初探電波鍾(A Brief Introduction Of Radio Controlled Clock AND Its Appliciations)
文件識別符號：Radio_Controlled_Clock_T-D-P11
作者：DLHC
最後修改日期：2020.10.12
本文連結：https://www.cnblogs.com/DLHC-TECH/p/Radio_Controlled_Clock_T-D-P11.html
前言
如何獲取準確的時間？古人通過觀察太陽在天空的方位獲取當前的時間，這種方法所獲取的時間很粗略，但是它仍然被許多求生者使用。現代社會對時間的準確性、同步性要求很高。比如說你9月10日去坐火車，但是由於你手機的時間慢了20分鐘，你成功地錯過了火車(但現在這很少發生)。有沒有一種方法可以使"時間"以光速傳播？
無線電在20世紀初開始得到應用，最初用於軍事、船舶導航和通訊，那麼無線電與時間有什麼關係？我們知道無線電可以傳播資訊，如果有一些機構擁有準確的時間，那麼他們就可以將編碼了時間的資訊調製到一定頻率的無線電波上，並且發射出去，使一定區域內的使用者可以捕獲此訊號並解碼出當前準確的時間，這一過程的誤差為發射到解碼的時間差。目前所廣泛使用的授時方法有：衛星授時、網路授時、無線電廣播授時和電波鍾。本文所討論的就是一種基於無線電低頻時碼授時的方法----電波鍾(Radio Controlled Clock或簡稱RCC)。
在我國，電波鐘的知名度似乎不太高(火腿除外)，但是它的應用卻非常廣泛：BPC掛鐘、手錶自動更新時間等。中國在河南商丘修建了100kW中國商丘低頻時碼訊號發播臺(以下簡稱BPC)
除中國外(中國不是第一個應用此項技術的國家)，也有其他國家使用電波鍾授時，包括：德國、英國、日本和美國，詳細見表0.0。
圖0.0-中國商丘低頻時碼訊號發射臺覆蓋範圍示意圖
| 國家/地區 | 座標 | 發射站名稱 | 發射頻率(KHz) | 發射功率(KW) | 發射時間 |
| 中國/商丘 | 33° 43'N, 114° 49'E | BPC | 68.5K | 100KW | 09-17&21-05 |
| 德國/Mainflingen | 50° 01'N, 09° 00'E | DCF 77 | 77.5K | 50KW | 全天 |
| 瑞士/Prangins | 46° 24'N, 06° 15'E | HBG | 75K | 20KW | 全天 |
| 英國/Rugby | 52° 22'N, 01° 11'W | MSF[9] | 60K | 50KW | 全天(部分時間有短暫中斷) |
| 美國/Fort Collins/Colorado | 40° 40'N, 105° 03' W | WWVB | 60K | 50KW | 全天 |
| 日本/福島縣 | 37° 22'N, 140° 51'E | JJY40 | 40K | 50KW | 全天 |
| 日本/福崗, 佐賀縣 | 33° 28'N, 130° 11'E | JJY60 | 60K | 50KW | 全天 |
表0.0-世界各國電波鍾一覽[4]
三個接收並解碼BPC的方法
方法一：通過SDR和調諧到68.5KHz的天線即可完成接收和解碼，最簡單。
方法二：DIY接收部分的電路和天線以及微控制器解碼系統，最複雜，可以參考這裡。
方法三：使用積體電路模組(CME6005)和調諧到68.5KHz的天線以及微控制器解碼，比方法二簡單，並且可以探索BPC編碼方式，本文將採用此方法。
圖1.0-CME6005模組(正)
圖1.1-CME6005模組(反)(反面的絲印竟然也是反的？！)
BPC編碼機制
BPC的編碼方法相當簡單：每1分鐘傳送3幀資料，每1幀資料由20個片段組成（只有19個片段包涵了有效資訊），每1個片段由長為1s的脈衝構成[6]。
每一幀資料包含了“秒” “時” “分” “星期” “上下午” “日” “月” “年”以及“校驗位”，相鄰的幀之間使用1個空白的片段間隔[6]，理論上1分鐘可以解碼出3次時間。
資訊編碼在這些1s的脈衝中，脈寬0.1s、0.2s、0.3s、0.4s分別對應四進位制0、1、2、3。採用四進位制編碼可以很方便地將資訊進行拓展為二進位制，這種方法叫做碼位複用，詳見表1.0[6]。注意不同的位有不同的權值，見圖2.0。
具體編碼機制：以幀為單位進行分析，同時分析1分鐘內3幀的差別，詳見表1.1與圖1.0。理論上，1分鐘內的3幀只有“幀號”和“校驗位”不同，其他位均相同。
| 四進位制 | 二進位制 |
| 0 | 00 |
| 1 | 01 |
| 2 | 10 |
| 3 | 11 |
表1.0-四進位制與二進位制的轉換關係
| 序號 | 名稱 | 四進位制位數 | 等效二進位制位數 | 表示範圍(DEC) | 說明 | 備註 |
| 1 | 幀號 | 1 | 2 | 無意義 |
0表示第1秒，1表示第21秒，2表示第41秒 |
通過這一位可以判斷當前時間的秒位 |
| 2 | 保留 | 1 | 2 | 無意義 | 未使用位，暫無意義(目前恆為四進位制"0") | 為未來升級BPC編碼預留 |
| 3 | 小時 | 2 | 4 | 0~11 | 轉換為十進位制表示當前時間的小時位 | 有效資料 |
| 4 | 分鐘 | 3 | 6 | 0~59 | 轉換為十進位制表示當前時間的分鐘位 | 有效資料 |
| 5 | 星期 | 2 | 4 | 1~7 | 轉換為十進位制表示當前時間的星期位 | 有效資料 |
| 6 | 午別&校驗 | 1 | 2 | 無意義 | 將此位四進位制數轉換為兩位二進位制數，高位表示上下午，0表示上午，1表示下午；低位為幀的第0位至第8位的校驗(幀的第一位記為0)----將其轉換為二進位制後，有奇數個1為1，有偶數個1為0 | 指示上下午，並對此幀前半部分的資料進行校驗 |
| 7 | 日 | 3 | 6 | 1~31 | 轉換為十進位制表示當前時間的日期位 | 有效資料 |
| 8 | 月 | 2 | 4 | 1~12 | 轉換為十進位制表示當前時間的月份位 | 有效資料 |
| 9 | 年(低6位(Bin)) | 3 | 6 | 0~63 | 加上年的最高位(此時表示範圍拓寬到0~127)並轉換為十進位制後加上2000即表示當前時間的年份位，按照這樣編碼，BPC最久可以用到2127年末 | 有效資料 |
| 10 | 保留&校驗 | 1 | 2 | 無意義 | 將此位四進位制數轉換為兩位二進位制數，高位表示年的最高位(目前恆為四進位制"0")；低位為幀的第10位至第17位的校驗(幀的第一位記為0)--有奇數個1為1，有偶數個1為0 | 拓寬年份的表示範圍，並對此幀後半部分的資料進行校驗 |
| 11 | 幀起始預告位 | 1 | 2 | 無意義 | 未使用位(缺少脈衝,NTCO引腳輸出1s的低電平) | 分隔相鄰的幀 |
表1.1-BPC幀格式[6][7][8]
圖2.0-BPC幀格式圖解[8]
圖2.1-一個BPC編解碼例項[7]
實際上應該如何解碼BPC
最簡單的解碼方法莫過於使用微控制器，通過對微控制器進行程式設計，使其檢測BPC傳送訊號的脈寬(實際上，CME6005模組從天線接收BPC訊號，並將解調後的訊號交給微控制器解碼)，從而識別出每段片段對應的碼值。接收完一幀資料後，就可以解碼出相應的時間。
但是，實際情況並沒有這麼簡單。無線電在傳播過程中會有一定程度的衰減，加上環境中的電磁干擾，以及地理位置和天線等諸多因素，你所接收到的BPC訊號可能會存在一定的誤差，這時候我們就需要使用校驗位對資料幀進行校驗。
綜上，對解碼提出以下要求：
1.實現對時、分、年、月、日、星期的解碼。
2.實現秒指示。
3.實現資料糾錯。
聽一聽電波鐘的聲音
將CME6005模組反相輸出的解調後的BPC訊號經過音訊功率放大，驅動無源蜂鳴器發聲。
CME6005模組包含了CME6005電波鍾積體電路、調諧到68.5KHz的磁棒天線以及外圍分立元件。模組引出了電源、地、PON和NTCO四個引腳。PON為工作模式選擇引腳，NTCO為解調後的訊號的反向輸出引腳，CME6005框圖如圖3.0所示。模組工作電壓1.2v~~5.5v，休眠電流0.03uA，最大工作電流120uA[4]。
以下是原文對CME6005積體電路的描述：CME6005 是一款高度整合的 BI-CMOS 低頻接收解碼晶片。 這一款高靈敏度，低功耗的晶片能解調多國電波訊號包括美國 (WWVB)、 德國(DCF77)、 日本(JJY40 和 JJY60)、 英國(MSF)和瑞士(HBG)。 CME6005 內含了一個獨特的雙頻晶體補償功能、 單/雙頻電波接收功能、 AGC鎖定功能、使 CME6005 成為一個極理想的無線電波方案。[4]
功放採用TBA820M，乙類功放，供電電壓3v~~16v，最大輸出功率為2w。引腳定義和典型電路如圖3.1和圖3.2所示。
實際測試中，會出現兩種情況。第一種，蜂鳴器持續發出噼~噼~啪~啪的聲音，並且時而密集，時而稀疏，可以想象成一大串鞭炮爆炸的場景。這種情況是無效的，沒有有效的電波鍾資料輸出。第二種，蜂鳴器發出的聲音呈現特定規律，例如：噼~噼~噼~安靜| 噼~噼~安靜| 噼~噼~噼~噼~安靜，並且週期為1s。此時接收到的是有效的電波鍾原始資料，解碼該資料就可以獲得當前時間。
實際測試中，戶外可以接收到有效資料，室內偶爾也可以接收到有效資料，但是接收到無效資料(上述第一種情況)的機率似乎更大(測試地點：四川)
圖3.0-CME6005框圖[4]
圖3.1-TBA820M引腳定義[10]
圖3.2-TBA820M典型電路[10]
圖3.3-實驗電路(正)
圖3.4-實驗電路(反)
簡單地看一下電波鐘的波形
如果沒有邏輯分析儀，可以使用微控制器讀取NTCO引腳電平狀態並通過串列埠發回。如果每20ms取樣一次，通訊的波特率為500bps(8位資料位-1位起始位-1位停止位)，使用51微控制器就可以實現。如果20ms取樣一次，每秒可以取樣50次，NTCO的最短高電平時間為100ms，理論上可以實現波形的復現而不失真。下圖即為一次除錯過程中獲得的波形資料。
圖4.0-串列埠發回的時長為20s的波形
獲取BPC有效資料並解碼
微控制器每10ms對NTCO引腳取樣一次，為了獲取一幀有效資料，需要完成以下步驟：
1.檢測幀起始標誌位，即：長達1s的低電平(實際上NTCO引腳存在由外界干擾所產生的噪聲，所以應該設立一個閾值，超過該閾值則判定其為幀起始標誌位)。
2.檢測到幀起始標誌位後，通過定時取樣NTCO引腳以獲取有效資料(為了消除噪聲帶來的影響，應該設立一個閾值，以判斷有效資料的四進位制狀態)。
3.校驗獲取的資料，並將其按照一定格式轉換為時間。
以圖5.0最後一組資料為例，詳細介紹如何將獲取到的有效資料轉換為時間。
最後一組資料為“0 0 1 3 1 1 1 1 0 3 0 2 0 2 2 1 1 0 1”，下面演示如何解碼原始資料。
0：第1秒
0：保留位，恆為0
13：時，4+3+12=19
111：分，16+4+1=21
10：星期，4+0=4
3：高位為1，表示下午；低位為1，表示奇檢驗。
020：日，0+8+0=8
22：月，8+2=10
110：年，16+4+0+2000=2020
1：高位為0，即年的最高位為0；低位為1，表示奇校驗。
具體的程式見github。
圖5.0-實際獲取的有效資料
圖5.1-解碼出的時間(圖中所示的“第一段校驗錯誤”有Bug，已經得到修復)
github
程式和部分參考資料見github：https://github.com/HaochuanDeng/Radio-Controlled-Clock_BPC-China
Acknowledgment
[1]XNY Electronic(淘寶店鋪，老闆熱心地提供了模組資料)
Reference
[1]電波鍾；https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E6%B3%A2%E9%92%9F/1809735?fr=aladdin
[2]長波；https://baike.baidu.com/item/%E9%95%BF%E6%B3%A2
[3]電離層；https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E7%A6%BB%E5%B1%82#10
[4]世界各國電波鍾詳情；CME6005-A11_datasheet
[5]BPC；https://baike.baidu.com/item/bpc
[6]BPC授時編碼專利；
[7]BPC電波授時編碼詳細格式；
[8]電波鍾；周勝鋒
[9]Time from NPL (MSF)；https://en.wikipedia.org/wiki/Time_from_NPL_(MSF)
[10]TBA820M_datasheet；SGS-THOMSON
宣告
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