WSZYSTKO O STEROWANIU
ZEGAREM I KALENDARZEM PRZEZ SYGNAŁ DCF-77

JAK TO DZIAŁA?

Coraz więcej urządzeń posiadających zegar i/lub kalendarz ma również wbudowane moduły do automatycznej synchronizacji z sygnałami emitowanymi przez nadajniki zespolone z zegarami atomowymi. Zestawy takie pracują w kilku miejscach na świecie. Na terenie Europy (bez Wielkiej Brytanii) sygnał nosi oznaczenie DCF-77, w Wielkiej Brytanii MSF, w USA jest to WWVB, w Japonii JJY. Różnią się pasmem emisji, co w znacznym stopniu wyklucza uniwersalność produktów lub wymusza konieczność instalowania kilku modułów jednocześnie.

W przypadku Europy Wschodniej, Zachodniej oraz Centralnej (np. Polska) urządzenie sterowane są sygnałem pochodzącym z nadajnika zainstalowanego w Niemczech w miejscowości Mainflingen pod Frankfurtem. Sygnał bazuje na Cezowym Zegarze Atomowym, którego odchylenia nie są większe niż jedna sekunda na milion lat. Częstotliwość nadawania, to 77.5 kHz, a obecny zasięg wynosi ok. 3000 km. Urządzenie wyposażone w moduł sterujący odbiera ten sygnał i przetwarza na czytelną godzinę.

Zasięg zależy od wielu czynników min od ukształtowania terenu oraz w dużej mierze od pór dnia, które mają wpływ na propagację fal w przestrzeni (patrz niżej – PROPAGACJA FAL W PRZESTRZENI).

Poza automatycznym poszukiwaniem sygnału i próbą synchronizacji zaraz po uruchomieniu, urządzenia z uwagi na najmniejszą ilość zakłóceń oraz najlepszą propagację fal najczęściej odświeżają sygnał automatycznie w godzinach nocnych i porannych: 1:00/2:00/3:00/4:00/5:00.

Użytkownik produktu z modułem sterującym nie musi niczego regulować lub kalibrować – czas i data zostaną ustawione automatycznie. Większość urządzeń wyposażona jest w strefy czasowe tak, więc nie istnieje problem odbioru czasu opóźnionego lub przyspieszonego o kilka godzin.

CZEMU CZASAMI NIE DZIAŁA?

Poza ukształtowaniem terenu i porami dnia, które to czynniki mają wpływ na to, czy do danej lokalizacji w ogóle dociera sygnał sterujący, duży wpływ mają zakłócenia lokalne. Mogą one bardzo skutecznie odcinać dane urządzenie od sygnału lub osłabiać jego odbiór, co spowoduje wprowadzenie błędnych danych. Zakłóceniami mogą być np: odbiorniki TV, komputery, routery WI-FI, radiostacje – maszty. Aby urządzenie działało poprawnie wszystkie w/w urządzenia powinny być w odległości nie mniejszej, niż 2,5m. Należy również pamiętać o czynnikach takich jak: bliskość stacji transformatorowych lub linii wysokiego napięcia oraz pomieszczeniach izolowanych blachą lub gęstą metalową siatką (powstaje tzw siatka Faradaya), gdyż czynniki te powodują całkowitą izolację urządzenia od sygnałów zewnętrznych.

Zaraz po uruchomieniu urządzenie zaczyna poszukiwanie sygnału. Przeważnie stan ten sygnalizowany jest pulsującym symbolem wieży/nadajnika wraz z rozchodzącymi się falami. W bardziej zaawansowanych urządzeniach ilość rozchodzących się fal pokazuje moc sygnału, jaki dociera – im więcej, tym lepiej.

W przypadku, gdy do urządzenia dociera sygnał sterujący i nawiąże ono połączenie, zegar i/lub kalendarz zostaną zsynchronizowane automatycznie a na wyświetlaczu pojawi się (przestanie pulsować) sygnał wieży nadawczej.

W przypadku, gdy do urządzenia nie dociera sygnał sterujący, zegar i/lub kalendarz nie zostaną zsynchronizowane automatycznie a na wyświetlaczu nie pojawi się (przestanie pulsować) sygnał wieży nadawczej.

Czasami zdarza się, że zakłócenia osłabiają sygnał i urządzenie odbiera niepełny lub zafałszowany zestaw danych, co powoduje wyświetlanie błędnych informacji.

CO ZROBIĆ, ABY ZADZIAŁAŁO?

Aby urządzenie działało poprawnie i bezobsługowo należy znaleźć odpowiednią lokalizację. Nie zawsze niestety jest ona zgodna z pierwotnym wyborem użytkownika. Jeśli po uruchomieniu urządzenia komunikacja z sygnałem DCF nie zostanie nawiązana w ciągu 6-7 minut, należy przestawić je w pobliże okna. Połączenie powinno zostać nawiązane automatycznie w godzinach nocnych. Jeśli zostanie nawiązane, urządzenie można przestawić w dowolne, wybrane miejsce. Jeśli nie zostanie nawiązanie, oznacza to, iż zakłócenia uniemożliwiają odbiór sygnału. Może się  kazać, że w nowym miejscu połączenie zostanie zerwane i nie będzie możliwa kolejna synchronizacja lub przesłane dane będą błędne. W takim przypadku należy zmienić lokalizację urządzenia.

PROPAGACJA FAL W PRZESTRZENI

Największy wpływ na sposób rozchodzenia się fal radiowych ma budowa ziemskiej atmosfery. Ze wszystkich znanych jej warstw można wyróżnić dwie istotne dla radiokomunikacji: troposferę i jonosferę, które przedzielone są mało znaczącą stratosferą.

Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do około l0 km nad
biegunami i 18km nad równikiem. Cechuje ją stały skład powietrza i spadek
temperatury wraz ze wzrostem wysokości. Głównym czynnikiem wpływającym na
propagację fal w tej warstwie są zjawiska meteorologiczne, które wytłumiają i
rozpraszają fale w stopniu zależnym od ich zakresu. Może dochodzić do refrakcji,
czyli odchylenia toru fali od linii prostej.

Jonosfera jest częścią atmosfery znajdującą się powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi.
Jest znacznie bardziej skomplikowana niż troposfera. Mocno zjonizowana przez
promieniowanie kosmiczne, promieniowanie słoneczne oraz pył kosmiczny wchodzący
w kontakt z ziemską atmosferą. Największy wpływ na jonosferę na Słońce. W
godzinach rannych oraz przedpołudniowych przeważa proces jonizacji, który
zaczyna zanikać w godzinach popołudniowych. Wtedy zaczyna dominować
rekombinacja, która swoje maksimum osiąga nocą. Jonizacja jest bardzo słaba,
ale nie ulega w tym czasie całkowitemu zniszczeniu. Pewien jej stan utrzymywany
jest w górnych warstwach atmosfery. 

W jonosferze jest kilka warstw o różnych właściwościach. Ich grubość w ciągu
doby zmienia się zależnie od intensywności czynników jonizujących.

W ciągu dnia wyróżnia się cztery warstwy:

- D (60-90km) - powstaje na skutek fotojonizacji tlenku azotu (II) (NO) przez
promieniowanie ultrafioletowe o długości fali 121,5 nm. Dodatkowo, gdy Słońce
ma dużą aktywność (z ponad 50 plamami słonecznymi) twarde promieniowanie X (o
długości fali poniżej 1 nm) jonizuje składniki powietrza (N2, O2).

- E (100-120km) - jonizację powoduje miękkie promieniowanie X (1-10 nm) i
daleki ultrafiolet promieniowania słonecznego - jonizacji ulegają cząsteczki
tlenu. Warstwa odbija jedynie fale radiowe o częstotliwości mniejszej niż około
10 MHz. Jej negatywny wpływ na częstotliwości powyżej 10 MHz wynika z
częściowego pochłaniania krótszych fal w tej warstwie. W nocy wskutek braku
obecności źródła jonizacji warstwa E zaczyna zanikać.  W warstwie E
powstaje czasem tzw. warstwa sporadyczna ES w postaci małych
"obłoków" o dużej jonizacji, które mogą odbijać fale radiowe o
częstotliwościach z zakresu 25–225 MHz. Warstwa ta często przemieszcza się z
prędkością kilkuset km/godz. w kierunku zachodnim. Czas jej trwania może
wynosić od kilku minut do kilkunastu godzin. Odgrywa ona dużą rolę w górnych
zakresach krótkofalowych oraz UKF i umożliwia nawiązywanie łączności na
odległości powyżej 1000 km,
najczęściej występuje w miesiącach letnich w godzinach 10-24, a najrzadziej zimą.

- F1 (180-240km) – istnieje tylko latem, ale podobnie jak warstwa E zanika po
zachodzie słońca.

- F2 (230-400km) – dość niestabilna.

W warstwach F jonizowany jest głównie atomowy tlen i hel.

Nocą warstwy D i F1 zanikają, a pozostałe warstwy wykazują własności słabsze
niż za dnia. Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery. Wiry i wiatry
jonosferyczne, związane z oddziaływaniem mas Słońca i Księżyca, powodują
dodatkowo rozproszenie fal. Częstym zjawiskiem są odbicia fal od zjonizowanych
śladów przejścia meteorów (czasem sięgających w dół do stratosfery).

Przejście fal elektromagnetycznych przez jonosferę jest uzależnione od długości
fal i kątów padania na powierzchnię jonosfery.

Fale długie i bardzo, wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie rozchodzą się w
postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości. Jednakże w dalekosiężnej
komunikacji na falach długich wykorzystuje się falę jonosferyczną. Zasięg
łączności na falach długich wzrasta w nocy, co wynika z faktu, że tłumienie
tych fal przez warstwę E jonosfery jest mniejsze, niż tłumienie ich przez
warstwę D, która w nocy zanika.

W dzień o zasięgu na falach średnich decyduje fala powierzchniowa. Rozchodzące
się w jonosferze fale średnie ulegają absorpcji, która w ciągu dnia jest tak
duża, że praktycznie fala jonosferyczna nie występuje.

W nocy na falach średnich zdarza się, że jedna fala przejmuje modulację innej. W
efekcie modulacja staje się mieszaniną obu fal, czasami z przewagą
przechwyconej. To tzw. efekt luksemburski.

Zasięg łączności na fali powierzchniowej maleje wraz z długością fali. Zasięg
fali powierzchniowej w zakresie fal krótkich jest niewielki: od kilkudziesięciu
kilometrów od nadajnika (fale rzędu 100m) do kilku kilometrów (fale rzędu lm).
Jednakże fale krótkie mogą się odbić (raz lub wielokrotnie) od jonosfery i od
Ziemi, umożliwiając na fali jonosferycznej łączność o zasięgu ogólnoświatowym.
Fale krótkie są odbijane głównie przez warstwę F2, ale okresowo także inne (E i
F1), w tym warstwy występujące sporadycznie. Stan i ilość warstw jonosfery
zależy od kąta padania promieni słonecznych oraz od aktywności słonecznej,
dlatego też w różnych przedziałach czasu warunki propagacyjne na obu końcach
zakresu fal krótkich mogą ulegać zmianom.

Poważne pogorszenia łączności na falach krótkich są spowodowane przez burze
jonosferyczne. Częstotliwość występowania burz jonosferycznych jest związana z
przebiegiem jedenastoletniego cyklu aktywności słonecznej - najwięcej w latach
maksimum plam słonecznych. Burza jonosferyczna trwa zazwyczaj od kilku godzin
do paru dni, przeważnie jednak nie dłużej niż dwie doby. Szczególnym rodzajem
zaburzenia jonosferycznego jest zjawisko zaniku powszechnego, czyli zanik
odbioru fal krótkich na całej półkuli oświetlonej przez Słońce.

Charakterystycznym efektem dla fal krótkich jest zjawisko echa. Jego źródłem
jest zaleta tego zakresu fal, czyli ogólnoświatowy zasięg. Fala z nadajnika
może docierać do odbiornika zarówno najkrótszą drogą jako sygnał bezpośredni
albo jako sygnał pośredni po okrążeniu Ziemi. A może to zrobić nawet
wielokrotnie. Różnicy drogi sygnałów bezpośredniego i pośredniego równej 1000km
odpowiada różnica czasu odebrania sygnałów około 3 milisekund. Zjawisko echa
występuje najczęściej, gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w strefie zmiany
pory doby (w strefie półmroku). Droga obu sygnałów przebiega wtedy wzdłuż
strefy półmroku. Dla radiokomunikacji fonicznej zjawisko echa jest dość
szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału.

Fale ultrakrótkie rozchodzą się w zasadzie prostoliniowo, podobnie jak światło
widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości oraz rozpraszaniu
i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach. Gdyby stwierdzenie takie było w
stu procentach ścisłe, ich zasięg powinien ograniczać się do horyzontu
optycznego. W rzeczywistości zasięg fal ultrakrótkich jest większy dzięki
refrakcji troposferycznej, dyfrakcji, czyli załamaniu toru fali na krawędzi
horyzontu czy wzniesień i budynków, no i niekiedy dzięki odbiciom od śladów
meteorytów w atmosferze.

W celu zwiększenia zasięgu łączności w zakresie UKF stosuje się przemienniki
częstotliwości. Warunki propagacyjne można prognozować m.in. po ilości plam na
Słońcu.

PODSTAWOWE RODZAJE PROPAGACJI:

a - propagacja bezpośrednia (Dir) - prostolinijne rozchodzeniu sie fal nad
sferyczna powierzchnią Ziemi. Bezpośrednia widoczność między dwoma antenami
jest możliwa jedynie wtedy, gdy co najmniej jedna z nich znajduje się na pewnej
wysokości nad Ziemią.

b - propagacja troposferyczna (Tr), - rozchodzenie się fal radiowych w dolnej
warstwie atmosfery, a w szczególności w pobliżu Ziemi.

c - propagacja przez odbicie od Es,

d - propagacja przez odbicie od zorzy polarnej - zapewnia na obszarze Europy
północnej zasięg do 1500 km.
Warunkiem zaistnienia łączności zorzowej jest wystąpienie zorzy w określonym
obszarze, emisja w jej stronę fali pod odpowiednim kątem oraz takie ustawienie
anteny, aby fala radiowa powracała na Ziemię w odpowiednim miejscu w miarę
stabilnie i bez częstych zmian.

e - propagacja przez odbicie od roju meteorów (MS) - umożliwia łączności na UKF
z krajami nieosiągalnymi w normalnych warunkach. Zasięg takiej propagacji
wynosi 500 do 2500 km
przy mocach rzedu kilkuset W i zastosowaniu anten kierunkowych. Łączności są
zwykle wcześniej uzgadniane ze względu na krótkotrwałość zjawiska. Polegają na
nadawaniu tekstów ze znacznie zwiększoną prędkością. rejestrowanych u
korespondenta za pomocą magnetofonu lub komputera. Prędkość wynosi minimum 160
znaków na minutę.

f - propagacja na rozproszeniu troposferycznym (TS),- wykorzystuje rozproszenie
fal radiowych na licznych, lecz stosunkowo niewielkich obszarach troposfery z
odchylonym wskaźnikiem refrakcji. W tym wypadku fala radiowa, natrafiająca na
niejednorodności, ulega częściowemu rozproszeniu, częściowo ulega odbiciu,
częściowo zaś osłabiona przechodzi przez obszar rozpraszania.

g - propagacja na rozproszeniu jonosferycznym (JS),

h - propagacja przez odbicie od księżyca (EME) - Wymaga nadajników o mocy rzędu
1 kW, ogromnych zestawów anten śledzących księżyc (paraboliczne lub Yagi), oraz
odbiornika o wstędze rzędu 50 Hz.

i - propagacja przez satelitę niskoorbitowego,

j - propagacja przez satelitę wysokoorbitowego,

k - propagacja przez przemiennik naziemny - automatyczne urządzenia
nadawczo-odbiorcze (Repeatery) pozwalające na komunikację pomiędzy urządzeniami
samochodowymi, ręcznymi i stacjonarnymi. W normalnych warunkach urządzenia UKF
mają zasięg od kilku kilometrów (w aglomeracji miejskiej) do kilkuset km w
sprzyjających warunkach. Przemiennik najczęściej jest montowany w najwyższym punkcie
w okolicy (wieżowiec, góra, maszty antenowe) i zapewnia poprawę zarówno zasięgu
łączności jak i jej jakość.

AKTYWNOŚĆ SŁOŃCA I JEGO WPŁYW NA PROPAGACJĘ

Słońce uważamy za aktywne, gdy wzrasta ilość
energii wysyłanej przez naszą gwiazdę w przestrzeń międzyplanetarną, to znaczy
wtedy, gdy na Słońcu pojawiają się tzw. obszary aktywne. Widzimy je jako ciemne
plamy na jasnej tarczy Słońca. Spowodowane to jest obecnością w nich silnych
pól magnetycznych, które zmieniają warunki fizyczne, w jakich zwykle znajduje
się materia Słońca - plazma. Liczba plam wzrasta, co 11 lat. Z takim samym,
jedenastoletnim okresem występują na Ziemi zorze polarne, burze magnetyczne
(jest to cykl podstawowy - występują również cykle o dłuższych okresach). W
11-letnim cyklu zmienia się natężenie słonecznych fal radiowych, zmienia się
też natężenie promieniowania rentgenowskiego, emitowanego przez Słońce. 

Obserwacje plam słonecznych pozwalają wprowadzić pewien wskaźnik liczbowy,
określający stan aktywności Słońca. Jest to tzw. liczba Wolfa