60 kHz (2022): WWVB phát sóng thời gian
(ben.page)- WWVB ở Colorado là một đài phát thanh phát liên tục thời gian hiện tại ở tần số 60 kHz do NIST vận hành, và là nền tảng để đồng hồ radio tự động chỉnh giờ
- Tần số thấp 60 kHz có băng thông rất nhỏ nên chỉ có thể gửi khoảng một bit mỗi giây, và cần 1 phút để truyền thời gian hiện tại
- Đồng hồ radio ở Mỹ nhận bản phát sóng dài 1 phút khoảng một lần mỗi ngày để đồng bộ thời gian nội bộ, rồi hiệu chỉnh theo múi giờ do người dùng đặt
- WWVB không biết vị trí hay múi giờ của thiết bị nhận, nên thời gian hiển thị chính xác được tạo ra từ sự kết hợp giữa tín hiệu phát sóng và thiết lập múi giờ của đồng hồ
- Sự tiện lợi của đồng hồ tự động dựa vào hạ tầng chính phủ liên tục phát thời gian, cùng những đóng góp vô hình được tích lũy bên trên nó
Cách WWVB phát sóng thời gian
- Ở Colorado có một đài phát thanh phát thời gian hiện tại
- Đài này là WWVB, được National Institute of Standards and Technology sử dụng để truyền thời gian hiện tại
- Tần số phát là 60 kHz, và việc phát sóng diễn ra liên tục cả ngày lẫn đêm
- 60 kHz thuộc dải tần số thấp nên băng thông rất nhỏ
- Chỉ có thể gửi khoảng một bit mỗi giây
- Cần trọn 1 phút để phát thời gian hiện tại
Quá trình đồng hồ radio chỉnh giờ
- Đồng hồ radio ở Mỹ dùng tín hiệu phát của WWVB để chỉnh giờ
- Đồng hồ đọc bản phát sóng dài 1 phút khoảng một lần mỗi ngày, rồi tự đặt theo thời gian đó
- WWVB không biết người dùng đang ở múi giờ nào
- Đồng hồ hiệu chỉnh thời gian phát sóng theo múi giờ mà người dùng đã cài đặt
- Lý do đồng hồ radio biết chính xác thời gian hiện tại mà không cần con người tự đặt là vì nó đọc thời gian từ sóng phát thanh
Hạ tầng thời gian trong đời sống thường ngày
- Cách này là một ví dụ giải quyết bài toán đồng hồ phải tự chỉnh giờ bằng một đài phát thanh liên tục phát thời gian hiện tại
- Cách đời sống vận hành được xây dựng trên những đóng góp vô hình mà những người đi trước đã để lại
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Tôi không phải kiểu người đặc biệt yêu nước, nhưng phản ứng như thế này lại cho cảm giác khá Mỹ
Có lẽ chính vì lòng yêu nước đó mà người Mỹ cứ nhận bừa là của mình mà thậm chí không kiểm tra xem thứ gì đó có phải phát minh của Mỹ hay không. Vì họ hầu như không đọc bài viết ngoài biên giới: https://en.wikipedia.org/wiki/Time_from_NPL_(MSF)
Radio 4 chắc cũng muốn góp một lời: https://en.wikipedia.org/wiki/Greenwich_Time_Signal
Phần lớn tài liệu cho rằng địa điểm phát là Navesink, New Jersey, nhưng đồng hồ chuẩn nằm tại United States Naval Observatory (USNO) ở Washington, DC. Việc phát thời gian định kỳ bắt đầu ngày 9/8/1904 tại Boston Navy Yard, và đến cuối năm 1905, Hải quân cũng phát tín hiệu thời gian từ các căn cứ ở nhiều thành phố như Norfolk, Newport, Cape Cod, Key West, Portsmouth và Mare Island ở California
PDF: https://tf.nist.gov/general/pdf/2131.pdf
Một số tài liệu khác cũng nói là ngày 9/8/1905
Thu tín hiệu này khá vui. Dễ chế tạo bộ thu 198KHz, chẳng hạn trộn với tín hiệu 200KHz để tạo ra âm tần 2Khz rồi xử lý, là có thể khôi phục luồng dữ liệu và tín hiệu thời gian
[0] https://www.bbc.co.uk/rd/publications/rdreport_1984_19
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_teleswitch
Nếu là kiểu Mỹ hiện đại, nó có lẽ sẽ thuộc sở hữu tư nhân, nhằm mục đích lợi nhuận, chất lượng thì liên tục giảm, còn nhiều nhà cung cấp dịch vụ không tương thích với nhau sẽ cạnh tranh để kéo mọi người vào hệ sinh thái đóng của riêng họ
https://en.wikipedia.org/wiki/Packet_switching
Đúng là Mỹ đã làm những việc vĩ đại như đổ bộ lên Mặt Trăng hay tiêu chuẩn TV màu tương thích ngược đầu tiên, nhưng khó có thể xem việc này là một ví dụ như thế
Ở châu Âu, có vẻ ai cũng biết rằng ngay cả đồng hồ đeo tay cũng chỉnh giờ bằng sóng vô tuyến. Ít nhất ở Đức, những chiếc đồng hồ như vậy đã rất phổ biến từ thập niên 80, và những người lớn tuổi hẳn vẫn nhớ rõ quảng cáo Junghans trên TV. Tín hiệu đó đã được phát từ nhiều thập kỷ trước nữa, điều này không có gì đáng ngạc nhiên nếu nghĩ đến việc mạng lưới đường sắt và hàng không cần thời gian chung: https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77
Khi đó cũng chẳng có gì quá “công nghệ mới nhất”. Về cơ bản, họ giải bằng cách đơn giản nhất có thể vào thời điểm ấy, và cũng khó nghĩ ra cách nào đơn giản hơn. Tôi cũng tò mò không biết ví dụ về công nghệ “không thể sờ bằng tay hoặc không vo ve bằng sóng vô tuyến” là gì
Vì vậy tôi nghĩ ý tưởng này có thể đã xuất hiện độc lập ở nhiều khu vực. Tôi cũng băn khoăn về cách nói “forever”. Bản thân tín hiệu chắc rất bền vững, nhưng liệu một ngày nào đó giới chính trị Mỹ có thể quyết định rằng phát sóng thời gian vô tuyến không còn giá trị nữa và dừng nó không?
Tôi tò mò hơn về phần băng thông chỉ đủ để phát một chữ số nhị phân mỗi giây
Rõ ràng là có thể mã hóa nhiều hơn 1 bps trên tín hiệu 60 kHz, nên tôi tò mò vì sao họ lại chọn kiểu mã hóa đó. Chi tiết có ở đây: https://en.wikipedia.org/wiki/WWVB#Modulation_format
Thông thường, sóng mang WWVB 60 kHz với ERP 70 kW sẽ giảm 17 dB xuống còn ERP 1,4 kW tại thời điểm bắt đầu mỗi giây UTC, rồi quay lại công suất tối đa vào một thời điểm nào đó trong giây đó. Thời gian duy trì công suất thấp mã hóa một trong ba ký hiệu. 0,2 giây là bit dữ liệu 0, 0,5 giây là bit dữ liệu 1, 0,8 giây là “mark” phi dữ liệu dùng cho framing
Cái này có vẻ là mã hóa IRIG H từ thập niên 50, và dường như được thiết kế để dễ giải mã, nhưng tôi tò mò lúc đó họ định giải mã bằng thứ gì
Càng điều chế tín hiệu nhanh thì nó càng trải rộng trên phổ. Đó là đánh đổi giữa tần số và thời gian. Tín hiệu thời gian hoạt động ở phần thấp của dải sóng dài, khoảng 40–120 kHz, nên có khoảng 100 kHz phổ ở phía dưới
Tuy nhiên phát một tín hiệu sóng dài băng rộng như vậy không hề dễ. Ở châu Âu, để phủ sóng một vùng rộng bằng phát thanh AM rộng khoảng 5–10 kHz, người ta dùng máy phát 1–2 MW. Muốn phủ cả lục địa bằng tín hiệu số băng rộng 100 kHz có thể cần 10–50 MW và khoảng 3 trạm phát. Có vẻ khả thi, và có lẽ có thể nhét được cỡ 1 megabit mỗi giây
Một cách ít tham vọng hơn, khoảng vài trăm byte mỗi giây, dùng phổ cỡ 1 kHz, cũng có vẻ khả thi. Nó có thể hoạt động trong thang máy hoặc sâu trong bãi đỗ xe ngầm, và có thể gửi luồng cảnh báo số khẩn cấp cùng tín hiệu thời gian. Nó không phức tạp hơn máy phát tín hiệu thời gian nhiều lắm, chỉ cần điều chế tinh vi hơn
Có vẻ cũng từng có các ứng dụng công nghiệp cũ hơn đồng bộ bằng công nghệ này
Điểm thú vị là card âm thanh PC ngày nay đã đủ nhanh để có thể thu trực tiếp các tín hiệu như WWVB, DCF77, MSF bằng card âm thanh. Chỉ cần nối một sợi dây dài hoặc mạch cộng hưởng vào đầu vào card âm thanh và xử lý tín hiệu số một chút. Lấy mẫu ở 192 KHz sẽ giúp việc thu các tín hiệu này dễ hơn
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Communication_with_submarines
Thường được bán dưới tên “atomic clocks”
Khi nghĩ đến thời gian ở Mỹ ngày nay, thứ đầu tiên hiện ra là GPS
Vai trò mà WWVB, DCF77, JJY từng đảm nhiệm trước đây nay do chức năng đồng bộ thời gian của GPS đảm nhận. Độ chính xác cao hơn nhiều, nhưng tất nhiên độ phức tạp của bộ thu cũng cao hơn [1]
Tôi không rõ WWVB và JJY, nhưng DFC77 của Đức ngoài điều chế AM còn điều chế FM để đạt độ chính xác tốt hơn
[1] https://www.hopf.com/dcf77-gps_en.php#chapter3
Có nhiều trạm như vậy, do NIST duy trì và vận hành. Hai trong số đó gần đây suýt bị đóng cửa vì vấn đề ngân sách
https://www.radioworld.com/global/why-wwv-and-wwvh-still-mat...
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-di...
Tôi đeo đồng hồ Citizen “AT” [1] hằng ngày. Nó không chỉ luôn chỉ giờ hoàn hảo nhờ đồng bộ với WWVB mỗi ngày lúc 2 giờ sáng, mà còn tự sạc bằng ánh sáng nên không cần thay pin
Nhờ hai điểm này, với cá nhân tôi đây là chiếc đồng hồ không cần bảo trì hoàn hảo, và thiết kế cũng đẹp
[1] https://www.citizenwatch.com/us/en/collection/mens-atomic-ti...
Có GPS, nhiều cảm biến và cả đèn pin thực sự dùng được, nên tôi không thể từ bỏ khoảng không gian quý giá trên cổ tay chỉ để có thêm chút thẩm mỹ. May là gắn dây đeo aftermarket vào thì trông cũng ổn
Đáng tiếc là WWVB đã bị hư hại. Vào nửa đêm ngày 7 tháng 4 năm 2024, ăng-ten phía nam đã bị vô hiệu hóa do thiệt hại từ gió mạnh
Hiện chỉ sử dụng ăng-ten phía bắc để phát với công suất giảm còn 30 kW. Có lẽ do thiếu ngân sách sửa chữa nên tình trạng này được dự kiến sẽ kéo dài “vô thời hạn”
Theo cập nhật ngày 20 tháng 5 năm 2024, các bộ phận cần thiết để sửa triatic của ăng-ten phía nam hiện đang được chế tạo và vận chuyển. Thời điểm hoàn tất sửa chữa dự kiến tạm thời là cuối tháng 6 năm 2024. Tuy nhiên đây chỉ là lịch ước tính và có thể thay đổi tùy nhiều yếu tố
Nếu muốn nghe thử âm thanh này mà không cần mua thiết bị vô tuyến, có nhiều trang KiwiSDR công khai có thể nghe được 60 kHz. Chỉ cần chọn giải mã AM và chỉnh đúng tần số
http://kiwisdr.com/public/
Nhiều trang trong số này có giới hạn số người dùng và giới hạn thời gian. WWVB cũng có thể nghe được ở 2,5 MHz, 5 MHz, 10 MHz và 15 MHz
Tôi có một người bạn sở hữu ăng-ten dây dài 300 foot. Vài tuần trước, sau khi sửa một máy thu cũ bắt được VLF, người bạn đó chỉnh WWVB cho tôi nghe, giúp tôi gạch đi một mục trong danh sách những việc muốn làm
Việc nghe những tiếng bíp có độ dài khác nhau khá thú vị, và ở vùng ngoại ô Chicago tín hiệu rõ hơn tôi tưởng rất nhiều. Điều đó vẫn đúng ngay cả sau khi phía bên kia gặp sự cố ăng-ten
Hồi tuổi teen, tôi nhớ cha mình đã mua một chiếc đồng hồ đeo tay chạy năng lượng mặt trời có thể thu DCF77, phiên bản Tây Âu của WWVB, để tự chỉnh giờ. Vị trí là ở Đức, và nó cũng tự xử lý giờ mùa hè
Dù chiếc đồng hồ quartz của tôi không thường xuyên gặp rắc rối vì hết pin hay chạy sai giờ nghiêm trọng, tôi vẫn luôn thấy tính năng đó thật sự rất ngầu :)