammen mit Testteilnehmern aus Katastrophenschutzorganisationen einen Feldversuch zur Signalisierung von Alarmen in den Sekundenmarken 1 bis 14 des Signals durch. Laut PTB bewies dieser Test erfolgreich bundesweit die Zuverlässigkeit eines solchen Systems. Anfang 2004 legte die PTB mit dem Abschlussbericht dieses Testes dem Bundesinnenministerium nahe, den DCF77-Sender langfristig als Teil eines Systems zur Bevölkerungswarnung einzusetzen. ⓘ