DCF77 Frequenznormal

[Laie (Gast)]

(Komisch, seitdem Frank H. den Herrn Bauch von der PTB eingebracht hat, 
sehe ich den Namen überall. In diesem Artikel findet man ihn unter den 
Danksagungen.)

Nochmal zum "Phasenspringen":

Egon D. schrieb:
> Dennoch könnte ich mir vorstellen, dass es sich um ein
> Artefakt handelt, das nicht gesendet wird, sondern erst
> bei der Auswertung auftritt. Ich würde diesen Verdacht
> nicht äußern, wenn mir nicht selbst schon solche Fehler
> beim Auswerten von Messreihen unterlaufen wären...

Ich kenne das. Auch deshalb der Aufwand statt bei der PTB nachzufragen.

> 1. Du verwendest nicht zufällig einen 10MHz-Oszillator
>    als lokale Referenz? Falls ja: Was passiert, wenn Du
>    statt dessen 5MHz, 8MHz, 12MHz oder 16MHz als lokale
>    Referenz nimmst -- ändert sich dann die GRÖSSE der
>    Phasensprünge oder das MUSTER?

Ja, 10 MHz wurden verwendet aber einen Test mit 8 MHz habe bereits 
gemacht. Neu ist einer mit 2.457 MHz (s.u).

> 2. Es gibt keine Stelle im Programm, an der die Phasenlage
>    der Trägerfrequenz GANZZAHLIG als Vielfaches der
>    Referenztaktperiode ausgedrückt wird?

Der Datentyp wird von Ganzzahlen (vom Controller kommend) auf double 
(unter Windows) geändert. Die wenigen Berechnungen mit diesen Werten 
werden immer in double gemacht. Der printf(double)- statt der 
SetPixel(uint8)-Phasenwert springt auch.
Ubrigens:
An einer Stelle wird ein 2pi-Modulo einer Phasendifferenz gebildet. Als 
ich die zwei Programmzeilen testweise "alternativ" kodierte, sahen die 
Sprünge plötzlich anders aus! Das lag aber daran, dass ich dabei immer 
eine Phasenabweichung von pi hinzugefügt hatte, wodurch dann immer 2pi 
Sprünge entstanden, welche Überläufe bei den 8-Bit-Casts zur Folge 
hatten, woraus schließlich Phantomsprünge wurden. Also blinder Alarm. 
(Wie wohl mein Gesicht dabei ausgesehen hat?) Nicht selten entstehen 
Fehler beim Versuch Fehler zu beseitigen.

-

Inzwischen habe wieder Tests mit dem zweiten Empfänger gemacht:

- krumme Quarzfrequenz (2.457 MHz)
- verschiedene CPU-PLL-Multiplier (11x, 12x, 13x, 16x)
- synchrones Sampeln (11 Samples je DCF77-Periode)
Eigentlich schlechter, da komplizierter und ein Phasen-Jitter von 
+-2/fCPU bei den Samplezeitpunkten entsteht. Der Programmcode wird 
dadurch aber aus zwei Gründen sehr fehlerrobust. Zum einen kann der Code 
zum Synchronisieren prinzipbedingt nur völlig richtig oder nur völlig 
falsch funktionieren und zum anderen wird die Auswertung wegen der 
ganzzahligen Perioden trivial, also sicher.
- andere Werte statt 11 Samples je DCF77-Periode (5, 7, 8, 12)
- Blackman-Harris-Fensterfunktion statt Rechteckfenster
Die Dämpfung über das gesamte Empfangsspektrum beträgt dann -180 db!
- nur eine statt zwei Vorverstärkerstufen
Das DCF77-Signal am ADC liegt mit 400 µV dadurch in einer anderen 
Größenordnung. Außerdem sogar unter der ADC-Auflösung von 800 µV.
- Impedanzwandlerstufe zwischen Antenne und Vorverstärker hinzugefügt
Die Antennenschwingkreisgüte erhöht sich dann von 30 auf 90.
- zeitliches Verwischen der CPU-Last
Was zuvor in einem festen Zeitraster verarbeitet wurde, wird nun 
zeitlich um einen Zufallswert verwackelt. Ziel ist, ein Strommuster der 
Berechnungen (welches dem ADC-Wert und auch dem Antennensignal 
aufmoduliert wird) zu verhindern.

Ergebnis:
Es hat sich nichts geändert. Unveränderte 100 ns Sprünge.

[Laie (Gast)]

Phasensprünge - Letztes Kapitel:

Beim direkten Vergleich der Meßwerte mit denen meines Hauptempfängers 
ist mir was aufgefallen. Anscheinend gibt eine weitere Art dieser 
Phasensprünge:

Das Bild 01_Vergleich.png zeigt die synchron zum Sekundenbeginn über 
eine Sekunde gemittelte Phase beider Empfänger über die Zeit. (Beide 
Signale sind mit einem 5 Minuten Hochpass gefiltert, da der Oszillator 
vom zweiten Empfänger für größere Zeiten nicht stabil genug wäre.) Bis 
zum Zeitpunkt ts sieht man ein Signal, dass zwischen drei Phasen 
wechselt. (Das ist selten, "normal" wären zwei - egal.) Ab Zeitpunkt ts 
setzt dann eine Störung ein, die von beiden Empfängern sehr ähnlich 
empfangen wird. Um Unterschiede zu erkennen habe ich mir die Differenz 
der Sekundenwerte darstellen lassen (blaue Linie). Da beide Empfänger, 
trotz sieben Metern Abstand, das gleiche Signal messen, musste die 
Störquelle weit entfernt sein.
Merkwürdig ist hingegen, dass die Störung ab ts keine erkennbare 
Auswirkung auf das Differenzsignal hat. Bei einer normalen 
(hochfrequenten) Störung wäre das wegen der unterschiedlichen Empfänger 
(Antenne, Verstärker, Abtastfrequenz) nicht zu erwarten. Weil mir eine 
Spektralanalyse der Daten zu aufwendig war, habe ich nur eine Frequenz 
(646Hz=77500Hz/120) untersucht. Das geht deswegen einfach, weil ich dazu 
nur die Fehlerqoute der 512 Bits des "Pseudo-Random Noise"-Kodes der 
Phasenmodulation vom DCF77 ablesen brauchte: Vor der Störung lag diese 
bei 1 von 512 Bits und ab dem Zeitpunkt ts blieb dieser Wert dauerhaft 
und unverändert! Normal ist das nicht, denn bei einer Störung von 
beispielsweise eines Schaltnetzteils sieht das anders aus:
Das Bild "02_Schaltnetzteil.png" zeigt wieder mal eine über eine Sekunde 
gemittelte Phase über die Zeit. Das Schaltnetzteil wurde dem 
Testempfänger so weit genähert, bis eine Störung erkennbar war. Obwohl 
die Störung weitaus geringer ist (vgl. "Bild 01_Vergleich.png"), sind 
hier 40 der 512 Bits einer Sekunde fehlerhaft.

Ich habe den Verdacht, dass die "Störung" in "Bild 01_Vergleich.png" 
genau 1 Hz hat und sich synchron mit dem DCF77-Sekundenbeginn ändert, 
also in Wirklichkeit nur eine weitere Variante der bekannten 
Phasensprünge ist.

##### BTW: Wie sieht eigentlich das Signal beim MSF60 aus?
Ein schnell gemachter Test. Beim Controller- und Windows-Programm wurde 
der Zahlenwert der Trägerfrequenz auf 60000 gesetzt und die Antenne 
wurde auf 60 kHz abgeglichen. Im Bild "03_MSF60.png" sieht man dann das, 
was man beim DCF77 erwarten würde - kein Springen. ("MSF60 rules the 
waves!")

##### Zusammenfassung:
Bei mir ist dem DCF77-Signal immer eine 1 Hz Phasenmodulation (von 
irgendwas) mit grob 100 ns Phasenhub überlagert. Das beeinträchtigt zwar 
nicht die Genauigkeit, es stört aber dabei, eine hohe Genauigkeit über 
einen kurzen Zeitintervall zu
erreichen.
Lokal ist einfach kein Fehler zu finden. Außerdem dürften bei -180 db 
Dämpfung andere Sender oder Störungen keine Ursache sein. Eigentlich 
kann die Modulation nur beim DCF77 entstanden sein. Hinter dem DCF77 
steht aber die PTB und eine derart chaotische Modulation passt nicht zur 
PTB.

Wo liegt dann die Ursache? Ich weiß es nicht (und mir ist es eigentlich 
auch inzwischen egal). :-)

Mein Post Beitrag "Re: DCF77 Frequenznormal" 
war jedenfalls voreilig.

[Gerhard H. (ghf)]

Bei mir hat das heute mittag so ausgesehen: (pic)
Agilent 89441A, 16*cph3910 FETs als Vorverstärker, etwa 1.5m
Bananenkabel als Antenne auf dem Labortisch. Nichts resonantes.
RBW = 0.5 Hz     WIMRE 100*ge-averaged.

Die Seitenbänder gehören anscheinend zum Signal; mit dem HP3325B
als Signalquelle sind sie nicht da.

Die Notwendigkeit von tollen Quarzfiltern offenbart sich mir nicht.
Es ist vermutlich sinnvoller, mit dem Quarz einen VCXO zu bauen
und den mit einer Minute-Zeitkonstante an den Träger anzubinden.

Gruß, Gerhard H

[Ralph B. (rberres)]

Gerhard H. schrieb:
> Die Seitenbänder gehören anscheinend zum Signal; mit dem HP3325B
> als Signalquelle sind sie nicht da.

Die Seitenbänder könnten zu dem Sekundentakt gehören.

Ralph Berres

[Josef L. (Gast)]

Ralph B. schrieb:
> könnten zu dem Sekundentakt gehören

Ich würde sagen "gehören zum Sekundentakt", da "span 50 Hz" zu lesen ist 
und der Abstand der Peaks somit 1 Hz beträgt. Da ist die Erklärung 
naheliegend.

[Gerhard O. (gerhard_)]

Moin,

Ich fand zufällig diesen DCF77 Bauartikel beim Stöbern:

https://nvhrbiblio.nl/biblio/tijdschrift/Funktechnik/1981/FT_1981_Heft_08_OCR.pdf

Gruß,
Gerhard

[Frank H. (frank147)]

Interessanter Artikel. Schöner Blick 40 Jahre zurück. Damals wurde der 
Superhet gebaut, um die Schwingneigung der hohen Geradeausverstärkung zu 
umgehen. Das ist heute kein Problem mehr dank der SMD Technik. Da ist 
die Streukapazität so klein, daß auch 100 dB Verstärkung ohne 
Schirmbleche auf einer 4cm * 8cm  großen Leiterplatte nicht koppeln.

[Ralph B. (rberres)]

Frank H. schrieb:
> Da ist
> die Streukapazität so klein, daß auch 100 dB Verstärkung ohne
> Schirmbleche auf einer 4cm * 8cm  großen Leiterplatte nicht koppeln.

Aber über die Betriebsspannung koppelt es gerne. Da muss man auch darauf 
achten.

Ralph Berres