Funkuhr für den PC selbst gebaut! - Funk-Uhr Erklärung

Übersicht:

Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit der Bundesrepublik Deutschland
Atomsekunde und Atomuhren
Zeitsignal- und Normalfrequenzsender DCF77
Auszug aus dem Gesetz über die Zeitbestimmung

Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit der Bundesrepublik Deutschland

Die Atomuhren CS3 und CS4 der PTB

Die Atomuhren CS3 und CS4 der PTB

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist durch das Zeitgesetz von 1978 damit beauftragt, die für das öffentliche Leben der Bundesrepublik Deutschland maßgebende Uhrzeit anzugeben. Hierfür hat die PTB vier hochgenaue primäre Cäsium-Atomuhren, CS1 bis CS4, gebaut. Sie gehören zu den genausten Uhren der Welt. Die Zeitanzeigen dieser Uhren weichen innerhalb eines Jahres weniger als eine Millionstel Sekunde voneinander ab.

Jeder kann die PTB-Zeit nutzen, wenn er den Langwellensender DCF77 empfängt. Dieser Sender in der Nähe von Frankfurt am Main verbreitet die PTB-Uhrzeit im Dauerbetrieb. Das Zeitgesetz bezeichnet diese Aufgaben der PTB mit "Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit".

Funkuhren in der ganzen Bundesrepublik lassen sich mit Hilfe der von DCF77 ausgesendeten Zeitsignale genauer als eine Millisekunde in Übereinstimmung mit der gesetzlichen Zeit halten. Die Zeitangaben der Rundfunk- und Fersehanstalten sowie die Uhren der Bundesbahn und des Zeitansagedienstes der Telekom werden von DCF77 gesteuert wie viele Tarif-Schaltuhren der Energieversorgungsunternehmen, Verkehrsüberwachungsgeräte und Ampelanlagen. In der Industrie und Wissenschaft werden mit der Zeitsignalaussendung der PTB komplizierte Prozeßabläufe gesteuert und überwacht. Auch für den Hausgebrauch kann sich jeder Funkuhren kaufen.

Die Atomuhren CS1 und CS2 der PTB

Die Atomuhren CS1 und CS2 der PTB

Die Zeiteinheit Sekunde des internationalen Einheitssystems (SI) auf der Basis einer atomaren Schwingung des Cäsiums 133 wurde im Jahre 1967 definiert. Dies führte folgerichtig zur Festlegung einer weltweiten anerkannten Atomskala, die sich auf die Sekunde in Meereshöhe und den Nullmerian bezieht. Diese Atomzeitskala löste "Greenwich Mean Time" genannt - ab. Die jetzt gültige Zeitskala heißt "Universal Time Coordinarted" (Koordinierte Weltzeit (UTC). Schaltsekunde, die durchschnittlich einmal jährlich in die UTC-Skala eingefügt werden, bewirken, daß UTC nie mehr als eine Sekunde von der alten, durch Stand der Sonne gegebenen Zeit abweichen.

Die gesetzliche Zeit der Bundesrepublik ist entweder die mitteleuropäische Zeit MEZ oder die mitteleuropäische Sommerzeit MESZ. Ob MESZ eingeführt wird, bestimmt eine Verordnung der Bundesregierung im voraus.

Zwischen UTC und MEZ bzw. MESZ gilt:
MEZ = UTC + 1h
MESZ = UTC + 2h.

Atomsekunde und Atomuhren

Atomsekunde:

Aufgrund internationaler Vereinbarungen ist die Sekunde als Zeiteinheit folgendermaßen definiert:

Die Sekunde ist das 9.192.631.770 fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukurniveaus der Grundzustandes des Atoms des Nuklides ¹³³Cs entsprechenden Strahlung.

Die Realisierung der Zeiteinheit nach dieser Definition erfolgt mit Cäsium-Atomuhren, die industriell gefertigt oder für höchste Genauigkeitsansprüche von Forschungslaboratorien gebaut und betrieben werden. Weltweit gibt es von letzteren nur etwa zehn Exemplare.

Prinzip einer Atomuhr:

Atomuhren arbeiten nach folgenden Prinzip: Atome bekommen in verschiedenen Energiezuständen vor, von denen zwei mit dem Symbol (+) und (-) gekennzeichnet werden. Der Übergang eines Atoms vom (+) in die (-) Zustand kann erzwungen werden und ist mit der Aussendung einer elektronischen Strahlung einer charakteristischen Frequenz verbunden. Im Fall des Cäsium-Atoms hat diese Frequenz, f_Cs, einen Wert von 9.192.631.770 Hz, was einer Schwingungsdauer von (1 / 9.192.631.770 ) Sekunden entspricht. Nach den Gesetzen der Atomphysik ist f_Cs mit der Energiedifferenz zwischen den Zuständen (+) und (-) verknüpft. Insbesondere beim Cäsium-Atom ist f_Cs weitaus besser zeitlich konstant als z.B. die Schwingungsdauer eines Pendels, die Schwingfreuquenz eines Quarzes oder die Periodendauer der Erdrotation.
In der Vakuumkammer einer Atomuhr werden Cäsium-Atome verdampft. Der hinter dem Ofen angeordnete Magnet lenkt die Atome so ab, daß nur Atome im (+) Zustand in den Hohlraumkammer gelangen. Hier werden die Atome durch Bestrahlung mit einem magnetischen Mikrowellenfeld gezwungen, in den (-) Zustand überzugehen. Durch den zweiten Magneten werden dann nur die Atome, die eine Zustandsänderung von (+) nach (-) erfahren haben, auf den Auffänger gelenkt. Die Anzahl der Atome im Auffänger ist am größten, wenn die Frequenz des magnetischen Mikrowellen-Oszillator Q auf der Frequenz f_Cs gehalten werden. Durch Abzählen von 9.192.631.770 Periodendauern gewinnt man aus dem Oszillatorsignal das Zeitintervall einer Sekunde.

	Schema einer Atomuhr:
	O	Atomstrahlofen	Q	Bestrahlungsquelle
	M	Sortiermagnet	A	Auffänger
	H	Hohlraumresonator	R	Regler

Horizontalschnitt durch das primaere Zeit- und Frequenznormal CS2 der PTB

Horizontalschnitt durch das primäre Zeit- und Frequenznormal CS2 der PTB
O	Cäsiumstrahl-Ofen	S	Sortiermagnet
V	Vakuumrezipient	M	Mumetall-Abschirmungen
H	Hohlraumresonator	W	Strahlwechsel-Vorrichtung
C	Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes (C-Feld)	A	Auffänger

Zeitsignal - und Normalfrequenzsender DCF77

Standort:

Sendefunkstelle Mainflingen (50° 01’ Nord, 09° 00’ Ost), etwa 25 km südöstlich von Frankfurt/Main.
Das Steuersignal wird am Sendeort von Atomuhren der PTB abgeleitet und von Braunschweig aus kontrolliert.

Trägerfreqenz:

Die Phasenzeit von DCF77 wird so nachgeregelt, daß sie am Sendeort näherungsweise (± 0,3 µs) mit UTC (PTB) in Übereinstimmung bleibt. Am Empfangsort beobachtete größere Phasen - bzw. Frequenzschwankungen werden durch die Überlagerung von Raum- und Bodenwellen hervorgerufen.

Leistung:

Antenne:

150 m (im Falle der Aussendung mit Reserveantenne 200m) hohe vertikale Rundstrahlungsantenne mit Dachkapazität.

Sendezeit:

24-h-Dauerbetrieb. Kurze Unterbrechungen (einige Minuten) sind möglich, wenn bei Störungen oder Wartungsarbeiten auf einen Reservesender oder eine Reserveantenne umgeschaltet werden muß. Bei Gewitter können auch längere Abschaltungen vorkommen.

Zeitsignale:

Der Träger wird amplitudenmoduliert mit Sekundenmarken: Zu Beginn jeder Sekunde (mit Ausnahme der 59. Sekunde jeder Minute) wird die Trägeramplitude für die Dauer von 0,1 s oder 0,2 s auf etwa 25 % abgesenkt. Der Beginn der Trägersenkungen ist der genaue Sekundenbeginn. Das Fehler der 59. Sekunde kündigt die nächstfolgende Minutenmarke an.

Sie Sekundenmarken sind phasensynchron mit dem Träger.

Bedingt durch die Übertragung ist die Unsicherheit, mit der die Zeitpunkte der Sekundenmarken empfangen werden können, größer als die der steuernden Atomuhren. Die Ursachen dafür sind die geringe Bandbreite der Sendeantenne, Raumwelleneinflüsse und mögliche Interferenzen. Trotzdem sind beim Empfang der Sekundenmarken in Entfernung bis zu einigen hundert Kilometern vom Sendeort Unsicherheiten der aufgenommenen Zeitpunkte von weniger als 0,1 ms erreichbar.

Zeitkode:

Während jeder Minute werden die Nummern von Minute, Stunde, Tag, Wochentag, Monat und Jahr BCD-kodiert durch Impulsmodulation der Sekundenmarken übertragen. Dieses "Telegramm" gilt jeweils für die folgende Minute. Dabei entsprechen Sekundenmarken mit einer Dauer von 0,1 s der binären Null und solche mit einer Dauer von 0,2 s der binären Eins. Die Zuordnung der einzelnen Sekundenmarken auf die übertragene Zeitinformation zeigt das Kodierschema. Die drei Prüfbits P1, P2 und P3 ergänzen jeweils die vorhergehenden Informationswörter (7 Bits für die Minute, 6 Bits für die Stunden und 22 Bits für das Datum, einschließlich der Nummer des Wochentages) auf eine gerade Anzahl von Einsen.

	Kodierschema:
	M	Minutenmarke (0,1 s)
	R	Sekundenmarke Nr. 15 hat eine Dauer von 0,2 s, wenn die Aussendung über die Ersatzantenne erfolgt.
	A1	Ankündigung eines bevorstehenden Wechsels von MEZ auf MESZ oder umgekehrt
	Z1, Z2	Zonenzeitbits
	A2	Ankündigung einer Schaltsekunde
	S	Startbit der kodierten Zeitinformation (0,2 s)
	P1-P3	Prüfbits

Die Zeitmarken Nr. 17 und 18 zeigen an, auf welches Zeitsystem sich die ausgesandte Zeitinformation bezieht. Bei Aussendung der MEZ wird die Sekundenmarke Nr. 18 auf 0,2 s verlängert; die Sekundenmarke Nr. 17 hat eine Dauer von 0,1 s. Bei der Aussendung der MESZ ist es umgekehrt.

Vor einem Übergang von MEZ nach MESZ oder zurück wird außerdem jeweils eine Stunde lang die Sekundenmarke Nr. 16 als verlängerte Marke (0,2 s) ausgesendet. Diese Verlängerung beginnt beim Übergang von MEZ auf MESZ (von MESZ nach MEZ) um 01.00.16 Uhr MEZ (2.00.16 Uhr MESZ) und endet um 01.59.16 Uhr MEZ (02.59.16 Uhr MESZ).

Die Sekundenmarke Nr. 19 kündigt eine Schaltsekunde an. Sie wird dann ebenfalls eine Stunden lang vor Einführung der Schaltsekunde als verlängerte Marke (0,2 s) ausgesendet. Schaltsekunden werden weltweit zum gleichen Zeitpunkt in die koordinierte Weltzeitskala UTC eingeführt, vorzugsweise am Ende der letzen Stunde des 31. Dezember oder des 30. Juni. Dies bedeutet, daß Schaltsekunden in der gesetzlichen Zeit der Bundesrepublik Deutschland eine Sekunde vor 1 Uhr MEZ am 1. Januar oder vor 2 Uhr MESZ am 1. Juli eingeschoben werden. Bei einer Schaltsekunde am 1. Januar (1. Juli) beginnt daher die Verlängerung der Sekundenmarke Nr. 19 um 00.00.19 Uhr MEZ (01.00.19 Uhr MESZ) und endet um 00.59.19 Uhr MEZ (01.59.19 Uhr MESZ).

Beim Einfügen einer Schaltsekunde hat die zugehörige Minute eine Dauer von 61 Sekunden, und die der Marke 01.00.00 Uhr MEZ (02.00.00 Uhr MESZ) vorhergehende 59. Sekundenmarke wird mit einer Dauer von 0,1 s ausgesendet. Die zur eingefügten 60. Sekunde gehörige Marke wird weggelassen (keine Trägerabsenkung).

Pseudozufällige Umtastung der Trägerphase:

Zusätzlich zur Ampitudenmodulation (AM) wird dem Träger von DCF77 seit 1983 ein pseudozufälliges Phasenrauschen aufmoduliert. Dazu wird die Phase entsprechend einer binären Zufallsfolge umgetastet (Phasenhub: ±12°), wobei der Mittelwert der Trägerphase unverändert bleibt.

Zur Erkennung der Pseudozufallsfolge wird ein Exklusiv-Oder-Gatter auf den Schieberegistereingang rückgekoppelt. Jeweils 0,2 s nach Sekundenbeginn wird das Schieberegister aus dem Zustand Null gestartet und nach Ablauf eines vollständigen Zyklus, etwa 7 ms vor der nächsten Sekundenmarke, wieder angehalten. Die Trägerfrequenz 645,83 Hz ist eine subharmonische (77.500 / 120) Trägerfrequenz. Die Dauer eines Rauschzyklus beträgt 793 ms. Mit jedem Rauschzyklus wird 1 Bit übertragen, wobei eine invertierte Pseudozufallsfolge dem Datenzustand 1 entspricht. Außer der Minutenmarkenidentifizierung ist die durch Phasenrauschen übertragene Binärinformation die gleiche wie durch AM. Anstelle der bei AM weggelassenen 59. Sekundenmarke werden bei der Rauschkodierung zehn invertierte Pseudozufallsfolgen in den Sekunden 0 bis 9 übertragen.

Empfangsseitig läßt sich die verwendete Pseudozufallsfolge als Suchsignal reproduzieren und mit dem empfangenen Phasenrauschen kreuzkorrelieren. Die Kreuzkorrelation in der Verbindung mit pseudozufälligem Phasenrauschen erlaubt eine genauere Bestimmung der Ankunftszeitpunkte der empfangenen Signale. Durch das Phasenrauschen wird der Empfang der AM-Zeitsignale nicht gestört; und auch die Eigenschaften von DCF77 als Normalfrequenzsender werden nicht nennenswert beeinflußt.

Auszug aus dem Gesetz über die Zeitbestimmung

(Zeitgesetz - ZeitG)

vom 25. Juli 1978

Bundesgesetzblatt 1978, Teil I, Seiten 1110-1111

§ 2
Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit

Die gesetzliche Zeit wird von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt dargestellt und verbreitet.

§ 3
Ermächtigung zur Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit

Die Bundesregierung wird ermächtigt, zur besseren Ausnutzung der Tageshelligkeit und zur Angleichung der Zeitzählung an diejenige benachbarter Staaten durch Rechtsverordnung für einen Zeitraum zwischen 1. März und dem 20. Oktober die mitteleuropäische Sommerzeit einzuführen.

Die mitteleuropäische Sommerzeit soll jeweils an einem Sonntag beginnen und enden. Die Bundesregierung bestimmt in der Rechtsverordnung nach Absatz 1 den Tag und die Uhrzeit, zu der die mitteleuropäische Sommerzeit beginnt und endet, sowie die Bezeichnung der am Ende der mitteleuropäischen Sommerzeit doppelt erscheinenden Stunde.

Für diese Informationen bedanken wir uns bei der PTB, die uns diese Daten zur Verfügung gestellt hat.
Bildquellen: PTB

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