60 kHz (2022): WWVB, das die Zeit sendet
(ben.page)- WWVB in Colorado ist ein Radiosender, der von NIST genutzt wird, um die aktuelle Zeit fortlaufend auf 60 kHz auszustrahlen, und bildet die Grundlage dafür, dass Funkuhren ihre Zeit automatisch einstellen
- 60 kHz im Niederfrequenzbereich hat eine sehr geringe Bandbreite, sodass nur etwa ein Bit pro Sekunde übertragen werden kann, und die Übermittlung der aktuellen Zeit dauert 1 Minute
- Funkuhren in den USA empfangen etwa einmal täglich die einminütige Sendung, stellen ihre interne Zeit danach ein und korrigieren sie um die vom Nutzer gewählte Zeitzone
- WWVB kennt weder den Standort des Empfängers noch dessen Zeitzone, daher entsteht die korrekt angezeigte Uhrzeit aus dem Zusammenspiel von Sendesignal und der Zeitzoneneinstellung der Uhr
- Die Bequemlichkeit automatischer Uhren beruht auf der Infrastruktur, mit der der Staat die Zeit fortlaufend aussendet, und auf den unsichtbaren Beiträgen, die darauf aufbauen
Wie WWVB die Zeit sendet
- In Colorado gibt es einen Radiosender, der die aktuelle Zeit ausstrahlt
- Dieser Sender ist WWVB und wird vom National Institute of Standards and Technology genutzt, um die aktuelle Zeit zu senden
- Die Sendefrequenz beträgt 60 kHz, und die Ausstrahlung läuft Tag und Nacht ohne Unterbrechung
- 60 kHz gehört zum Niederfrequenzbereich und hat daher eine sehr geringe Bandbreite
- Es kann nur etwa ein Bit pro Sekunde übertragen werden
- Für die Übertragung der aktuellen Zeit wird eine volle Minute benötigt
Wie Funkuhren ihre Zeit einstellen
- Funkuhren in den USA nutzen die WWVB-Sendung, um ihre Zeit einzustellen
- Die Uhr liest etwa einmal täglich die einminütige Sendung und stellt sich anhand dieser Zeit selbst ein
- WWVB weiß nicht, in welcher Zeitzone sich der Nutzer befindet
- Die Uhr korrigiert die gesendete Zeit um die vom Nutzer eingestellte Zeitzone
- Der Grund, warum Funkuhren die genaue aktuelle Zeit kennen, ohne dass Menschen sie manuell einstellen müssen, ist, dass sie die Zeit aus dem Rundfunk auslesen
Zeitinfrastruktur im Alltag
- Dieses Verfahren ist ein Beispiel dafür, wie das Problem, dass Uhren ihre Zeit selbst einstellen müssen, durch einen Radiosender gelöst wird, der die aktuelle Zeit fortlaufend sendet
- Die Funktionsweise des Alltags baut auf den unsichtbaren Beiträgen der Menschen auf, die vor uns gekommen sind
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Ich bin nicht besonders patriotisch, aber genau diese Reaktion wirkt auf mich ziemlich amerikanisch.
Vielleicht ist es ja dieser Patriotismus, der Amerikaner dazu bringt, Dinge einfach als ihre eigenen zu beanspruchen, ohne überhaupt zu prüfen, ob es sich nicht um eine amerikanische Erfindung handelt. Schließlich liest man kaum Texte von außerhalb der eigenen Grenzen: https://en.wikipedia.org/wiki/Time_from_NPL_(MSF)
Radio 4 hätte dazu wohl auch etwas zu sagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Greenwich_Time_Signal
Die meisten Quellen verorten den Sender in Navesink, New Jersey, die Referenzuhr stand jedoch im United States Naval Observatory (USNO) in Washington, DC. Regelmäßige Zeitübertragungen begannen am 9. August 1904 im Boston Navy Yard, und bis Ende 1905 sendete die Navy Zeitsignale auch von Stationen in mehreren weiteren Städten, darunter Norfolk, Newport, Cape Cod, Key West, Portsmouth und Mare Island in Kalifornien.
PDF: https://tf.nist.gov/general/pdf/2131.pdf
Andere Quellen nennen auch den 9. August 1905.
Das Signal zu empfangen macht ziemlich Spaß. Einen 198-kHz-Empfänger zu bauen ist einfach; mischt man das Signal zum Beispiel mit einem 200-kHz-Signal und verarbeitet den entstehenden 2-kHz-Audioton, lassen sich Datenstrom und Zeitsignal wiederherstellen.
[0] https://www.bbc.co.uk/rd/publications/rdreport_1984_19
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_teleswitch
Wäre es modern amerikanisch, wäre es in privater Hand und gewinnorientiert, die Qualität würde ständig sinken, und mehrere untereinander inkompatible Anbieter würden darum konkurrieren, Menschen in ihre jeweiligen geschlossenen Ökosysteme zu ziehen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Packet_switching
Die USA haben zweifellos Großes geleistet, etwa die Mondlandung oder den ersten abwärtskompatiblen Farbfernsehstandard, aber das hier lässt sich schwerlich in diese Kategorie einordnen.
In Europa wusste anscheinend jeder, dass sogar Armbanduhren ihre Zeit per Funk stellen. Zumindest in Deutschland waren solche Uhren seit den 80ern sehr verbreitet, und ältere Leute erinnern sich lebhaft an die Junghans-Werbung im Fernsehen. Das entsprechende Signal wurde schon Jahrzehnte zuvor ausgestrahlt, was nicht überrascht, wenn man bedenkt, dass Bahn- und Luftverkehrsnetze eine gemeinsame Zeitbasis brauchten: https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77
Damals war daran auch nicht besonders viel „Spitzentechnologie“. Im Grunde löste man es mit der einfachsten Methode, die zu der Zeit möglich war, und es ist schwer, sich noch etwas Einfacheres vorzustellen. Außerdem frage ich mich, welche Beispiele es für Technologien gibt, die „man nicht anfassen kann oder die nicht per Funk vor sich hin summen“.
Daher dachte ich, dass diese Idee vielleicht an mehreren Orten unabhängig entstanden sein könnte. Auch die Formulierung „forever“ macht mich stutzig. Das Signal selbst mag sehr robust sein, aber könnte die US-Politik nicht eines Tages entscheiden, dass drahtlose Zeitübertragungen keinen Wert mehr haben, und sie einstellen?
Mich interessiert besonders der Punkt, dass die Bandbreite offenbar nur ausreicht, um pro Sekunde eine einzelne Binärziffer zu senden.
Es scheint klar, dass man in ein 60-kHz-Signal mehr als 1 bps codieren könnte; mich interessiert also, warum genau diese Codierung gewählt wurde. Details gibt es hier: https://en.wikipedia.org/wiki/WWVB#Modulation_format
Der 60-kHz-Träger von WWVB mit normalerweise 70 kW ERP wird zu Beginn jeder UTC-Sekunde um 17 dB auf 1,4 kW ERP abgesenkt und kehrt irgendwann innerhalb dieser Sekunde wieder zur vollen Leistung zurück. Die Dauer der niedrigen Leistung codiert eines von drei Symbolen: 0,2 Sekunden für das Datenbit 0, 0,5 Sekunden für das Datenbit 1, 0,8 Sekunden für eine nicht datenführende „mark“ zur Rahmung.
Das sieht nach IRIG-H-Codierung aus den 50ern aus und scheint so entworfen worden zu sein, dass es leicht zu decodieren ist; ich frage mich nur, womit man es decodieren wollte.
Je schneller man ein Signal moduliert, desto breiter verteilt es sich im Spektrum. Das ist ein Frequenz-Zeit-Kompromiss. Zeitsignale arbeiten im unteren Bereich des Langwellenbands, grob etwa bei 40–120 kHz, also gibt es nach unten hin ungefähr 100 kHz Spektrum.
Allerdings ist es alles andere als trivial, ein solches breitbandiges Langwellensignal auszustrahlen. In Europa nutzt man 1–2-MW-Sender, um mit AM-Radio von etwa 5–10 kHz Bandbreite große Gebiete abzudecken. Um einen ganzen Kontinent mit einem 100-kHz-breitbandigen Digitalsignal zu versorgen, bräuchte man möglicherweise 10–50 MW und etwa drei Sendestandorte. Machbar scheint es, und vielleicht ließe sich etwa 1 Megabit pro Sekunde unterbringen.
Weniger ambitioniert wäre auch ein Ansatz mit ein paar hundert Byte pro Sekunde und etwa 1 kHz Spektrum denkbar. Das könnte sogar in Aufzügen oder tief in Tiefgaragen funktionieren und einen digitalen Notfall-Hinweisstream, Zeitsignale usw. übertragen. Es wäre nicht viel komplexer als ein Zeitsignalsender; die Modulation müsste nur ausgefeilter sein.
Es gab wohl auch ältere industrielle Anwendungen, die sich mit dieser Technik synchronisierten.
Interessant ist, dass PC-Soundkarten heute schnell genug sind, um Signale wie WWVB, DCF77 oder MSF direkt mit der Soundkarte zu empfangen. Man schließt einen langen Draht oder einen Schwingkreis an den Soundkarteneingang an und macht etwas digitale Signalverarbeitung. Mit 192 kHz Samplingrate wird der Empfang solcher Signale einfach.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Communication_with_submarines
Sie werden meist unter dem Namen „atomic clocks“ verkauft.
Wenn ich heute in den USA an Zeit denke, fällt mir als Erstes GPS ein.
Die Rolle, die früher WWVB, DCF77 und JJY hatten, übernimmt heute die Zeitsynchronisation von GPS. Die Genauigkeit ist deutlich höher, aber die Empfängerkomplexität natürlich ebenfalls [1].
Zu WWVB und JJY weiß ich es nicht, aber das deutsche DFC77 nutzt neben AM-Modulation auch FM-Modulation, um eine bessere Genauigkeit zu erreichen.
[1] https://www.hopf.com/dcf77-gps_en.php#chapter3
Es gibt mehrere solcher Stationen, die von NIST gewartet und betrieben werden. Zwei davon standen wegen Budgetproblemen vor Kurzem kurz vor der Stilllegung.
https://www.radioworld.com/global/why-wwv-and-wwvh-still-mat...
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-di...
Ich trage täglich eine Citizen-„AT“-Armbanduhr [1]. Sie synchronisiert sich jeden Tag um 2 Uhr morgens mit WWVB, sodass die Zeit perfekt stimmt, und sie lädt sich über Licht selbst auf, sodass auch kein Batteriewechsel nötig ist.
Diese beiden Dinge machen sie für mich zur perfekten wartungsfreien Uhr, und gut aussehen tut sie auch.
[1] https://www.citizenwatch.com/us/en/collection/mens-atomic-ti...
Mit GPS, mehreren Sensoren und sogar einer tatsächlich brauchbaren Taschenlampe kann ich diesen wertvollen Platz am Handgelenk nicht für ein bisschen mehr Ästhetik aufgeben. Zum Glück sieht sie mit Aftermarket-Armbändern auch ganz ordentlich aus.
Leider wurde WWVB beschädigt. Am 7. April 2024 um Mitternacht wurde die südliche Antenne wegen Sturmschäden außer Betrieb genommen.
Derzeit sendet man nur mit der nördlichen Antenne und reduzierter Leistung von 30 kW. Vermutlich wegen fehlender Reparaturmittel wurde erwartet, dass dieser Zustand „auf unbestimmte Zeit“ anhält.
Laut Update vom 20. Mai 2024 werden die für die Reparatur des Triatics der südlichen Antenne benötigten Teile derzeit gefertigt und geliefert. Der voraussichtliche Abschluss der Reparatur ist vorläufig für Ende Juni 2024 angesetzt. Allerdings handelt es sich um eine Schätzung, die sich je nach verschiedenen Faktoren ändern kann.
Wenn man sich dieses Signal anhören möchte, ohne Funkgerät zu kaufen, gibt es viele öffentliche KiwiSDR-Sites, mit denen man 60 kHz empfangen kann. Einfach AM-Dekodierung auswählen und die entsprechende Frequenz einstellen
http://kiwisdr.com/public/
Viele davon haben Begrenzungen bei Nutzerzahl und Sitzungsdauer. WWVB kann man auch auf 2,5 MHz, 5 MHz, 10 MHz und 15 MHz hören
Ich habe einen Freund mit einer 300 Fuß langen Langdrahtantenne. Vor ein paar Wochen hatte ich einen alten Empfänger repariert, der VLF empfängt, und dieser Freund stellte mir WWVB ein — damit konnte ich einen Punkt von meiner Bucket List streichen
Es war spannend, die unterschiedlich langen Pieptöne zu hören, und in einem Vorort von Chicago war das Signal viel klarer als erwartet. Sogar nachdem es dort drüben Probleme mit der Antenne gegeben hatte
Ich erinnere mich, dass mein Vater, als ich Teenager war, eine Solar-Armbanduhr kaufte, die DCF77, die westeuropäische Entsprechung von WWVB, empfing und sich selbst stellte. Das war in Deutschland, und sie berücksichtigte auch die Sommerzeit automatisch
Meine Quarzuhr hatte zwar nicht oft Probleme mit leerer Batterie oder stark falscher Uhrzeit, aber diese Funktion fand ich immer wirklich cool :)