Relojes radiocontrolados: cómo funciona el protocolo DCF77

DCF77 es una emisora de radio que se ubica en Alemania. Emite la información de día y hora desde Junio de 1973. La señal de hora proviene de un reloj atómico con una precisión de 1 segundo cada 300.000 años. Su uso en esas fechas era para los relojes de cuarzo de centro Europa, por ejemplo los de colegios, estaciones de ferrocarril etc. A finales de los 80, empezaron a aparecer los primeros relojes de pulsera radiocontrolados y hasta hoy se siguen fabricando.

La señal de radio tiene un alcance teórico de 2000Km pero hay muchos factores que influyen y es muy complicado de explicar. Vamos a intentar explicarlo de manera simple, con una analogía; vamos a suponer que la señal de radio es una luz. Igual que en casa ponemos la luz en el techo y debajo de los muebles no llega, pasa algo parecido con la señal de radio.




Por eso, puede ser que haya gente que viva en Alemania, muy cerca de la emisora, pero nunca le sincronice el reloj, por ejemplo si guardan el reloj en un sótano. En cambio, puede ser que haya gente que viva en Madrid a 1500Km de la emisora, en un sitio alto y despejado y le sincronice muy bien el reloj.

La señal de radio viaja mejor de noche, el Sol interfiere en ella y también la actividad humana, de día hay más actividad en el espectro radio eléctrico. Por eso los relojes intentan sincronizar de noche.

Entrando en detalle, es un protocolo lento (lo que lo hace más robusto) que transmite a 1bit/s y tarda 45s en enviar toda la información de fecha y hora. Eso en el mejor de los casos, porque si el reloj empieza a escuchar la señal a medias tiene que esperar a que termine la trama para escuchar la siguiente trama desde el principio. Por eso puede ser que nos tarde 2 o 3 min en sincronizar. Tiendo en cuenta que es un protocolo de principios de los años 70 no está nada mal.

Qué podemos hacer para mejorar la recepción
Vamos a ver qué cosas podemos hacer si tenemos relojes radio controlados pero nos cuesta que sincronicen.

- Mejorar la ubicación del reloj
Como hemos comentado antes, si estamos en una zona de "sombra" no vamos a recibir la señal, así que si podemos llevar el reloj a un lugar alto y despejado, por ejemplo la azotea de un edificio o en una montaña. Allí podemos forzar la recepción manual de la señal y debería ir mejor que en un sitio bajo.

- Antena para DCF77
Otra opción es una antena pasiva que se mete en el reloj y mejora la señal. Esto no hace milagros, si el reloj nos sincroniza de vez en cuando con esto mejorará, pero si vivimos en un sitio con mala recepción de la señal no hará nada.



- Aplicación para smartphone
También existen apps para tablets y smartphones que emiten la señal por el altavoz. Como un altavoz es un electroimán, este emite un campo electromagnético muy débil, pero si lo acercamos al reloj será suficiente para que sincronice. Además, la tarjeta de sonido de los teléfonos no emite a 77Khz y se emite en una frecuencia inferior y funciona porque genera un armónico. Vamos, que el invento funciona pero por dos casualidades. Cómo inconveniente tenemos que la señal es audible y según la edad que tengamos la escucharemos y es un poco molesta (esto me lo ha contado mi hijo, yo ya no escucho la portadora).

- Construir nuestro propio emisor DCF77
La última opción es construir nuestro propio emisor de radio frecuencia. Esto en los años 70 sería impensable pero hoy en día con la miniaturización de la electrónica es un proyecto factible si se tienen unos conocimientos de electrónica, soldadura e informática. La ventaja de este método es que la señal tiene un alcance de varios metros y no es audible, ya que aquí se utiliza una antena real.

Yo he utilizado una raspberry pi, pero por internet hay otras opciones por ejemplo con chips ESP32.

Para este proyecto necesitamos una raspberry pi, una pcb para montar los componentes, una antena DCF77 y el software txtempus.

El software lo podemos bajar de este repositorio, y en el mismo repositorio nos explican cómo funciona. Como se ejecuta en Linux, una opción muy interesante es crear un CRON job para que ejecute el software por las noches a la 1:57 y a las 2:57 durante 10 minutos, que es a la hora que los relojes intentan sincronizar.

Los esquemas de la PCB y la lista de materiales la tenemos en este repositorio. Tenemos que buscar una empresa que nos fabrique la placa, en el mismo repositorio recomiendan algún fabricante que envía a toda Europa.

Para la antena, podemos comprar un módulo para montar un reloj radiocontrolado y desmontarla de allí, por Aliexpress hay muchos modelos. El resto de componentes, resistencias y un transitor, son muy fáciles de encontrar en cualquier tienda de electrónica.

Para los que tengáis curiosidad, en este video de Andreas Speiss, explica con detalle el circuito. Básicamente se conectan dos salidas de la raspberry pi a un transistor NPN que trabaja en la zona lineal, y este se conecta a la antena para emitir la señal. Por la raspberry pi tenemos dos salidas, la portadora a 77.5KHz y la señal de información, 1 o 0.

Aquí una foto de los componentes antes del montaje:



Otra cosa a tener en cuenta, la raspberry pi no tiene reloj, por lo tanto necesita estar conectada a interner para obtener la hora de un servidor NTP.

Aquí os adjunto una foto con un Casio GW-5000U y una estación meteorológica sincronizando:



Como curiosidad, el software txtempus permite emitir cualquier fecha y hora, en este ejemplo he emitido el 25 de diciembre y vemos cómo el GW-5000 ha sincronizado con la fecha falsa:



| Sobre el autor: Gunther Monté, ingeniero de telecomunicaciones y entusiasta de Casio.