WWVB

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WWVB
WWVB的天线阵列
所属国家美国
开播日期1962年
电台呼号WWVB
类型无线电时钟
使用频段短波长波
拥有者国家标准技术研究所
电台官网WWVB Homepage

WWVB是由美国国家标准技术研究所NIST, National Institute of Standards and Technology)所拥有的时码发播台,位于美国科罗拉多州科林斯堡,其姊妹站是WWV。[1]在北美地区,当地大部分电波时钟都使用WWVB的时码讯号,以设定正确的时间。WWVB 拥有一个 70千瓦的有效辐射功率发射机并利用 60 千赫的频率发射对时讯号。而WWVB的对时讯号是利用原子钟来作讯号来源,其不确定度小于 1/1012。WWVB每一比特每秒时间代码,这是基于IRIG“H”英语IRIG timecode的时间代码格式,是由同一组的原子钟产生,然后调制到使用载波脉冲宽度调变幅移键控。而时间代码的单一完整的是开始于每分钟的开始,每一帧持续一分钟,当中包含年份,小时,分钟等信息。

虽然大部分授时台都是广播该国的当地时间,但是美国跨越多个时区,所以WWVB广播的时间讯号是协调世界时。而当地所售买的电波时钟都可以设定为美国的四个时区及夏令时间而显示出正确的本地时间。[2]

在2011年,国家标准技术研究所估计超过5000万部时钟手表配备了接收WWVB的对时讯号的能力。[3]

历史[编辑]

长波甚低频的广播已经长期被分配用作广播时间和频率标准。早在1904年,美国海军天文台(USNO)在波士顿广播时间讯号,用作协助导航。这个实验和其他相似的广播凸显出长波及甚低频的信号可以以相对较小的发射功率来覆盖大范围的地方。到了1923年,国家标准局(国家标准技术研究所之前身)开始使用WWV来广播标准载波信号,其频率范围是从75到2000千赫。

由于这些讯号被用于校准电波时钟等无线电设备,而且有更多的时码发播台投入运作,所以这些讯号显得越来越重要。多年来,许多无线电导航系统的设计是使用长波甚低频波段来设定标准时间。而当中最有名的导航系统是Loran-C英语Loran-C ,这使得船舶飞机能通过接收来自多个发射机的100 kHz广播的讯号来进行导航

在1956年7月,现在的WWVB开始广播,并取代电台KK2XEI。当时的发射器位于科罗拉多州波德,它的有效辐射功率英语Effective radiated power仅有1.4 瓦特。尽管如此,哈佛大学麻省才得以进行监测讯号的工作。这个传输实验的目的是要表明,该无线电波的传播路径稳定,频率的误差很小。

1962年,标准或国家统计局开始在靠近科罗拉多州柯林斯堡站点兴建新的设施。该设施成为WWVB和WWVL的发射站,而该设施20 千赫的发射器是从波德运送过来。

WWVB相当接近波德(约80公里,49.3英里),这使得它很容易为员工管理,但发射站要远离大山,使它能更好地传输讯号。

1963年7月5日,WWVB于在60 千赫上广播,而当时它的有效辐射功率英语Effective radiated power有5千瓦。在随后的一个月,WWVL也开始使用20千赫发射讯号,而有效辐射功率英语Effective radiated power是500 瓦,使用频率偏移调制,利用20千赫到26千赫,发送数据。WWVL 最终于1972年7月停止广播,而WWVB则成为国家基础设施的永久组成部分。

1965年7月1日,时间代码被加入到WWVB,这代表了时钟可以安装接收器,并对WWVB的讯号进行解码,再自动同步时间。时间代码的格式自1965年变化不大;它发送十进制的时间代码,使用四位二进制来发送每个数字的二进码十进数 (BCD)。

WWVB 由启用到现在有效辐射功率英语Effective radiated power已经增加了几倍。它的功率首先被调至7千瓦,之后则调至13千瓦。直到1998年,一个重大的升级令有效辐射功率英语Effective radiated power提升到50千瓦,最终在2005年把功率提升到70千瓦。受惠于功率提升,令覆盖范围扩大,而且可以更容易使用微小的接收器,利用简单的天线来接收信号。从而可以引进更多低成本的电波时钟。

服务改进计划[编辑]

WWVB位于科罗拉多州的地理位置使得美国东海岸所接收到的讯号较弱,而且城市中的建筑物也会阻隔信号。在2009年,国家标准技术研究所提出在东海岸新增第二部时间代码发射器的可行性研究,以提升接收讯号的成功率,并令系统的稳定性提升,避免因天气或其他原因使一个发射机故障而无法接收时间代码。而第二部发射机将会使用相同的时间代码,但是会使用不同的频率。[4]

若使用40千赫的话将会与日本JJY时码发播台发生频率冲突[5]随著瑞士长波时码发播台HBG在75千赫上的广播中止,该频率可以被WWVB使用。

新增发射站的计划安装在阿拉巴马州亨茨维尔红石兵工厂英语Redstone Arsenal内,但是马歇尔太空飞行中心反对有如此高功率的发射站安置于太空飞行中心的附近。该发射器的建造是2009年美国复苏与再投资法案的一部分[6],在法案通过前不可建造该发射站。

在2012年,国家标准技术研究所提出了两个方案。其中一个方案是在原有的发射站上新增第二个发射频率,虽然这并不会提升讯号强度,但是可以藉著减少干扰多重路径传输来提升接收讯号的成功率。

并没有一种方案是利用新增第二个发射站来改善服务。相反的,国家标准技术研究所在2012年实施在WWVB加入相位调制。此方案并不需要额外的发射站和天线,而且相位调制的技术已经成功地用于德国DCF77和法国TDF的时码发播台。[6]具备解码能力的相位调制接收器具有更大的流程增益 ,它允许接收器使用较低的讯噪比大于脉冲宽度调变/幅移键控 时间代码。

天线[编辑]

WWVB 天线螺旋屋的坐标 (WGS84)
40°40′50.6″N 105°03′01.7″W / 40.680722°N 105.050472°W / 40.680722; -105.050472 (WWVB - North antenna)
40°40′28.9″N 105°02′42.3″W / 40.674694°N 105.045083°W / 40.674694; -105.045083 (WWVB - South antenna)

坐标40°40′41″N 105°02′49″W / 40.67806°N 105.04694°W / 40.67806; -105.04694 (WWVB - Transmitter building)

WWVB的讯号经由两组相同的相位阵列天线系统发射,两组天线分隔857米(2810英尺),而其中一组天线以前是用于WWVL。每组天线由四个122米(400英尺),用作挂起“顶装单极”塔(T型天线)。由几个菱形电缆组成的“网络”在水平面上(电容“顶帽”),以及一个在中间的引下线(天线馈线),该顶帽连接到在地面上的“螺旋屋英语Helix building”。在这种配置中,引下线\是天线的辐射组件。每个螺旋屋英语Helix building包含一个双重固定可变电感器系统,该系统是通过反馈回路自动匹配到发射机,以保持天线系统保持最大辐射效率。引下线和顶帽的设计组合取代了单一的,四分之一波长的天线。而在60千赫,单一的天线需要1250米(4100英尺)的高度。[7]

这是20世纪90年代后期WWVB现代化计划的一部分,利用已停止使用的WWVL天线进行了翻新,并纳入现在的相位阵列天线系统。翻新后,可以同时使用两个天线令到有效辐射功率英语Effective radiated power增加至50千瓦(之后增加至现时的70千瓦)。WWVB也可以只使用一个天线下运作。当只使用一个天线下运作时,会以27千瓦的有效辐射功率英语Effective radiated power进行广播,使工程师可以在不影响广播的情况下进行维护工作。[7]

调制格式[编辑]

WWVB每秒传输一个位元的讯号,每60秒完成传输一个完整的帧,当中每一个完整的帧包含年份,小时,分钟等信息。WWVB使用两组独立的时间代码:包括一组调幅时间代码,从1962年起已经使用,多年来时间代码都有微小变化,以及在2012年底加入的一组相位调制的时间代码。[8]

振幅调制[编辑]

WWVB使用60千赫的频率广播,正常使用70千瓦的有效辐射功率英语Effective radiated power广播,在每个协调世界时秒开始降低功率到17分贝(1.4千瓦的有效辐射功率英语Effective radiated power)。会令功率降低的三个时间代码:

  • 如果功率减少五分之一秒(0.2秒),数据位元值为零。
  • 如果功率减少二分之一秒(0.5秒),数据位元值为一。
  • 如果功率减少五分之四秒(0.8秒),这是用于一个完整的帧一个特殊的非数据标记。

每分钟,七个帧参考标记会以规则的模式发送,令接收机能识别出每分钟的开始和数据位元,因此数据位元会成为正确成帧。另外的53秒会发送数据位元,当中包括现在的时间,日期,以及其他相关信息。

在2005年7月12日之前,WWVB最大的有效辐射功率英语Effective radiated power为50千瓦,功率降低为10分贝,从而产生5千瓦的信号。而改变更大的是调制度,它是一系列的实验,目的是增加覆盖范围而不增加发射器的功率。[9]

相位调制[编辑]

一个独立的时间代码由WWVB的相位偏移调制载波发送。1位元通过第二编码来转换载波相位(180°相移)。0位元发送正常的载波相位。相移开始0.1秒对应的协调世界时秒后,同时发生转变,而承载振幅度低。[8]:2–4

采用相位偏移调制可以允许更复杂的(对于现代电子产品的标准来说是很简单)接收器可以更清晰区分0和1位元,从而改善美国东海岸接收在WWVB讯号时电平较弱,而且射频噪声高,另外英国的MSF时码发播台亦会干扰到WWVB的讯号。[10]

没有任何标记在幅度调制时间代码。一个完整的帧由数据位元固定模式提供,在每分钟的最后第一和第二个及下一个帧之前的13秒发送。由于幅度调制的标记只提供于全强度载波的0.2秒,所以其相位调制是比较难解码。因此,避免在分钟等的重要信息位元中使用相位调制时间代码。

补助载波相位的跟踪接收机[编辑]

跟踪载波相位添加在2012年年底,这个相位调制具有考虑运营商的振幅,但会削弱(罕见)接收器的接收能力,而现在流行的电波时钟则不受影响。[11]

要允许用户调整相位跟踪接收机的时间,相位调制时码最初被省略了,每天两次30分钟,开始在中午和午夜山地标准时间(07:00至19:00 UTC)。这提供了接收器一个足够的机会,以锁定在WWVB载波相位。而这功能最终于2013年3月21日停止使用。[12]

频道识别[编辑]

在加入现时的相位调制时码之前,WWVB通过为10分钟过去的每小时45°推进其载波的相位以标识自己的身份,在五分钟后恢复正常(-45°相移)。这一阶段的步骤是相当于一个60 kHz载波周期的“剪贴”1/8,或相当于约2.08微秒

WWVB的频道识别方法是使用甚低频低频频段,这方法能防止其他干扰因素将电台呼号干扰的常用方法,常见于窄带高功率发射机。

当2012年底加入相位调制时间代码时,频道识别被淘汰;而时间代码的本身就用作频道识别。[8]:2

幅度调制时码[编辑]

每一分钟,WWVB都会以二进码十进数的格式来广播现在的时间。。虽然WWVB的时间代码格式是基于IRIG“H”英语IRIG timecode,但是位元的编码和发送位元的顺序不同于任何现在或过去的IRIG英语IRIG timecode的时间代码格式。

  • 帧参考标记位于每分钟的第0,9,19,29,39,49和59秒。因此,连续的两个标记点所述第二的开始表示该分钟的开头,并作为接通下一帧的时间标记的时间代码。帧参考标记是重要的,它能确保接收器能正确解码时间代码。
  • 闰秒指示会在每一帧内发送。在闰秒时,连续三个时间代码将会传输:第一个在59,第二个在60秒,第三个在0秒。第三个时间代码的传输是用作指示分钟的开始。
  • WWVB的时间代码有11个未使用的位元,它会发送二进制的0。
  • 时间代码中剩馀的42位元用作传输二进制的时间代码等信息。

时间标记,提供时间代码识别的确切时间,是帧参考标记的前导(负向)的边缘。因此,时间代码在它表示的时间后立即的分钟始终发送,小时和天的时钟应在以协调世界时那一刻进行显示时间的分钟匹配(之前的任何时区或日光节约时的偏移被施加)。

在以下面的图片中,青色(0 dBr)表示充分强度的载体,和暗蓝色(-17 dBr)方块表示的强度降低载体。最宽的深蓝色方块,最长的降低载体区间(0.8秒),强度为标记,发生在第0,9,19,29,39,49,和59秒。剩下的深蓝色方块,最窄代表减少0.2秒的持续时间的载体的实力,数值为0,因此深蓝色方块是数据位。那些中间的宽度(例如,在几秒钟内:02和:03)代表0.5秒的持续时间减少了的载体的强度,数值为1,因此它是数据位。

WWVB time code format.svg

上面的例子中的时间编码代表以下的含义:

  • 2008年第66日(3月6日)
  • 该帧开始于协调世界时07:00:00
  • DUT1英语DUT1是−0.3秒(因此,UT1的时间是07:29:59.7)
  • 日光节约时目前没有生效,亦不是即将生效
  • 没有使[闰秒,但今年是闰年

下表显示了更详细的时间编码,与“Ex”列是从上面的例子中的位元:

WWVB时间代码结构
位元 重量 含义 Ex 位元 重量 含义 Ex 位元 重量 含义 Ex
:00 FRM 帧参考标记 M :20 0 未使用, 总是 0。 0 :40 0.8 DUT1 值 (0–0.9 s).
DUT1 = DUT1英语DUT1−UTC.
例如:0.3
0
:01 40 分钟 (00–59)
例如: 30
0 :21 0 0 :41 0.4 0
:02 20 1 :22 200 顺序日期英语Ordinal date
1=1日 1日
365=12月 31日
(闰年为 366日)
例如: 66 (3日 6日)
0 :42 0.2 1
:03 10 1 :23 100 0 :43 0.1 1
:04 0 0 :24 0 0 :44 0 未使用, 总是 0。 0
:05 8 0 :25 80 0 :45 80 年份 (00–99)
例子: 08
0
:06 4 0 :26 40 1 :46 40 0
:07 2 0 :27 20 1 :47 20 0
:08 1 0 :28 10 0 :48 10 0
:09 P1 标记 M :29 P3 M :49 P5 M
:10 0 未使用, 总是 0。 0 :30 8 0 :50 8 1
:11 0 0 :31 4 1 :51 4 0
:12 20 小时 (00–23)
例子: 07
0 :32 2 1 :52 2 0
:13 10 0 :33 1 0 :53 1 0
:14 0 0 :34 0 未使用, 总是 0。 0 :54 0 未使用, 总是 0。[13] 0
:15 8 0 :35 0 0 :55 LYI 闰年指示 1
:16 4 1 :36 + DUT1英语DUT1 标记。
如果是 +, 位元 36 及 38 会被设置。
如果是 −, 位元 37 会被设置。
例子: −
0 :56 LSW 将会在月底闰秒 0
:17 2 1 :37 1 :57 2 日光节约时状态值(二进制):
00 = 日光节约时没有被使用。
10 = 日光节约时从今天开始使用。
11 = 日光节约时使用中。
01 = 日光节约时将在今日完结。
0
:18 1 1 :38 + 0 :58 1 0
:19 P2 标记 M :39 P4 标记 M :59 P0 标记 M

位元发布[编辑]

在WWVB时间编码的几个位元用作即将到来事件的警告。

当第55位元设置时,表示当前的年份是闰年(2月29日)。这使接收器即使根据时间编码不包括的世纪公历、闰年规则,仍然能翻译出到月,日的资讯。

当闰秒定于月底时,第56位元会在月初时设置,在闰秒插入后立即重置。

日光节约时间的状态位元使用美国夏令时间的规则。日光节约时间的状态位元启动期间每日在00:00 UTC更新。在每分钟的第57秒是第一个美国夏令时间状态值,此状态值用作决定美国夏令时间生效或终止的变化。第二个美国夏令时间状态值在每分钟的第58秒,改变了24小时后(美国夏令时间更改后)。因此,如果美国夏令时间位元不同,美国夏令时间会在当地时间02:00在当日的UTC天发生变化。之后,下一个当地时间02:00之前,状态值位元会是相同的。

在美国夏令时间状态值每一次变化都会先在美国本土时间16:00(太平洋时区)和20:00(美国东部时间(UTC-5))之间发送,时间取决于当地的时区和美国夏令时间是否即将开始或结束。因此在美国东部时间的接收器,必须要正确接收美国夏令时间开始改变之前的七小时内的“DST正在改变”状态值,以及在美国东部时间结束前6小时使用,用作更改本地时间以显示正确的时间。而中部标准时山区标准时太平洋标准时的接收器会在一个,两个,三个小时提前通知。

它是由接收时钟,如果它注意到了两位不同下一02:00当地时间应用更改。如果接收时钟发生不接收00:00 UTC与02:00本地时间的变化的日之间的更新,它应当适用于后,下一个更新DST更改。

相位调制时码[编辑]

一分钟的时间框架[编辑]

WWVB 相位调制时间代码[8]:5
位元 Amp. Ex 相位 含义 Ex 位元 Amp. Ex 相位 含义 Ex 位元 Amp. Ex 相位 含义 Ex
:00 FRM M 同步[12] 固定
同步
模式
0 :20 0 时间[24] 二进制
分钟值
0 – 52,
595,999
0 :40 DUT1英语DUT1 0 时间[6] 0
:01 分钟
十位
0 同步[11] 0 :21 0 时间[23] 0 :41 1 时间[5] 0
:02 1 同步[10] 1 :22 Day
100s
0 时间[22] 1 :42 0 时间[4] 1
:03 1 同步[9] 1 :23 1 时间[21] 1 :43 0 时间[3] 1
:04 0 同步[8] 1 :24 0 时间[20] 0 :44 0 时间[2] 0
:05 分钟
个位
0 同步[7] 0 :25 日期
十位
1 时间[19] 0 :45 年份
十位
0 时间[1] 1
:06 0 同步[6] 1 :26 0 时间[18] 1 :46 0 时间[0] 0
:07 0 同步[5] 1 :27 0 时间[17] 0 :47 0 dst_ls[4] 夏令时间/
闰秒
通知
0
:08 0 同步[4] 0 :28 0 时间[16] 0 :48 1 dst_ls[3] 0
:09 M P1 同步[3] 1 :29 M P3 R 0 :49 M P5 通知 1
:10 0 同步[2] 0 :30 日期
个位
0 时间[15] 0 :50 年份
个位
0 dst_ls[2] 0
:11 0 同步[1] 0 :31 1 时间[14] 1 :51 0 dst_ls[1] 1
:12 小时
十位
0 同步[0] 0 :32 1 时间[13] 1 :52 1 dst_ls[0] 1
:13 1 时间参数[4] 时间
奇偶校验位
(ECC)
1 :33 0 时间[12] 0 :53 0 dst_next[5] 下一次日光节约时
时间表
0
:14 0 时间参数[3] 0 :34 0 时间[11] 0 :54 0 dst_next[4] 1
:15 小时
个位
0 时间参数[2] 0 :35 0 时间[10] 0 :55 LYI 1 dst_next[3] 1
:16 1 时间参数[1] 1 :36 DUT1英语DUT1
标记
1 时间[9] 1 :56 LSW 0 dst_next[2] 0
:17 1 时间参数[0] 0 :37 0 时间[8] 1 :57 DST 1 dst_next[1] 1
:18 1 时间[25] 0 :38 1 时间[7] 0 :58 1 dst_next[0] 1
:19 M P2 时间[0] (重复) 0 :39 M P4 R 保留 1 :59 M P0 同步[13] 0

位元发布[编辑]

WWVB 相位调制注意位元
日光节约时注意 闰秒注意
含义 dst_on[0] dst_on[1] 0 +1 −1
没有使用 0 0 01000 11001 00100
从今天开始使用 0 1 10110 11010 10000
使用中 1 1 00011 11111 01101
将在今日完结 1 0 10101 11100 01110

讯号传播[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ NIST Radio Station WWVB. 美国国家标准技术研究所. [2014年3月18日]. 
  2. ^ WWVB Radio-Controlled Clocks. 美国国家标准技术研究所. 2012年3月5日 [2012年5月21日]. 
  3. ^ All Time, All the Time: Improving NIST Radio
  4. ^ NIST Eyes East Coast Version of WWVB, Radio World, 2008-01-18 [2009-03-30], (原始内容存档于2010-03-23), The National Institute of Standards and Technology is considering setting up a U.S. East Coast low-frequency radio station broadcasting NIST time in binary code format to complement the present NIST 60 kHz, WWVB broadcast. “The proposed new East Coast broadcast will operate with the same time code format as the present WWVB signal, however at a different carrier frequency, potentially at 40 kHz,” John Lowe, the WWVB station manager, told RW. 
  5. ^ e.g. The MAS6181 dual-frequency time code receiver IC页面存档备份,存于互联网档案馆).
  6. ^ 6.0 6.1 John Lowe, We Help Move Time Through the Air: Managers of WWVB Explore Options to Improve the Service Further (PDF), Radio World, March 23, 2011, 35 (8): 70–69 [sic] [2011-04-07] 
  7. ^ 7.0 7.1 Deutch, Matthew; Hanson, Wayne; Nelson, Glenn; Snider, Charles; Sutton, Douglas; Yates, William; Hansen, Peder; Hopkins, Bill. WWVB Improvements: New Power from an Old Timer (PDF). 31st Annual PTTI Meeting. Dana Point, California: National Institute of Standards and Technology. December 1999 [2016-01-07]. (原始内容 (PDF)存档于2009-08-16). 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Lowe, John, Enhanced WWVB Broadcast Format (PDF), Time and Frequency Services, National Institute of Standards and Technology, 6 November 2013 [2015-03-01] 
  9. ^ Lowe, John P.; Allen, Ken C., Increasing the Modulation Depth of the WWVB Time Code to Improve the Performance of Radio Controlled Clocks (PDF), International Frequency Control Symposium and Exposition, June 2006: 615–621 [2010-02-14] 
  10. ^ Lowe, John; Deutsch, Matt; Nelson, Glenn; Sutton, Douglas; Yates, William; Hansen, Peder; Eliezer, Oren; Jung, Tom; Morrison, Stephen; Liang, Yingsi; Rajan, Dinesh; Balasubramanian, Sidharth; Ramasami, Arun; Khalil, Waleed, New Improved System for WWVB Broadcast (PDF), 43rd Annual PTTI Meeting, November 2011 [2012-03-28], (原始内容 (PDF)存档于2013-11-26) 
  11. ^ Pending Changes in the WWVB Radio Signal Affects Precision Frequency and Timing Reference (Spectracom)
  12. ^ Russ Miller (WA3FRP). WWVB fully converts to new format. time-nuts (邮件列表). 2013-03-22. As of yesterday 21 March 2013, WWVB has stopped the twice daily 30 minute segments of this format. 
  13. ^ 从6月21日 - 2007年7月10日,WWVB尝试使用第54位元给予更多的日光节约时的提前预警。[1] 由于新的日光节约时系统对一些无线电时钟产生不良影响,因此决定不实施新的日光节约时系统。

外部链接[编辑]