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                     Informationen zum DCF77-Zeitsignal                    
 

 Mit dem Zeitgesetz vom 25. Juli 1978 hat die Physikalisch-Technische
 Bundesanstalt (PTB) den Auftrag erhalten, fuer die Bundesrepublik
 Deutschland die Gesetzliche Zeit darzustellen und zu verbreiten.

 Zur Wahrnehmung der ersten Aufgabe benutzt das Labor "Zeiteinheit" der PTB
 Braunschweig vier Atomuhren, CS1 bis CS4, die zu den genausten Frequenz-
 normalen weltweit gehoeren. Die Bezeichnung "CS" ist vom Caesium abgeleitet,
 dessen Eigenschaften in den verwendeten Atomuhren genutzt werden.

 Zur Verbreitung der (codierten) Zeitinformation dient der Sender DCF77 in
 Mainflingen, etwa 30 km suedoestlich von Frankfurt am Main. Er benutzt die
 Langwellenfrequenz 77,5 kHz, wodurch eine maximale Reichweite von 1000 bis
 1500 km bei nur 30 kW Sendeleistung erreicht wird. Auf diese Weise kann das
 Zeitsignal in ganz Mitteleuropa (zumindest nachts) empfangen werden.

 Das zur Zeitaussendung benutzte Kodierungsprinzip ist so klar strukturiert,
 dass man es wahrlich genial nennen kann. Die im Dauerstrich abgestrahlte
 Traegerfrequenz von 77,5 kHz wird zu Beginn jeder Sekunde einmal auf 25% der
 Normalamplitude abgesenkt ("Sekundenmarke").

 Diese Amplitudenmodulation kann entweder kurz (0,1 Sekunde) oder lang (0,2
 Sekunde) sein; eine kurze Marke entspricht einem digitalen LOW-Bit, die
 lange einem HIGH-Bit. Sammelt man die ankommenden Bits ein und decodiert sie
 entsprechend, erhaelt man die BCD-Codes von Uhrzeit, Datum und Wochentag.

 Um den kontinuierlich eintreffenden Bit-Strom empfaengerseitig
 synchronisieren zu koennen, fehlt in jeder Minute die 59. Sekundenmarke.
 Wenn eine Auswerteschaltung dieses "Loch" erkennt, weiss sie, dass mit dem
 Beginn der naechsten Sekundenmarke eine neue Minute und damit eine neue
 Datenuebertragung beginnt.

 Jede weitere Sekundenmarke ist dann anhand ihrer Nummer eindeutig zu
 identifizieren, und ihre Bedeutung liegt aufgrund des gewaehlten
 Codierungsschemas fest. Um beispielsweise eine "8" im BCD-Code zu
 uebermitteln, werden vier Marken uebertragen: 0 - 0 - 0 - 1 (die
 Uebertragung beginnt immer mit dem LSB).

 Die codierte Zeitinformation braucht fuer die Uebertragung des Minutenwertes
 7 Bits (vier fuer die Einer, denn diese koennen Werte von "0" bis "9"
 annehmen, und drei fuer die Zehner, welche erfahrungsgemaess nur bis maximal
 "5" gehen); fuer die Stunden genuegen 6 Bits (wieder vier fuer die Einer,
 aber nur zwei fuer die Zehner - maximal "2"), gleiches gilt fuer den
 Kalendertag. Der Monat benoetigt nur 5 Bits, der Wochentag 3 und zur
 Uebermittlung der Jahreszahl (00 bis 99) werden 8 Bits verwendet. Wo die
 einzelnen Informationen innerhalb des Datenstroms beginnen wird in der
 Grafik am Ende dieser Textdatei beschrieben.

 Insgesamt kommt man nach diesem Verfahren auf 35 Bits. Die Sekunden brauchen
 nicht mit uebertragen zu werden, weil die Auswerteelektronik dazu nur die
 Sekundenmarken mitzaehlen muss; beim Minutenbeginn (nach dem 59er-Loch) wird
 dieser Zaehler einfach auf Null zurueckgesetzt.

 Zur Sicherung fuegt man noch drei Paritaetsbits ein, die die
 Auswerteschaltung mit einbeziehen kann, so dass von den 59 Sekundenmarken
 die pro Minute zur Verfuegung stehen nur 38 zur Uebermittlung der Uhrzeit
 und des Datums verwendet werden. In den restlichen 21 Bits kann
 Zusatzinformation untergebracht werden; wie z.B. ein Marker fuer Sommerzeit,
 die Ankuendigung eines Wechsels von Sommer- auf Winterzeit (oder umgekehrt),
 sowie ein Hinweis auf eine nahende Schaltsekunde (die 61. Sekunde einer
 Minute; um "Gangfehler" der Erde auszugleichen).

 Die benutzten Atomuhren CS1 bis CS4 sind Eigenentwicklungen und -Bauten der
 PTB Braunschweig. Sie gelten als weltweit genaueste "Uhren", von denen es
 nur etwa zehn annaehernd vergleichbare Exemplare gibt.

 Eine Atom-"Uhr" nutzt folgenden physikalischen Effekt: Atome koennen
 verschiedene Energiezustaende einnehmen, die man z.B. mit (+) und (-)
 kennzeichnen kann. Fuehrt man den Uebergang von einen in den anderen
 Energiezustand herbei, erzeugen die Atome eine elektromagnetische Strahlung
 hoher Konstanz; durch aeussere Bestrahlung mit dieser Frequenz ist der
 Effekt umkehrbar. Dieser Effekt ist beim Caesium-133-Atom besonders
 ausgepraegt; dabei handelt es sich um ein gelbliches Metall, das bereits bei
 ca. 30 C schmilzt. In einer Atomuhr wird es bei rund 100 C zum Verdampfen
 gebracht, wobei Atome beider Energiezustaende austreten.

 Sie durchlaufen ein Magnetfeld, in dem die Atome unterschiedlich abgelenkt
 werden: Nur die (+)-Typen gelangen in den Hohlraumresonator, die (-)-Typen
 werden vom Magnetfeld eingefangen. Auf ihrem Flug durch den Resonator setzt
 man die Atome einer Bestrahlung mit der fuer Caesium typischen Frequenz von
 9,192631770 GHz aus, wodurch die meisten (+)-Atome wieder in den (-)-Zustand
 uebergehen. Die verbliebenen (+)-Atome werden nach erneutem Durchlaufen
 eines Magnetfeldes in einem Auffaenger gesammelt; der daraus resultierende
 Strom (im Pikoampere-Bereich!) ist um so kleiner, je besser der Beschuss im
 Resonator geklappt hat. Dieser Strom dient also als Stellgroesse fuer eine
 Frequenzregelschaltung, die die Bestrahlungsfrequenz von 9,192631770 GHz
 nachfuehrt. Frequenzteiler setzen diese krumme Mutterfrequenz herunter und
 leiten daraus sowohl die hochgenaue Traegerfrequenz von 77,5 kHz ab als auch
 die Sekunde als Grundbaustein der Zeitskala. Der mit dem alten Prunkstueck
 CS2 erzielbare Restfehler liegt im Bereich von 10^14; d.h. man ist damit in
 der Lage, eine Zeitspanne von 10^14 Sekunden auf die Sekunde genau
 anzugeben! Die so niedlich klingenden 10^14 sind immerhin gut 3 Millionen
 Jahre lang (wir wollen uns in diesem Zusammenhang nicht um ein paar
 zehntausend Jahre streiten)! Tatsaechlich gehen die CS2-Nachfolger auch in
 Jahrmillionen noch genau; sicherlich wird ihre relative Unschaerfe dann um
 Groessenordnungen kleiner sein als jetzt, was fuer heutige Generationen
 allerdings relativ bedeutungslos sein duerfte.

 Wer noch mehr Informationen zum DCF77-Zeitsignal benoetigt, sollte auf der
 wirklich gut gemachten "Funk-Uhr Homepage" vorbeischauen. Unter der
 Internetadresse "http://www.heret.de/funkuhr/index.htm" gibt es Bauplaene,
 Programme, Reichweitenberichte, Informationen, Tips und Logfiles zum DCF77-
 Signal. Sogar Tondokumente, mit denen das Signal auch akustisch wahrgenommen
 werden kann, sind vorhanden!


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                 Empfang eines DCF77-Signals in der Praxis                 
                  mit Kennzeichnung der einzelnen Ziffern                  
 

 Die kurzen und langen Impulse werden hier bereits durch ihre binaere
 Aequivalente "0" und "1" symbolisiert. Nach dem Synchronisationsimpuls
 werden die 59 Datenbits zu Beginn jeder Sekunde uebertragen. Ab der 21.
 Sekunde beginnt die Uhrzeit:

   Minutenbeginn (immer LOW)
    nach Bedarf kodiert, z.B. Betriebsinformationen
   
    Paritaet ueber Datum Ŀ
    hoeherwertige Kalenderjahresziffer Ŀ    
    niederwertige Kalenderjahresziffer Ŀ        
    hoeherwertige Kalendermonatsziffer Ŀ         
    niederwertige Kalendermonatsziffer Ŀ             
    Wochentag (1 = Montag, 7 = Sonntag) Ŀ                
    hoeherwertige Kalendertagesziffer Ŀ                  
    niederwertige Kalendertagesziffer Ŀ                      
                                                                   
    Paritaet ueber Stunde Ŀ                       
    hoeherwertige Stundenziffer Ŀ                         
    niederwertige Stundenziffer Ŀ                             
                                                                
    Paritaet ueber Minute Ŀ                              
    hoeherw. Minutenziffer Ŀ                                 
    nied. Minutenziffer                                      
                                                             
    Uhrzeitbeginn Ŀ                                      
                                                            
    Schaltsekunde Ŀ                                      
                                                           
    Winterzeit Ŀ                                      
    Sommerzeit Ŀ                                      
    Umstellung Ŀ                                      
                                                        
    Reserveant. Ŀ                                      
                                                       
  0 00000000000000 001001 1001 101 0 1100 01 1 1100 10 100 1001 0 1001 1001 0
 
             dekodiert:   9    5     3    2    3    1  1   9    0 9    9

 Alle Ziffern werden mit dem LSB zuerst uebertragen und sind BCD-kodiert. In
 diesem Beispiel ergibt sich also der 13.09.99, ein Montag. Die kodierte
 Uhrzeit ist 23:59. Die Sommerzeit (MESZ) ist aktiv. Es wird immer die
 Uhrzeit und das Datum der Minute uebertragen die nach der Uebertragung
 beginnt. Also wurde das erste Datenbit um 23:58:00, und das letzte Bit um
 23:58:58 empfangen. Um 23:58:59 wird kein Bit uebertragen um den Beginn der
 neuen Minute und damit den Beginn einer neuen Uebertragung zu signalisieren.


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