60 kHz (2022): 時刻を放送するWWVB
(ben.page)- コロラド州のWWVBは、NISTが現在時刻を60 kHzで継続的に送信しているラジオ放送局であり、電波時計が自動的に時刻を合わせる基盤になっている
- 60 kHzの低周波は帯域幅が非常に小さいため、1秒あたりおよそ1ビットしか送れず、現在時刻を送信するのに1分かかる
- 米国の電波時計は1日に1回ほど1分間の放送を受信して内部時刻を合わせ、ユーザーが設定したタイムゾーン分だけ補正する
- WWVBは受信者の位置やタイムゾーンを知らないため、正確な表示時刻は放送信号と時計のタイムゾーン設定が組み合わさって作られる
- 自動時計の便利さは、政府が時刻を継続的に送信するインフラと、その上に積み重なった見えない貢献に支えられている
WWVBの時刻放送の仕組み
- コロラド州には現在時刻を放送するラジオ局がある
- この放送局がWWVBであり、National Institute of Standards and Technologyが現在時刻の送信に使っている
- 送信周波数は60 kHzで、放送は昼夜を問わず続いている
- 60 kHzは低周波帯なので帯域幅が非常に小さい
- 1秒あたりおよそ1ビットを送ることができる
- 現在時刻を放送するのに丸1分が必要になる
電波時計が時刻を合わせる過程
- 米国の電波時計はWWVB放送を使って時刻を合わせる
- 時計は1日に1回ほど1分間の放送を読み取り、その時刻で自分を設定する
- WWVBはユーザーがどのタイムゾーンにいるかを知らない
- 時計はユーザーが設定したタイムゾーンの分だけ放送時刻を補正する
- 人が直接時刻を設定しなくても電波時計が正確な現在時刻を知っているのは、無線放送から時刻を読み取っているからである
日常の中の時刻インフラ
- この方式は、時計が自分で時刻を合わせなければならないという問題を、現在時刻を継続的に放送するラジオ局によって解決した例である
- 日常の仕組みは、先人たちが残した見えない貢献の上に積み重なっている
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
愛国心が特別強いほうではないけれど、こういう反応こそかなりアメリカ的に感じる
もしかすると、その愛国心のせいで、アメリカ人はあるものがアメリカの発明品ではないかどうかを確認すらせず、ただ自分たちのものだと主張してしまうのかもしれない。国境の外の記事をほとんど読まないから: https://en.wikipedia.org/wiki/Time_from_NPL_(MSF)
Radio 4も一言言いたいはず: https://en.wikipedia.org/wiki/Greenwich_Time_Signal
ほとんどの資料では送信場所をNew JerseyのNavesinkとしているが、基準時計はWashington, DCのUnited States Naval Observatory（USNO）にあった。定期的な時刻放送は1904年8月9日にBoston Navy Yardで始まり、1905年末にはNorfolk、Newport、Cape Cod、Key West、Portsmouth、CaliforniaのMare Islandなど、複数都市の基地からも海軍が時刻信号を送っていた
PDF: https://tf.nist.gov/general/pdf/2131.pdf
別の資料では1905年8月9日ともされている
この信号を受信するのはかなり面白い。198KHz受信機は作りやすく、たとえば200KHz信号と混合して得られる2Khzのオーディオトーンを処理すれば、データストリームと時刻信号を復元できる
[0] https://www.bbc.co.uk/rd/publications/rdreport_1984_19
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_teleswitch
現代アメリカ的なものなら、民間所有で営利目的、品質は下がり続け、互換性のない複数のサービス提供者がそれぞれの閉鎖型エコシステムに人々を引き込もうと競い合っていたはず
https://en.wikipedia.org/wiki/Packet_switching
アメリカが月面着陸や、最初の後方互換カラーTV規格のような偉業を成し遂げたのは確かだが、これをそうした例と見るのは難しい
ヨーロッパでは腕時計でさえ電波で時刻を合わせることを、みんな知っていたように思う。少なくともドイツでは80年代からそうした時計が非常に一般的で、年配の人たちはテレビで流れていたJunghansの広告を鮮明に覚えているはずだ。その信号はそれより数十年前から放送されており、鉄道と航空ネットワークに共通時刻が必要だったことを考えれば驚くことではない: https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77
当時はそれほど「最新技術」というものでもなかった。実質的には、その時点で可能な最も単純な方法で解決しており、これ以上単純な方式を思いつくのも難しい。また、「手で触れられず、電波でブンブン鳴らない」技術の例が何なのかも気になる
だから、このアイデアは複数の地域で別々に生まれた可能性もあると思った。また「forever」という表現も気になる。信号自体は非常に堅牢だろうが、アメリカの政界がある日、無線時刻放送にはもう価値がないと判断して停止することもあり得るのではないかと思う
帯域幅が毎秒1ビットしか放送できない程度だという部分が、さらに気になります
60kHzの信号に1bpsより多くエンコードできるのは明らかに思えるのですが、なぜそのエンコード方式を選んだのかが気になります。詳しくはこちらにあります: https://en.wikipedia.org/wiki/WWVB#Modulation_format
通常ERP 70kWのWWVBの60kHz搬送波は、UTCの各秒の開始時点で17dB下がって1.4kW ERPになり、その秒内のどこかの時点で再び最大出力に戻ります。低出力が続く時間が、3種類の記号のいずれかをエンコードします。0.2秒ならデータビット0、0.5秒ならデータビット1、0.8秒ならフレーミング用の非データ「mark」です
これは50年代に登場したIRIG Hエンコーディングのようで、簡単に復号できるよう設計されたようですが、何で復号する想定だったのかが気になります
信号をより速く変調するほど、スペクトル上でより広く広がります。周波数と時間のトレードオフです。時刻信号は長波帯の低い側で動作し、おおよそ40〜120kHz程度なので、下側に約100kHzのスペクトルがあります
ただし、そのような広帯域の長波信号を放送するのは容易ではありません。欧州でAM放送の5〜10kHz程度で広い地域をカバーするには、1〜2MWの送信機を使います。大陸全体を100kHzの広帯域デジタル信号でカバーするには、10〜50MW、送信所が3カ所ほど必要になるかもしれません。可能ではありそうで、毎秒1メガビット程度は載せられるかもしれません
もう少し控えめに、毎秒数百バイト程度、1kHzほどのスペクトルを使う方式も可能に見えます。エレベーターの中や地下駐車場の奥でも動作し、非常用のデジタル通知ストリームや時刻信号などを送れます。時刻信号送信機よりはるかに複雑というわけではなく、変調をより高度にすればよいだけです
この技術で同期する、より古い産業用途もあったようです
面白いのは、最近のPC用サウンドカードは十分に高速になっていて、WWVB、DCF77、MSFのような信号をサウンドカードで直接受信できることです。長い電線や同調回路をサウンドカード入力につなぎ、少しデジタル信号処理を行えば済みます。192KHzでサンプリングすれば、こうした信号の受信が容易になります
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Communication_with_submarines
通常は「atomic clocks」という名前で売られています
今の米国の時刻といえば、まずGPSが思い浮かびます
かつてWWVB、DCF77、JJYが担っていた役割は、今ではGPSの時刻同期機能が果たしています。精度ははるかに高いですが、受信機の複雑さも当然ながら高くなります [1]
WWVBとJJYについては知りませんが、ドイツのDFC77はAM変調だけでなくFM変調も行っており、より高い精度を出せます
[1] https://www.hopf.com/dcf77-gps_en.php#chapter3
このような局はいくつもあり、NISTが維持・運用しています。そのうち2局は最近、予算問題でほぼ閉鎖されかけました
https://www.radioworld.com/global/why-wwv-and-wwvh-still-mat...
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-di...
Citizenの「AT」腕時計 [1] を毎日着けています。午前2時にWWVBと毎日同期するので時刻が完璧なだけでなく、光で自己充電するため電池交換も不要です
この2つのおかげで、個人的には完璧なメンテナンス不要の時計で、デザインも格好いいです
[1] https://www.citizenwatch.com/us/en/collection/mens-atomic-ti...
GPSや各種センサー、実際に使える懐中電灯まであるので、少し美しさを足すために貴重な手首のスペースを手放すことはできません。幸い、アフターマーケットのストラップを付けると見た目も悪くありません
残念ながらWWVBが損傷しました。2024年4月7日午前0時、強風被害により南側アンテナが停止しました
現在は北側アンテナだけを使い、30kWに低下した出力で放送しています。修理予算の不足のためか、この状態が「無期限」に続くと見込まれていました
2024年5月20日の更新によると、南側アンテナのtriatic補修に必要な部品は現在製作・配送中です。修理完了の見込みは暫定的に2024年6月末とされています。ただしこれは推定スケジュールであり、さまざまな要因によって変わる可能性があるとのことです
無線機器を買わずにこの音を聞いてみたいなら、60 kHzを受信できる公開 KiwiSDR サイトがたくさんあります。AMデコードを選び、その周波数に合わせればOKです
http://kiwisdr.com/public/
これらの多くにはユーザー数制限と時間制限があります。WWVBは2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHzでも聞けます
300フィートのロングワイヤーアンテナを持っている友人がいます。数週間前、VLFが入る古い受信機を修理したあと、その友人がWWVBに同調してくれて、私のバケットリストの項目を1つ消化できました
長さの違うビープ音を聞くのは興味深く、シカゴ郊外では予想以上に信号がとても明瞭でした。とくに、あちらのアンテナに問題が起きたあとだったにもかかわらずです
10代のころ、父がWWVBの西ヨーロッパ版である DCF77 を受信して自動で時刻を合わせるソーラー腕時計を買ったのを覚えています。場所はドイツで、夏時間も自動で反映していました
私のクォーツ時計が電池切れや大幅な時刻ズレで頻繁に困っていたわけではありませんが、その機能はいつも本当に格好いいと感じていました :)