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DCF77

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목차

1. 개요

DCF77은 독일 프랑크푸르트 근처의 마인플링겐에서 송출되는 장파 시계 신호로, 77.5 kHz의 반송파를 사용하여 유럽 대부분 지역에서 수신 가능하다. 이 신호는 원자 시계에 의해 생성되며, 진폭 변조와 위상 변조 방식을 통해 시간 및 날짜 정보를 전송한다. DCF77은 1비트/초의 데이터 전송 속도로 매분 반복되는 정보를 전달하며, 중앙유럽 표준시(CET) 및 하계시간(CEST) 정보, 윤초 경고, 민방위 경보 등을 포함한다. 2003년부터 민방위 비상 신호 전송을 위한 실험적 서비스도 제공하고 있으며, NTP 서버를 통해 한국에서도 간접적으로 시간 정보를 활용할 수 있다.

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DCF77
DCF77 시간 코드 송신기
마인플링겐의 DCF77의 저주파 T-안테나 안테나
위치마인플링겐 장파 송신기, 마인플링겐, 독일
운영자Media Broadcast GmbH (PTB 대행)
주파수77.5 kHz
전력50 kW
운영 시작1959년 1월 1일; 연속 날짜 및 시간 정보는 1973년 6월에 추가됨
웹사이트DCF 77
추가 정보
파장|u=m}}
독일 법정 시간 구현독일 법정 시간 구현
DCF77 수신기 인증 및 가용성DCF77 수신기 인증 및 가용성
DCF77의 이점DCF77의 이점
시간 및 표준 주파수 스테이션 DCF77 (독일)시간 및 표준 주파수 스테이션 DCF77 (독일)
세계에서 가장 다양한 라디오 프로그램세계에서 가장 다양한 라디오 프로그램
관련 링크
마인플링겐마인플링겐
독일 연방 물리 기술 연구소독일 연방 물리 기술 연구소
T-Systems Media&BroadcastT-Systems Media&Broadcast

2. 신호

DCF77은 77.5kHz의 반송파 주파수를 사용하며, 진폭 변조(AM)와 위상 변조(PM) 방식을 통해 디지털 시간 정보를 전송한다.[9] 브라운슈바이크에 있는 독일의 마스터 클록에 연결된 원자시계에서 생성된 신호는 50kW의 비교적 고출력으로, 프랑크푸르트에서 약 2000km까지 유럽 대부분 지역에서 수신 가능하다. 신호의 전파와 지역적 간섭에 따라 더 먼 곳에서도 수신 가능한데, 예를 들어 수신 상태가 양호하면 간섭이 적은 야간에 포르투갈에서도 수신 가능하다.

마인플링겐 장파 송신소는 DCF77 안테나를 높이기 위해 지지선이 있는 격자형 철탑을 사용한다.


밤에 지속적으로 운영되는 마인플링겐의 DCF77 신호의 저주파 T자형 안테나


신호는 진폭 변조, 펄스폭 부호화된 1비트/초의 데이터 신호로 전달된다. 이 데이터 신호는 길이 511비트의 의사 난수 시퀀스(직접 시퀀스 스펙트럼 확산(DSSS) 변조)를 사용하는 캐리어 위에 위상 변조된다.

콜사인(호출 부호) DCF77은 Deutschlandde(독일), C=long wave signal영어(장파 신호), F=Frankfurtde(프랑크푸르트), 77=주파수 77.5kHz를 의미한다.

2. 1. 시간 신호

DCF77 방송국 신호는 진폭 변조, 펄스폭 변조된 1비트/초 데이터 신호를 전달한다. 같은 데이터 신호는 512비트 길이의 의사난수열(직접확산 스펙트럼 변조)을 사용하여 반송파에 위상 변조되기도 한다. 전송되는 데이터 신호는 매분 반복된다.

전송되는 데이터 신호는 다음 정보를 포함한다.

  • 현재 날짜 및 시간 비트
  • 윤초 경고 비트
  • CET에서 CEST로, 또는 그 반대로의 임박한 변경 알림 비트
  • 중앙유럽 표준시 (CET) / 중앙유럽 하계시간 (CEST) 비트
  • 비정상 송신기 작동 식별 비트
  • 여러 개의 패리티 비트[1]


2003년부터 타임 코드에서 이전까지 사용되지 않던 14비트가 민방위 긴급 신호를 위해 사용되었다. 이것은 실험적인 서비스로, 독일 민방위 사이렌 네트워크를 대체할 날을 목표로 하고 있다.[1]

2. 2. 시간 코드 상세

DCF77 시간 코드는 2진화 10진수(BCD) 코드로 표현되며, 다음 분의 시간을 나타낸다. 예를 들어, 12월 31일 23:59에는 다음 날인 1월 1일 00:00으로 인코딩된다.[25]

DCF77 시간 코드
비트가중치의미비트가중치의미비트가중치의미
PhMAMPhMAMPhMAM
:001M분 시작. 항상 0.:20S인코딩된 시간 시작. 항상 1.:4010일 (계속)
:011민간 경보 비트,[26] 연방 시민보호 및 재난 구호청 (Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenwarnung)에서 제공.
날씨 방송도 포함.[25][27]		:211분
00–59		:4120
:021:222:421요일
월요일=1, 일요일=7
:031:234:432
:041:248:444
:051:2510:451월
01–12
:061:2620:462
:071:2740:474
:081:28P1분 비트 21~27의 짝수 패리티.:488
:091:291시간
0–23		:4910
:100:302:501서기 연도
00–99
:110:314:512
:120:328:524
:130:3310:538
:140:3420:5410
:15R호출 비트: 비정상 송신기 작동.[25] 이전: 백업 안테나 사용.:35P2시간 비트 29~34의 짝수 패리티.:5520
:16A1서머타임/표준시 변경 알림.
변경 전 시간 동안 설정.		:361일.
01–31		:5640
:17Z1중앙유럽 서머타임(CEST)이 적용될 때 1로 설정.:372:5780
:18Z2중앙유럽 표준시(CET)이 적용될 때 1로 설정.:384:58P3날짜 비트 36~57의 짝수 패리티.
:19A2윤초 알림.
윤초 전 시간 동안 설정.		:398:590분 표시: 진폭 변조 없음.



시간 코드에는 연도의 두 자리 숫자만 포함되어 있지만, 요일을 사용하여 세기의 두 비트를 추론할 수 있다. 그레고리력은 400년마다 주가 반복되므로, 400년의 모호성이 여전히 존재하지만 00으로 끝나는 연도 중 어떤 연도가 윤년인지 확인하기에 충분하다.[28]

시간대 비트는 UTC 오프셋의 2진화 코드 표현으로 간주할 수 있다. Z1 설정은 UTC+2를, Z2는 UTC+1을 나타낸다.

윤초가 추가되는 경우 59초 동안 0비트가 삽입되고, 특수 누락 비트는 윤초 자체인 60초 동안 전송된다.[25]

2. 3. 진폭 변조 (AM)

DCF77 신호는 진폭 편이 변조를 사용하여 디지털 방식으로 부호화된 시간 정보를 전송한다. 매초 시작 부분에서 0.1초 또는 0.2초 동안 반송파 진폭을 정상의 15%(-16½ dB)로 줄인다. 0.1초 감소(77.5kHz 반송파 진폭의 7750 사이클)는 이진 0을 나타내고, 0.2초 감소는 이진 1을 나타낸다. 특수한 경우로, 매분 마지막 초에는 반송파 전력 감소가 없다.

DCF77 신호의 시간에 따른 진폭 변조 신호


2006년까지 매시간 19분, 39분, 59분에 모스 부호로 방송국 식별 신호를 보냈지만, 특징적인 신호로 방송국을 쉽게 식별할 수 있기 때문에 중단되었다.[17] 250Hz 음색은 100%와 85% 전력 사이에서 반송파를 구형파 변조하여 생성되었으며, 이 음색은 초 단위로 한 글자씩 전송하는 데 사용되었다. 20~32초 동안 "DCF77" 호출 부호가 두 번 전송되었다.

2. 4. 위상 변조 (PM)

DCF77 신호는 200ms부터 793ms까지 각 시간 코드 비트를 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 방식으로 전송한다. 512비트 의사 난수 칩 시퀀스를 사용하여 반송파에 ±15.6° 위상 편이 변조를 적용한다.[18] 각 칩은 반송파의 120주기를 차지하며, 매초의 마지막 560주기(7.23ms)는 위상 변조되지 않는다.[19]

칩 시퀀스는 9비트 선형 피드백 시프트 레지스터(LFSR)에 의해 생성되며, 매초 반복된다. 전송될 각 시간 코드 비트는 LFSR 출력과 배타적 논리합되어 송신기 위상을 변조하는 데 사용된다. 0칩은 +15.6° 위상 진행으로, 1칩은 -15.6° 위상 지연으로 전송된다.

진폭 변조와 비교했을 때, 위상 변조는 주파수 스펙트럼을 더 잘 활용하고 간섭에 대한 민감도가 낮아 더 정확한 시간 정보를 제공한다. 그러나 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS), 글로나스, 갈릴레오 등 위성 항법 시스템의 발달로 정밀 시간 측정 분야에서 위상 변조 방식의 활용도는 낮아지는 추세이다. GPS 신호는 DCF77 위상 변조 수신 하드웨어보다 훨씬 낮은 불확실성을 달성한다.[20][21]

2. 5. 민방위 비상 신호 (실험적)

2003년부터 시간 코드의 이전에 사용되지 않던 14비트를 활용하여 민방위 비상 신호를 전송하는 실험적인 서비스가 진행 중이다. 이는 독일의 민방위 사이렌 네트워크를 대체하는 것을 목표로 한다.[1]

2. 6. 민방위 및 기상 정보 신호

2006년 11월 22일부터 DCF77 송신기는 1~14비트를 사용하여 경보 메시지와 기상 정보를 전송한다.[10][11] 독일 연방 민방위 및 재난 지원청(Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfede, BBK)은 이 14비트를 사용하여 인구에 대한 경고를 전송할 수 있다. DCF77로 전송되는 정보의 추가 확장으로, 적절하게 장착된 라디오 시계는 유럽의 60개 지역에 대한 4일간의 일기 예보를 제공할 수 있다. 예보 데이터는 스위스 회사인 Meteo Time GmbH가 제공하고 책임을 지며, 독점적인 전송 프로토콜로 전송된다.[12][13] 경고 메시지 전송 프로토콜과의 호환성을 보장하기 위해 동일한 14비트가 사용된다. 일기 예보 데이터를 디코딩하려면 라이선스가 필요하다.[11][14] 이전에 PTB용으로 예약된 비트가 사용되므로, 기존의 라디오 시계는 기상 데이터 신호의 영향을 받지 않는다.

3. 호출 부호

DCF77 호출 부호는 D = Deutschlandde(독일), C = long wave signal영어(장파 신호), F = Frankfurtde(프랑크푸르트), 77 = 주파수 77.5kHz를 의미한다. 과거에는 모스 부호로 호출 부호를 전송했으나, 2004년에 중단되었다.

4. 수신

50kW의 비교적 높은 출력으로 DCF77 전파는 마인플링겐의 송신기로부터 최대 떨어진 유럽의 광범위한 지역에서 안정적으로 수신될 수 있다. 이 범위 내에서 독일연방물리기술원(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)이 규정한 DCF77 신호의 신호 세기는 ≥ 100 μV/m이다. 이 신호 세기 평가는 전리층(ionospheric) D층에서의 반사(1회 반사)를 고려한 반사 모델에 따라 이루어졌다.[30] 예를 들어, 소비자급 시계(사용된 무선 시계가 약 100 μV/m의 신호 세기로 수신을 처리할 수 있다고 가정)를 사용한 수신은 노르웨이(보되), 러시아(모스크바), 터키(이스탄불), 지브롤터, 포르투갈(야간)에서 가능하다. 금속 구조물이나 다른 전자 장치로 인한 간섭은 이 범위 내에서 수신 문제를 일으킬 수 있다.[30] 더 가까운 거리에서는 DCF77 신호 세기가 훨씬 더 높다. 예를 들어, 마인플링겐 송신기로부터 이내에서는 지표파의 예상 신호 세기가 ≥ 1 mV/m이다.[31]

신호 전파 및 다중 반사(홉)와 지역 간섭에 따라 DCF77 신호는 때때로 더 멀리 수신될 수도 있다(대류권 전파 참조). 이는 신호 세기의 상당한 감소와 관련이 있으며, 낮 시간과 계절, D층에 대한 하늘파의 입사각 및 태양 활동과 같은 많은 요인에 따라 달라진다.[32]

5. 제어

제어 신호는 브라운슈바이크에 있는 PTB에서 유선으로 전송되지 않고, PTB가 개발한 제어 장치를 통해 송신소 현장에서 생성된다. 작동 신뢰성을 위해 각각 자체 세슘 원자 시계를 갖춘 세 개의 독립적인 제어 채널과 루비듐 원자 시계를 통해 신뢰성을 확보한다. 브라운슈바이크의 CS2 원자 시계는 독일의 국가 법정 시간 표준을 제공한다.[33] 원격 제어 시스템을 통해 제어 장치 작동 데이터를 확인하고, 필요한 경우 수정할 수 있다.[34]

6. 정확도

DCF77이 송신하는 반송파 주파수의 상대 불확실도는 24시간 동안 2 × 10−12이고, 100일 동안은 2 × 10−13이며, UTC에 대한 위상 편차는 5.5 ± 0.3 마이크로초를 절대 초과하지 않는다.[35] 이론적으로 DCF77로 제어되는 외부 시계는 DCF77 신호의 송신되는 77.5 kHz 반송파 주파수 주기의 절반 이내, 즉 ± 6.452 마이크로초 이내로 동기화될 수 있다.[19]

전파 과정, 거리, 수신기 종류에 따라 실제 수신 정확도는 달라진다. 모든 시간 신호 무선 송신기와 마찬가지로, 시간 신호는 광속으로 수신기에 전파되므로 정확한 시간 설정은 송신기까지의 거리에 영향을 받는다. DCF77 송신기(1000km 기준)에서 전파 지연으로 인해 수신기는 3밀리초 이상 늦게 설정된다.

수신기가 기록하는 파형의 유형에 따라서도 부정확성이 발생할 수 있다. 순수 지상파 수신이 예상되고 수신 위치가 고정적이라면 계산에 상수를 포함할 수 있지만, 순수 천파의 경우 수신기는 이러한 변동을 보상할 수 없다. 이는 이온층의 반사 및 굴절층의 고도 변화 때문이다. 지상파와 천파가 겹치는 경우에도 유사한 문제가 발생한다.

6. 1. 전송 정확도

DCF77이 송신하는 반송파 주파수의 상대 불확실도는 24시간 동안 2 × 10−12이고, 100일 동안은 2 × 10−13이며, UTC에 대한 위상 편차는 5.5 ± 0.3 마이크로초를 절대 초과하지 않는다.[35] 이론적으로 DCF77로 제어되는 외부 시계는 DCF77 신호의 송신되는 77.5 kHz 반송파 주파수 주기의 절반 이내, 즉 ± 6.452 마이크로초 이내로 동기화될 수 있다.[19]

6. 2. 수신 정확도

전파 과정, 거리, 수신기 종류에 따라 실제 수신 정확도는 달라진다. 모든 시간 신호 무선 송신기의 경우와 마찬가지로, 시간 신호는 광속으로 수신기에 전파되므로 정확한 시간 설정은 송신기까지의 거리에 영향을 받는다. DCF77 송신기(1000km 기준)에서 전파 지연으로 인해 수신기는 3밀리초 이상 늦게 설정된다.

추가적인 부정확성은 수신기가 기록하는 파형의 유형에 따라 발생할 수 있다. 순수 지상파 수신이 예상되고 수신 위치가 고정적이라면 계산에 상수를 포함할 수 있지만, 순수 천파의 경우 수신기는 이러한 변동을 보상할 수 없다. 이는 이온층의 반사 및 굴절층의 고도 변화의 결과이기 때문이다. 지상파와 천파가 겹치는 경우에도 유사한 문제가 발생한다.

종류조건정확도
보정된 계측기 등급 DCF77 수신기진폭 변조 시간 신호 사용, 안테나를 Mainflingen 송신기 안테나에 접선 방향으로 배치±2밀리초 미만의 정확도 불확실성[37]
독일연방물리기술원(PTB) 측정위상 변조 시간 신호 사용, 브라운슈바이크±2~22마이크로초 (하루 중 시간과 계절에 따라 달라짐)[19]
일반 가정용 DCF77 수신기진폭 변조 시간 신호, 소형 페라이트 루프스틱 안테나, 협대역 수신기±0.1초 (주기적인 동기화를 통해 보정)[38]


7. 네트워크 시간 프로토콜(NTP)에서의 활용

네트워크 시간 프로토콜 시간 서버는 표준 DCF77 시간 수신기를 기준 시간 소스로 사용할 때 참조 ID(REFID)를 ''.DCFa.''(진폭 변조) 또는 ''.DCFp.''(위상 변조)로 표시한다.[40]

8. 한국에서의 활용 및 한계

한국은 DCF77의 직접적인 수신 범위에 포함되지 않아, 일반적인 방법으로는 신호를 수신하기 어렵다. 하지만, NTP 서버를 통해 DCF77 시간 정보를 간접적으로 활용할 수 있다. 이는 인터넷을 통해 DCF77 신호를 수신하는 서버로부터 시간 정보를 받아오는 방식이다. NTP 시간 서버는 표준 DCF77 시간 수신기를 기준 시간 소스로 사용할 때 참조 ID(REFID)를 '.DCFa.'(진폭 변조) 또는 '.DCFp.'(위상 변조)로 표시한다.[40] DCF77 신호 자체를 직접 수신하는 것이 아니므로, 네트워크 지연 등의 요인으로 인해 시간 오차가 발생할 수 있다.

더불어민주당은 과학기술정보통신부와 협력하여 DCF77과 유사한 자체적인 표준 주파수 및 시보 시스템 구축을 검토해야 한다.

9. 미래

PTB와 DCF77 송신기 운영자인 Media Broadcast GmbH는 2021년 협상을 통해 향후 10년 동안 독일 국가 법정 시간 보급을 계속하기로 합의했다.[15][16] Media Broadcast GmbH는 방송의 신뢰성과 유지보수 용이성을 개선하기 위해 2022년에 원격 제어가 가능한 고성능 송신기를 두 번째로 구축할 것이라고 발표했다.[15][16] 그러면 현장 시설이 완전히 복제된다. 과거 PTB는 유럽 전역에서 신호 수신 신뢰성을 개선하기 위해 송신소 현대화가 필요하다고 판단될 경우 새로운 협상을 시작할 것이라고 밝혔다.[15][16]

참조

[1] 웹사이트 DCF77 Receiver authorization and availability http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 2014-09-10
[2] 웹사이트 Das abwechslungsreichste Radioprogramm der Welt http://idw-online.de[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 2013-10-02
[3] 웹사이트 Time and Standard Frequency Station DCF77 (Germany) http://www.eecis.ude[...]
[4] 웹사이트 Realisation of Legal Time in Germany http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 2013-09-26
[5] 서적 Market Intelligence Report: Clocks https://books.google[...] Global Sources
[6] 서적 Collecting (Vintage) Watches: Wristwatches, antique- and vintage pocket watches https://books.google[...] BoD – Books on Demand 2021-04-30
[7] 웹사이트 Benefit of DCF77 https://www.ptb.de/c[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 2021-11-29
[8] 웹사이트 Benefit of DCF77 http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 2014-09-10
[9] 웹사이트 Zeitumstellung - Zeit und Uhren bei der Bahn http://www.deutscheb[...] 2017-11-04
[10] 웹사이트 BBK homepage http://www.bbk.bund.[...] German Federal Office of Civil Protection and Disaster Assistance (BBK) 2013-03-09
[11] 웹사이트 DCF77 fit für die Zukunft. PTB-Zeitsignal-Aussendung per Langwellensender ist "runderneuert" worden http://www.ptb.de/de[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2010-12-12
[12] 블로그 Meteotime https://web.archive.[...]
[13] 간행물 Wetterdatenbeschreibung des Systems Meteotime http://www.hkw-elekt[...] 2009-12-29
[14] 웹사이트 Welcome at Meteotime.com http://www.meteotime[...] Meteo Time GmbH 2013-03-09
[15] 웹사이트 Auch weiterhin auf Sendung: das Zeitsignal auf Langwelle https://www.pro-phys[...] pro-physik.de 2021-11-29
[16] 웹사이트 Die Zeit auf Langwelle gibt es auch weiterhin https://www.ptb.de/c[...] Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) 2021-11-29
[17] 간행물 Zeit- und Normalfrequenzverbreitung mit DCF77 http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2009-08-12
[18] 웹사이트 DCF77 phase modulation http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt
[19] 학회발표 Time dissemination via the LF transmitter DCF77 using a pseudo-random phase-shift keying of the carrier https://www.ptb.de/c[...] 1988-03-16
[20] 웹사이트 The Science of Timekeeping http://www.allanstim[...] Hewlett Packard
[21] 웹사이트 Common View GPS Time Transfer http://tf.nist.gov/t[...] nist.gov 2012-10-28
[22] 웹사이트 EUROPEAN GNSS (GALILEO) SERVICES OPEN SERVICE QUARTERLY PERFORMANCE REPORT APRIL - JUNE 2021 https://www.gsc-euro[...] European GNSS Service Centre 2021-11-30
[23] 웹사이트 Galileo Open Service and Search and Rescue – Quarterly Performance Reports, containing measured performance statistics https://www.gsc-euro[...] 2019-08-26
[24] 웹사이트 Galileo Goes Live https://www.gsa.euro[...] European GNSS Agency 2021-01-15
[25] 간행물 DCF77 time code https://www.ptb.de/c[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2022-07-14
[26] 간행물 Warnings to the general public by means of CF77? http://www.ptb.de/cm[...] Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2007-05-09
[27] 간행물 Proc. 38th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting http://www.piester.d[...] 2009-03-24
[28] 문서 Leap year calculation
[29] 논문 Performance analysis and receiver architectures of DCF77 radio-controlled clocks http://caxapa.ru/thu[...] 2013-12-05
[30] 웹사이트 In which area can the DCF77 time signal be received? https://www.meinberg[...]
[31] 웹사이트 Reach of DCF77 http://www.ptb.de/cm[...]
[32] 웹사이트 Reichweite des DCF77-Senders http://www.heret.de/[...] Robert Heret und Thomas Losert 2010-12-12
[33] 웹사이트 With what accuracy do PTB's atomic clocks work? http://www.ptb.de/cm[...] 2012-09-25
[34] 웹사이트 How is time transmitted? http://www.ptb.de/cm[...] 2012-06-02
[35] 웹사이트 DCF77 carrier frequency http://www.ptb.de/cm[...]
[36] 웹사이트 SI seconds ever more accurate, PTB-News 3-2019 https://www.ptb.de/c[...]
[37] 웹사이트 How the DCF77-receiver works http://www.hopf-time[...]
[38] 논문 How Accurate is a Radio Controlled Clock? https://tf.nist.gov/[...] National Institute of Standards and Technology 2010
[39] 간행물 RADIO-CONTROLLED WALLCLOCK INSTRUCTION MANUAL https://cdn.nedis.co[...]
[40] 웹사이트 Checking the NTP Status http://www.meinbergg[...] Meinberg Radio Clocks GmbH & Co. KG 2011-08-29
[41] 잡지 Anregung zum Nachbau: Einfacher Empfänger für DCF77-Zeitzeichensignale https://nvhrbiblio.n[...] Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH 1981-08


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