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DCF77

DCF77 est un système allemand de transmission de l'heure lĂ©gale par ondes radio, sur une large zone de couverture. Il a Ă©tĂ© mis en service le par la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Ă  l'initiative du Gouvernement allemand. Son Ă©metteur est situĂ© Ă  Mainflingen, près de Francfort-sur-le-Main. Il possède une horloge atomique au cĂ©sium et donne donc le temps atomique avec une incertitude d'une seconde en un million d'annĂ©es. Les deux antennes sont soutenues par des câbles horizontaux, eux-mĂŞmes maintenus en hauteur par plusieurs pylĂ´nes, Ă  environ 200 m de hauteur.

L'Ă©metteur DCF77 (50° 01′ 00″ N, 9° 00′ 29″ E)

L'information est Ă©mise en grandes ondes par un Ă©metteur Ă  semi-conducteur de 50 kW de puissance isotrope rayonnĂ©e Ă©quivalente (PIRE) d'environ 30 Ă  35 kW[1] dont la portĂ©e minimale est de 1 500 km et donc largement recevable dans plusieurs pays ouest-europĂ©ens, dont la France mĂ©tropolitaine, l'Allemagne et l'Italie.

Principe général

La frĂ©quence porteuse est de 77,5 kHz (dĂ©signĂ©e aussi par sa longueur d'onde de 3 868 m). Le seul dĂ©faut de cette frĂ©quence est d'ĂŞtre couverte par les parasites. Il faut donc vĂ©rifier la cohĂ©rence des donnĂ©es reçues (d'oĂą l'utilisation de bits de paritĂ©). On le remarque notamment avec l'augmentation de la portĂ©e Ă  2 000 km[2] la nuit (car il y a alors beaucoup moins de parasites que le jour et l'ionosphère devient rĂ©flĂ©chissante pour cette frĂ©quence).

Le protocole permet aussi de remettre automatiquement à l'heure les horloges par radio (d'où l'appellation radio-piloté). L'émetteur peut avertir du passage de l’heure normale à l’heure d’été et inversement ou de l'ajout d'une seconde intercalaire à la fin de l'heure courante pour compenser l'écart entre le temps atomique et UTC causé par le ralentissement constant de la rotation terrestre.

Il n'est pas possible de faire fonctionner entièrement une horloge avec ce signal radio, car la réception du signal peut être interrompue (orage, distance, bâtiments, déplacements, etc). C'est pour cela que les horloges radio-pilotées ont un système classique de régulation (à quartz), une mise à l'heure ainsi qu'une correction éventuelle à l'aide du signal radio.

Le délai de codage de l'heure atomique et de sa transmission radio empêche inévitablement d'atteindre l'heure « atomique » côté récepteur. En revanche, se caler sur le signal reçu permet de très fortement limiter les déviations qu'aurait sur le long terme un dispositif courant, une montre à quartz par exemple. L'erreur totale est donc très limitée et la précision obtenue excellente.

Chaque utilisateur peut très simplement connaître l'heure légale et également passer automatiquement à l'heure d'été/d'hiver (sous condition de réception du signal évidemment).

Sa réception est bien plus aisée et économique que d'utiliser l'heure GPS.

Qualité de signal

Carte simplifiée de réception (l’antenne est omni-directionnelle, la réception s’affaiblit avec la distance et en fonction de la saison)[3].

La qualité du signal varie en fonction de la distance de l’émetteur selon les lois de propagation des ondes radio. Celle-ci est en particulier influencée par le double chemin emprunté : d'une part les ondes suivant le sol, d'autre part les ondes réfléchies sur la couche D de l’ionosphère, en particulier lors de l’interférence de deux ondes radio.

  • Ă€ une distance infĂ©rieure Ă  500 kilomètres, une onde de sol de mV/m peut ĂŞtre attendue.
  • Ă€ une distance entre 600 et 1 100 kilomètres, les deux chemins peuvent conduire les deux ondes Ă  s’annuler ou s’affaiblir.
  • Ă€ une distance comprise entre 1100 et 2 000 kilomètres, l’onde de sol est très faible, mais l’onde rĂ©flĂ©chie reste d'une puissance constante au cours de la journĂ©e. Un signal d’une puissance de l’ordre de 100 ÂµV/m peut ĂŞtre attendu[4].

Toutefois, les conditions de la propagation ionosphérique dépendent de plusieurs facteurs tels le cycle solaire, l’heure et les saisons.

DĂ©tails sur le protocole

Des informations sont transmises sous forme binaire à raison d'un bit à chaque seconde exactement. Les informations sont codées en BCD (décimal codé en binaire), leur décodage fournit au récepteur les autres éléments comme la date et l'heure.

L'impulsion Ă©mise au dĂ©but de chaque seconde dure 100 ms pour un '0' logique et 200 ms pour un '1', il s'agit d'une modulation d'amplitude (abaissement de l'amplitude Ă  15 % du maximum lors des impulsions, en phase avec la porteuse). Seule la 60e seconde n'est pas modulĂ©e et permet d'annoncer le dĂ©but d'une nouvelle trame (voir ci-dessous). On remarque que c'est la durĂ©e de l'impulsion qui transporte l'information et non l'amplitude (il serait sinon Ă  ces basses frĂ©quences quasi impossible d'espĂ©rer une certaine fiabilitĂ©).

La synchronisation des rĂ©cepteurs se fait sur le premier bit (bit no 0). L'apparition de la première modulation marque alors le dĂ©but d'une nouvelle minute. Les informations transmises pendant une minute correspondent Ă  l'heure qu'il sera au moment du prochain 'top dĂ©part' (« ... au prochain top il sera ... »). ConformĂ©ment aux textes lĂ©gaux, un Ă©metteur international doit indiquer son identitĂ©. L'identifiant "DCF77" a Ă©tĂ© retenu et est Ă©mis en morse trois fois chaque heure (19e, 39e et 59e minutes ; secondes 20 Ă  32 ; entre deux tops ; par abaissement d'amplitude de 25 % au rythme de 250 Hz ; sans interrompre le signal normal).

Comparaison de la datation des trames par modulation d'amplitude (haut) et par intercorrélation du signal pseudo-aléatoire imprimé sur la phase (bas). Ces graphiques ont été générés par traitement logiciel de signaux acquis par carte son.

De plus, puisqu'il existe une imprécision de quelques millisecondes sur la durée séparant l'émission et la réception, une légère modulation de phase (pseudo-aléatoire) permet de se synchroniser si nécessaire avec plus de précision. Bien que peu de récepteurs grand public exploitent cette fonctionnalité, le gain sur la précision est significatif grâce à la bande passante accrue du signal ainsi modulé. Une application de ce gain de résolution porte sur la mesure du délai de propagation du signal basse fréquence de DCF-77 par rapport au signal de référence issu du GPS (1 PPS) : ce délai est représentatif des conditions ionosphériques permettant le guidage du signal basse fréquence sur de longues portées. Le décodage du signal pseudo-aléatoire qui module la phase de la porteuse s'implémente trivialement sur microcontrôleur par intercorrélation.

Codage des informations

DCF77 time code
BitPoidsSignification BitPoidsSignification BitPoidsSignification
:001DĂ©but de minute, toujours 0. :20SDĂ©but du codage du temps, toujours 1. :4010Jour du mois (suite)
:011TĂ©moins d'alerte civile[5] fournis par le
Bundesamt für Bevölkerungsschutz
und Katastrophenwarnung
.
Peut contenir également des données
de prévision météo[6]
:211Minutes
00–59
:4120
:021 :222 :421Jour de la semaine
Lundi=1, Dimanche=7
:031 :234 :432
:041 :248 :444
:051 :2510 :451N° du mois
01–12
:061 :2620 :462
:071 :2740 :474
:081 :28p. 1Bit de parité paire sur les bits 21–27. :488
:091 :291Heure
0–23
:4910
:100 :302 :501Année dans le siècle
00–99
:110 :314 :512
:120 :328 :524
:130 :3310 :538
:140 :3420 :5410
:15RBit d'appel, permet d'alerter les employés
de PTB Ă  Brunswick, responsables du DCF77,
ou Émetteur de réserve
:35p. 2Bit de parité paire sur les bits 29–34. :5520
:16A11 = Annonce (pendant 1h) un basculement
heure d'été/hiver au début de la prochaine heure
:361Jour du mois.
01–31
:5640
:17Z1Z1 et Z2 indiquent le décalage horaire
de l'heure Ă©mise par rapport au temps UTC.
:372 :5780
:18Z2si Z1Z2 = 01 : UTC+1h = CET = heure d'hiver
si Z1Z2 = 10 : UTC+2h = CEST = heure d'été
:384 :58p. 3Bit de parité paire sur les bits 36–57.
:19A21 = Annonce (pendant 1h) l'ajout d'une seconde intercalaire
Ă  la fin de l'heure (il y aura une 60e impulsion
supplémentaire. Le silence est reporté à la 61e
et dernière seconde. Puis, débute l'heure suivante.)
:398 :590Marque de la minute : aucune modulation.

Exemple

pour 22h29 :

  • 21 est Ă  1 : Étant de poids 1, on ajoute 1 au nombre de minutes
  • 22 est Ă  0
  • 23 est Ă  0
  • 24 est Ă  1 : Étant de poids 8, on ajoute 8 au nombre de minutes (ce qui fait 1+8=9)
  • 25 est Ă  0
  • 26 est Ă  1 : Étant de poids 20, on ajoute 20 au nombre de minutes (ce qui fait 1+8+20=29)
  • 27 est Ă  0
  • 28 est Ă  1 : Cela veut dire que les bits de 21 Ă  27 sont impairs, ayant 3 bits Ă  1 (21, 24 et 26), nous avons reçu la bonne valeur
  • 29 est Ă  0
  • 30 est Ă  1 : Étant de poids 2, on ajoute 2 au nombre des heures
  • 31 est Ă  0
  • 32 est Ă  0
  • 33 est Ă  0
  • 34 est Ă  1 : Étant de poids 20, on ajoute 20 au nombre des heures (ce qui fait 2+20=22)
  • 35 est Ă  0 : Cela veut dire que les bits de 29 Ă  34 sont pairs, ayant 2 bits Ă  1 (30 et 34), nous avons reçu la bonne valeur

La parité est très utile pour vérifier s'il n'y a pas eu d'erreur pendant la réception et pour ne pas afficher une valeur incorrecte. Il est aussi recommandé de vérifier le bit 20 à 1 (si la synchro arrive au mauvais endroit).

L'année est envoyée sur deux chiffres, il est donc commode de vérifier que la date ne dépasse pas 99, en cas de problème de réception, il est fréquent de se retrouver avec des dates supérieures à 99 (exemple: se retrouver le 45/25/2165 à 45h85, ce qui arrive si tous les bits reçus sont à 1).

Applications

Un module de réception DCF77 (pour électroniciens)

On retrouve bien sûr ce système sur les réveils et montres en tout genre, évitant le réglage de l'heure, et le réglage été/hiver. Les applications peuvent être très diverses.

Un module de réception du signal DCF77 est de conception relativement simple. Les fabricants de composants électroniques proposent des modules intégrés permettant de recevoir et de démoduler le signal. Ils sont composés d'une antenne et d'un récepteur ; le signal sort directement sur une des broches et il ne reste plus qu'à le décoder.

Enfin, il existe également quelques modules périphériques en kit, à connecter à un ordinateur pour le synchroniser. Néanmoins, s'il est possible de se connecter à Internet, on peut s'éviter ce genre de frais via des logiciels de mise à l'heure : voir le protocole NTP.

Notes et références

  1. (en) « DCF77 transmitting facilities », sur www.ptb.de, (consulté le )
  2. Avec une montre Ă  quartz, il a Ă©tĂ© constatĂ© que la portĂ©e pouvait atteindre environ 2 300 km, jusqu'au pied du massif du M'Goun, au Maroc.
  3. (en) « 50 years of time dissemination with DCF77 », sur PTB.de, 5 janvier 2011 (consulté le 6 juin 2014).
  4. (en) « Reach of DCF77 », sur www.ptb.de, (consulté le ).
  5. (en) « Warnings to the general public by means of DCF77 », sur PTB.de, 12 mars 2010 (consulté le 10 mars 2013)
  6. (en) D. Piester, A. Bauch, J. Becker, T. Polewka, M. Rost, D. Sibold et E. Staliuniene, « Proc. 38th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting », (consulté le ), p. 37–47

Voir aussi

Signaux horaires Ă©mis dans d'autres pays

Articles connexes

Liens externes

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