Znalost přesného a jednotného času se v řadě oborů a aplikací stává naprostou nezbytností. Proto jsou dnes časové informace šířeny všemi možnými prostředky, počínaje rádiovými vlnami a internetovými protokoly konče. Příjem rádiových časových informací je stále populárnější, protože jejich signál je dostupný téměř všude (rozumějme území ČR) a ceny přijímačů, hotových hodin, případně hodinek stále klesají. Přijímač tohoto rádiového signálu v hodinách a budících dnes jistě nikoho nepřekvapí a náramkové hodinky synchronizované "ze vzduchu" již nejsou něčím výjimečným. Podívejme se tedy na vysílaní časových signálů blíže.

Trochu z historie

První bezdrátové časové signály se začaly vysílat v USA a v Kanadě již roku 1905. Roku 1910 jako první v Evropě začalo vysílat Německo a Francie. Tato vysílání však nebyla koordinovaná, proto byla roku 1912 svolaná do Paříže mezinárodní časová konference, na které byl jednotně upraven program vysílání radiotelegrafických časových signálů.Dnes tyto telekomunikační služby řídí nebo koordinuje více organizací, například Mezinároní úřad pro váhy a míry (BIPM), Mezinároní služba pro rotaci Země (IERS), Mezinárodní telekomunikační společnost (ITU), Mezinárodní společnost pro geodézii a geofyziku (IUGG), Mezinárodní astronomická unie (IAU) a jiné.

Časové signály ve své nejjednodušší formě, určené na běžné používání v občanském životě, jsou všeobecně známé. Rozhlas a televize dnes vysílá 4bodové zvukové časové značky (tři kratší a jedna výraznější, do roku 1999 se vysílalo šest značek). Přesné okamžiky udává začátek časových značek, přičemž začátek poslední značky udává konec poslední minuty ve čtvrthodině.

Šíření časových signálů v České Republice, OMA 50

Významným podnětem rozvoje časových signálů byl Mezinárodní geofyzikální rok 1957/58. Pokusné vysílání přesného kmitočtu a časového signálu z hodin vyvinutých v ÚRE AV ČR u nás začalo rokem 1955, kolektivní stanicí OK1KAA na frekvenci 3,5 MHz, a dále pokračovalo vysíláním krátkovlnných stanic OMA 2,5 MHz a OLB5 3,170 MHz. Dlouhovlnné vysílání začalo 17. května 1957 stanicí OLP 48,6 kHz a vyústilo v dubnu 1958 vysíláním stanice OMA 50 na výhodném okrouhlém kmitočtu 50 kHz (který nám mohli všichni jen závidět). Tato stanice šířila svou normálovou frekvenci a časové signály vysílačem OMA 50 z Liblic u Českého Brodu výkonem 50 kW do T antény. Byli jsme tehdy první stanicí šířící časové signály na dlouhých vlnách na světě. Po definování Pražského koordinovaného času UTC(TP) (TP znemená Tempus Pragense) v lednu 1969 vysílala OMA 50 tento čas v mikrosekundové shodě se světovým koordinovaným časem UTC odvozovaným z cesiových atomových hodin v ÚRE. Od roku 1974 bylo zavedeno kódování v BCD tvořeném klíčováním fáze nosné o 180°, což byl technicky vyspělejší systém, než používal v té době vysílač DCF77 (vysílající teprve od září roku 1970, tj. 12 let po OMA 50). Škodou zůstává, že tehdejší výrobci časoměrné techniky neodhadli vývoj v oboru a neuvedli na trh výrobky řízené tímto signálem pro širší veřejnost. Nevýhodou bylo i to, že si provozovatel vysílače vyhradil jednodenní údržbovou přestávku měsíčně. Navíc bylo vysílání občas vypínáno na dobu i několik měsíců při údržbě ostatních anténních systémů provozovatele. Po tuto dobu bylo náhradní vysílání prováděno vysílačem Poděbrady, který měl výkon pouze 5 kW. A tak zájem o vysílání vysílače OMA 50 stále klesal, až bylo financování jeho provozu neúnosné a vysílač byl na jaře roku 1995 vypnut. Je ironií osudu, že OMA 50 zaniká zase jako jedna z prvních. Další podrobné informace o vzniku, vývoji a zániku vysílače OMA 50 lze nalézt v článku „OMA 50 in memoriam“ Ing. Vladimíra Ptáčka, který vyšel v časopise Říše hvězd 1-6/1997, z něhož jsou čerpány i tyto informace.

Zánikem sdělování přesného času a kmitočtu pomocí dlouhovlnného vysílače u nás ale chronometrie nezanikla. Koordinovaný čas UTC(TP), Tempus Pragense, platný od ledna 1969 je i nadále udržován v mikrosekundové shodě se světovým koordinovaným časem UTC pracovníky časové laboratoře ÚRE AV ČR v Praze-Kobylisích, kde jsou umístěny dva základní cesiové etalony, hlavní hodiny udržující čas UTC(TP) a měřicí technika GPS. Dosažená přesnost je 1.10^-14, k dispozici jsou výstupy na 10 MHz, 5 MHz a 100 kHz. Další dva cesiové normály jsou v budově ÚTB SPT Telecom v Praze na Žižkově. Pro koordinaci UTC(TP) s UTC bylo zpočátku používáno unikátní československé televizní metody, poté bylo využíváno navigačního systému LORAN-C a od září 1991 je využíván družicový navigační systém GPS, přičemž koordinace systémem LORAN-C zůstávala jako doplňková metoda a od televizních měření bylo upuštěno. Od kmitočtového normálu ÚRE AV ČR jsou se submikrosekundovou přesností odvozovány řádkové a snímkové synchronizační impulzy programu ČT 1 a ČT 2. Dále nosné kmitočty některých středovlnných vysílačů, které jsou provozovány Českými radiokomunikacemi, jsou dnes odvozovány od signálu vysílače DCF77. S ÚRE úzce spolupracuje Astronomický ústav AV ČR (AsÚ), který na ondřejovské observatoři fotografickým zenitteleskopem určuje vztah mezi UT1 a UTC(TP). Výsledky těchto měření jsou pak AsÚ publikovány např. ve Hvězdářských ročenkách.

DCF77

DCF 77 je německá stanice, která vysílá nepřetržitě na dlouhé vlně z vysílače v Mainflingen (50° 01" severní šířky, 09° 00" východní délky), asi 25 km jihovýchodně od Frankfurtu nad Mohanem. Provoz zajišťují společně Spolková pošta Telekom, která provozuje vlastní vysílač a antény, a Spolkový fyzikálně-technický ústav PTB Braunschweig, který odpovídá za řídící signál odvozovaný od atomových hodin. Stanice začala vysílat v září roku 1970.

Vysílač má výkon 50 kW s odhadovaným vyzářeným výkonem (ERP) asi 30 kW. Dosah vysílače je dle údajů PTB kolem 2000 km. K vysílání je určena 150 m vysoká (200 m vysoká záložní) vertikální všesměrová anténa s kapacitním nástavcem.

Seznam míst, kde je signál DCF77 přijímán:

• Danzig (Gdansk, Polsko) 800 km
• Lodz (Lodz, Polsko) 800 km
• Belgrade (Jugoslávie) 1100 km
• Stockholm (Švédsko) 1200 km
• Mallorca (Španělsko) 1200 km
• Trondheim (Norsko) 1400 km
• Teneriffa (Španělsko) cca. 2500 km, ovšem pouze v noci a s velmi dobrým přijímačem
• Jedda, Riath (Jemen) cca. 5500 km, pouze v noci, 3 až 4 hodiny s hodinami Junghans

Nosná frekvence

• normálová frekvence 77,5 kHz
• relativní odchylka frekvence nosné od nominální střední hodnoty za 10 dní < 0,5*10^-12, za 100 dní < 2*10^-13

Vysílač pracuje v trvalém provozu 24 hodin denně. Krátká přerušení (několik minut) jsou možná, pokud musí být přepnuto na rezervní vysílač nebo rezervní anténu při rušení nebo při údržbových pracích. Za bouřek mohou přicházet v úvahu i delší výpadky.

Volací značka vysílače je přenášena třikrát v hodině v 19., 39. a 59. minutě každé hodiny tónovou modulací nosné vlny kmitočtem 250 Hz znaky Morseovy abecedy bez přerušení vysílání časových značek.

Časové signály

Nosná vlna je modulována amplitudově sekundovými znaky. Na začátku každé sekundy (s výjimkou 59. sekundy každé minuty) je amplituda nosné snížena na dobu 0,1 s nebo 0,2 s asi o 25%. Začátek snížení nosné je přesný začátek sekundy (dříve to byl okamžik dosažení 70% plné amplitudy). Nesnížení amplitudy u 59. sekundy oznamuje následující minutový znak. Sekundové znaky jsou fázově synchronní s nosnou. Přenosem je časová odchylka, se kterou mohou být body sekundových znaků přijímány větší než u řízených atomových hodin. Příčinou toho je nepatrná šířka pásma vysílací antény, vlivy prostorových vln a možné interference. Přesto jsou při příjmu sekundových znaků ve vzdálenosti několika stovek kilometrů od vysílacího místa dosažitelné odchylky nižší než 0,1 ms.

Časový kód

Během každé minuty jsou přenášena čísla minuty, hodiny, dne, dne v týdnu, měsíce a roku pulzní modulací sekundových znaků v kódu BCD. Tento telegram platí vždy pro následující minutu. Přitom odpovídají sekundové znaky o délce 0,1 s binární nule a o délce 0,2 s binární jedničce. Přiřazení jednotlivých sekundových znaků k přenášené časové informaci ukazuje kódovací schéma. Tři kontrolní bity P1, P2 a P3 doplňují vždy předcházející informační slova (7 bitů pro minutu, 6 bitů pro hodiny a 22 bitů pro datum, včetně čísla dnu v týdnu) právě na sudý počet jedniček (sudá parita).
  Kódovací schéma

	M	minutová značka (vždy 0b)
	R	anténa: 0b - normální anténa, 1b - náhradní anténa
	A1	oznámení změny z SEČ na SELČ nebo naopak, 1 h před změnou (0b nic, 1b změna)
	Z1, Z2	Časová zóna (rozdíl v hodinách oproti UTC, 00b = +0 h, 01b = +1 h = SEČ, 10b = +2 h = SELČ, 11b = +3 h)
	A2	oznámení přestupné sekundy 1 h před změnou (0b nic, 1b změna)
	S	startovací bit kódované časové informace (vždy 1b)
	P1-P3	kontrolní bity (sudá parita)

Časové znaky Z1 a Z2 (č. 17 a 18) ukazují, na který časový systém se vztahuje vysílaná časová informace. Při vysílání SEČ jsou sekundové znaky Z1, Z2 = 01b, při vysílání SELČ jsou Z1, Z2 = 10b, ostatní kombinace 00b a 11b nejsou prozatím využívány.

Před přechodem z SEČ na SELČ, nebo naopak, se vysílá kromě toho vždy po celou jednu hodinu před změnou sekundový znak A1 (č. 16) = 1b. Toto prodloužení začíná při přechodu z SEČ na SELČ (z SELČ na SEČ) v 01:00:16 hodin SEČ (2:00:16 hodin SELČ) a končí v 01:59:16 hodin SEČ (02:59:16 hodin SELČ) .

Sekundový znak A2 (č. 19) oznamuje vložení přestupné sekundy. Vysílá se rovněž po jednu hodinu před zavedením přestupné sekundy jako A2 = 1b. Přestupné sekundy se zavádí ke stejnému časovému okamžiku do koordinované světové časové stupnice UTC, přednostně na konci poslední hodiny 31. prosince nebo 30. června. To znamená, že přestupné sekundy jsou u DCF77 vsunuty do zákonného času sekundu před 1. hodinou SEČ 1. ledna nebo před 2. hodinou SELČ 1. července. Při zavedení přestupné sekundy 1. ledna (1. července) začíná signalizace sekundovým znakem A2 v 00:00:19 hodin SEČ (01:00:19 hodin SELČ) a končí v 00:59:19 hodin SEČ (01:59:19 hodin SELČ).

Při zavedení přestupné sekundy trvá příslušná minuta 61 sekund, značka před 01:00:00 hodin SEČ (02:00:00 hodin SELČ) (59. sekundový znak) je vysílána snížená po dobu 0,1 s (0b) a příslušný znak vložené 60. sekundy je vynechán (minutová značka).

Klíčování fáze DCF77 nosné pseudonáhodnou sekvencí

Dodatečně k amplitudové modulaci (AM) je nosná DCF77 klíčována od roku 1983 pseudonáhodným fázovým šumem. Toho je dosaženo tak, že je fáze nosné klíčována zdvihem ±12% pesudonáhodnou binární sekvencí, přičemž střední hodnota fáze nosné zůstane nezměněna.

Pseudonáhodná sekvence je generována devítibitovým posuvným registrem, jehož výstupy na 5. a 9. bitu jsou vedeny přes hradlo XOR zpět na vstup posuvného registru. Pokaždé po uplynutí 200 ms od počátku sekundy je spuštěn posuvný registr ze stavu nula. Registr se zastaví po uplynutí úplného cyklu, což je přibližně 7 ms před dalším sekundovým znakem. Regitr je taktován frekvencí 645,8333333 Hz což je 120. subharmonická nosné frekvence 77,5 kHz. Doba celého cyklu posuvného registru je necelých 793 ms. Každým cyklem šumu je přenesen 1 bit, přičemž invertované pseudonáhodné pořadí odpovídá datovému stavu log. 1. Fázovým šumem je přenášena, až na vynechaný 59. sekundový znak u AM (signalizující minutový znak), stejná binární informace jako u AM. Namísto vynechaného 59. sekundového znaku u AM se při kódování sekvencí inverzního klíčování fáze nosné (SIK) signalizuje minutová značka deseti invertovanými pseudonáhodnými sekvencemi v 0. až 9. sekundě nové minuty.

Na příjímací straně se dá použitá pseudonáhodná sekvence reprodukovat jako hledající signál křížově korelovaný s přijímaným fázovým šumem. Křížová korelace ve spojení s pseudonáhodným fázovým šumem dovoluje přesné určení pozice časové značky v přijímaném signálu. Díky použití pesudonáhodného fázového šumu není rušen příjem amplitudově modulovaných časových signálů a také nejsou ovlivněny vlastnosti DCF77 jako vysílače normálové frekvence. Zavedením kódování časové informace SIK fáze nosné je umožněn příjem časové informace tímto druhem provozu ve větších vzdálenostech od vysílače při horším poměru signál / šum s větší odolností proti rušení, než tomu bylo při příjmu informace kódované poklesem amplitudy.

Telefonní časová služba PTB

Od roku 1995 poskytuje PTB telefonní časovou službu na tel. čísle +49 531 51 20 38. Pomocí této služby lze počítačem s telefonním modemem získat časovou informaci z atomových hodin v PTB přes veřejnou telefonní síť. Pro přenos časového protokolu je použito ASCII kódu, který používá většina modemů a počítačů. Přenášeny jsou následující informace: zákonný čas a datum včetně čísla dne v týdnu, týdnu v roce a dne v roce, koordinovaný světový čas UTC, datum přechodu ze středoevropského času SEČ na středoevropský letní čas SELČ a zpět, datum vložení přestupné sekundy, diferenci DUT1 (rozdíl mezi UT1 a UTC) a dále astronomický čas UT1.

Telefonní časová služba je schopna změřit dobu zpoždění šíření kódované časové informace telefonní linkou. Na straně přijímače je příchozí signál vysílán zpět vysílací straně. Za předpokladu. že je linka reciproká může systém podělením změřeného času dvěma korigovat vzniklé zpoždění přenášené časové informace. Touto technikou lze docílit nepřesnosti časového údaje v řádu několika milisekund.

Komunikační parametry jsou následující: modem CCITT-V.22, 1200 baud, 8bitová data ASCII, jeden stop bit, žádná parita. Změna z CR (carriage return) na LF (line feed) indikuje začátek každé přenášené sekundy. Informace přenesená před touto časovou značkou (náběžná hrana start bitu LF) odpovídá následující sekundě.

Synchronizace přes internet

Synchronizace času přes internet je možná pomocí protokolu NTP (Network Time Protocol). K dispozici jsou dva servery ptbtime1.ptb.de a ptbtime2.ptb.de poskytující čas UTC(PTB), který je k serverům vysílán z atomových hodin přes linky z optických vláken a pro kontrolu ještě z pomocného přijímače DCF77. Více o synchronizaci času přes internet naleznete v článku Přesný čas na PC prostřednictvím Internetu.

Výhled do budoucnosti

Protože je vysílač DCF77 od konce roku 1995 jediný svého druhu na evropském kontinentě (HBG Prangins, Švýcarsko - vypnut; OMA 50 vypnuta koncem roku 1995), jsou si PTB a Spolková pošta Telekom vědomy odpovědnosti za rozsáhlou síť časoměrných zařízení (i mimo území SRN) závislých na jejich vysílání. Díky tomu, že je dlouhovlnné vysílání technickou nenáročností přijímacího zařízení na straně uživatele jedním z nejvýhodnějších způsobů sdělování přesného času, podnikají obě instituce kroky k neustálému zlepšování technického vybavení stanice DCF77 a k zajištění její existence i do budoucnosti.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka autora - http://home.zcu.cz/~poupa/pccas.html
  
• Vysílání a příjem časové informace DCF77 (English version)
• Využití normálového kmitočtu DCF77 - DCF řízený generátor
• Příjem a vyhodnocení časového kódu DCF 77
   
• Mezinároní úřad pro váhy a míry (BIPM) - http://www.bipm.fr/
• Mezinároní služba pro rotaci Země (IERS) - http://hpiers.obspm.fr/