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PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •217
Zusammenfassung
Vor fünfzig Jahren, am 1. Januar 1959, begannen
offiziell die Zeitsignal- und Normalfrequenz-
aussendungen mit dem Langwellensender
DCF77‒ der Anlass für diesen Aufsatz. Die
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
war von Anfang an entscheidend in diese Aus-
sendungen involviert. In ihrem Auftrag werden
heute die Sendeeinrichtungen von der Media
Broadcast GmbH betrieben, in der Nachfolge der
Deutschen Bundespost und der Deutschen Te-
lekom AG. Schwerpunkt dieses Beitrages ist die
Beschreibung des aktuellen, im Laufe der Jahre
mehrfach geänderten Sendeprogramms und der
gegenwärtigen Eigenschaften der gesendeten
Signale. Außerdem wird ein Überblick gegeben
über die zur Zeit verwendeten technischen Ein-
richtungen zur Aussendung und Überwachung.
Die Vorzüge von DCF77, große Reichweite und
Empfang mit preiswerten Empfängern, haben
dazu geführt, dass DCF77-Funkuhren für die
Versorgung Deutschlands mit genauer Zeit mil-
lionenfach zum Einsatz kommen. So ist DCF77
inzwischen zu einem wichtigen Bestandteil der
steuerfinanzierten Infrastruktur unseres Landes
geworden.
Summary
50 years have passed since 1959 when the DCF77
transmitter was officially used for the first time
for disseminating standard frequency and time
signals according to German legal time. This
jubilee was motivation to write this text. The
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
has been involved from the beginning.The op-
eration of the transmitting facilities is nowadays
in the hands of Media Broadcast GmbH, in se-
quence with German Bundespost and Deutsche
Telekom AG. This text is primarily devoted to
the documentation of the current signal contents,
its supervision and its properties. The advantag-
es of DCF77 reception have led to its large popu-
larity so that it has become an important part of
the state-funded infrastructure in Germany.
1 Anlass für diesen Beitrag
Im Heft 5 von 1959 der Nachrichtentechnischen
Zeitschrift (NTZ) gab die PTB die offizielle Auf-
nahme der Aussendung von Zeitzeichen und
Normalfrequenz über den Langwellensender
DCF77 bekannt. Damit begann eine neue Ära der
Aussendung derartiger Signale in Deutschland
und Europa. In den sechziger Jahren erfolgten die
DCF77-Zeitsignal- und Normalfrequenzaussen-
dungen allerdings noch nicht ganztägig, sondern
entsprechend einem jeweils etwa dreistündigen
Tag- und Nachtprogramm. Die Erweiterung
der Sendezeit auf 24-stündigen Dauerbetrieb
ab dem 1. September 1970 ging einher mit einer
Vereinfachung des Sendeprogramms für eine
breitere Nutzung. Besonders aber die Aufnahme
der kontinuierlichen Aussendung von kodierter
Zeitinformation ab Juni 1973 führte zu der großen
Akzeptanz der von DCF77 verbreiteten Zeitinfor-
mation und war die Voraussetzung für die
Erfolgsgeschichte der Funkuhr in Deutschland
und Europa. So wird die Zahl der in den Jahren
2000–2008 produzierten DCF77-Empfängern auf
ca. 100 Millionen geschätzt, wobei der weitaus
größte Anteil in die Kategorie „Funkuhr“ fällt.
Dieser Beitrag ist eine aktualisierte Version
einer früheren, zusammenfassenden Darstellung
[1] und erscheint aus gegebenem Anlass zusam-
men mit Aufsätzen von Dr. Johannes Graf [2] und
Klaus Katzmann [3]. Er stützt sich auf frühere
Arbeiten eines der Autoren [4, 5], und nicht jeder
Entwicklungsschritt des DCF77 wird mit dem
zum Zeitpunkt seiner Einführung aktuellen Lite-
raturzitat belegt. Weiterführende Literatur wird
nur dann angegeben, wenn sie wesentliche über
die hier beschriebenen Eigenschaften der DCF77-
Aussendung hinausgehende Informationen
enthält. Die drei von W. Hilberg anlässlich der
„Funkuhrentagungen“, die an der Technischen
Universität Darmstadt und der PTB zwischen
1983 und 1993 stattfanden, herausgegebenen
Tagungsbände [6] bieten eine reiche Auswahl an
Originalarbeiten und Quellenangaben, an Hand
derer insbesondere die Entwicklung der Funkuhr
verfolgt werden kann. Auf von DCF77-Nutzern
immer wieder gestellte Fragen zur Ausbreitung
und zum Empfang der DCF77-Signale versuchen
Zeit- und Frequenzverbreitung mit DCF77:
1959 – 2009 und darüber hinaus
Andreas Bauch
1
, Peter Hetzel
2
und Dirk Piester
3
1
Dr. Andreas Bauch,
Arbeitsgruppe „Zeit-
übertragung“,
E-Mail:
andreas.bauch@ptb.de
2
Dr. Peter Hetzel,
bis 2002 Fachbereich
„Zeit und Frequenz“
3
Dr. Dirk Piester, Ar-
beitsgruppe „Zeitüber-
tragung“,
E-Mail:
dirk.piester@ptb.de
218 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
die Autoren durch einige Ergänzungen gegenü-
ber [1] etwas ausführlicher einzugehen.
Die Aufgabe der Verbreitung der gesetz-
lichen Zeit wird heute von der Arbeitsgruppe
Zeit- und Frequenzübertragung im Fachbereich
Zeit und Frequenz der PTB wahrgenommen (In-
ternet: http://www.ptb.de/zeit). Unter der ange-
gebenen Internetadresse findet man u. a. neben
den Informationen zum DCF77-Zeitdienst auch
Hinweise auf die beiden anderen Zeitdienste der
PTB, den Telefon-Zeitdienst mit Modem über
das öffentliche Telefonnetz sowie den NTP-Zeit-
dienst über das Internet, auf die aber in diesem
Beitrag nicht eingegangen werden soll.
Dieser Aufsatz ist wie folgt gegliedert:
Zunächst werden in den Kapiteln 2 und 3 die
wesentlichen Begriffe zur Zeitbestimmung und
Zeitübertragung erklärt und die Grundlagen der
gesetzlichen Zeit und des internationalen Zeitsy-
stems dargestellt. Nach einem historischen Ab-
riss über die Entwicklung des DCF77 in Kapitel
4 werden die aktuellen Eigenschaften des Sen-
ders DCF77 beschrieben (Kapitel 5 und 6). Auf
einige grundlegende Fragen der Ausbreitung
und des Empfanges von DCF77-Signalen wird
in den Kapiteln 7 und 8 eingegangen. Dann wird
knapp die Entwicklung der Funkuhr (Kapitel 9)
nachgezeichnet, und die dem DCF77 ähnlichen
Zeitdienste auf Langwelle in anderen Ländern
der Erde werden vorgestellt (Kapitel 10). Zusam-
menfassend werden die Vorzüge des Empfangs
von Langwellensignalen diskutiert.
2 Wie lange? Wie oft? Wann?
„Zeitmessung“ ist heute aus dem privaten Alltag
ebenso wenig weg zu denken wie aus vielen
Bereichen von Wissenschaft und Technik. Der
Begriff wird für die Messung der Dauer von Zei-
tintervallen (Stichwort: Stoppuhr), für die Regis-
trierung der Häufigkeit von Ereignissen während
eines Zeitintervalls (Stichwort: Frequenz) und für
die Datierung von Ereignissen auf einer Zeitska-
la (Stichwort: Uhrzeit) verwendet. Ein kleiner
Einschub an dieser Stelle: Umgangssprachlich
heißt es, die Uhr geht falsch oder geht richtig.
Zeigen zwei Uhren verschiedene Uhrzeit an,
so ist dies zunächst einmal kein Maß für ihren
Gang sondern ihre Standdifferenz. Beträgt z. B.
die Standdifferenz zweier Quarzuhren aktuell
10 s und 24 Stunden später 11 s, so unterschei
-
den sich diese Uhren im Gang um eine Sekunde
pro Tag. Die besten Atomuhren unterscheiden
sich in ihrem Gang um wenige milliardstel
Sekunden pro Tag. Später wird von Ganginsta-
bilität die Rede sein, ein Maß dafür, wie sich die
Gänge von Uhren im Verlauf der Zeit ändern.
Die gesamte Thematik, insbesondere auch der
historische Wechsel von der astronomischen zur
atomphysikalischen Zeitbestimmung, wurde
mehrfach an anderer Stelle behandelt [7‒11].
Die Datierung von Ereignissen und die Koor-
dinierung der vielfältigen Geschehnisse in einer
modernen Gesellschaft werden als so wichtig
erkannt, dass in vielen Staaten durch Gesetz ge-
regelt ist, wie die gültige Uhrzeit anzugeben ist,
so auch in Deutschland. Grenzüberschreitender
Verkehr und Kommunikation verlangen, dass
die so festgelegten Uhrzeiten der Länder aufein-
ander abgestimmt sind. Die Grundlage hierfür
legte einst die Washingtoner Standardzeit-Kon-
ferenz, auf der die Lage des Nullmeridians und
das System der 24 Zeitzonen zu je 15° geogra-
phischer Länge festgelegt wurden. Dies geschah
im Oktober 1884, also vor 125 Jahren, ein wei-
teres „Zeitjubiläum“ in 2009!
Seit dem 1. April 1893 gilt in Deutschland
(bzw. damals im Deutschen Reich) die mittlere
Sonnenzeit am fünfzehnten Längengrad Ost als
einheitliche Zeit, wie das in Anhang 1 abgebil-
dete Reichsgesetzblatt besagt. Mit dem Zeitge-
setz aus dem Jahr 1978 wurde diese Regelung in
das „Atomzeitalter“ überführt und im Jahr 2008
mit anderen zu dem Einheiten- und Zeitgesetz
(EinhZeitG) zusammengefasst (Anhang 2).
Für die Zählung der Tage wird in Deutsch-
land und vielen Ländern der Erde der Gregori-
anische Kalender verwendet. Nützliche Festle-
gungen zu Zeit, Kalender, Wochennummerie-
rung und Schreibweise von Tagesdatum und
Uhrzeit findet man in der Norm ISO 8601 sowie
in der entsprechenden deutschen bzw. europä-
ischen Norm DIN EN 28601. Hier sollen nur vier
Details angeführt werden, die immer wieder
Grund zu Fragen geben. Die genannte Norm legt
u. a. fest:
• Ein Tag beginnt mit dem Zeitpunkt 00:00 Uhr
und endet mit dem Zeitpunkt 24:00 Uhr. Die
Zeitpunkte 00:00 Uhr eines beginnenden
Tages und 24:00 Uhr des zu Ende gehenden
vorherigen Tages sind identisch. Zur Proto-
kollierung von exakt um Mitternacht stattfin-
denden Ereignissen wird für laufende oder
beginnende Vorgänge die Zeit 00:00 Uhr und
für zu Ende gehende Vorgänge 24:00 Uhr
empfohlen.
• Der Montag ist der erste Tag der
Kalenderwoche.
• Die erste Kalenderwoche eines Jahres ist die-
jenige, in die mindestens vier Tage des neuen
Jahres fallen, gleichbedeutend, dass in dieser
Woche Eins des Jahres der erste Donnerstag
des Jahres liegt.
• Schaltjahre sind diejenigen Jahre, deren Jah-
reszahl ohne Rest durch vier teilbar ist. Ist
die Jahreszahl jedoch durch 100, nicht aber
durch 400 ohne Rest teilbar, so ist das Jahr
kein Schaltjahr sondern ein Gemeinjahr, der
Februar dieses Jahres hat dann 28 Tage. Das
Jahr 2000 war also ein Schaltjahr, das Jahr
2100 wird keines sein.
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •219
3 Die gesetzliche Zeit für Deutschland
3.1 Gesetzliche Grundlagen
Nach der Neudefinition der Sekunde auf atom-
physikalischer Basis im Jahr 1967 musste auch
die Regelung für die in Deutschland gültige
Zeit angepasst werden. Das geschah mit dem
Zeitgesetz von 1978. Hierin wird die PTB, die
schon mit der Darstellung und Verbreitung der
Einheiten im Messwesen betraut war, beauftragt,
die für das öffentliche Leben in Deutschland
maßgebende Uhrzeit darzustellen und zu ver-
breiten. Als gesetzliche Zeit wurden die mit-
teleuropäische Zeit (MEZ) oder, im Falle ihrer
Einführung, die mitteleuropäische Sommerzeit
(MESZ) festgelegt. MEZ und MESZ werden von
der in der PTB realisierten koordinierten Welt-
zeit UTC (Universal Coordinated Time, siehe
nächster Abschnitt) unter Hinzufügen von einer
bzw. zwei Stunden abgeleitet:
MEZ(D) = UTC(PTB) + 1h,
MESZ(D) = UTC(PTB) + 2h.
Das Zeitgesetz erteilt der Bundesregierung
daneben die Ermächtigung, durch Rechtsverord-
nung zwischen dem 1. März und dem 31. Ok-
tober eines Jahres die Sommerzeit einzuführen.
Die Termine für Beginn und Ende der MESZ
werden von der Bundesregierung entsprechend
der jeweils gültigen Richtlinie des Europäischen
Parlaments und des Rates der Europäischen
Union festgelegt und im Bundesgesetzblatt
bekannt gemacht. Auf Grund der letzten Som-
merzeitverordnung vom 12. Juli 2001 (Anhang 3)
gilt zukünftig ‒ bis auf Widerruf ‒ Sommerzeit
vom letzten Sonntag des März bis zum letzten
Sonntag des Oktobers eines Jahres. Das Bundes-
ministerium für Wirtschaft und Technologie pu-
bliziert jeweils im Voraus die Sommerzeitdaten
der folgenden Jahre (Anhang 4). Das Zeitgesetz
von 1978 und das Gesetz über Einheiten im
Messwesen von 1985 wurden in dem 2008 verab-
schiedeten neuen Einheiten- und Zeitgesetz (An-
hang 2) zusammengefasst, wobei alle Regelungen
zur Zeitbestimmung unverändert übernommen
wurden.
3.2 Koordinierte Weltzeit
Die Sektion Zeit und Schweremessung des In-
ternationalen Büros für Maß und Gewicht BIPM
(Bureau International des Poids et Mesures)
ist mit der Berechnung und Verbreitung einer
weltweit gültigen Zeitreferenz beauftragt.* Das
BIPM berechnet hierfür eine Zeitreferenz auf der
Basis von etwa 300 Atomuhren, darunter etwa
zehn so genannte primäre Uhren (s. u.), aus ca.
65 weltweit verteilten Zeitinstituten. Zunächst
ermittelt das BIPM die Gang-Instabilitäten dieser
Uhren und weist ihnen statistische Gewichte
zu, mit denen sie bei der Berechnung einer
gemittelten Zeitskala berücksichtigt werden.
Eine Uhr mit stabilem Gang erhält ein hohes
statistisches Gewicht und eine mit instabilem
Gang ein kleines. Das so gewonnene Mittel wird
freie Atomzeitskala (EAL von Echelle Atomique
Libre) genannt. Auf Grund der Eigenschaften
der verwendeten Uhren weicht das Mittel der
von ihnen realisierten Sekunden von der defi-
nitionsgemäßen Dauer der SI-Sekunde ab. „SI-
Sekunde“ bezeichnet die Basiseinheit der Zeit
im Internationalen Einheitensystem SI (System
International) [12, 13]. Daher wird in einem
zweiten Schritt die Internationale Atomzeit TAI
(Temps Atomique International) mittels einer
Gangkorrektur aus EAL gewonnen. Das Skalen-
maß von TAI wird dabei so bemessen, dass es
so gut wie möglich mit der SI-Sekunde überein-
stimmt, wie sie auf Meereshöhe realisiert würde.
Die Gangkorrektur wird gegenwärtig aus dem
Vergleich von EAL mit den primären Uhren
der Zeitinstitute in Frankreich, Großbritannien,
Italien, Japan, Süd-Korea, USA und Deutschland
abgeleitet. TAI hatte verschiedene Vorläufer [10],
aber man hat den fiktiven Anfangspunkt von
TAI so festgelegt, dass der 1. Januar 1958, 00:00
Uhr TAI, mit dem entsprechenden Zeitpunkt in
der mittleren Sonnenzeit am Nullmeridian, UT1
(Universal Time) genannt, übereinstimmte. UT1
war die Grundlage der weltweiten Zeitbestim-
mung, solange diese auf astronomischen Beo-
bachtungen beruhte (siehe Anhang 1).
Aus TAI wird UTC abgeleitet. Hierbei folgt
man einem Vorschlag der Internationalen Te-
lekommunikationsunion (ITU), nach dem die
Aussendung von Zeitzeichen „koordiniert“, d. h.
bezogen auf eine gemeinsame Zeitskala mit der
SI-Sekunde als Skalenmaß erfolgen sollte, die mit
der zum Drehwinkel der Erde proportionalen
Weltzeit UT1 näherungsweise in Übereinstim-
mung gehalten wird [9, 10]. Die Differenz UTC
minus UT1 wird durch Schaltsekunden in UTC
auf unter 0,9 Sekunden begrenzt. Der Beginn von
UTC ist der 1. Januar 1972, damals betrug der
Unterschied TAI −UT1 = 10,04 s und TAI − UTC
wurde zu 10 s festgelegt. Auch bis zu diesem
Datum wurden bereits von Atomuhren abgelei-
tete, gesendete Zeitzeichen an die astronomische
Zeit angepasst, allerdings nicht überall auf die
gleiche Weise und zudem durch Anpassung des
Gangs der Atomuhren und zusätzlich durch
Standsprünge. Darauf wird in Kapitel 4.5 näher
eingegangen. Dem wurde mit der Einführung
von UTC ein Ende gesetzt. UTC −
TAI folgt als
in Bild 1 gezeigte Treppenkurve der monotonen
Änderung von UT1 − TAI. Die Einführung der
Schaltsekunden geschieht als letzte Sekunde des
31. Dezembers bzw. des 30. Junis in UTC, d. h. in
Deutschland am 1. Januar vor 01:00 MEZ bzw.
am 1. Juli vor 02:00 MESZ. Die Entscheidung
* Bis 1988 wurde diese
Aufgabe vom Interna-
tionalen Büro für die
Zeit BIH (Bureau In-
ternational de l‘Heure)
wahrgenommen.
220 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
hierüber trifft der Internationale Dienst für Erdro-
tation und Referenzsysteme (IERS, International
Earth Rotation and Reference Systems Service,
Internet: http:
‖
hpiers.obspm.fr oder www.iers.
org). Diese Einrichtung sammelt und bewertet
die Beobachtungen eines Netzwerks von erdge-
bundenen Beobachtungsstationen, deren Position
relativ zu Quasaren und zu den Satelliten des
amerikanischen Satellitennavigationssystems GPS
ermittelt wird. Hieraus erhält man die Parameter
der Erdrotation, die Lage der Drehachse und die
Rotationsperiode. Die unregelmäßige Einführung
von Schaltsekunden (Bild 1) spiegelt die ungleich-
mäßige Drehgeschwindigkeit der Erde wider.
Tageszählung, als Zeitachse verwendet. Der
29. März 2009 wird mit MJD 54919 bezeichnet.
3.3 Die Atomuhren der PTB
Die PTB betreibt eine Gruppe von Atomuhren,
um die Atomzeitskala UTC(PTB) mit großer Sta-
bilität und Zuverlässigkeit zu realisieren. Zu die-
ser Gruppe gehören einige kommerziell gefertigte
Caesiumatomuhren, Wasserstoffmaser und die
sog. primären Uhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2,
die in den letzen Jahrzehnten in der PTB entwi-
ckelt wurden [14, 15]. Die Zeitskala UTC(PTB)
wird gegenwärtig von CS2 abgeleitet. Die besten
kommerziellen Caesiumatomuhren realisieren ge-
genwärtig die SI-Sekunde mit einer relativen Un-
sicherheit von wenigen 10
‒13
und einer relativen
Frequenzinstabilität von wenigen 10
−14
bei einer
Mittelungszeit von einem Tag [16]. Sie werden in
den Bereichen Navigation, Geodäsie, Raumfahrt,
Telekommunikation und in den Zeitinstituten
(wie der PTB) eingesetzt. Mit den in der PTB ent-
wickelten primären Cs-Uhren werden deutlich
geringere Unsicherheiten erreicht. Der Begriff
„primäre Uhr“ wird verwendet, weil jederzeit
eine Abschätzung darüber vorliegt, in welchem
Ausmaß und mit welcher Wahrscheinlichkeit die
realisierte Sekunde von der SI-Sekunde abweicht.
Bild 3 zeigt die beiden primären Atomuhren CS1
und CS2 der PTB, deren relative Unsicherheit nur
0,7 ⋅10
‒14
bzw. 1,2 ⋅10
‒14
[14] beträgt (67% Wahr-
scheinlichkeit). Relative Frequenzabweichung
und Gang sind einander entsprechende Größen:
Eine konstante relative Frequenzabweichung von
1 ⋅10
‒14
entspricht einem Gang von etwa einer
Milliardstel Sekunde pro Tag.
4 DCF77: Von den Anfängen bis heute
4.1 Eine kurze Geschichte der Zeitübertragung
per Funk
Schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts er-
kannte man in Funkwellen ein geeignetes Mittel
zur Zeitübertragung, was auch der Gegenstand
des Artikels von Dr. Johannes Graf ist [2]. Die
ersten Versuche zur drahtlosen Zeitübermittlung
unternahmen 1903 das United States Naval Ob-
servatory in Washington und 1904 das Geodä-
tische Institut Potsdam. Bereits von 1910 bis 1916
sendete die Küstenfunkstelle Norddeich als erster
deutscher Zeitdienst regelmäßig Zeitzeichen auf
der Basis von Zeitbestimmungen des Kaiserlichen
Marine-Observatoriums Wilhelmshaven. Ab 1917
strahlte dann die Großsendestelle Nauen zweimal
täglich ein Zeitzeichen auf Langwelle 3 900 m
(≅ 77 kHz) aus. Nach diesen Anfängen der draht
-
losen Zeitübertragung entstand im Laufe der Jah-
re ein weltweites Netz von Zeitzeichenstationen
in verschiedenen Wellenlängenbereichen, über-
wiegend auf Längst-, Lang- und Kurzwelle. Zur
Zeitverbreitung mit terrestrischen Sendern kam in
Bild 1:
Vergleich von (astro-
nomischer) Weltzeit
UT1 und Koordinierter
Weltzeit UTC mit der
Internationalen Atomzeit
TAI
Bild 2:
Vergleich der Koordi-
nierten Weltzeit UTC mit
in vier europäischen Zei-
tinstituten (k) realisierten
Atomzeitskalen UTC(k)
über zwei Jahre bis
einschließlich März 2009;
MJD 54919 bezeichnet
den 29. März 2009;
rot: Istituto
Nazionale di
Richerca di
Metrologia,
INRiM, Turin;
cyan: NPL, Tedding
-
ton, UK;
magenta: LNE SYRTE,
Observatoire
de Paris;
blau: PTB.
Den Empfehlungen verschiedener Gremien
folgend wurde UTC praktisch in allen Ländern
die Grundlage für die in der jeweiligen Zeitzo-
ne verwendete „bürgerliche“, „amtliche“ oder
„gesetzliche“ Zeit. UTC wird in Form von er-
rechneten Standdifferenzen mit Bezug auf die
in den einzelnen Zeitinstituten (k) realisierten
Zeitskalen UTC(k) publiziert. Die Skalen UTC(k)
sollen möglichst gut mit UTC ‒ und damit auch
untereinander ‒ übereinstimmen. Mitte 2009 gibt
es weltweit 45 Zeitskalen mit einer Abweichung
UTC ‒ UTC(k) von weniger als 100 ns, darunter
die der PTB. Bild 2 zeigt die Differenz zwischen
UTC und den Realisierungen in vier europä-
ischen Zeitinstituten während einer Zeitspanne
von 2 Jahren bis einschließlich März 2009. Hier,
wie in anderen Abbildungen, wird das Modifi-
zierte Julianische Datum MJD, eine fortlaufende
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •221
den vergangenen drei Jahrzehnten die Zeitüber-
tragung über Satelliten hinzu und eröffnete völlig
neue Möglichkeiten für interkontinentale Prä-
zisionszeitvergleiche, die Ortsbestimmung und
globale Navigation. Eine Bestandsaufnahme des
gesamten Gebietes der Präzisionszeitübertragung
findet man beispielsweise in [17].
4.2 Sendefunkstelle Mainflingen
Standort des Senders DCF77 ist die Sendefunk-
stelle Mainflingen (Koordinaten: 50° 01’ Nord,
09° 00’ Ost) etwa 25 km südöstlich von Frankfurt
am Main. Von dort wurden auf Betreiben der
Deutschen Bundespost erstmals 1949 mittels
eines transportablen, ehemals militärischen
Senders Nachrichten auf Langwelle gesendet.
Wegen ihrer Lage in der sowjetischen Besat-
zungszone stand die Großsendestelle Nauen für
die neu gegründete Bundesrepublik Deutsch-
land zur Errichtung von neuen Langwellen-
Funkdiensten nach dem Krieg nicht mehr zur
Verfügung, und die Funkstelle Norddeich war
aufgrund ihrer geographischen Lage am Rande
der Bundesrepublik für neue Langwellen-Sende-
anlagen nicht geeignet. Deshalb wurde Anfang
der fünfziger Jahre mit dem Aufbau der Sende-
funkstelle Mainflingen auf dem Gelände eines
ehemaligen Kleinflugplatzes begonnen. In den
Folgejahren wurden dort die beiden heute noch
existierenden Senderhäuser, etliche bis zu 200 m
hohe Antennenmasten und die dazugehörenden
Antennenhäuser errichtet. In ca. 25 cm Tiefe ist
im Erdreich ein viele Kilometer umfassendes Er-
dungsnetz verlegt, das zusammen mit dem ho-
hen Grundwasserspiegel, der durch die Lage des
Geländes in der Mainebene gegeben ist, zu einer
hohen Bodenleitfähigkeit und somit günstigen
Abstrahlungsbedingungen führt.
Im Jahr 1954 wurde bereits auf sechs Fre-
quenzen, zwischen 46 kHz und 123 kHz, gesen-
det. Aus dieser Zeit stammt auch die Registrie-
rung des Senders DCF77 in der Internationalen
Frequenzliste der ITU als fixed service, mit den
Angaben: Trägerfrequenz 77,5 kHz, Bandbreite
2,4 kHz, Rufzeichen DCF77, den Koordinaten
der Sendefunkstelle wie oben angegeben, erst-
malige Nutzung 15. August 1953 und als in der
Verantwortung Deutschlands stehend. In Kapitel
10 wird im Zusammenhang mit ähnlichen Funk-
diensten in anderen Ländern auf Regelungen und
Schutzbestimmungen der ITU eingegangen.
4.3 Senderbezeichnung
Woher kommt das Rufzeichen DCF77? Nach den
Regeln der ITU, speziell Artikel 19 der Radio Re-
gulations, „Identification of Stations“ [18], müssen
alle Sender, deren Reichweiten über die jewei-
ligen Landesgrenzen hinausgehen, mit einem
Rufzeichen entsprechend der jedem Land zuge-
wiesenen Rufzeichenreihe gekennzeichnet und
in der Internationalen Frequenzliste eingetragen
sein. Die der Bundesrepublik Deutschland zuge-
wiesene Rufzeichenreihe beginnt mit DAA und
endet mit DRZ. Für den Sender DCF77 wurde
das Rufzeichen wie folgt festgelegt: Entspre-
chend der zugewiesenen Rufzeichenreihe steht
D für Deutschland. Der Buchstabe C wurde zur
Kennzeichnung von Langwellensendern ge-
wählt. Als dritter Buchstabe wurde für die auf
dem Gelände der Sendefunkstelle Mainflingen
stehenden Langwellensender der Buchstabe
F (wegen der Nähe zu Frankfurt am Main)
bestimmt. Zur Unterscheidung der verschie-
denen Sender dieser Station wurden an die drei
Buchstaben DCF noch zwei Ziffern angehängt,
beim DCF77 in Anlehnung an die verwendete
Trägerfrequenz. Bei dem auf der Sendefunkstelle
betriebenen Sender DCF49 der Europäischen
Funkrundsteuerung auf 129,1 kHz trifft dies
nicht zu.
Bild 3:
Ansicht der primären
Uhren CS1 und CS2 der
PTB.
222 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
4.4 Die Entwicklung der Nutzung von DCF77
für die Zeitaussendung
Mitte der fünfziger Jahre setzten sich Vertre-
ter des Deutschen Hydrographischen Instituts
(DHI), des Fernmeldetechnischen Zentralamtes
(FTZ) und der PTB zusammen, um „zur Er-
füllung amtlicher Aufgaben” gemeinsam eine
Zeitsignal- und Normalfrequenzausendung
einzurichten. Die Institute gehörten zum Ge-
schäftsbereich verschiedener Bundesministerien,
nämlich für Verkehr, Post und Wirtschaft. Diese
Zusammenarbeit spiegelt die damalige Situation
in der Bundesrepublik Deutschland wider, in
der die gesetzliche Zeit noch basierend auf astro-
nomischen Beobachtungen vom DHI bestimmt
wurde, die Zeiteinheit Sekunde aber schon
von der PTB als metrologischem Staatsinstitut
mit überlegener Genauigkeit realisiert wurde
und die Deutsche Bundespost das Monopol
des Betriebs von Sendeanlagen besaß. Sie bot
zur Aussendung von Normalfrequenzen und
Zeitinformation den Sender DCF77 mit einer
Senderleistung von anfangs 12,5 kW an. Die PTB
stellte im Keller des Senderhauses 1 hochgenaue
Quarzuhren und die Steuereinrichtung auf und
das DHI lieferte Zeitzeichen auf astronomischer
Basis (siehe unten). Mit den ersten Sendever-
suchen wurde 1956 begonnen. Am 10. Oktober
1958 erhielt die PTB vom Bundespostministeri-
um die Genehmigung, bis zum Jahresende 1958
regelmäßige Versuchssendungen durchzufüh-
ren. Auch wurde als offizieller Beginn der Zeit-
signal- und Normalfrequenzaussendungen über
den Sender DCF77 in diesem Genehmigungs-
schreiben der 1. Januar 1959 festgelegt.
Noch bis Ende 1969 wurden mit DCF77
außer Zeitzeichen und Normalfrequenz inter-
mittierend Sportnachrichten vom Deutschen
Sportverlag (DSV) gesendet. Die Zeitsignal- und
Normalfrequenzaussendungen erfolgten in
einem werktäglichen Vormittags- und Nachtpro-
gramm von jeweils etwa drei Stunden Dauer. Da
von verschiedenen Organisationen und Nutzern
dieses neuen Dienstes der Wunsch nach einer
längeren Sendezeit an die PTB herangetragen
wurde, stellte die PTB Anfang 1967 den Antrag
auf Erweiterung der Sendezeit auf 24 Stunden.
Dem DSV wurde daraufhin die neue Frequenz
46,25 kHz zugewiesen und ab dem 1. Dezem
-
ber 1969 wurde die Sendezeit für die Zeitzei-
chenaussendungen auf zunächst 16 Stunden
erweitert. Dabei ging die Zuständigkeit voll auf
die PTB über, der nun aber auch Gebühren für
den Betrieb des Senders DCF77 in Rechnung
gestellt wurden. Die Aufnahme des 24-Stunden
Dauerbetriebs mit einer Senderleistung von
50 kW erfolgte schließlich am 1. September
1970. Die hiermit verbundenen Änderungen des
Sendeprogramms sind im nächsten Abschnitt
dargestellt.
Bis zur Privatisierung der Deutschen Bun-
despost Telekom erfolgte die Aussendung über
DCF77 auf der Grundlage einer formlosen
Übereinkunft zwischen Wirtschafts- und Post-
ministerium. Danach wurde im April 1996 eine
vertragliche Regelung des Betriebes der DCF77-
Sendeeinrichtungen zwischen der PTB und der
Deutschen Telekom AG getroffen. Der Vertrag
enthält Vereinbarungen über den vom Sender-
betreiber zu erbringenden Leistungsumfang und
die von der PTB dafür zu zahlenden Entgelte.
Inzwischen wurden einige Bestimmungen des
Vertrages neu gefasst und die Laufzeit bis zum
Ende des Jahres 2013 verlängert. Vertragspartner
der PTB war zwischenzeitlich die T-Systems Me-
dia Broadcast und ist nun die Media Broadcast
GmbH.
4.5 Entwicklung des Sendeprogramms
Das bis 1970 verwendete Sendeprogramm war
recht unübersichtlich und enthielt u. a. zwei Ar
-
ten von Zeitmarken, so genannte „Zeitmessmar-
ken“, für die die PTB verantwortlich war, und
„koordinierte“ Zeitsignale in der Verantwortung
des DHI. Daneben sah das Programmschema die
Aussendung mehrerer Normalfrequenzen vor,
der Trägerfrequenz 77,5 kHz sowie der aufmo
-
dulierten Frequenzen 200 Hz und 440 Hz (Kam
-
merton a). Was unterschied die diversen Zeit-
marken? Bereits seit 1962 regelte die PTB den
Abstand aufeinander folgender Zeitmessmarken
und die Trägerfrequenz entsprechend der (erst
im Jahr 1967 erfolgten) atomaren Definition der
Zeiteinheit auf der Basis des für die Hyperfein-
struktur-Übergangsfrequenz im
133
Cs festge-
legten Wertes von 9 192 631 770 Hz [19]. Hierzu
betrieb die PTB in Braunschweig ein „Atomi-
chron“ [20], nach dessen Ausgangssignalen die
Frequenzen der Quarzuhren in der PTB und in
Mainflingen geregelt wurden. Seit 1967 erfolgten
auch regelmäßige Vergleiche der Uhren der PTB
mit denen des National Bureau of Standards
(NBS)* in den USA durch regelmäßige Trans-
porte von Atomuhren mit dem Flugzeug und
durch Längstwellen-Phasenzeitvergleiche. Wie
beim Sender WWVB, für den das NBS zuständig
war [21], wurden auch die von DCF77 ausgesen-
deten Zeitmessmarken der PTB als „stepped ato-
mic time“ in Schritten von zunächst 0,05 s, dann
0,1 s, später 0,2 s mit der Weltzeit UT1 in Über
-
einstimmung gehalten. Die Zeitzeichen des DHI
repräsentierten die Zeitskala UTC in ihrer da-
mals gültigen Form. Ihr Skalenmaß wurde jähr-
lich im Voraus neu festgelegt, und zwar so, dass
UTC und UT1 näherungsweise übereinstimmen
sollten. Der Abstand der Zeitmessmarken ent-
sprach damit nicht der gültigen Zeiteinheit.
Wenn es sich am Ende eines Jahres herausstellte,
dass die Vorhersage der Periode der Erdrotation
nicht genügend gut zugetroffen hatte, so wurde
* Heute National Insti-
tute of Standards and
Technology NIST
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •223
der entstandene Zeitunterschied zwischen UTC
und UT1 durch einen Standsprung in UTC aus-
geglichen. Diese Realisierung von UTC wurde
von vielen Seiten als obsolet empfunden. Daher
wurde am 1. April 1970 die Zeitzeichenaussen-
dung des DHI beendet und das Sendeprogramm
vereinfacht. Ab diesem Zeitpunkt wurden nur
noch die Trägerfrequenz 77,5 kHz als Normalfre
-
quenz sowie amplitudenmodulierte Sekunden-
marken abgestrahlt. Sie entsprachen bis 1972 der
seinerzeitigen „Amtlichen Atomzeitskala“ der
PTB und seit 1972 dem neuen UTC-Zeitsystem
mit Schaltsekunden, wie es bis heute verwendet
wird und in Kapitel 3.2 vorgestellt wurde. Die
Dauer der Sekundenmarken wurde von 50 ms
auf 100 ms verlängert. Wegen der Anwender,
die DCF77 als Normalfrequenzsender nutzten,
wurde von nun an der Träger für die Dauer der
Sekundenmarken nicht mehr auf Null getastet
sondern nur auf eine Restamplitude von 25 %
abgesenkt. Die Minutenmarkenkennzeichnung
wurde wie ursprünglich eingeführt beibehalten:
Durch Weglassen der 59. Sekundenmarke wird
angekündigt, dass die nächstfolgende Marke die
Minutenmarke ist.
Mit der kontinuierlichen Aussendung von
Normalfrequenz und Zeitmarken ab dem 1.
September 1970 war die Möglichkeit vorhanden,
automatisch nachgeregelte Normalfrequenzos-
zillatoren zu betreiben und Uhren im Gleichlauf
zu halten. Funkgeführte Uhren mussten aber
wegen der Vieldeutigkeit der Minutenmarken
noch von Hand minutengenau eingestellt wer-
den. Was zur Einführung sich selbst stellender
Funkuhren noch fehlte, war die Aussendung
vollständiger Zeitinformation in kodierter Form.
Dies erfolgte erstmals am 5. Juni 1973, womit
der entscheidende Schritt zur Entwicklung des
Sendeprogramms auf den heutigen Stand getan
wurde. Abgesehen von den Ergänzungen als Re-
aktion auf die Einführung der Sommerzeit 1980
sowie der Ankündigung der Schaltsekunden
wird der damals eingeführte Zeitkode bis heute
unverändert verwendet. Er wird in Kapitel 5.2
separat dargestellt.
Seit Juni 1983 wird dem Träger von DCF77
zusätzlich zur Amplitudenmodulation (AM)
noch eine pseudozufällige Phasenumtastung
aufmoduliert. Die Ankunftszeitpunkte der so
modulierten DCF77-Signale können unter Ver-
wendung geeigneter Empfänger störsicherer
bestimmt werden, als dies unter üblichen Emp-
fangsbedingungen mit den AM-Zeitmarken
möglich ist. Auch die Genauigkeit der Zeitüber-
tragung mit DCF77 für ausgewählte Anwen-
dungen wird damit erhöht. Zahlreiche Empfän-
ger dieser Art sind im Einsatz und funktionieren
sehr zufrieden stellend. Insgesamt wird aber
von der Phasenmodulation weniger Gebrauch
gemacht, als dies bei ihrer Einführung erwar-
tet wurde. Ein Grund dafür ist die weltweite
Verfügbarkeit der Signale des Satellitennaviga-
tionssystems GPS (Global Positioning System).
Aufgrund der GPS-Signalstruktur und der zur
Verfügung stehenden größeren Bandbreite ist
beim GPS-Empfang vom Prinzip her eine um
mindestens eine Größenordnung geringere Un-
sicherheit der Zeitübertragung möglich als sie
mit DCF77-Empfängern zu erreichen ist. Aus
Platzgründen wird daher in diesem Aufsatz auf
die Phasenmodulation nicht weiter eingegangen.
Der auch heute noch aktuelle Stand wurde in [1]
zuletzt beschrieben, und die grundlegenden Pu-
blikationen [22, 23] können von der PTB bezogen
werden.
5. Das DCF77-Sendeprogramm heute
5.1 Trägerfrequenz
Die Trägerfrequenz von DCF77 beträgt, wie
bereits erwähnt, 77,5 kHz. Sie wird von einer
Atomuhr der PTB abgeleitet, deren Ausgangs-
frequenz (10 MHz) innerhalb von
± 2 ⋅10
−13
mit
dem Sollwert übereinstimmt und deren tägliche
relative Frequenzschwankungen bei 5 ⋅10
−14
lie-
gen. Bei der Nutzung der empfangenen Träger-
frequenz über kurze Messzeiten, z. B. bei fester
Anbindung eines nachgesteuerten Oszillators
mit einer Zeitkonstante von wenigen Sekunden,
sind die Phasenzeitabweichungen vom Mittel-
wert zu beachten, die durch die pseudozufällige
Phasenumtastung und durch Ein- und Aus-
schwingvorgänge der Sendeantenne im Rhyth-
mus der Zeitsignale verursacht werden. Über
lange Messzeiten mitteln sich diese Phasenzeit-
schwankungen jedoch heraus und können außer
acht gelassen werden. Demgegenüber langsam
sind die durch Temperaturschwankungen und
geringfügige Verstimmungen der Antennenan-
passung hervorgerufenen Phasenzeitschwan-
kungen des abgestrahlten Trägers und der
phasenkohärent aufmodulierten Zeitsignale
am Sendeort. Diese können bis zu etwa ± 0.1 µs
betragen, bezogen auf die Atomuhr-Ausgangs-
signale, von denen sie abgeleitet werden. Im
Mittel über einen Tag ergibt sich somit für die
abgestrahlte Trägerfrequenz am Sendeort eine
relative Unsicherheit* von 2 ⋅10
−12
.
Durch Re-
gelung der Frequenz und der Phasenzeit der
DCF77-Trägers lässt sich die Unsicherheit für
Frequenzvergleiche über sehr lange Messzeiten
weiter reduzieren. So sind im Mittel über 100
Tage Frequenzvergleiche auf deutlich unter rela-
tiv 2 ⋅10
‒13
möglich. Wie diese Regelung erfolgt,
wird in Abschnitt 6.2 beschrieben.
5.2 Amplitudenmodulation (AM)
Der Träger von DCF77 wird mit Sekunden-
marken amplitudenmoduliert. Zu Beginn jeder
Sekunde, mit Ausnahme der letzten Sekunde
* Angegebene Unsicher-
heiten entsprechen
hier und im ganzen
Aufsatz der erweiterten
Unsicherheit (k = 2),
entsprechend einem
95 %-Vertrauensinter-
vall.
224 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
jeder Minute als Kennung für den folgenden
Minutenbeginn, wird die Amplitude für die
Dauer von 0,1 s oder 0,2 s phasensynchron mit
der Trägerschwingung abgesenkt. Bild 4 zeigt die
abfallende Flanke der von DCF77 abgestrahlten
Einhüllenden der Trägerschwingung (Kurve a) zu
Beginn einer Sekundenmarke und das dazugehö-
rende Steuersignal (Kurve a’). Die Austastlücke
von 250 µs im Steuersignal bewirkt ein schnel
-
leres Ausschwingen des Antennenkreises, so dass
sich praktisch die gleiche Flankensteilheit ergibt
wie sie sich bei einem Steuersignal ganz ohne Re-
stamplitude ergeben würde. Zum Vergleich zeigt
noch die gestrichelte Kurve b welche Flankensteil-
heit sich einstellen würde, wenn das Steuersignal
ohne Austastlücke direkt auf die Restamplitude
abgesenkt würde (Kurve b’). Je steiler die ab-
fallende Flanke ist, umso genauer lässt sich der
Beginn der Trägerabsenkung bestimmen, der als
Sekundenbeginn definiert ist. Zwecks weiterer
Verbesserung des Signal-zu-Rauschabstandes der
AM-Sekundenmarken wurde inzwischen die Re-
stamplitude auf etwa 15 % abgesenkt.
Die Stände des Steuersignals (a’ in Bild 4) und
der abgestrahlten Signale werden in größeren
zeitlichen Abständen mittels einer aus Braun-
schweig zum Sendeort transportierten Atomuhr,
die UTC(PTB) mit einer Unsicherheit von < 0,01 µs
repräsentiert, kontrolliert und falls erforderlich
korrigiert. Dazu werden die Zeitpunkte der
abfallenden Flanke der DCF77-Zeitsignale am
Steuergerät, an einer Messsonde zwischen Sen-
derausgang und Sendeantenne sowie im Nahfeld
der Sendeantenne mit Bezug auf das Signal der
transportablen Atomuhr ermittelt und das Steu-
ergerät so eingerichtet, dass die abgestrahlten
Referenzzeitpunkte UTC(PTB) entsprechen. Bei
breitbandigem Empfang liegt die Unsicherheit,
mit der vor Ort der als Sekundenbeginn definierte
Beginn der fallenden Flanke aus dem Nahfeld
bestimmt werden kann, bei ca. ± 25 µs (etwa zwei
Perioden der Trägerschwingung). Zum Ausgleich
der Lauf- und Signalverarbeitungszeiten τ
S
in den
Sendeeinrichtungen müssen die DCF77-Signale
bezogen auf UTC(PTB) vom Steuergerät entspre-
chend früher an den Sender abgeschickt werden,
damit sie im Nahfeld UTC(PTB) entsprechen. Bei
wiederholten Uhrentransporten zur Sendefunk-
stelle wurden keine nennenswerten Änderungen
von τ
S
festgestellt.
5.3 Zeitkode
Die unterschiedliche Dauer der Sekunden-
marken dient zur binären Kodierung von Uhr-
zeit und Datum: Sekundenmarken mit einer
Dauer von 0,1 s entsprechen der binären Null
und solche mit einer Dauer von 0,2 s der binären
Eins. Einmal während jeder Minute werden die
Nummern von Minute, Stunde, Tag, Wochentag,
Monat und Jahr BCD-kodiert übertragen (BCD:
Binary Coded Decimal, jede Stelle einer Zahl
wird separat kodiert). Vom Kalenderjahr werden
nur die Einer- und Zehnerstelle übertragen, das
Jahr 2009 also als 09. Der ausgesendete Kode
enthält jeweils die Information für die folgende
Minute. Die zeitliche Abfolge der Aussendung
der einzelnen Inhalte erläutert das in Bild 5 dar-
gestellte Kodierschema. Die PTB ging bei dessen
Festlegung davon aus, dass der Kode mit der
zuvor verwendeten Form der Aussendung kom-
patibel und mit den damals vorhandenen elek-
tronischen Mitteln leicht dekodierbar sein sollte.
Vor seiner Einführung wurde das Kodierverfah-
ren auch noch mit verschiedenen Behörden, wis-
senschaftlichen Instituten und Firmen diskutiert.
Verschiedene Kodierungsvorschläge, welche In-
formation ausgesendet und welche Kodierungs-
art (binär oder BCD) verwendet werden sollen,
wurden zur Diskussion gestellt. So wurde z. B.
der Wunsch der Uhrenindustrie berücksichtigt,
neben Uhrzeit und Datum auch die Nummer des
Wochentages auszusenden. Um DCF77-Nutzern
und Funkuhrherstellern Planungssicherheit zu
geben, wurde bei allen späteren Änderungen
und Ergänzungen der kodierten Zeitinformation
oder der Signalstruktur immer darauf geachtet,
dass die Funktion bereits eingesetzter DCF77-
Zeitdienstgeräte nicht beeinträchtigt wird. An
dem 1973 für die Sekundenmarken 20‒58 fest-
gelegten Kode wurden nach seiner Einführung
keine Änderungen mehr vorgenommen. Das
Kodierschema wurde lediglich um die Ankündi-
gungs- und Zonenzeitbits ergänzt:
Die Zonenzeitbits Z1 und Z2 (Sekunden-
marken Nr. 17 und 18) zeigen an, auf welches
Zeitsystem sich die ab der Sekundenmarke 20
übertragene Zeitinformation bezieht. Bei der
Bild 4:
Abfallende Flanke der von DCF77 abgestrahlten Trägereinhüllenden zu
Beginn einer Sekundenmarke; A/A
0
: relative Amplitude;
a’: Steuersignal mit Austastlücke;
b’: Steuersignal ohne Austastlücke;
a: abgestrahlte Flanke zu a’;
b: abgestrahlte Flanke zu b’;
τ
S
: Laufzeit durch Sender und Antenne;
t
0
: definierter Sekundenbeginn in MEZ oder MESZ;
t
A
: Ausschwingzeit.
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •225
Aussendung von MEZ hat Z1 den Zustand Null
und Z2 den Zustand Eins. Bei der Aussendung
von MESZ ist es umgekehrt. Der Empfang der
Zonenzeitbits erlaubt jederzeit auch die Angabe
der koordinierten Weltzeit und ist daher für die
Nutzung von DCF77-Empfängern als Zeitgeber
für Internetzeitdienste und für sog. Time Stam-
ping Authorities nützlich.
Das Ankündigungsbit A1 (Nr. 16) weist auf
einen bevorstehenden Wechsel des Zeitsystems
hin. Vor dem Übergang von MEZ nach MESZ
oder zurück wird A1 jeweils eine Stunde lang
im Zustand Eins ausgesendet: vor dem Über-
gang von MEZ nach MESZ (MESZ nach MEZ)
von 01:00:16 Uhr MEZ (02:00:16 Uhr MESZ) bis
01:59:16 Uhr MEZ (02:59:16 Uhr MESZ).
Mit dem Ankündigungsbit A2 (Nr. 19) wird
auf das bevorstehende Einfügen einer Schaltse-
kunde aufmerksam gemacht. A2 wird ebenfalls
eine Stunde lang vor dem Einfügen einer Schalt-
sekunde im Zustand Eins ausgestrahlt. Vor dem
Einfügen einer Schaltsekunde am 1. Januar
(1. Juli) wird A2 daher sechzig Mal von 00:00:19
Uhr MEZ (01:00:19 Uhr MESZ) bis 00:59:19 Uhr
MEZ (01:59:19 Uhr MESZ) im Zustand Eins
ausgesendet.
Die Ankündigungsbits A1 und A2 dienen
dazu, Prozessoren in Funkuhren, die von der
Gesetzmäßigkeit der Zeitzählung zum Zweck
der Fehlererkennung Gebrauch machen, über
die zu erwartende Unregelmäßigkeit in der Zeit-
zählung zu informieren. Ohne die Auswertung
von A1 oder A2 könnte die Unregelmäßigkeit als
fehlerhafter Empfang interpretiert werden, mit
der Folge, dass die geänderte Zeitzählung nicht
unverzüglich genutzt wird.
Die Kodierung des Wochentages erfolgt
gemäß der Norm ISO 8601 bzw. DIN EN 28601,
wonach der Montag der Tag Eins der Woche ist.
Die drei Prüfbits P1, P2 und P3 ergänzen jeweils
die vorhergehenden Informationswörter (7 Bits
für die Minute, 6 Bits für die Stunde und 22 Bits
für das Datum einschließlich der Nummer des
Wochentages) auf eine gerade Zahl von Einsen.
Auf eine über die drei Paritätsbits hinausge-
hende Absicherung des Kodes wurde wegen
der Gesetzmäßigkeit der übertragenen Zeitinfor-
mation verzichtet. Die bekannte Zeitzählung er-
laubt jederzeit das Erkennen von Übertragungs-
fehlern durch Vergleich aufeinander folgender
Zeittelegramme.
Bei der Einführung des UTC-Systems mit
Schaltsekunden wurde von verschiedenen Sei-
ten gefordert, dass Zeitsender den DUT1-Kode
entsprechend einer CCIR- Empfehlung (Comité
Consultatif International des Radiocommunica-
tions) aussenden sollten. DUT1 ist die jeweilige
auf 0,1 s gerundete Differenz zwischen der aus
der Erdrotation abgeleiteten Weltzeit UT1 und
UTC. Dieser Kode wurde seit dem 1. Januar 1972
auch von DCF77 mit den Sekundenmarken 1
bis 14 ausgesendet. Dies war der Grund dafür,
dass der Zeitkode in den Bereich der Sekunden-
marken 20 bis 58 gelegt wurde. Wie sich aber
bald zeigte, war das Interesse am DUT1-Kode
doch nicht sehr groß, so dass die PTB die Aus-
sendung des DUT1-Kodes nach einer Umfrage-
aktion im Mai 1977 wieder einstellte.
Bild 5:
Schema der Kodierung der mit DCF77 übertragenen
Zeitinformation;
M: Minutenmarke (0,1 s);
R: Rufbit;
A1: Ankündigungsbit 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, P2, P3: Prüfbits.
Details sind im Text erklärt.
226 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Viele Jahre lang wurden dann mit den
frei gewordenen Sekundenmarken 1 bis 14
Betriebsinformationen über die DCF77-Steuer-
einrichtung übertragen. Verlängerte Sekunden-
marken in diesem Bereich bedeuteten zwar im
Allgemeinen eine Störung in den Steuer- oder
Sendeeinrichtungen, nicht jedoch dass die aus-
gestrahlte Zeitinformation fehlerhaft war. Nur
außerordentlich selten wurden (glücklicherwei-
se) derartige Störungsmeldungen übertragen,
so dass einige Entwickler von DCF77-Dekodie-
rungssoftware fälschlicherweise davon ausgin-
gen, dass in diesen Bits niemals Information
übertragen wird. Dies ist seit Mitte 2003 nicht
mehr der Fall, worauf im nächsten Abschnitt
eingegangen wird. Die Sekundenmarke 15 wird
gegenwärtig noch als „Rufbit“ verwendet, um
Unregelmäßigkeiten in den Steuereinrichtungen
zu signalisieren. Die Richtigkeit der gesendeten
Zeitinformation ist aber auch bei verlängertem
Bit 15 gewährleistet. Bei Bedarf kann dieses Bit
in Zukunft auch anderweitig verwendet werden.
Bild 6 zeigt Beispiele des in Braunschweig
empfangenen Signals, oben die Übertragung
von Monat und Jahr, unten ein Minutenwechsel,
aufgezeichnet im Juli 2003. Hier sind für die
Kodierung des Monats Juli (07) die BCD-Bits
der Einer-Stelle 1, 2 und 4 mit binären Einsen,
das BCD-Bit 8 sowie die der Zehner-Stelle mit
binären Nullen belegt.
5.4 Neue Dateninhalte
Auf Anregung der Zentralstelle für Zivilschutz
(ZfZ) beim Bundesverwaltungsamt, Bad Godes-
berg, wurde in der zweiten Hälfte des Jahres 2003
untersucht, ob sich die Aussendung von „Zeit-
zeichen“ mit DCF77 auch zur Übertragung von
Warninformation nutzen lässt und DCF77 ein
Element in einem Warnsystem des Bundes darstel-
len könnte, das die in den Lagezentren der Länder
und den Warnzentralen des Bundes erstellten
Warninformationen über ein satellitengestütztes
und terrestrisches Kommunikationssystem auf
verschiedenen Wegen (Hörfunk, Fernsehen, Inter-
net, DCF77 und GSM/UMTS) an die Bevölkerung
weiterleitet. Die Firma HKW-Elektronik GmbH
wurde mit Durchführung und Auswertung eines
Feldversuchs beauftragt, in dem fiktive Warnin-
formationen mit den Sekundenmarken 1 bis 14,
die für die Zeitübertragung keine unmittelbare Be-
deutung haben, ausgesendet wurden. Die DCF77-
Steuereinrichtungen wurden so erweitert, dass die
mit einem Satellitenterminal in der Sendestation
empfangenen, fiktiven Warninformationen in das
Sendeprogramm integriert werden konnten. Mit
etwa 900 in Kleinserien modifizierten Funk-Alarm-
uhren wurden in verschiedenen Entfernungen vom
Sender und unter unterschiedlichen Empfangsbe-
dingungen die empfangenen Warnmeldungen pro-
tokolliert. In ihrem Abschlussbericht zeigte HKW,
dass Alarmierungszeit und Erreichbarkeit der
verschiedenen Funkalarm-Empfänger in unserem
Land gleichmäßig gut waren. Umgebung (Land,
Ballungsraum, Empfänger innen oder außen) und
Entfernung zum Sender hatten nur geringen Ein-
fluss auf die Empfangswahrscheinlichkeit. Dagegen
zeigte sich, dass im Detail die Wahl der Aufstellung
bei stationären Uhren, bzw. das Trageverhalten bei
Armbanduhren erheblichen Einfluss haben. Die
Zahl der Fehlalarme war insgesamt vernachläs-
sigbar klein. Auch wenn die technische Eignung
des DCF77-Signals für den angestrebten Zweck
damit nachgewiesen wurde, gibt es bislang keine
Entscheidung darüber, von dieser Möglichkeit auch
Gebrauch zu machen. Zur Zeit werden mit den
Sekundenmarken 1–14 stattdessen Wetterinfor-
mationen der Schweizer Firma MeteoTime GmbH
übermittelt, was aber die zukünftige Nutzung
für die Bevölkerungswarnung nicht ausschließt.
Die Wetterinformationen werden in identischer
Kodierung gegenwärtig auch über den Schweizer
Langwellenzeitdienst HBG (75 kHz) übermittelt
(siehe Abschnitt 10). Informationen zu dieser neu
-
artigen Dienstleistung findet man unter www.me-
teotime.ch. Die Bereitstellung der Wetterdaten liegt
nicht im Zuständigkeitsbereich der PTB, sondern ist
zwischen MeteoTime GmbH und Media Broadcast
GmbH vertraglich geregelt. Bisher hergestellte und
betriebene Funkuhren sind von der Erweiterung
des Sendeumfangs nicht beeinträchtigt, können di-
ese Informationen aber auch nicht nutzen.
Bild 6:
Beispiele für Registrie-
rungen der DCF77-
Trägereinhüllenden;
oben:
Sekundenmarken 45
bis 54, entsprechend
Kalendermonat 7 (Juli),
Kalenderjahr 03 (2003);
unten:
Sekundenmarken 54 bis
03 (Minutenwechsel).
Das Einfügen einer Schaltsekunde geschieht
bei den AM-Sekundenmarken in folgender
Weise: Die der Marke 01:00:00 Uhr MEZ bzw.
02:00:00 Uhr MESZ vorhergehende 59. Sekun-
denmarke wird anders als sonst mit einer Dauer
von 0,1 s ausgesendet. Danach wird die einge
-
fügte 60. Sekundenmarke ohne Trägerabsenkung
ausgestrahlt.
45 49 54
54 58 0 03
DCF77 Sekundenmarken
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •227
6.1 Einrichtungen am Sendeort
Das Steuersignal wird nicht – wie oft angenom-
men – von Braunschweig aus über Leitungen
zur Sendefunkstelle Mainflingen übertragen,
sondern mit einer von der PTB konzipierten
Steuereinrichtung am Sendeort erzeugtundvon
Braunschweig aus überwacht. Bild 7 zeigt ein
aktuelles Foto: In einem klimatisierten Raum im
Erdgeschoss des Senderhauses 2 sind seit Okto-
ber 2006 die Steuereinrichtungen der PTB (siehe
Bild 8) untergebracht. Im Vordergrund von
Bild 7 sieht man das Antennenhaus 4 und die
DCF77-Betriebsantenne.
Aus Gründen der Betriebssicherheit wird
das Steuersignal in drei voneinander unabhän-
gigen Steuerkanälen erzeugt. Das Trägersignal
(77,5 kHz) und die aufmodulierten Sekunden
-
marken werden gegenwärtig in allen drei Ka-
nälen von je einer Caesium-Atomuhr abgeleitet,
eine Rubidium-Atomuhr steht zusätzlich zur
Verfügung. Jeder Steuerkanal verfügt über eine
eigene, batteriegestützte Stromversorgung. Bild
9 zeigt das Blockschaltbild der DCF77-Steuerein-
richtung und der Überwachungseinrichtungen
in Braunschweig (siehe Kapitel 6.2).
Zur Vermeidung von falschen Aussendun-
gen werden die erzeugten Steuersignale in zwei
elektronischen Umschaltern miteinander vergli-
chen. Ergibt sich dabei, dass die Signale des den
Bild 7:
Sendefunkstelle Mainflingen der Media Broadcast GmbH, im Vordergrund Antennenhaus 4 mit DCF77-Betriebs-
antenne, im Hintergrund Senderhaus 2 (helle Fassade).
Bild 8:
DCF77-Steuereinrichtungen der PTB.
In den Racks 1–3 sind die Atomuhren, Signalgeber und elektronischen Umschalter
eingebaut. Rack 4 enthält die lokalen Messeinrichtungen und die Schnittstelle für die
Kommunikation zwischen Mainflingen und Braunschweig. Rack 5 enthält die Schnitt-
stelle für die Einspeisung von Alarm- bzw. Wetterinformation.
Sender steuernden Kanals im Widerspruch zu
denen der beiden Reservekanäle stehen, wird
automatisch auf einen der beiden Reservekanäle
umgeschaltet. Nach Ausfall eines Kanals liefert
jeder elektronische Umschalter nur noch so lan-
ge ein Ausgangssignal, wie der steuernde Kanal
und der verbleibende Reservekanal in Überein-
stimmung sind. Bei Widersprüchen zwischen
allen drei Kanälen wird das Steuersignal auto-
matisch unterbrochen. Wenn die Prüfergebnisse
der beiden Umschalter einander widersprechen
wird das Ausgangssignal ebenfalls abgeschaltet.
6 Betriebstechnik: Steuer- und
Sendeeinrichtungen des DCF77
228 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Nach der Übergabe des mit den Einrich-
tungen der PTB erzeugten DCF77-Steuersignals
an die Media Broadcast beginnt deren Zustän-
digkeit für die weitere Aussendung. Seit Januar
1998 steht als Betriebssender ein moderner,
luftgekühlter 50-kW-Halbleitersender zur Ver-
fügung. Sein Endverstärker ist mit 48 Verstär-
kermodulen gleicher Bauart von etwas mehr als
1 kW Ausgangsleistung bestückt und die einzel
-
nen Ausgangsspannungen der 48 Verstärkermo-
dule werden addiert. Der bis dahin verwendete
50-kW-Röhrensender steht auch weiterhin als
Ersatzsender bereit. Er ist mit einer Ersatzanten-
ne verbunden, auf die im Störfall oder falls War-
tungsarbeiten an Betriebssender oder -antenne
notwendig werden, umgeschaltet werden kann.
Beide Sendeantennen sind vertikale Rund-
strahlungsantennen mit Dachkapazität. Die
Ersatzantenne ist 200 m hoch. Die Betriebsanten
-
ne hat nur eine Höhe von 150 m, verfügt zum
Ausgleich aber über eine größere Dachkapazität.
Vor einigen Jahren gemessene Strahlungscha-
rakteristiken der Sendeantennen haben ergeben,
dass die Abweichungen von der Charakteristik
eines idealen Rundstrahlers in keiner Richtung
größer sind als 2 dB. Beide Sendeantennen strah
-
len etwa die gleiche Leistung ab und befinden
sich benachbart auf dem gleichen Antennenfeld
der Sendefunkstelle. Es wird geschätzt, dass die
abgestrahlte Leistung EIRP (Equivalent Isotropic
Radiated Power) bei etwa 30 bis 35 kW liegt.
6.2 Einrichtungen in Braunschweig
Die empfangene Trägerphasenzeit und die
Stände der Sekundenmarken (ermittelt aus der
Amplitudenmodulation wie auch der Phasen-
modulation) werden mit den durch UTC(PTB)
vorgegebenen Sollwerten verglichen. In Bild 10
sind als Beispiele die kontinuierliche Aufzeich-
nung von Signalamplitude und Trägerphase
an je einem Tag im Juni 2008 und Januar 2009
dargestellt. Die ausgeprägten Schwankungen
der Phase des empfangenen DCF77-Signals in
den Nachtstunden werden im folgenden Kapitel
diskutiert. An dem ausgewählten Wintertag gab
es fast gar keinen Zeitabschnitt mit einem ru-
higen Phasenverlauf. Im Sommer dagegen sind
die Tag-Nacht Unterschiede sehr deutlich. Als
weitere Beispiele sind die Zeitdifferenzen zwi-
Bild 10:
In der PTB Braunschweig registrierter Verlauf von
Amplitude und Phase des empfangenen DCF77-Sig-
nals am 5. Juni 2008 (oben) und 18. Januar 2009
(unten); Amplitude: durch lineare Gleichrichtung mit
einer Zeitkonstanten von ca. 600 s bestimmte Amplitu-
de der Trägereinhüllenden, lineare Skala, unkalibriert,
Nullpunkt am linken Bildrand, Phase: Die volle Darstel-
lungsweite entspricht 10 µs, d. h. 0,1 µs pro kleinem
Teilstrich, Sollwert bei 55 Teilstrichen.
Bild 9:
Blockschaltbild der Steuer- und Sendeeinrichtungen des Senders DCF77 und der
Überwachungseinrichtungen in der PTB in Braunschweig.
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •229
schen der lokalen Referenzzeitskala UTC(PTB)
und der Ankunftszeit T
A
(DCF77) der AM-Sekun-
denmarken und der empfangenen Phasenzeit
T
P
(DCF77) des Trägers in Bild 11 dargestellt. Die
weitgehend konstanten Laufzeitanteile aus der
Übertragungsstrecke (Laufzeit der Bodenwelle
0,91 ms über die Strecke 273 km vom Sendeort
nach Braunschweig) sowie im Empfänger (Lauf-
zeit ca. 1 ms wegen des schmalbandigen Filters)
sind mit den Laufzeit-Konstanten K
A
und K
P
be-
rücksichtigt, die durch den erwähnten Vergleich
mit einer transportablen Atomuhr ermittelt
werden. Die in der PTB kontinuierlich durchge-
führten Zeitdifferenzmessungen werden dazu
genutzt, den Stand der vom Sender abgestrahl-
ten Sekundenmarken sowie die Phasenzeit des
ausgesendeten Trägers zu kontrollieren und ggf.
nachzuregeln. Falls sich Abweichungen ergeben,
die signifikant größer als die typischen Schwan-
kungen sind, werden über eine Fernwirkanlage
von Braunschweig aus die notwendigen Korrek-
turen vorgenommen. Hierzu ist es möglich, in
jedem der Steuerkanäle die Phase des erzeugten
DCF77-Trägers und der phasenkohärent auf-
modulierten Zeitinformation in Schritten von
± 0,1 µs zu schieben. Mit Hilfe der Fernwirkan-
lage können des weiteren Betriebsdaten von den
Caesiumuhren und den Steuergeräten abgefragt
werden. Verschiedene Fehlerquellen können so
identifiziert und Störungsursachen in den Steu-
ereinrichtungen ermittelt werden.
Nicht zuletzt wird in Braunschweig auch die
Übereinstimmung zwischen dem empfangenen
Zeitkode und einem mit unabhängigen Gerä-
ten erzeugten nominell identischen Zeitkode
verglichen und dokumentiert. Dabei ist es ganz
normal, dass einzelne empfangene Zeitzeichen
gestört sind und daher als „nicht korrekt“
(z. B. 0 statt 1) erkannt werden. Eine Fehleralar
-
mierung erfolgt, wenn in mehreren aufeinander-
folgenden Minuten der gleiche logische Fehler
erkannt wird. Dies ist bislang niemals der Fall
gewesen. Eine Fehleralarmierung erfolgt auch,
wenn das empfangene Signal dauerhaft zu klein
ist, oder die Phase der empfangenen Träger-
schwingung vom Sollwert um mehr als einen
festgelegten Betrag abweicht. Über die zeitliche
Verfügbarkeit und die Eigenschaften der emp-
fangenen Signale wird in den folgenden Kapiteln
berichtet.
7 Ausbreitung des DCF77-Signals
Das von der Sendeantenne abgestrahlte DCF77-
Signal erreicht den Empfangsort auf zwei We-
gen: Zum einen breitet es sich als Bodenwelle
entlang der Erdoberfläche aus, und zum anderen
gelangt es als Raumwelle nach Reflexion an der
ionosphärischen D-Schicht zum Empfangsort.
Zur Beschreibung der Raumwellenausbreitung
sind zwei Modelle entwickelt worden: das Refle-
xions- und das Wellenleitermodell [24]. Bei dem
Reflexionsmodell („wave hop“ method) geht
man von einer Spiegelung der Langwelle an der
Unterkante der D-Schicht aus, deren Höhe am
Tag mit 70 km und in der Nacht mit 90 km an
-
genommen wird. Nach dem Wellenleitermodell
(„waveguide mode“ method) erfolgt dagegen
die Raumwellenausbreitung analog zur Fort-
pflanzung elektromagnetischer Wellen zwischen
zwei Grenzflächen längs eines Wellenleiters. Da-
bei werden die Erdoberfläche und die D-Schicht
als zwei konzentrische, leitende Kugelflächen
betrachtet, zwischen denen sich eine Reihe von
Wellentypen (Moden) ausbreiten.
Für die Frequenz 77,5 kHz sowie für Entfer
-
nungen d < 2000 km hat sich das Reflexionsmo-
dell als das zweckmäßigere erwiesen. Bild 12
veranschaulicht die Ausbreitung von Boden- und
Raumwelle nach diesem Modell, und Bild 13
verdeutlicht, welche Laufzeitunterschiede die
Bild 11.
In Braunschweig registrierte Zeitdifferenzen
UTC(PTB) – T(DCF77) + K;
oben: Zeitdifferenz zwischen UTC(PTB) und der
Ankunftszeit T
A
(DCF77) der empfangenen Sekun-
denmarken, K: Laufzeitkonstante; Detektion von
T
A
(DCF77) aus der abfallenden Flanke (Triggerpunkt
60 %) der mit einer Bandbreite von 440 Hz empfan-
genen AM-Sekundenmarken; Glättung von T
A
(DCF77)
mit einem Schrittregler, indem nach jeweils 4 Sekun-
den eine lokal erzeugte 1 PPS-Folge den empfan-
genen Signalen in Schritten von 1 µs nachgeführt
wird;
unten: Differenz zwischen UTC(PTB) und der Pha-
senzeit T
P
(DCF77) des empfangenen Trägers. T
P
wird hierbei bestimmt durch Phasenzeitvergleich des
empfangenen Trägers mit einer von UTC(PTB) abge-
leiteten 77,5 kHz Impulsfolge; K
P
: Laufzeitkonstante.
230 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
verschieden langen Ausbreitungswege zur Folge
haben. Bei geradliniger Ausbreitung und einer
Reflexion (one hop) ergibt sich die maximale
Reichweite der DCF77-Raumwelle, wenn sie den
Sendeort tangential (
ψ
= 0 ) zur Erdoberfläche
verlässt und am Empfangsort auch wieder tan-
gential einfällt. Unter diesen Annahmen beträgt
die Reichweite am Tag etwa 1900 km und etwa
2100 km in der Nacht. Zu weiter entfernten
Empfangsorten gelangt das DCF77-Signal in die-
sem Modell nur nach mehrfachen Reflexionen
(z. B. zwei Reflexionen an der D-Schicht, eine Re
-
flexion an der Erdoberfläche), was aber mit einer
starken Abnahme der Feldstärke verbunden ist.
Über unendlich gut leitendem Boden lässt
sich die Feldstärke der Bodenwelle E
BW
des
Fernfeldes (d. h.
d >> 0) in Abhängigkeit von der
Entfernung d vom Sender und der abgestrahlten
Leistung P über die Beziehung
E P d
BW
= 300 /
(1)
berechnen [25], wo sich E
BW
in mV/m ergibt
wenn P in kW und d in km eingesetzt werden.
Die nach dieser Formel ermittelten Feldstär-
kewerte müssen mit einem Dämpfungsfaktor
multipliziert werden, der die endliche Boden-
leitfähigkeit berücksichtigt. Es lässt sich für
verschiedene Werte der Bodenleitfähigkeit die
Abnahme der Bodenwellen-Feldstärke mit dem
zunehmendem Abstand d ableiten, die für die
Frequenz 75 kHz
in Bild 14 dargestellt ist. Für
die DCF77-Frequenz gelten praktisch die glei-
chen Beziehungen.
Wesentlich schwieriger ist die Ermittlung
eines Erwartungswertes für die Feldstärke der
Raumwelle. Unter der Annahme unendlich gut
leitenden Bodens am Sendeort wird in Abhängig-
keit vom Elevationswinkel
ψ
eine Raumwelle mit
der Feldstärke E
RW
zur Ionosphäre abgestrahlt,
E
RW
= E
BW
⋅ cos
ψ.
(2)
Welcher Bruchteil R (Reflexionskoeffizient)
von dieser zur Ionosphäre abgestrahlten Welle
zum Empfangsort reflektiert wird, hängt von
mehreren Einflüssen ab:
• von der Tages- und Jahreszeit,
• von der Sonnenaktivität sowie
• vom Einfallswinkel
i der Raumwelle auf die
D-Schicht.
Eine einfache Beziehung für die Abhängig-
keit von R von diesen Einflüssen lässt sich
nicht angeben. In [26] sind Diagramme und
Rechenbeispiele angegeben, aus denen sich die
zu erwartenden Werte für die Raumwellen-
Feldstärke ermitteln lassen. Hieraus und aus
(1) und (2) wurden die für das DCF77-Signal zu
erwartenden Feldstärkewerte ermittelt und die
Ergebnisse in Bild 15 dargestellt. Sie basieren auf
der Annahme einer abgestrahlten Leistung von
30 kW. Die Raumwellenfeldstärke ist in Abhän
-
gigkeit von den Tages- und Jahreszeiten angege-
ben. Sie gilt im Falle eines Sonnenfleckenmini-
mums. Bei einem Sonnenfleckenmaximum kann
die Raumwellenfeldstärke bei Entfernungen bis
etwa 800 km vom Sender größer sein, und zwar
besonders tagsüber im Winter um etwa 5 bis
10 dB und nachts um etwa 3 dB.
Anschaulich wird das DCF77-Empfangsgebiet
in Bild 16 dargestellt. Die Darstellung von Linien
Bild 14:
Abhängigkeit der Feldstärke E der Bodenwelle vom
Abstand d vom Sender und der Bodenleitfähigkeit σ
(Kurven 1 – 5), kombiniert aus den Bildern 1 – 11 in
[25] und wie dort angegeben bezeichnet. Unter der An-
nahme einer abgestrahlten Leistung von 1 kW beträgt
die Feldstärke bei d = 10 km 30 mV/m, entsprechend
E(dB(µV/m)) = 20 log
10
{3 ⋅10
4
} = 89,5;
1: σ = 10
−4
S/m (sehr trockener Boden),
2: σ = 3 ⋅10
−4
S/m (trockener Boden),
3: σ = 10
−3
S/m (mitteltrockener Boden),
4: σ = 3 ⋅10
−3
S/m (Land),
5: σ = 5 S/m (Seewasser mittleren Salzgehalts).
Umgerechnet auf die von DCF77 abgestrahlte Leistung
von etwa 30 kW würden die Kurven um ca. 15 dB
höher liegen.
Bild 12:
Schematische Darstel-
lung der Ausbreitung
von Bodenwelle (BW)
und Raumwelle (RW)
zwischen Sender und
Empfänger;
h : Höhe der ionosphä-
rischen D-Schicht,
ψ
: Elevationswinkel,
i : Einfallswinkel auf die
D-Schicht.
Bild 13:
Laufzeitunterschiede τ
zwischen Boden- und
Raumwelle für zwei
verschiedene Höhen
h der ionosphärischen
D-Schicht als Funktion
der Entfernung d vom
Sender [26].
h
RW
BW
E
S
i
Ψ
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •231
gleicher Feldstärke als Kreise ist sicher verein-
facht, erlaubt aber zusammen mit Bild 15 eine
Orientierung an welchen Orten mit DCF77-Emp-
fang zu rechnen ist und wo wahrscheinlich nicht.
8 Empfang des DCF77-Signals
8.1 Rechtliche Aspekte
Die rechtliche Grundlage für das Inverkehr-
bringen von Normalfrequenzempfängern
und Funkuhren bildet in der Bundesrepublik
Deutschland des Gesetz über Funkanlagen und
Telekommunikationsendeinrichtungen (FTEG).
Dieses Gesetz ist die nationale Umsetzung der
EU-Richtlinie 1999/5/EG (RTTE-Richtlinie). Da-
raus ergeben sich Rechte und Pflichten für Her-
steller bzw. Inverkehrbringer, Importeure oder
Wiederverkäufer. Die im § 3 FTEG genannten
grundlegenden Anforderungen
• Schutz der Gesundheit und Sicherheit des
Benutzers und anderer Personen,
• Schutzanforderungen in Bezug auf die elek
-
tromagnetische Verträglichkeit
sind von den Geräten zu erfüllen.
Neben der Bereitstellung einer technischen
Dokumentation, aus der die bestimmungsge-
mäße Nutzung des Gerätes eindeutig hervorgeht
(für das jeweilige Land in der EU/EWR in der
Landessprache), sowie der Konformitätserklä-
rung (KE) des Herstellers oder Inverkehrbrin-
gers für den Nutzer, muss die CE-Kennzeich-
nung [Art.12 (1‒4) RL 1999/5/EG] dieser Geräte
vorgenommen sein. Mit der KE bestätigt der
Hersteller, dass diese Geräte die grundlegenden
Anforderungen der Richtlinie bzw. des Gesetzes
erfüllen. Wenn harmonisierte Normen zur
Grundlage der KE gemacht wurden, kann davon
ausgegangen werden, dass die grundlegenden
Anforderungen eingehalten wurden.
Funkanlagen der Klasse 1 (dazu gehören
DCF77-Empfangseinrichtungen) können ohne
Einschränkungen in Verkehr gebracht werden.
Es ist keine Anzeige des Inverkehrbringens
dieser Geräte auf dem EU/EWR-Markt bei den
Regulierungsbehörden der Einzelstaaten not-
wendig. Weiterführende Hinweise geben die
Internetseiten der Bundesnetzagentur zu diesem
Thema [27].
8.2 Zeitliche Verfügbarkeit der Aussendung
DCF77 sendet im 24-h-Dauerbetrieb. Mit der
Media Broadcast ist eine zeitliche Verfügbarkeit
der DCF77-Aussendung von jährlich minde-
stens 99,7% vereinbart. Da ein Ersatzsender
und eine Reserveantenne verfügbar sind, gibt
es keine regelmäßigen Abschaltungen für War-
tungsarbeiten. Mit kurzen Unterbrechungen bis
zu wenigen Minuten muss dagegen gerechnet
werden, wenn bei unerwarteten Störungen oder
fälligen Wartungsarbeiten auf den Ersatzsender
und die Reserveantenne umgeschaltet werden
muss. Seit Sommer 1997 muss die DCF77-Aus-
sendung selbst bei Gewittern am Sendeort nicht
mehr für längere Zeit unterbrochen werden.
Die Antennenzuführungen wurden in den An-
tennenhäusern mit Kugelfunkenstrecken und
UV-Sensoren ausgerüstet. Kommt es nach einem
Blitzeinschlag an einer Kugelfunkenstrecke zu
einem Durchbruch mit Entstehung eines Licht-
bogens, wird dieser vom UV-Sensor erkannt
Bild 15:
Feldstärken der Boden- und Raumwelle als Funktion
der Entfernung d vom Sendeort, berechnet nach [25,
26] unter der Annahme einer mit DCF77 abgestrahlten
Leistung von 30 kW. Für die Bodenleitfähigkeit wurden
3 ⋅10
–3
S/m angenommen, es wird zwischen Ausbrei-
tung im Sommer (offene Symbole) und Winter (volle
Symbole) unterschieden.
Bild 16:
Schematische Darstellung der Reichweite der DCF77-Aussendung.
232 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
und einer Überwachungselektronik gemeldet.
Da wegen der hohen Spannung des vom Sender
gelieferten Signals der Lichtbogen nicht wieder
von allein erlöschen würde, unterbricht die
Überwachungselektronik automatisch für kur-
ze Zeit das Senderausgangssignal, womit der
normale Zustand wieder hergestellt wird. Bei
Gewittern am Sendeort muss daher mit kurzzei-
tigen Unterbrechungen der DCF77-Aussendung
gerechnet werden, so dass der Empfang einiger
aufeinanderfolgender Sekundenmarken gestört
sein kann.
In den letzten Jahren wurden Abschaltungen
mit einer Dauer von größer als 2 Minuten ge-
mäß der in Bild 17 oben dargestellten Vertei-
lung beobachtet. Die zeitliche Verfügbarkeit
über mehrere Jahre ist in Bild 17 unten gezeigt.
Die häufigste Ursache für länger andauernde
Unterbrechungen waren die elektrische Ver-
stimmung des Antennenresonanzkreises durch
Auslenkung der Antenne in starkem Sturm und
bei Eisregen. Bei zu großer Fehlanpassung wird
die Aussendung unterbrochen. Die Sendefunk-
stelle ist seit Juli 1999 außerhalb der regulären
Arbeitszeit nicht mehr besetzt. Der Sender wird
dann von Frankfurt am Main aus überwacht. In
der PTB ist außerhalb der regulären Dienstzeit
Wachpersonal anwesend. Bei größeren Stö-
rungen an den Steuer- und Sendeeinrichtungen,
z. B. wenn die automatischen Überwachungs
-
einrichtungen das Steuersignal oder den Sender
abschalten, kann es also außerhalb der Dienstzeit
längere Zeit dauern, bevor Mitarbeiter der Me-
dia Broadcast oder der PTB erreicht werden, die
Maßnahmen zur Störungsbeseitigung einleiten
können. Funkuhren, bei denen es auf hohe Si-
cherheit ankommt, sollten daher mit einer Gang-
reserve über mehrere Stunden in Form eines
hochwertigen Quarzoszillators ausgestattet sein.
8.3 Eigenschaften der empfangenen Signale
Die sehr stabile Bodenwelle hat eine große Reich-
weite. Bis zu Entfernungen von einigen hundert
Kilometern ist ihre Empfangsfeldstärke deutlich
größer als die der Raumwelle. Unter 500 km Ent
-
fernung vom Sender kann man mit Feldstärken
der Bodenwelle über 1 mV/m rechnen.
Im Entfernungsbereich zwischen etwa
600 km bis 1100 km können Boden- und Raum
-
welle gelegentlich gleich groß sein. Wie das Zei-
gerdiagramm in Bild 18 veranschaulicht, hängt
es dabei vom Verhältnis der Amplituden von
Boden- und Raumwelle und dem Phasenwin-
kel zwischen den beiden Feldkomponenten ab,
welche Phasenwinkelverschiebung das resultie-
rende Gesamtsignal, bezogen auf die Phase der
Bodenwelle, erfährt und welche Gesamtamplitu-
de sich einstellt. Werden am Empfangsort Am-
plituden- und Phasenschwankungen des Trägers
Bild 17:
Oben:
Häufigkeitsverteilung
der Unterbrechungen
von DCF77-Aussendung
bestimmter Dauer in den
Jahren 2004 bis 2008;
unten:
Jährliche Verfügbarkeit
unter Vernachlässigung
von Abschaltungen mit
einer Dauer von weniger
als zwei Minuten Dauer.
Bild 18:
Zeigerdiagramm zur Verdeutlichung der vektoriellen
Überlagerung von Boden- und Raumwelle am Emp-
fangsort;
A
BW
, A
RW
, A
S
: Amplituden der Boden- und Raumwelle
und des resultierenden Summensignals,
ϕ
: Resultierende Phasenwinkelverschiebung des Sum-
mensignals gegenüber der Bodenwelle. Im Kreisdia-
gramm rotieren alle Vektoren mit der Winkelgeschwin-
digkeit 2⋅π⋅f
0
, wobei f
0
die Trägerfrequenz ist und
ϕ
bei
stationären Verhältnissen konstant bleibt.
sowie (periodisch-) zeitliche Verschiebungen der
Zeitsignale beobachtet, so haben diese ihre Ur-
sache in dem schwankenden Anteil der Raum-
welle als Folge von Änderungen des Reflexions-
koeffizienten sowie in Laufzeitänderungen der
Raumwelle, wenn sich in der Dämmerung die
Höhe der D-Schicht von ca. 70 km auf ca. 90 km
bzw. umgekehrt ändert. Welche Unsicherheiten
beim Empfang der DCF77-Normalfrequenz und
-Zeitsignale erreichbar sind, hängt daher wesent-
lich von der Entfernung des Empfangsortes vom
Sender sowie von der Tages- und Jahreszeit ab.
Andererseits ist bei gleicher Phasenlage aber
auch ein vorübergehender starker Feldstärkean-
stieg möglich. Beide Phänomene werden auch
schon in Braunschweig (d = 273 km) beobachtet,
ϕ
2·π·f
0
S
A
BW
A
RW
A
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •233
wie Bild 10 belegt. In diesem Zusammenhang ist
es wichtig zu wissen, dass diese „Schwebung“
zwischen Boden- und Raumwelle langsam ab-
läuft (eine Viertelstunde und länger) und somit
für eine Funkuhr genügend Zeit zur Aufnahme
der DCF77-Zeitinformation zur Verfügung
steht. Bild 15 legt insbesondere nahe, dass
Empfangsstörungen in den Wintermonaten
gehäuft auftreten. Das deckt sich mit der grö-
ßeren Anzahl von in dieser Jahreszeit an die
PTB gerichteten Anfragen wegen beobachteter
Empfangsschwierigkeiten.
In Entfernungen über 1100 km tritt der
Bodenwellenanteil immer mehr zurück, und
es überwiegt dann die Raumwelle, deren Aus-
breitung in großen Entfernungen besonders
am Tage recht konstant ist. Zwischen 1100 km
und 2000 km Entfernung sind Feldstärken der
Raumwelle zwischen einigen hundert und etwa
100 µV/m zu erwarten. Nach Bild 15 sind große
Reichweiten besonders im Winter wahrschein-
lich. Quasi als Bestätigung hierfür wurde im
Januar 2009 zuverlässig vom DCF77-Empfang
zweier handelsüblicher Funkwecker in Montreal,
Kanada berichtet.
8.3.1 Empfang der Normalfrequenz
Wird der Träger von DCF77 zur Überwa-
chung oder automatischen Nachsteuerung von
Normalfrequenzgeneratoren genutzt, wer-
den die dazu erforderlichen Frequenz- bzw.
Phasenzeitvergleiche zwischen dem lokalen
Oszillatorsignal und dem empfangenen DCF77-
Trägersignal durch die ausbreitungsbedingten
sowie die durch den PRN-Kode verursachten
Phasenzeitschwankungen beeinträchtigt. Welche
Phasenzeit- bzw. Frequenzschwankungen in
Braunschweig, 273 km vom Sendeort entfernt,
auftreten, wurde in der PTB wiederholt unter-
sucht, das hier vorgestellte Beispiel datiert vom
Herbst 2003. Die Registrierung der Phasenzeit
zwischen dem 1. September und dem 21. Ok-
tober (50 Tage) ergab eine gemittelte relative
Frequenzabweichung zwischen der DCF77-Trä-
gerfrequenz und UTC(PTB) von < 1 ⋅10
‒14
. Die re-
lative Standardabweichung der Tagesmittelwerte
betrug 1,5 ⋅10
‒12
für das Messinterval jeweils
von 12:00 UTC bis 12:00 UTC. Bestimmt man
die Instabilität der registrierten Trägerfrequenz
als Funktion der Uhrzeit der Messung, so ergibt
sich die in Bild 19 dargestellte Abhängigkeit.
Als Funktion der Tageszeit der Messung und
der ausgewählten Mittelungszeit ergaben sich
die gezeigten Schwankungen σ der Einzelmes-
sungen bezogen auf den durch UTC(PTB) vorge-
gebenen Sollwert. Bei kurzen Mittelungszeiten
können danach am Tage geringere Unsicher-
heiten erreicht werden als in der Nacht. Ande-
rerseits mitteln sich die durch Raumwellen-
einfluss verursachten Frequenzschwankungen
weitgehend heraus, wenn mit genügend langen
Mittelungszeiten gemessen wird. Die Situation
ist im Sommer typischerweise günstiger als im
Winter.
Die für Braunschweig ermittelten Frequenz-
schwankungen können als Anhaltswerte für alle
Empfangsorte dienen, an denen die Bodenwelle
noch eine überwiegend größere Amplitude als
die Raumwelle hat. Im Entfernungsbereich, in
dem Boden- und Raumwelle gleich groß werden
können, sind dagegen Frequenzvergleiche durch
mögliches „Phasengleiten“ („cycle slipping“)
erschwert. In sehr großen Entfernungen, wenn
die Raumwelle die Oberhand gewinnt, liegen
wieder konstante Verhältnisse vor. Hier sollten
Frequenzvergleiche möglichst nur am Tage oder
nur in der Nacht, d. h. bei stabiler Raumwellen
-
ausbreitung, vorgenommen werden, damit die
Laufzeitänderungen durch das Wandern der
D-Schicht in der Dämmerung nicht als Ände-
rungen des lokalen Frequenzgenerators interpre-
tiert werden.
Von der Industrie werden DCF77-Normal-
frequenzempfänger zum automatischen Nach-
regeln von Quarz- und Atomfrequenznormalen
angeboten. In solchen Frequenzreglern wird das
Ausgangssignal des nachzuregelnden Normals
auf die DCF77-Trägerfrequenz oder eine Sub-
harmonische davon umgesetzt, und die Phasen-
zeiten des empfangenen DCF77-Signals und des
umgesetzten Signals werden miteinander verg-
lichen. Aus der zeitlichen Änderung der Phasen-
differenz zwischen beiden Signalen wird ein Re-
gelsignal zur automatischen Nachregelung des
Frequenznormals hergeleitet. Kombiniert man
derartige Frequenzregler mit Frequenznormalen
hoher Eigenstabilität, wie Temperatur-kontrol-
lierten Quarzoszillatoren oder Atomfrequenz-
normalen, können so große Regelzeitkonstanten
gewählt werden, dass die ausbreitungsbedingten
Phasenzeitschwankungen weitgehend ausgemit-
Bild 19:
Standardabweichung σ der relativen Abweichung der
in Braunschweig empfangen DCF77-Trägerfrequenz
vom Sollwert als Funktion der Tageszeit und der Mitte-
lungszeit T (durchgezogen: T = 1 h,
gepunktet: T = 2 h, strichpunktiert: T = 4 h), basierend
auf 50 Tagen im Spätsommer 2003.
234 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
telt werden. Wie Messungen in verschiedenen
Kalibrierlaboratorien bestätigt haben, lassen sie
sich auf diese Weise Frequenznormale im lang-
zeitigen Mittel mit Unsicherheiten von 1 ⋅10
‒11
und auch noch darunter an die PTB-Atomfre-
quenznormale anschließen, ohne dabei die ihnen
eigene Kurzzeitstabilität zu verlieren. Rubidium-
Atomfrequenznormale in temperaturstabilisier-
ten Messräumen werden zweckmäßigerweise
mit Zeitkonstanten zwischen mindestens einem
und mehreren Tagen geregelt.
8.3.2 Empfang der amplitudenmodulierten
Zeitsignale
Der Zeitzeichenempfang wird häufig durch
Störungen verschiedener Ursachen erschwert.
Als besonders störend haben sich z. B. die
5. Oberwelle der Zeilenfrequenz (625 Hz ober
-
halb der DCF77-Trägerfrequenz) von Fernseh-
geräten oder Pulsstörungen von Schaltnetzteilen
und elektrischen Maschinen erwiesen. Auch
atmosphärische Störungen, die z. B. durch Ent
-
ladungen bei Gewittern hervorgerufen werden,
können zu einer starken Beeinträchtigung des
Zeitsignal-Empfangs führen. Um den Einfluss
der verschiedenen Störungen auf die Zeitsignale
gering zu halten, werden in vielen Funkuhren
sehr schmalbandige Empfangsschaltungen
eingesetzt. Dadurch gelingt es zwar, die Störan-
teile im Nutzsignal weitgehend zu reduzieren,
andererseits bewirkt aber die Einschränkung
des Übertragungsfrequenzbereiches eine Ab-
flachung und Verrundung der Signalflanken.
Am Sendeort durchgeführte Messungen des
Frequenzspektrums sowie eine Abschätzung
der Übertragungsbandbreite ∆f aus der Aus-
schwingzeit t
0
der in Bild 4 dargestellten abfal-
lenden Flanke der Trägereinhüllenden nach der
Beziehung ∆f = 1/t
0
haben ergeben, dass ∆f in
der Größenordnung von 850 Hz liegt. Je mehr
von diesem Frequenzbereich empfangsseitig
abgeschnitten wird, umso größer ist die stati-
stische Unsicherheit, mit der die Ankunftszeit
des DCF77-Signals angegeben werden kann. Der
konstante Laufzeitanteil (Übertragungsstrecke
und Empfänger intern) kann, falls erforderlich,
mit einem überlegenen Übertragungsverfahren
kalibriert und berücksichtigt werden. Um stör-
sicheren Empfang zu garantieren, arbeiten viele
der auf dem Markt befindlichen Funkuhren mit
Bandbreiten um 10 Hz und begnügen sich mit
Unsicherheiten von etwa 0,1 s.
Um geringere Unsicherheiten zu erreichen,
muss mit steileren Flanken, d. h. größerer Band
-
breite, aber auch zugleich größerer Störanfällig-
keit gearbeitet werden. Geeignete Demodulati-
ons- und Mittelungsverfahren, um Störungen zu
begegnen, sind z. B. die Synchrondemodulation,
die Quadraturabtastung [28], Schrittregelung
mit Einheitsschritten [29] (verwendet z. B. für
die in Bild 11a dargestellten Messwerte) oder die
trägersynchrone, digitale Zeitsignalmittelung
durch Abtasten der Amplituden der Träger-
schwingung im Bereich der Flanke. Bei Anwen-
dung dieser Techniken sind in der Praxis bei
Entfernungen, in denen die Bodenwelle deutlich
überwiegt, Unsicherheiten von 50 µs bis 100 µs
erreicht worden. Verschiedene Beiträge in den
Tagungsbänden der Funkuhrentagungen [6]
befassen sich mit der Thematik. In [3] wird auf
Empfangsstörungen beim Tragen von Funkarm-
banduhren eingegangen.
9 DCF77-Funkuhren
Die Idee, Zeitinformation über Radiowellen
zu übertragen, ist fast so alt wie die Technik
des „Radios“ selbst. Michael A. Lombardi vom
National Institute of Standards and Technology
(NIST), USA, hat in einer an Anekdoten reichen
Zusammenstellung die Geschichte der Funk-
uhr in den USA nachgezeichnet [30]. Hieraus
Folgendes:
Guglielmo Marconi experimentierte Ende
des 19. bzw. Anfang des 20. Jahrhunderts mit
Radiowellen und konnte 1899 die Kommuni-
kation über den Ärmelkanal hinweg und 1901
über den Atlantik realisieren. Auf die „Marco-
ni-Wellen“ nimmt der Ingenieur und Hersteller
optischer Geräte Sir Howard Grubb Bezug, als
er 1898 in einem Vortrag vor der Royal Dublin
Society die Entwicklung tragbarer Funkuhren
vorhersagte:
“There is something very beautiful in this action
of the Marconi waves. In a city supplied with this
apparatus we should be conscious as we hear each
hour strike that above us and around us, swiftly and
silently, this electrical wave is passing, conscien-
tiously doing its work, and setting each clock in each
establishment absolutely right, without any physical
connection whatsoever between the central distribut-
ing clock, and those which it keeps correct by means
of this mysterious electrical wave.
We might go even still further, and although I do
not put it forward as a proposition likely to be car-
ried out in any way, except as an experiment, yet it
undoubtedly would be perfectly possible to carry an
apparatus in one‘s pocket, and have our watches auto-
matically set by this electrical wave as we walk about
streets.” [31]
In Deutschland gehört Professor Dr.-Ing.
Wolfgang Hilberg zu den Pionieren der Ent-
wicklung der Funkuhren. Im Jahr 1967 ‒ damals
Ingenieur im Forschungsinstitut der Firma
AEG-Telefunken in Ulm ‒ beschrieb er un-
ter dem Titel „Drahtlos gesteuerte Uhren mit
Normalzeit-Ziffernanzeige“ das Prinzip eines
Zeitverteilungssystems für Jedermann mit Hilfe
eines Senders und digital arbeitender Funkuhren
[32]. Im Jahr 1971 zeigte er, dass die für die Zeit-
übertragung benötigten Bandbreiten so gering
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •235
sind, dass die Aussendung von Zeitinformation
z. B. an den Rändern von UKW-Kanälen erfolgen
könnte [33]. Als mögliche Funkuhr für die Zeit-
übertragung mit Rundfunksendern stellte er den
Versuchsaufbau eines handelsüblichen modifi-
zierten Rundfunkgerätes vor, dem eine einfach
zu realisierende Empfängerschaltung mit Ni-
xie-Anzeigeröhren zur Zeitanzeige hinzugefügt
worden war. Obwohl technisch möglich, ist es
zu einer direkten Zeitverbreitung durch Rund-
funk- oder Fernsehsender jedoch nie gekommen
‒ abgesehen von der Aussendung von Zeitzei-
chen zur vollen Stunde oder der Einblendung
von Uhren vor den Nachrichtensendungen.
Nach der Aufnahme des 24-Stunden Dauer-
betriebs von DCF77 im Jahr 1970 begannen auch
in der PTB die Überlegungen zur Aussendung
kodierter Zeitinformation. Neben den Arbeiten
von Hilberg verfolgte man die Entwicklung der
Zeitsender WWV und WWVB in den USA, die
1960 bzw.1965 damit begonnen hatten, kodierte
Zeitinformation auszusenden [21]. Zeitgleich mit
dem Beginn der Aussendung des Zeitkodes über
DCF77 stellte die PTB Prototypen von Funk-
uhren vor, die heute im Deutschen Museum,
München und Bonn, sowie in der PTB ausge-
stellt bzw. noch in Betrieb sind. Die Schaltung
dieser ersten DCF77-Funkuhren wurde 1974
veröffentlicht [34]. Sie stieß auf großes Interesse
und zahlreiche Leser dieses Artikels bauten die
Schaltung nach.
Wissenschaftliche Unterstützung bei der
Weiterentwicklung der Funkuhr kam in den
folgenden Jahren außer von der PTB von den
Technischen Universitäten Darmstadt und Stutt-
gart. Besonders an der Technischen Universität
Darmstadt, an der Prof. Hilberg 1972 einen
Lehrstuhl für digitale Schaltungen erhalten hat-
te, wurden mit dem Ziel der Massenproduktion
zu niedrigen Herstellungskosten neue Emp-
fangsverfahren untersucht und kleine effiziente
Funkuhren entwickelt. Anfang 1980 konnten
die Darmstädter Forscher einem Ausschuss der
deutschen Industrie im Institut für Uhren- und
Feinwerktechnik der Universität Stuttgart einen
voll funktionsfähigen Funkuhrempfänger mit
innen liegender, kleiner Antenne und digitalem
Display in der Größe heutiger Funkwecker vor-
führen. Mitte der achtziger Jahre brachten die
Firmen KUNDO und Junghans ihre ersten Funk-
uhren, KUNDO SPACE TIMER und Junghans
RC-1 auf den Markt. 1987 stellte die TU-Darm-
stadt den Prototyp einer Funkarmbanduhr mit
eingebauter Antenne vor. Die Markteinführung
der ersten kommerziellen Funkarmbanduhr
erfolgte 1990 durch Junghans, deren MEGA 1 in
Lombardis Aufsatz [30] als „one of the most mo-
mentuous horlogical events ever“ bezeichnet wurde.
Die MEGA 1 ist heute bereits Ausstellungsstück
in Uhren- und Technikmuseen.
10 Zeit- und Normalfrequenzdienste
auf Langwelle
In den Radio Regulations der ITU sind die
Frequenzbereiche 20,05 kHz ‒ 70 kHz und
72 kHz ‒ 84 kHz in Region1 (Europa und Afrika)
sogenannten primary fixed services zugewiesen
[35]. In Artikel 5.56 heißt es ergänzend, dass die
Funkdienste, denen diese o. g. Frequenzbereiche
zugewiesen sind, Normalfrequenz und Zeitzei-
chen aussenden können. Diese Dienste genießen
Schutzrechte gegenüber störenden Interferenzen
durch Aussendungen von secondary services. Da-
gegen sind andere Frequenzbänder ausschließ-
lich für die Aussendung von Normalfrequenz
reserviert und besonders geschützt (z. B. um
2,5 MHz, 5 MHz, 10 MHz). Wir beschränken uns
nachfolgend auf die Darstellung der Dienste im
Langwellenbereich. In der ITU-Empfehlung
ITU-R TF768-5 Standard Frequencies and Time
Signals sind die verschiedenen Dienste im An-
hang aufgelistet. Im Anhang der ITU-Empfehlung
ITU-R TF583-6 findet man die zur Zeit verwen-
deten Kodierschemata zur Übertragung der
Zeitinformation. Während die Texte der Recom-
mendations selbst nur kostenpflichtig bei der ITU
zu erhalten sind (www.itu.int/rec/R-REC-TF/e),
sind die o. g. im jährlichen Turnus aktualisierten
Anhänge kostenlos verfügbar [36]. Basierend auf
den mit Stand Oktober 2008 publizierten Infor-
mationen sind in Tabelle 1 die Eigenschaften der
Zeitdienste auf Langwelle zusammengefasst.
Der vom Schweizer Sender HBG ausgesandte
Zeitkode ist mit dem DCF77-Kode nahezu iden-
tisch, abgesehen von der Kennung der Minute.
In den Sekundenmarken wird die Amplitude auf
Null getastet ‒ nicht auf 15 % wie beim DCF77.
Allerdings steht wegen notwendiger umfassender
Sanierungsarbeiten an den Antennenanlagen des
HBG dessen dauerhafter Betrieb gegenwärtig in
Frage [37]. Alle anderen Dienste verwenden andere
Zeitkodes. In der ersten Reihe der Tabelle 1 sind
die gegenwärtig publizierten Parameter des neu-
en chinesischen Zeitdienstes BPC enthalten [38],
der vom National Time Service Centre, Lintong,
Provinz Shanxii, Volksrepublik China, betrieben
wird und für den mittlerweile auch kommerzielle
Funkuhren erhältlich sind. Insgesamt sollen im
Land 3 Stationen für die Aussendung von Zeitzei-
chen und Normalfrequenz entstehen. Auch die
Taiwanesische Regierung hat den Aufbau eines
Langwellenzeitdienstes beschlossen. Im letzten
Jahrzehnt wurden erhebliche Aufwendungen in
den Aufbau der beiden japanischen Stationen JJY
sowie die Modernisierung des WWVB des NIST
gesteckt [39]. Es besteht allem Anschein nach in
vielen Ländern ein starkes öffentliches Interesse
an der Verfügbarkeit der genauen Zeit, und die
Aussendung über Langwelle wird als adäquates
Medium hierfür angesehen.
236 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
11 Schlussbetrachtung
Mit dem von der PTB gesteuerten Langwel-
lensender DCF77 auf 77,5 kHz steht seit vie
-
len Jahren ein zuverlässiger Zeitsignal- und
Normalfrequenzsender zur Verfügung, der
in weiten Teilen Europas empfangen werden
kann. DCF77-Funkuhren lassen sich preiswert
herstellen und sind millionenfach im Einsatz.
Heute sind im privaten Bereich etwa die Hälfte
aller in Deutschland verkauften „elektrischen
Großuhren“ (Tisch-, Gestell-, Wanduhren und
Wecker) Funkuhren. Daneben sind mehr als eine
halbe Million Industrie-Funkuhren im Einsatz,
darunter solche, die von der pseudozufälligen
Umtastung der Trägerphase Gebrauch machen.
Mit Hilfe der Trägerfrequenz von DCF77
werden Normalfrequenzgeneratoren kalibriert
oder automatisch nachgeregelt. Im Verkehrs-
wesen, z. B. bei Bahn und Flugsicherung, spielt
DCF77 eine wichtige Rolle. Parkscheinauto-
maten und Ampelanlagen werden von DCF77
synchronisiert. In immer mehr Gebäuden wer-
den Heizungs- und Lüftungsanlagen von DCF77
gesteuert und Rollläden von DCF77 geschlossen
oder geöffnet. In der Telekommunikation und
der Energiewirtschaft sind DCF77-Funkuhren
eingesetzt, um zeitabhängige Tarife richtig
abrechnen zu können. Zahlreiche NTP-Server
speisen die von DCF77 empfangene Zeit in
Rechnernetze ein. Alle Rundfunk- und Fernseh-
anstalten erhalten die genaue Zeit von DCF77.
Diese Anwendungsbeispiele sollen genügen. Sie
machen deutlich, welche beachtliche Entwick-
lung in den vergangenen 50 Jahren auch bei der
„alten“ Technik wie der Zeitverbreitung auf
Langwelle erfolgt ist. Und in immer noch zuneh-
menden Maße werden Funkuhren eingesetzt.
Über die richtige Zeit zu verfügen, ohne die Uhr
stellen zu müssen, wird eben sehr geschätzt. Der
Erfolg der Funkuhr hat insbesondere auch etwas
mit den Eigenschaften der Langwelle zu tun.
Gegenüber Zeitsignalen von Satelliten haben
Langwellensignale einen entscheidenden Vorteil:
Sie dringen in Gebäude ein und ihr Empfang
wird durch Hindernisse wie Bäume oder Hoch-
hausbebauung nicht nennenswert beeinträch-
tigt. Man kann sie ohne Außenantenne mit in
Funkuhren eingebauten kleinen Ferritantennen
empfangen. Aufgrund dieser Eigenschaft der
Langwelle können preiswerte, kompakte, mit
Batterie oder Solarzellen betriebene Funkuhren
ohne Kabelanschluß an eine externe Antenne ge-
baut und betrieben werden. Demgegenüber er-
fordert der zuverlässige Empfang von Signalen
des Navigationssystems GPS und in Zukunft des
europäischen Pendants Galileo eine Antenne mit
möglichst freier Sicht zum Himmel. Kann diese
Ruf-
zeichen
Land Standort Träger- Rel. Unsicherheit Senderleistung Betriebsart Internet-Adresse
frequenz der Träger- (tatsächlich http://+
(kHz) frequenz
abgestrahlte
(1 σ, über 1 Tag) Leistung (kW))
BPC China Pucheng 68,5 20 www.ntsc.ac.cn
34° 56,9‘ Nord
109° 33,1‘ Ost
DCF77 Deutschland Mainflingen 77,5 1 ∙ 10
–12
30 kontinuierlich www.ptb.de
50° 01’ Nord
09° 00’ Ost
HBG Schweiz Prangins 75 2 ∙ 10
–12
25 kontinuierlich www.official-time.ch
46° 24’ Nord oder
6° 15’ Ost www.metas.ch
JJY Japan Ohtakadoyayama 40 1 ∙ 10
–12
12,5 kontinuierlich jjy.nict.go.jp
37° 22‘ Nord
140° 51‘ Ost
JJY Japan Haganeyama 60 1 ∙ 10
–12
22,5 kontinuierlich jjy.nict.go.jp
33° 28‘ Nord
130° 11‘ Ost
MSF UK Anthorn 60 2 ∙ 10
–12
17 kontinuierlich npl.co.uk
54° 55‘ Nord außer während
03° 15‘ West angekündigen
Service-Abschaltungen
WWVB USA Colorado Springs 60 1 ∙ 10
–11
65 kontinuierlich tf.nist.gov
40° 40’ Nord
105° 02’ West
Tabelle 1.
Langwellenstationen, die Normalfrequenz und kodierte Zeitinformation übertragen (Stand Oktober 2008 [35]).
Der jeweils verwendete Zeitkode ist unter der im Text Kapitel 9 angegeben ITU Internet-Adresse oder den Betreibern zu finden.
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •237
aufgebaut werden, so werden unbestreitbar
kleinere Unsicherheiten in der Zeitübertragung
erreicht [17]. Die Zeitübertragung über Satelliten
und die Zeitverbreitung auf Langwelle werden
sich daher auch in Zukunft nicht gegenseitig
ersetzen sondern ergänzen. So bleibt DCF77 wei-
terhin das bedeutendste Medium zur Verbrei-
tung der gesetzlichen Zeit in Deutschland durch
die PTB.
Literatur
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malfrequenzverbreitung mit DCF77, PTB-
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verteilung im Deutschen Kaiserreich, in
diesem Heft
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phase-shift keying of the carrier, Proc. 2nd
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Neuchâtel, (1988), S. 351– 64
[24] Handbook „The ionosphere and its effects
on radiowave propagation“, ITU, Radio-
communication Bureau, Geneva 1998
[25] ITU-R Recommendation 368-6 „Ground
Wave propagation curves for frequencies
between 10 kHz and 30 MHz“, entnommen
dem Band Recommendations des CCIR,
1990, Volume V, aktuelle Version siehe ITU
Internet-Adresse in Kapitel 9
[26] ITU-R Recommendation 684-3 „Predic
-
tion of field strength at frequencies below
150 kHz“, ITU, Geneva, 2002
[27] www.bundesnetzagentur.de,
Suchbegriffe FTEG und TKEE
[28] Ref 6b, S. 29‒59 und S. 107‒124
[29]
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von Zeitsignalen, PTB-Mitteilungen 85,
(1975), S. 448‒457
[30]
M. A. Lombardi: Radio Controlled Clocks,
Proc. of the 2003 National Conference
of Standards Laboratories NCSL, auf
CD-ROM
[31]
Sir H. Grubb: Proposal for the Utilization
of the ‚Marconi’ System of Wireless Tele-
graphy for the Control of Public and Other
Clocks, Scientific Proceedings of the Royal
Dublin Society, vol. X, part I(7), 1899, S. 121,
zitiert in [30]
[32]
W. Hilberg: Drahtlos gesteuerte Uhren mit
Normalzeit-Ziffernanzeige, Elektronik ,
238 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
16. Jahrg., Heft 11 (Nov. 1967) S. 325‒328
und Heft 12 (Dez. 1967), S. 377‒380
[33]
W. Hilberg, K. Buck: Eine integrierte digitale
Empfängerschaltung für ein drahtloses
elektronisches Zeitverteilungssystem,
Nachrichtentechnische Zeitschrift (NTZ)
1971, Heft 11, S. 572‒577
[34]
P. Hetzel, L. Rohbeck: Digitale Anzeige der
vom Sender DCF77 verbreiteten Amtlichen
Zeit, Funkschau 46, 1974, S. 727‒730
[35] Ref. [18], Section IV
[36] www.itu.int/ITU-R/index.
asp?category=study-groups&rlink=rsg7&l
ang=en, Related Information „TF583“ bzw.
„TF768“
[37]
C. Schlunegger: Facelifting am Langwel-
lensender HBG in Prangins, METinfo 15,
(2008), S. 22‒23
[38]
Y. Wang: Recent progress on time and fre-
quency in NTSC, Proc. 2002ATF, publ. 2003,
S. 30‒33
[39]
M. A. Lombardi: NIST Time and Frequency
Services“, NIST Spec. Publ. 432, 2002
Edition
Anhang 1
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Themenschwerpunkt •239
Darin heißt es (in Auszügen):
§ 1 Anwendungsbereich
(1) Im amtlichen und geschäftlichen Verkehr
sind Größen in gesetzlichen Einheiten anzu-
geben, wenn für sie Einheiten in einer Rechts-
verordnung nach diesem Gesetz festgesetzt
sind. Für die gesetzlichen Einheiten sind die
festgelegten Namen und Einheitenzeichen zu
verwenden.
(2) Im amtlichen und geschäftlichen Verkehr
sind Datum und Uhrzeit nach der gesetz-
lichen Zeit zu verwenden.
§ 4 Gesetzliche Zeit
(1) Die gesetzliche Zeit ist die mitteleuropäische
Zeit. Diese ist bestimmt durch die koordi-
nierte Weltzeit unter Hinzufügung einer
Stunde.
(2) Für den Zeitraum ihrer Einführung ist die
mitteleuropäische Sommerzeit die gesetzliche
Zeit. Die mitteleuropäische Sommerzeit ist
bestimmt durch die koordinierte Weltzeit un-
ter Hinzufügung zweier Stunden.
§ 5 Ermächtigung zur Einführung der
mitteleuropäischen Sommerzeit
(1) Das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie wird ermächtigt, zur besseren
Ausnutzung der Tageshelligkeit und zur An-
gleichung der Zeitzählung an diejenige be-
nachbarter Staaten durch Rechtsverordnung,
die nicht der Zustimmung des Bundesrates
bedarf, für einen Zeitraum zwischen dem 1.
März und dem 31. Oktober die mitteleuropä-
ische Sommerzeit einzuführen.
(2) Die mitteleuropäische Sommerzeit soll je-
weils an einem Sonntag beginnen und enden.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie bestimmt in der Rechtsverord-
nung nach Absatz 1 den Tag und die Uhrzeit,
zu der die mitteleuropäische Sommerzeit be-
ginnt und endet, sowie die Bezeichnung der
am Ende der mitteleuropäischen Sommerzeit
doppelt erscheinenden Stunde.
§ 6 Physikalisch-Technische Bundesanstalt
(2) Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat
1. die gesetzlichen Einheiten darzustellen,
weiterzugeben und die dafür benötigten Ver-
fahren weiterzuentwickeln,
2. die gesetzliche Zeit darzustellen und zu
verbreiten,
5. die Verfahren bekannt zu machen, nach
denen nicht verkörperte Einheiten, einschließ-
lich der Zeiteinheit und der Zeitskalen sowie
der Temperatureinheit und Temperaturska-
len, dargestellt werden.
Anhang 2
Die aktuelle Festlegung der gesetzlichen Zeit und der Rolle der PTB ist Teil des im Jahr 2008 neu
gefassten Einheiten- und Zeitgesetzes (EinhZeitG), Bundesgesetzblatt Jahrgang 2008, Teil I, Nr. 28,
11. Juli 2008.
240 • Themenschwerpunkt
PTB-Mieilungen 119 (2009), He 3
Gemäß § 3 der Sommerzeitverordnung vom 12. Juli 2001 (BGBl.
I S. 1591), geändert durch Art. 4 des Gesetzes vom 3. Juli 2008
(BGBl. I S. 1185) gibt das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie für die Jahre 2010 bis einschließlich 2014 Beginn und
Ende der Sommerzeit bekannt:
• 2010: Beginn: Sonntag, 28. März; Ende: Sonntag, 31. Oktober,
• 2011: Beginn: Sonntag, 27. März; Ende: Sonntag, 30. Oktober,
• 2012: Beginn: Sonntag, 25. März; Ende: Sonntag, 28. Oktober,
• 2013: Beginn: Sonntag, 31. März; Ende: Sonntag, 27. Oktober,
• 2014: Beginn: Sonntag, 30. März; Ende: Sonntag, 26. Oktober.
Berlin, März 2009
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Anhang 4
Bekanntmachung gemäß § 3 der Sommerzeitverordnung
Auf Grund des § 3 des Zeitgesetzes vom 25. Juli
1978 (BGBl. I s. 1110, 1262), der durch das Gesetz
vom 13. September 1994 (BGBl. I S. 2322) geän-
dert worden ist, verordnet die Bundesregierung:
§ 1
Ab dem Jahr 2002 wird die mitteleuropäische
Sommerzeit (§ 1 Abs. 4 des Zeitgesetzes) auf un-
bestimmte Zeit eingeführt.
§ 2
(1) Die mitteleuropäische Sommerzeit beginnt
jeweils am letzten Sonntag im März um 2 Uhr
mitteleuropäischer Zeit. Im Zeitpunkt des
Beginns der Sommerzeit wird die Stunden-
zählung um eine Stunde von 2 Uhr auf 3 Uhr
vorgestellt.
Anhang 3
Verordnung über die Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit ab dem Jahr 2002*
(Sommerzeitverordnung-SoZV) vom 12. Juli 2001
* Diese Bekanntma-
chung dient auch der
Umsetzung der Mittei-
lung der Kommission
2006/C61/02 gemäß
Art. 4 der Richtlinie
2000/84/EG des Euro-
päischen Parlaments
und des Rates vom
19. Januar 2001 zur
Regelung der Som-
merzeit (ABl. EG 2006
Nr. C 61 S. 2).
(2) Die mitteleuropäische Sommerzeit endet je-
weils am letzten Sonntag im Oktober um 3 Uhr
mitteleuropäischer Sommerzeit. Im Zeitpunkt
des Endes der Sommerzeit wird die Stunden-
zählung um eine Stunde von 3 Uhr auf 2 Uhr
zurückgestellt. Die Stunde von 2 Uhr bis 3 Uhr
erscheint dabei zweimal. Die erste Stunde (von
2 Uhr bis 3 Uhr mitteleuropäischer Sommer-
zeit) wird mit 2A und die zweite Stunde (von
2 Uhr bis 3 Uhr mitteleuropäischer ZeitI mit 2B
bezeichnet.
§ 3
Das Bundesministerium des Innern gibt im Bun-
desanzeiger, beginnend mit dem Jahr 2002, für
jeweils fünf aufeinander folgende Jahre Beginn
und Ende der Sommerzeit bekannt.
