mk
Guest
Fri Nov 16, 2007 4:04 pm
Witam!
Przedstawiam opis moich skromnych doświadczeń z prób odbioru sygnału
DCF77 z modulacją PSK.
Sygnał DCF77 obok modulacji AM, został dodatkowo zmodulowany fazowo
512-sto bitową sekwencją pseudolosową (w sumie nic innego jak Spread
Spcectrum). Ma to na celu zwiększenie precyzji wykrywania momentu
nastawania kolejnych sekund jak i zwiększenia odporności na zakłócenia.
W różnych źródłach podane jest, że tym sposobem można osiągnąć
rozdzielczość pojedynczych mikrosekund.
Zacząłem od próby na sucho. Odszukałem w Internecie nagranie odebranego
sygnału DCF (http://alkon.republika.pl/glos.wav).
Następnie programem do obróbki plików dźwiękowych odszukałem
częstotliwość tonu dominującego, dalej przekształciłem ten plik z mono
na stereo. W kolejnym kroku, zmieszałem sygnał z przebiegiem sin o
częstotliwości tonu dominującego, przy czym sygnał sin w kanale lewym
był przesunięty o 90 stopni w stosunku do sin w kanale prawym. Tym
sposobem w jednym kanale powinien być zdemodulowany sygnał AM, a w
drugim odtworzona faza oryginalnego przebiegu - to w przypadku idealnego
trafienia w fazę sygnału - w innym przypadku przebiegi AM i fazy nie
będą idealnie rozdzielone, ale to nic.
Odfiltrowałem wysokie częstotliwości i przystąpiłem do analizy
korelacyjnej sygnału z przebiegiem pseudolosowym. Jak kilka źródeł
podaje (http://www.longwave.de/TSS.pdf) przebieg pseudolosowy jest
generowany przez LFSR taktowany częstotliwością 77500/120 (dodatkowo na
samym początku dodane jest jeszcze jedno "0", by liczba bitów wynosiła
512 i by zrównać liczbę "0" i "1").
Analiza korelacyjna dała wynik pozytywny: co sekundę wyraźne szpilki,
ale trochę wyglądające jak funkcja sinc (w sąsiedztwie, były inne,
mniejsze, "piki" korelacyjne.)
Dalszy krok to samodzielny odbiór sygnału. Wykorzystałem stare, radio AM
z pośrednią 465 kHz, po odpowiednim przestrojeniu heterodyny i obwodu
wejściowego. Jako, że radio było AM więc do detekcji modulacji fazy
trzeba było wykorzystywać inne sygnały w eterze, które zdudniają się z
sygnałem DCF. Głównie wykorzystywałem zdudnianie z nadajnikiem HGB (75
kHz) i 5 harmoniczną odchylania poziomego TV (78.125 kHz).
Dalsza analiza jak w poprzednim przypadku. Karta muzyczna próbkowała
sygnał z częstotliwością 11025 Hz. Piki korelacyjne bardzo wyraziste, po
powiększeniu o kształcie bliskim trójkątnemu - wszystko zgodnie z
teorią. Piki korelacyjne oddalone od siebie o 1 s z dokładnością do
pojedynczych próbek (jednej próbce odpowiada czas 1/11025 = ok. 0.1 ms)
Nastał czas na porównanie z sygnałem GPS - sygnał 1 pps doprowadziłem do
drugiego kanału karty muzycznej. Piki korelacyjne następowały po ok
3.2-3.3 ms od nastania impulsu 1 pps (po uwzględnieniu opóźnienia 200
ms). Opóźnienie wynikające z czasu dotarcia sygnału od nadajnika DCF do
mojej anteny wynosi 2.39 ms.
Występuje więc jeszcze dodatkowe opóźnienie rzędu 0.8 ms. No właśnie,
skąd ono? W sumie odbiornik AM może wprowadzić takie opóźnienie...
.... wykonałem więc inny prosty odbiornik, by tym razem nie zdawać się na
konieczność zdudniania z innymi sygnałami eteru jak i na trudne do
oszacowania opóźnienia. Do obwodu rezonansowego złożonego z anteny
ferrytowej i kondensatora strojeniowego dołączyłem prosty bufor
zbudowany z tranzystora BF245 i opornika. Dalej sygnał bezpośrednio na
kartę dźwiękową pracującą z częstotliwością próbkowania 192.000 kHz. Po
dostrojeniu obwodu rezonansowego, sygnał był DCF był ładnie widoczny na
analizatorze widma "Virtins Sound Card Spectrum Analyzer". Co ciekawe
sygnał HGB (po dostrojeniu obwodu antenowego na niego) okazał się nieco
silniejszy!
Przetwarzanie sygnału dokonałem podobnie jak poprzednio, przy czym
mieszanie wykonałem już bezpośrednio z częstotliwością 77500 Hz.
Przed przystąpieniem do analizy korelacyjnej przekształciłem plik
muzyczny do szybkości próbkowania 11025 Hz. "Piki" korelacyjne były
bardzo wyraźne. "Jittering" bardzo mały (odchylenie standardowe to ok 35
mikrosekund! - zapewne związane jest z małą częstotliwością próbkowania).
Zmierzone opóźnienie względem GPS znów 3.2-3.3 ms... :/ Coś jest nie
tak... może to coś źle z odbiornikiem GPS? Chyba nie, bo przyglądając
się sygnałowi AM można dostrzec rozpoczęcie opadania nośnej ok 2.6 ms po
impulsie 1 pps (osiągnięcie tutaj wysokiej dokładności pomiaru jest
trudne z uwagi na małą stromość zbocza i duże szumy).
Wszędzie gdzie czytałem, zwykle skąpe opisy, było napisane, że pierwszy
bit sekwencji pseudolosowej pojawia się dokładnie 200 ms po nastaniu
nowej sekundy. W poniższym, najbardziej szczegółowym dokumencie
http://www.ptb.de/de/org/4/44/pdf/dcf77.pdf
też tak jest podane - chyba, bo po niemiecku co czwarte słowo rozumiem.
Zaczynam nabierać podejrzeń, że przed pierwszym bitem jest jeszcze "1/2
bitu" związane z przełączeniem fazy z 0 stopni na +/-10 stopni...
Takie "1/2 bitu" trwałoby 0.774 ms - mniej więcej tyle ile wynosi moje
nieznane opóźnienie.
Spróbowałem otworzyć sekwencję pseudolosową z sygnału - pociąłem
odebrany przez 1 minutę sygnał fazy na kawałki o długości 1 s
zawierające całą sekwencje pseudolosową i tak by "pik" korelacyjny
wypadał zawsze w tym samym miejscu kawałka; kawałki korelujące ujemnie
"odwróciłem"; wszystkie kawałki uśredniłem. Po tych operacjach sekwencja
pseudolosowa jest widoczna "bardzo ślicznie". Na samym początku
sekwencji faktycznie zdaje się coś być, ale to może być tylko moja
iluzja - mimo uśredniania, szumy i zafalowania pozostają, co skutecznie
nie pozwala ocenić sytuacji.
Czy ktoś z Forowiczów ma doświadczenia z odbiorem PSK DCF77? Czy zna
ktoś jakiś bardziej szczegółowy opis sposobu modulowania PSK w sygnale
DCF77, niż w tych dokumentach, które przytoczyłem? Może w tym niemieckim
dokumencie coś niedoczytałem...
Albo jeszcze może jest inne wytłumaczenie owego opóźnienia?
ps. A sygnał czasu w Programie I PR (225 kHz) jak spóźniał ponad 30 ms,
tak nadal się spóźnia...
pzdr
mk
mk
Guest
Fri Nov 16, 2007 10:18 pm
Raven pisze:
Quote:
byc moze nie na temat byc moze wiesz.........
ale czy te twoje problemy nie wynikaja z roznic w "wysylanych czasach"
kiedys gdziesz czytalem ze na swiecei jest kilka "rodzajow" czasow na
swiece i sa one miedzy soba ciut rozbiezene byc moze DCF wysyla inny
czas niz GPS i jak dobrze pamietam to chyba jednak tak jest
Jak różni się czas DCF względem czasu UTC można zobaczyć na Bild 2 w
dokumencie:
http://www.ptb.de/de/org/4/44/pdf/dcf77.pdf
Jak widać odchyłka to kwestia kilkudziesięciu nanosekund.
Jeśli chodzi o GPS to czas GPS różni się, de facto, od UTC o całkowitą
liczbę sekund. Nastania kolejnych sekund w zegarach systemu GPS różnią
się od czasu nastania kolejnej sekundy UTC o wartość nie większą niż 1
s, a w praktyce wartość ta jest znacznie mniejsza - tak gdzieś
wyczytałem i było to raczej poważne źródło.
Różnica w moim pomiarze jest o trzy rzędy wielkości większa.
pzdr
mk
mk
Guest
Fri Nov 23, 2007 6:30 pm
mk pisze:
Quote:
Albo jeszcze może jest inne wytłumaczenie owego opóźnienia?
Sam sobie odpowiadam, ewentualnie proszę o uwagi.
Chyba jednak przyczyna jest inna, a jest nią antena wraz z obwodem
rezonansowym (cewka na rdzeniu ferrytowym + kondensator strojeniowy)...
Jeśli spojrzeć na charakterystykę fazową filtru RLC, gdzie wejściowym
sygnałem jest sygnał doprowadzony do uzwojenia sprzężonego z L, a
wyjściowym jest napięcie na C, to dla częstotliwości wyraźnie niższych
od częstotliwości rezonansowych przesunięcie fazy wynosi 0°; dla
częstotliwości wyraźnie wyższych niż częstotliwość rezonansowa
przesunięcie fazy dąży do 180°; w okolicach f rezonansowej mamy do
czynienia z przejściem od okolic 0° do okolic 180°.
Skoro mamy do czynienia z przekazywaniem sygnału przy pomocy modulacji
fazy, to zdawało mi się, że maksymalne opóźnienie jakie będzie
wprowadzać antena, to czas odpowiadający 180°, czyli połowa okresu
odpowiadającego częstotliwości 77500Hz, czyli ok 6.5s...
Taki tok rozumowania jest oczywiście błędny!
Przy szacowaniu opóźnienia sygnału bardziej właściwe jest obliczenie
opóźnienia grupowego (pochodna fazy względem częstotliwości). No i dla
obwodu RLC o dobroci 200 i dla częstotliwości rezonansowej równej
77500Hz otrzymuję opóźnienie grupowe ok. 0.8ms - brzmi dobrze, tylko, że
sygnał zajmuje szersze pasmo niż tylko jedna częstotliwość 77500Hz, a
przy takie dobroci obwodu rezonansowego, sąsiednie częstotliwości mają
już inne opóźnienia grupowe. Wykonałem więc symulację komputerową:
wygenerowałem sygnał modulowany fazowo analogiczny do sygnału DCF i
poddałem go filtracji symulującej tą wykonywaną przez filtr RLC. Tak
przekształcony sygnał dekoduję tak, jak podałem w poprzednim
obwieszczeniu. Otrzymane w wyniku symulacji opóźnienie wynosi 0.56 ms.
W rozważaniach podałem dobroć 200 bo na taką szacuję dobroć mojego
obwodu antenowego (baaardzo zgrubnie).
Symulacja pokazuje również, że rozstrojenie obwodu, powiedzmy o 1 kHz
pozwala zmniejszyć opóźnienie do wartości rzędu od nastu s do
kilkudziesięciu s - w zależności od założonej szerokości pasma na
jakiej nadawany jest sygnał DCF.
Czas na eksperymenty praktyczne:
Odbiór z możliwie dokładnie nastrojonym na 77500 kHz obwodem
rezonansowym. Opóźnienie odebranego sygnału względem sygnału 1pps GPS
(po dokonaniu korekty wynikającej z przebycia dystansu ok 710 km) wynosi
ok 1 ms (+/-100s).
Po rozstrojeniu obwodu o ok 2 kHz opóźnienie spada do ok 360 s
(+/-100s). Dalsze rozstrajanie uniemożliwia odebranie sygnału.
Z jednej strony teoria działa tj. opóźnienie zostało zredukowane, z
drugiej strony nie udało się zredukować opóźnienia całkowicie...
No i teraz jeszcze jak tu projektować antenę dla takiego odbiornika?
Można by stosować obwód antenowy złożony z anteny i kondensatora o
wysokim Q i kompensować wprowadzane opóźnienia, ale takie rozwiązanie
będzie wrażliwe na dostrojenie obwodu rezonansowego...
Można zmniejszać Q, ale tracić będziemy na jakości odbieranego sygnału...
Może jednak coś się da bardziej sprytnego wykombinować, co będzie dawać
przewidywalne opóźnienie grupowe?
Jak wykonane są anteny odbiorników systemu Loran-C(100kHz) ?
Konstruktorzy tych anten też musieli się zmierzyć z problemem opóźnień,
a jednak osiągnięto precyzję rzędu 1 s (szacuję na podstawie
dokładności pozycjonowania oferowanej przez ten system).
pzdr
mk