Unterschiede DCF77 zu PZF

Gleich vorweg was man eigentlich haben will, wenn man sich längere Zeit mit Thema beschäftigt ist eine PZF Uhr. Der Haken dabei ist das mir nur die die Firma Meinberg bekannt ist, die solche Geräte zu einem entsprechenden Preis bauen.
Die einfachen DCF77 Module von Ebay, Reichelt etc. sind zwar gut geeignet um mit wenig Geld in die Thematik Funkuhr, NTP, Raspberry PI oder Arduino einzusteigen, allerdings merkt man früher oder später das die Genauigkeit „stark“ (ca. ± 10ms) schwankt. Für ein paar € mehr sind übrigends die Module und Antennen von der Firma HKW-Elektronik GmbH sehr zu empfehlen.
Für den Anfang reicht dennoch ein einfaches Modul und später eine „richtige“ DCF77 Uhr sprich eine Baugruppe oder Standalone Gerät mit eigenem Quarz.
Es soll sich nur niemand so wie ich am Anfang wundern, wenn die Zeiten immer wieder abweichen und schwanken, auch wenn noch soviel Offsetwerte angepasst wurden :-).

Störanfälligkeit

DCF (Amplitudenmodulation)
Ein weiterer Nachteil, der reinen DCF77 Technik ist, die Tatsache das bei Gewitter oder einer Schlechtwetterfront zwischen Empfänger und Senderanlage bei Frankfurt der Empfang schnell ausfällt. Teilweise über mehrere Stunden, wodurch die Genauigkeit in Abhängigkeit zu dem verbauten Quarz weiter abfällt.
Hintergrund ist das bei dem 1970 in Dauerbetrieb geschalteten DCF77 pro Sekunde nur ein BIT gesendet wird. Dadurch wird eine ganze Minute benötigt, um alle Informationen zu übertragen.
Alle mir bekannten Empfänger von Firmen z.b Meinberg oder HOPF sammeln über wenigstens 3 Minuten die Informationen, um durch Vergleich festzustellen ob es durch Übertrags Fehler falsche Informationen gibt.Ebenso prüft die meiste Software bei den einfachen Modulen auf diese Weise ob die Zeitangaben plausibel sind, auch wenn es 3 einfache (Even/Gerade) Parity Bits gibt.

• Prüfbit 1: Bit 28 für die Minuten                             (für Bits 21-27)
• Prüfbit 2: Bit 35 für die Stunden                             (für Bits 29-34)
• Prüfbit 3: Bit 58 für das Datum ink Wochentag      (für Bits 36-57)

Die Prüfbits sind wie oben beschrieben auf Even (gerade) ausgelegt, dass heißt, wenn beispielsweise 3 BIT’s in dem Minuten Bereich eine 1 haben (ungerade Zahl) muss das Paritybit-1 (Bit/Sekunde 28) ebenfalls eine 1 haben, so das am Ende wieder eine gerade Anzahl an 1 rauskommt (Quersumme Modulo 2).
Ist der Empfang gestört laufen die Uhren auf Quarz Basis weiter. Fast immer sind einfache Quarze ohne jegliche Regelung und mit recht hoher Ungenauigkeit verbaut.

 

PZF (Pseudozufällige Bitfolge)
Das PZF Verfahren wurde bereits im Juni 1983 von der PTB eingeführt. Erforderlich zum Empfang ist ein Korrelationsempfänger. Meistens sind DCF und PZF Empfänger auf einer Baugruppe und können bei Fehlern im PZF System automatisch auf DCF runterschalten, wodurch sich eine gewisse Redundanz ergibt.
Die PZF Informationen werden mit einen Phasenhub von ± 14,6% auf das 77,5 kHz-Träger Signal von DCF77 auf moduliert und zwischen den Sekundenmarken mit Startpunkt 200ms übertragen und einem Ende von knapp 7ms vor der nächsten Minute (BIT-Spreizung).
Die Zahlen 0 oder 1 kommen jeweils zu gleichen Anteilen von 256 Stück vor. Ein kompletter Block besteht also aus 512 Bit mit einer Bit Länge von 120 Perioden der AM(DCF) Trägerfrequenz von 77,5kHz. Zur Erzeugung der Pseudo Zufallszahlen wird ein 9 Stufiges Schieberegister mit einem Takt von 645,833333Hz mit Rückkoppelung über ein XOR-Gatter an den Ausgängen 5 und 9 benutzt. Die 645,833333Hz entsprechen der 120 subharmonischen Trägerfrequenz von den bekannten 77,5 kHz.
Interessanterweise ergibt sich für einen kompletten 512 Bit Block daraus eine Übertragungslänge von gerade einmal 792,778 ms anstatt 512 Sekunden wie man vermuten könnte.
Da die Bit Reihenfolge und ΔT bekannt sind muss gar nicht der ganze Block empfangen werden. Die Firma Meinberg spricht von 70%, wohl hauptsächlich wegen der Genauigkeit. Selbst habe ich bei meiner PZ180PEX und Lantime-PZF509 auch bei 60% keine Probleme gehabt. Alles über 50% ergibt Sinn, um Übertragungsfehler auszuschließen da sich die Nullen und Einsen ja zu gleichen Teilen aufteilen. Bleibt man bei den 70% müssen aufgerundet nur 359 Bit a 1,55ms ≙≈556ms empfangen werden. Wobei kurze Lücken zum Empfang reichen, da ja bekannt ist wann eine 1 oder 0 kommen muss, ist es nötig die 359Bit in einem Block zu  empfangen.
Weiter unten ist ein kleines Programm von mir, um die PZF zu berechnen.

Fazit
Bei schlechtem Wetter sind 3 Minuten mit Baugruppen die Prüfen bzw. 1 Minute bei den einfachen DCF Modulen eine wirklich Lange Zeit. Dem PZF Verfahren reicht eine minimale Lücke, um erfolgreich einen Datenblock zu empfangen. Dazu aus dem Meinberg Handbuch:

Bei einem normalen DCF-Empfang benötigt der Empfänger etwa
12 Sekunden für die grobe und anschließend 5 Sekunden für die feine PZF-Synchronisation.
Erst danach werden Sekunden- und Minutenimpulse ausgegeben.

Getestet:
(Normal: Signal 100%, PZF 97%, Luftlinie 206 km)
9.August.2020: Gewitter direkt über dem Haus und laut „Regenradar APP“ einige zwischen hier und Frankfurt.
Auch meldet sich die Warn-app „Katwarn“ da es schwere Gewitter sowie Stark-regen gibt.
Ideale Voraussetzungen also, um im Härtetest mal einen Vergleich anzustellen. :- )
Meinberg AW02 Außenantenne -> Meinberg AV1 Verteiler/ Verstärker (4 Ausgänge).

• Meinberg C51 = kein Empfang (Freilauf)
• Meinberg PZF 509 (v2.0) Signal 91%, PZF 76%
• HOPF 6021 = kein Empfang (Freilauf)
• Meinberg PZF180PEX (v1.1)= Signal 98%, PZF 94%

 

Genauigkeit

DCF
Ein Grundsätzliches Problem bei dem AM Verfahren ist, dass man einfach nicht sagen kann wie lange die Übertragung denn gerade gedauert hat.
Das kann das PZF Verfahren wesentlich besser, kommt aber auch nicht an GPS ran. Zum einen gibt es eine Bodenwelle, also eine direkte Rundstrahlung deren Laufzeit noch gut berechnen kann (ca. 0,91 ms auf 273 km Luftlinie laut PTB). Zum anderen kann man auch eine Raumwelle abbekommen deren Laufzeit wesentlich länger ist. Im schlimmsten Fall sogar beides, dann ist die Frage welche Information gerade gewählt wird zur Verarbeitung. Im schlimmsten Fall löschen sich beide Wellenformen gegenseitig am Empfänger aus. Unter 600 km Entfernung von Frankfurt sollte eigentlich immer die Bodenwelle am stärksten sein. Bei beiden Wellen gibt es jedoch abhängig von der Tages und Jahreszeit Unterschiede in der Laufzeit! Besonders die D-Schicht der Ionosphäre kann bei der Laufzeit und damit der Genauigkeit Probleme bereiten, wenn eine Raumwelle empfangen wird.  Zum einen da die Höhe zwischen 70 bis 90 km schwankt zum anderen da Sie nur Tags über vorhanden ist. Ob nun direkt Empfang oder die Bodenwelle oder per Raumwelle, so oder so muss 800 bis 900 ms auf das nächste Signal gewartet werden, da ja nur 1 Bit pro Sekunde übertragen wird.

PZF
Durch Korrelationsanalyse also dem Vergleich des Empfangs der pseudo Zufalls Zahlen und dem Empfänger-seitigen generieren eben dieser Bit folge, kann in Abhängigkeit eines genauen Quarzes eine wesentlich höhere Genauigkeit erlangt werden. Üblicherweise haben diese Empfänger mindestens einen TCXO Quarz verbaut. Wie oben berechnet benötigt 1 PZF Bit nur ≈1,55ms, wodurch sich die Wartezeit und damit der Vergleich mit dem Quarz Takt signifikant senkt.
TCXO: Temperature Compensated Voltage Controlled Crystal Oszillator.
Zusätzlich kann meistens noch die Entfernung im km eingestellt werden, auf dessen Grundlage die Signallaufzeit direkt im Empfänger in die Ausgabezeit verrechnet wird.
Die Genauigkeit liegt dann bei ca. 50µs anstelle von 10ms.

Links:

• Unterschied DCF / PZF
• DCF77 Phasenmodulation
• Raumwelle, Bodenwelle, Reichweite
• mikrocontroller.net – DCF77

Downloads:

• Quarzkochbuch-Kap5
• DG9WF_Iono_lang Rum und Bodenwelle
• Engeler_DCF77
• Diplomarbeit-PZF