ＤＣＦ７７

DCF77 タイムコードトランスミッター
マインフリンゲンのDCF77の低周波 Tアンテナ
位置	マインフリンゲン長波送信所、マインフリンゲン、ドイツ
座標	北緯50°00′56″ 東経9°00′39″ / 北緯50.01556° 東経9.01083° / 50.01556; 9.01083
標高	113メートル（370フィート）
オペレーター	PTBを代表してMedia Broadcast GmbH
頻度	77.5 kHz
力	50kW
運用開始	1959年1月1日; 連続した日付と時刻の情報は1973年6月に追加されました
営業停止	31
公式範囲	2,000 km (1,200 マイル)
Webサイト	77 の

DCF77は、ドイツの長波 時刻信号および標準周波数ラジオ局です。1959年1月1日に標準周波数局としてサービスを開始しました。1973年6月に日付と時刻の情報が追加されました。主送信機とバックアップ送信機は、ドイツのフランクフルト・アム・マインの南東約25 km (20 mi) のマインフリンゲンの50°0′56″N 9°00′39″E / 50.01556°N 9.01083°E / 50.01556; 9.01083にあります。送信機は公称50 kWの電力を生成し、そのうち約30〜35 kWをTアンテナ経由で放射できます。

DCF77 は、ドイツの国立物理学研究所であるドイツ連邦物理工科大学(PTB)によって制御され、連続運転 (24 時間) で送信しています。PTBに代わってMedia Broadcast GmbH (以前はDeutsche Telekom AGの子会社) が運用しています。Media Broadcast GmbH とは、年間少なくとも 99.7% の一時的な送信可用性、または年間ダウンタイム 26.28 時間未満で合意しています。ほとんどのサービス中断は、2 分未満の短時間の切断です。より長時間の送信サービス中断は通常、強風、凍結雨、または雪による T アンテナの動きによって発生します。これは、アンテナ共振回路の電気的離調として現れ、受信信号の測定可能な位相変調となります。調整不良が大きすぎる場合、送信機は一時的に使用できなくなります。^[1] 2002年には、ほぼ99.95%の可用性、つまり4.38時間強のダウンタイムが実現されました。^{[2]送信されるタイムスタンプは、}夏時間に応じて協定世界時（UTC）+1またはUTC +2のいずれかになります。^[3]

高精度の77.5kHz（DCF77の搬送波信号（波長3,868.289 7,806 m  ）は、ブラウンシュヴァイクのPTBにあるドイツのマスタークロックとリンクされた地元の原子時計から生成されます。DCF77の時刻信号は、ドイツの国家法定時刻を一般に広めるために使用されます。 ^[4]

電波時計や腕時計は1980年代後半からヨーロッパで非常に人気があり、ヨーロッパ大陸ではほとんどの時計がDCF77信号を使用して自動的に時刻を設定しています。^{[5] [6]} DCF77長波電波は建物内に浸透し、外部アンテナの助けを借りずに、電波制御の安価な時計に組み込まれた小さなフェライトアンテナで時刻送信を受信できます。^[7] DCF77振幅変調時刻信号の精度は、主に長期的な精度が重要となる消費者による時計の日常的な使用には十分です。鉄道駅、通信および情報技術分野、ラジオ局、テレビ局の産業用計時システムは、エネルギー供給会社の料金切替え時計や信号機施設の時計と同様にDCF77によって電波制御されています。^[8]

DCF77 ステーション信号は、振幅変調され、パルス幅コード化された 1 ビット/秒のデータ信号を伝送します。同じデータ信号は、512 ビット長の疑似ランダム シーケンス(直接シーケンス拡散スペクトル変調) を使用して搬送波に位相変調されます。送信されるデータ信号は 1 分ごとに繰り返されます。

• 現在の日付と時刻のビット。
• うるう秒警告ビット。
• CET から CEST への、またはその逆の差し迫った変更、アナウンス ビット。
• 中央ヨーロッパ時間 (CET) /中央ヨーロッパ夏時間 (CEST)ビット。
• 異常な送信機動作識別ビット。
• 複数のパリティビット。

2003 年以来、タイムコードのこれまで使われていなかった 14 ビットが民間防衛の緊急信号に使用されています。これは、将来ドイツの民間防衛サイレンネットワークに取って代わることを目指した実験的なサービスです。

2006年11月22日以降、DCF77送信機はビット1～14を使用して警告メッセージと天気情報を送信しています。^{[10] [11]}ドイツ連邦国民保護・災害援助庁（Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe、BBK）の責任の下、これらの14ビットを使用して国民への警告を送信できます。 DCF77によって送信される情報コンテンツのさらなる拡張として、適切に装備された電波時計は、ヨーロッパの60の異なる地域の4日間の天気予報を提供できます。 予報データは、スイスの会社Meteo Time GmbHによって提供され、同社の責任下にあり、独自の転送プロトコルで転送されます。^{[12] [13]}同じ14ビットが、警告メッセージの送信プロトコルとの互換性を確保する方法で使用されています。 天気予報データをデコードするには、ライセンスが必要です。^{[11] [14]}以前PTB用に予約されていたビットが使用されるため、古い電波時計は気象データ信号の影響を受けないはずです。

PTBとDCF77送信事業者Media Broadcast GmbHとの間の信号配信契約は定期的に更新される。2021年の交渉後、PTBとMedia Broadcast GmbHは、今後10年間、ドイツの国内法定時刻の配信を継続することに合意した。放送の信頼性と事業者によるメンテナンスの容易さを向上させるため、Media Broadcast GmbHは、2022年に2台目の遠隔操作可能な高性能送信機を建設すると発表している。その後、施設は完全に現地で複製される。PTBは以前、ヨーロッパ全体で信号受信の信頼性を向上させるために送信所の近代化活動が必要であると判断された場合、新たな交渉を開始すると表明した。^{[15] [16]}

コールサインDCF77 は、D = Deutschland (ドイツ)、C = 長波信号、F = 地域単位のフランクフルト・アム・マイン、77 = 周波数: 77.5 kHz を表します。

ほとんどの長波時刻送信機 (フランスから放送される 162 kHz 800 kW TDF 時刻信号に類似) と同様に、DCF77 は秒から始まる間隔で搬送波電力を低下させることで秒をマークします。低下の持続時間は、1 秒あたり 1 ビットのタイム コードを伝達するように変化し、1 分ごとに繰り返されます。搬送波は、上昇ゼロ交差が秒で発生するように同期されます。すべての変調変更も上昇ゼロ交差で発生します。

DCF77 信号は、振幅シフト キーイングを使用して、毎秒の初めに 0.1 秒または 0.2 秒間、搬送波の振幅を通常の 15% (-16½  dB ) に低減することにより、デジタルコード化された時間情報を送信します。0.1 秒の低減 (77500 Hz 搬送波振幅の 7750 サイクル) はバイナリ 0 を示し、0.2 秒の低減はバイナリ 1 を示します。特別なケースとして、毎分の最後の 1 秒は搬送波電力の低減なしでマークされます。

2006年までは、毎時19分、39分、59分に送信されたモールス信号による局識別もあったが、特徴的な信号によって局が容易に識別できるため、この信号は廃止された。 ^[17] 250Hzのトーンは、搬送波を100%から85%の電力で変調する方形波によって生成され、そのトーンは秒マークの間に1秒ごとに1文字を送信するために使用された。20秒から32秒の間には、コールサイン「DCF77」が2回送信された。

さらに、200 ミリ秒から始まる 793 ミリ秒の間、各タイムコードビットは直接拡散スペクトルを使用して送信されます。ビットは 512 ビットの疑似ランダムチップシーケンスと混合され、±15.6°位相シフトキーイングを使用してキャリアにエンコードされます。^[18] チップシーケンスには各位相が均等に含まれているため、平均位相は変化しません。各チップはキャリアの 120 サイクルにまたがるため、正確な期間は 77500 サイクルのうち 15500 サイクルから 76940 サイクルです。各秒の最後の 560 サイクル (7.23 ミリ秒) は位相変調されません。^[19]

チップ シーケンスは 9 ビットの線形フィードバック シフト レジスタ(LFSR) によって生成され、1 秒ごとに繰り返され、00000100011000010011100101010110000… で始まります。

ガロア LFSR のソフトウェア実装では、完全なチップ シーケンスを生成できます。

  符号なしint i , lfsr ; lfsr = 0 ;   
    

  for ( i = 0 ; i < 512 ; i ++ ) { unsigned intチップ;        
      

    チップ= lfsr & 1 ; output_chip (チップ);    
    

    lfsr >>= 1 ; if (チップ|| ! lfsr ) lfsr ^= 0x110 ; }  
       
        
  

送信される各タイムコードビットは、 LFSR 出力と排他的論理和されます。最終的なチップシーケンスは、送信機の位相を変調するために使用されます。0 チップの間、キャリアは +15.6° の位相進みで送信され、1 チップの間、キャリアは -15.6° の位相遅れで送信されます。

振幅コードで使用される特別な分マーカーの代わりに、ビット 59 は通常の 0 ビットとして送信され、最初の 10 ビット (秒 0 ～ 9) はバイナリ 1 として送信されます。

振幅変調と比較すると、位相変調は利用可能な周波数スペクトルをより有効に活用し、干渉に対する感度が低く、より正確な低周波時間分布を実現します。ただし、位相変調は多くの DCF77 受信機では使用されていません。その理由は、全地球測位システム(GPS)、GLONASS、Galileo、BeiDouなどのグローバル ナビゲーション衛星システムによって送信される(正確な時間基準) 信号が世界中で利用可能であるためです。 GPS信号の構造と利用可能な帯域幅が大きいため、GPS受信では、原理的には、DCF77位相変調受信ハードウェアで達成できる不確実性よりも少なくとも1桁低い時間伝送の不確実性を達成します（GPS時間の精度は約±10〜30ナノ秒です^{[20] [21]}、欧州GNSSサービスセンターによる2021年4月、5月、6月のガリレオ四半期パフォーマンスレポートでは、UTC時刻配信サービスの精度は≤ 4.3 nsであり、過去12か月間のサンプルを累積して計算され、≤ 30 nsの目標を超えていると報告されています^{[22] [23] [24]}）。

時刻は2進化10進数で表されます。これは夏時間調整を含む常用時間を表します。送信される時刻は次の分の時刻です。たとえば、12月31日23:59の場合、送信される時刻は1月1日00:00となります。^[25]

最初の 20 秒は特別なフラグです。分は 21 秒から 28 秒にエンコードされ、時間は 29 秒から 34 秒にエンコードされ、日付は 36 秒から 58 秒にエンコードされます。

2 つのフラグは、現在の時間の終わりに発生する変更 (タイム ゾーンの変更とうるう秒の挿入) を警告します。これらのフラグは、イベントまでの 1 時間に設定されます。これには、イベント前の最後の 1 分間が含まれ、その間に、他のタイム コード ビット (タイム ゾーン インジケーター ビットを含む) は、イベント後の最初の 1 分間の時間をエンコードします。

うるう秒が追加された場合、59秒目に0ビットが挿入され、不足している特別なビットがうるう秒自体、つまり60秒目に送信されます。^[25]

タイムコードには年が2桁しか含まれていないが、曜日を使って世紀を2ビット推測することは可能である。グレゴリオ暦は400年ごとに週を繰り返すため、400年の曖昧さは残るが、00で終わる年が閏年であるかを判断するにはこれで十分である。^[28]

タイムゾーン ビットは、 UTCオフセットのバイナリ コード表現と考えることができます。Z1 セットはUTC+2を示し、Z2 セットはUTC+1を示します。

位相変調は一般に振幅変調と同じデータをエンコードしますが、ビット59から14までは異なります。ビット59（振幅変調なし）は0ビットとして位相変調されます。ビット0～9は1ビットとして位相変調され、ビット10～14は0ビットとして位相変調されます。^[29] 位相変調データには、民間防衛警報や気象情報は含まれません。

DCF77 の送信は、 50 kWという比較的高い出力で、マインフリンゲンの送信機から 2,000 km (1,200 mi) 離れたヨーロッパの大部分でも確実に受信できます。この範囲内では、物理技術連邦研究所(PTB)によって指定された DCF77 信号の信号強度は ≥ 100 μV/m です。この信号強度評価は、電離層D 層での反射 (1 ホップ) を伴う反射モデルに従って行われました。たとえば、民生用グレードの時計による受信 (使用されている電波時計が ≈ 100 μV/m の信号強度で受信できると仮定) は、ノルウェー (ボードー)、ロシア (モスクワ)、トルコ (イスタンブール)、ジブラルタル、ポルトガル (夜間) で可能です。この範囲内では、金属構造物または他の電子機器による干渉によって受信の問題が発生する可能性があります。^[30]距離が短い場合、DCF77信号強度ははるかに高くなります。例えば、マインフリンゲンの送信所から500km（300マイル）以内では、地上波の予想される信号強度は1mV/m以上です。^[31]

信号の伝播と多重反射（ホップ）および局所的な干渉によっては、DCF77信号はより遠くで受信されることもあります（対流圏伝播を参照）。これは信号強度の大幅な低下を伴い、昼間や季節、 D層へのスカイウェーブの入射角、太陽活動など多くの要因に依存します。 ^[32]

制御信号は、ブラウンシュヴァイクの物理技術研究所(PTB)からマインフリンゲンの送信無線局に有線で送信されるのではなく、PTB が開発した制御ユニットを使用して送信場所で生成されます。送信局の空調室に設置されたこの制御ユニットは、高周波干渉から保護されており、ブラウンシュヴァイクから制御されます。動作の信頼性を確保するため、制御信号は、それぞれ独自のセシウム原子時計を備えた 3 つの独立した制御チャネルによって生成されます。さらに、ルビジウム原子時計も現地で使用できます。誤った送信を回避するために、これら 3 つのチャネルの出力は、現地の 2 つの電子スイッチ回路で比較されます。送信用の出力は、3 つのチャネルのうち少なくとも 2 つが一致した場合にのみ生成されます。公衆電話回線を介して、遠隔制御システムの助けを借りて制御ユニットの動作データを呼び出すことができます。さらに、ブラウンシュヴァイクでは、搬送波位相時間と秒マーカーの状態が、UTC（PTB）を提供するPTBの原子マスタークロックによって指定された設定値と比較されます。これらの原子時計のうち、ブラウンシュヴァイクのCS2原子時計はドイツの国家法定時間基準を提供し、高精度の周波数標準として使用できます。^[33] 偏差がある場合は、遠隔制御システムを介して必要な修正が行われます。^[34]

DCF77の送信搬送周波数の相対不確かさは、24時間で2 × 10 ^{−12 、100日で2 × 10 −13}で、UTCに対する位相の偏差は5.5 ± 0.3マイクロ秒を超えることはありません。^[35]ブラウンシュヴァイクのPTBで使用されている4つのドイツ製一次セシウム（泉）原子時計（CS1、CS2、CSF1、CSF2）は、マインフリンゲンのDCF77施設で使用されている原子時計よりも長期的な時計のドリフトが大幅に少ないことが保証されています。 ^[36]ブラウンシュヴァイクからの外部補正の助けを借りて、マインフリンゲンのDCF77の制御ユニットは、約30万年間で1秒も進むことも遅れることもないと予想されています。

理論的には、DCF77制御の外部クロックは、DCF77信号の送信された77.5kHz搬送周波数の周期の半分以内、または±6.452×10−6^秒または±6.452マイクロ秒以内に同期できるはずです。^[19]

受信信号に見られる伝播プロセス、位相および/または周波数のシフトにより、実際に得られる精度は、送信場所の原子時計で当初実現されていた精度よりも低くなります。あらゆる時間信号無線送信機と同様に、時間信号は光速で時間信号受信機に伝播するため、正確な時間の確立は送信機までの距離によって影響を受けます。DCF77 送信機から 1,000  km (600 マイル) 離れた場所にある DCF77 受信機の場合、通過遅延により受信機は 3ミリ秒以上遅れて設定されます。このような小さな偏差が問題になることはほとんどなく、必要な場合は計器グレードの時間受信機で通過遅延を補正できます。

受信機が記録する波の種類によって、さらに不正確さが生じる可能性があります。純粋な地上波の受信が予想され、受信場所が固定されている場合は、計算に定数を含めることができますが、純粋な宇宙波の場合、受信機は変動を補正できません。これは、電離層の反射層と屈曲層の高度の変化によるものです。同様の問題は、地上波と空波が重なる場合にも発生します。このフィールドは一定ではなく、送信機の位置から約 600 ～ 1,100 km (400 ～ 700 マイル)の間で 1 日の間に変化します 。^[31]

補正された計器級のDCF77受信機は、マインフリンゲルンの送信機のアンテナに接線方向に向けられた付属のアンテナを使用して振幅変調された時刻信号を使用し、固定された場所で可能な限り干渉のない時刻信号受信を確保することで、±2ミリ秒よりも優れた実用的な精度不確実性を達成できます。^[37]

振幅変調された時刻信号送信に加えて、この情報は 1983 年 6 月以来、512 ビット長の疑似ランダム ノイズシーケンスによる搬送波の位相変調を介して DCF77 によっても送信されています。相互相関を使用すると、受信側で再生された信号を使用して、秒マーカーの開始をはるかに正確に判断できます。位相変調された時刻信号を使用する欠点は、この時刻信号受信方法を使用するには複雑な計器グレードの受信ハードウェアが必要になることです。この方法を使用して、物理技術連邦研究所(PTB) は、時刻と季節に応じて、UTC (PTB) と UTC (DCF77) の間の標準偏差を ± 2 から 22 マイクロ秒測定しました。これは、 マインフリンゲンの送信所から273 km (170 マイル) 離れたブラウンシュヴァイクで行われました。 ^[19]

通常の低価格の消費者向け DCF77 受信機は、振幅変調された時刻信号のみに依存し、小型フェライト ループスティック アンテナと最適ではないデジタル信号処理遅延を持つ回路を備えた狭帯域受信機 (帯域幅 10 Hz) を使用しているため、実用的な精度の不確実性は ± 0.1 秒で秒の始まりを決定することしか期待できません。これは、毎日の DCF77 同期の試行間の時間計測に標準品質のクォーツ時計を使用する無線制御の低価格の消費者向け時計や腕時計には十分です。同期が成功した直後は最も正確になり、その時点から次の同期まで精度が低下します。^[38]一部の DCF77 制御の消費者向けクォーツムーブメントは、1 日に複数回自動的に時間を同期および修正することで、正確な時間計測を促進します。 ^[39]

ネットワークタイムプロトコルタイムサーバーは、標準DCF77タイムレシーバーが参照時間ソースとして使用されている場合、参照ID（REFID）.DCFa.（振幅変調）または.DCFp. （位相変調）を表示します。 ^[40]

• ディーツェ、アンドレアス。クライト、ハンス。ウォンドラ、ユルゲン（1981年8月）。 「Anregung zum Nachbau: Einfacher Empfänger für DCF77-Zeitzeichensignale」(PDF)。アプリケーションセイテン。Funk-Technik - Fachzeitschrift für die gesamte Unterhaltungselektronik (ドイツ語)。 Vol. 36、いいえ。 8. ハイデルベルク、ドイツ: Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH。 279–282ページ。ISSN  0016-2825。2021 年 7 月 10 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2021 年7 月 10 日に取得。（4ページ）

ウィキメディア・コモンズには、 DCF77に関連するメディアがあります。

• PTBの公式DCF77ウェブページ
• （ドイツ語）ドイツのフランクフルトにある原子時計
• DCF77 2012-03-31にWayback Machineでアーカイブグローバル周波数データベース 2013-03-30にWayback Machineでアーカイブ
• タイムコードの説明
• うるう秒中のDCF77の観測
• DCF77 Arduino 実装 ハードウェア アーカイブ 2013-07-22 at the Wayback Machine、シグナル アーカイブ 2013-07-24 at the Wayback Machine、コード アーカイブ 2013-07-25 at the Wayback Machine
• メテオタイム
• 「DCF77 による時間と周波数の配信: 1959 年から 2009 年以降」 – DCF77 の歴史の詳細な説明
• 時計の作り方 DCF (archive.org コピー)
• エッケハルト・プリヒトによる DCF77 マインフリンゲンの歴史的な訪問