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NIST 時刻周波数サービス (コールサインWWVB ) は、コロラド州フォートコリンズ近郊にある長波時刻信号無線局で、米国国立標準技術研究所(NIST) によって運営されています。[ 1 ]北米のほとんどの電波時計[ 2 ]は、WWVB の送信を使用して正しい時刻を設定しています。
WWVBから送信される通常の信号は、実効出力70kWで 、60kHzの搬送波を使用しており、周波数不確実性は10¹²分の1未満です。タイムコード信号は、サイトに設置された原子時計のセットから生成され、 IRIG「H」フォーマットを使用して送信され、パルス幅変調と振幅シフトキーイングを使用して1秒あたり1ビットで搬送波に変調されます。タイムコードの完全なフレームは、毎分の開始時に始まり、1分間続き、その分の開始時点での年、年日、時、分、およびその他の情報を伝達します。
WWVBは、複数の短波無線周波数で音声と時刻コードの両方で放送を行う時刻信号局であるWWVと同じ場所に設置されています。WWVBは頭字語や略語ではなく、この無線局のコールサインです。
ほとんどの時刻信号は放送国の現地時間を符号化していますが、米国は複数のタイムゾーンにまたがっているため、WWVBは協定世界時（UTC）で時刻を放送しています。電波時計は、必要に応じてタイムゾーンと夏時間オフセットを適用して現地時間を表示できます。 [ 3 ]放送で使用される時刻は、UTC(NIST)として知られるNISTタイムスケールによって設定されます。このタイムスケールは、 NIST-F1およびNIST-F2セシウム噴水型原子時計によって校正されたマスタークロック群の平均時刻を計算したものです。[ 4 ]
2011年、NISTはWWVB受信機を搭載した電波時計と腕時計の数を5000 万個以上と推定した。[ 5 ]
WWVBは、NISTの短波時刻コードおよびアナウンス局であるWWVとWWVHとともに、2019年のNIST予算で資金削減と廃止が提案された。[ 6 ]しかし、最終的な2019年のNIST予算では、3つの局への資金提供が維持された。[ 7 ]
2024年4月7日午前0時、WWVBの南アンテナは強風による損傷のため使用不能となった。その後、WWVBは北アンテナのみを使用し、出力を30kWに下げて送信した。2024年5月20日、NISTは必要な交換部品が製造され出荷され、2024年9月末にサービスが復旧する見込みであると発表した。2024年10月10日現在、WWVBはフルパワーでの運用に戻った。[ 8 ]
LF （低周波）およびVLF（超低周波）放送は、長年にわたり時刻および周波数標準の普及に利用されてきた。1904年には早くも、米国海軍天文台（USNO）が航海支援としてボストン市から時刻信号を放送していた。この実験や同様の実験により、LFおよびVLF信号は比較的低い電力で広い範囲をカバーできることが明らかになった。1923年までに、NISTラジオ局WWVは75～2,000kHzの周波数帯で標準搬送波信号の一般向け放送を開始した 。
これらの信号は無線機器の校正に使用され、運用される無線局が増えるにつれてその重要性はますます高まっていった。長年にわたり、LF帯とVLF帯で送信される安定した時間信号と周波数信号を利用した無線航法システムが数多く開発された。これらの航法システムの中で最もよく知られているのは、現在では廃止されたLoran-Cである。Loran-Cは、複数の送信機から送信される100kHzの信号を受信することで、船舶や航空機の航行を可能にした 。
現在のWWVBは、 1956年7月にラジオ局KK2XEIとして開局しました。送信機はコロラド州ボルダーに設置され、実効放射電力（ERP）はわずか1.4ワットでした。それでも、マサチューセッツ州のハーバード大学 で信号を受信することができました。この実験的な送信の目的は、無線経路が安定しており、低周波数帯における周波数誤差が小さいことを示すことでした。
1962年、国立標準局（NBS、現在の国立標準技術研究所（NIST））は、コロラド州フォートコリンズ近郊に新しい施設の建設を開始した。この施設は、ボルダー西部の山岳地帯から移設された20kHzの放送局WWVBとWWVLの本拠地となった 。
この場所が魅力的だった理由はいくつかある。一つは、土壌のアルカリ性が高いため、非常に高い地中伝導率を誇っていたことだ。また、ボルダーから比較的近い（約50マイル、80キロメートル）ため、人員配置や管理が容易だったが、山岳地帯からははるかに離れていたため、全方向信号の送信にはより適した場所だった。
WWVBは 1963年7月4日（UTC7月5日00:00）に60kHzで5kWのERP信号を放送し始めた[ 10 ]。WWVLは翌月、周波数シフトキーイング（ 20kHzから26kHzにシフト）を使用してデータを送信し、 20kHzで0.5kWのERP信号の送信を開始した。WWVLの放送は1972年7月に終了したが、WWVBは国のインフラの恒久的な一部となった。
1965年7月1日、WWVBにタイムコードが追加されました。 これにより、信号を受信、復号し、自動的に時刻を同期できる時計の設計が可能になりました。タイムコードの形式は1965年以降わずかに変更されただけで、10進数のタイムコードを送信し、各桁を2進符号化10進数（BCD）で4ビットのバイナリデータを使用して送信します。
WWVBのERPは何度か増加しました。初期には7kW 、その後13kWのERPに引き上げられ、長年その状態が維持されました。1990年代後半のWWVB近代化プログラムの一環として、廃止されたWWVLアンテナが改修され、現在のフェーズドアレイに組み込まれました。両方のアンテナを同時に使用することで増加し、1998年の大規模なアップグレードで1999年にはERPが50kWに、そして2005年には最終的に70kWにまで上昇しました。また、技術者がもう一方のアンテナのメンテナンスを行っている間、局はERPが27kWのアンテナ1つで運用できるようになりました。[ 11 ]
出力向上により受信範囲が大幅に拡大し、小型の受信機でもシンプルなアンテナで信号を受信しやすくなった。その結果、NIST（米国標準時）に自動的に時刻を合わせる、低価格の電波時計が数多く登場した。
WWVBのコロラドにあるため、信号は米国東海岸で最も弱く、都市部の密集もかなりの干渉を引き起こします。2009年、NISTは、東海岸での信号受信を改善し、天候やその他の原因で送信所の1つが機能しなくなった場合にシステム全体の堅牢性を高めるために、東海岸に2つ目のタイムコード送信所を追加する可能性を提起しました。そのような送信所は同じタイムコードを使用しますが、周波数は異なります。[ 12 ]
40 kHz を使用すれば、日本のJJY送信機用に既に製造されている デュアル周波数タイムコード受信機を使用できる。[ 13 ] 75 kHz のスイス長波時刻局HBGが廃止されたため、その周波数も利用可能になる可能性がある。
アラバマ州ハンツビルのレッドストーン兵器廠の敷地内に送信機を設置する計画が立てられたが、マーシャル宇宙飛行センターは、そのような高出力送信機が彼らの業務のすぐ近くにあることに反対した。 2009年のARRA 「景気刺激策」の一部として割り当てられた資金は、行き詰まりが解決される前に期限切れとなり[ 14 ]、現在では建設される可能性は低い。
NISTは2012年に他に2つのアイデアを検討した。1つは、現在の送信所に2つ目の送信周波数を追加するというものだった。これは信号強度の向上には繋がらなかったものの、干渉や（周波数依存の）マルチパスフェージングの発生頻度を低減する効果があった。
第二送信機に関するアイデアはどれも実現されなかった。
代わりに、NISTは2012年にWWVB搬送波に位相変調を追加するという2番目のアイデアを実行しました。これには追加の送信機やアンテナは必要なく、位相変調はドイツのDCF77とフランスのTDF時刻信号ですでに成功裏に使用されていました。[ 14 ]位相変調を復号する受信機は、より大きな処理利得を持つことができ、 PWM / ASK時刻コードよりも低い受信信号対雑音比で使用可能な受信が可能になります。この方法は、この記事の後半でより詳しく説明します。
北緯40度40分41秒、西経105度2分49秒/北緯40.67806度、西経105.04694度/北緯40.67806度、西経105.04694度( WWVB - 送信所ビル)
WWVB信号は、 2,810フィート（857メートル）間隔で配置された2つの同一アンテナシステムのフェーズドアレイを介して送信されます。そのうちの1つは、以前はWWVLに使用されていました。各システムは、4つの400フィート（122メートル）のタワーで構成されており、これらのタワーには「トップローディングモノポール」（アンブレラアンテナ）が吊り下げられています。このモノポールは、タワーによって支えられた水平面上の複数のケーブルからなる菱形の「ウェブ」（容量性「トップハット」 ）と、その中央にあるダウンリード（垂直ケーブル）で構成され、ダウンリードはトップハットを地上の「ヘリックスハウス」に接続します。この構成では、ダウンリードがアンテナの放射素子となります。各ヘリックスハウスには、固定可変インダクタシステムが2つ搭載されており、フィードバックループを介して送信機に自動的に整合され、アンテナシステムの放射効率を最大に保ちます。ダウンリードとトップハットの組み合わせは、単一の1/4波長アンテナを置き換えるように設計されており、60 kHzでは、そのアンテナは非現実的な4,100フィート（1,250 m）の高さにならなければならない。[ 11 ]
WWVBは1秒間に1ビットのデータを送信し、 1世紀以内の現在時刻と日付を送信するのに60秒かかります。この目的のために2つの独立したタイムコードが使用されています。1つは1962年からわずかな変更で使用されている振幅変調タイムコード、もう1つは2012年後半に追加された位相変調タイムコードです。[ 15 ]
通常の実効放射電力（ERP）が70kW であるWWVB 60kHz搬送波は、 UTC毎秒の開始時に17dB減衰され（ ERPは1.4kW ）、その秒の途中で元の電力に戻ります。減衰された電力の持続時間は、次の3つのシンボルのいずれかを符号化します。
1分ごとに7つのマークが規則的なパターンで送信され、受信側はそれによって分の開始位置を特定し、データビットの正しいフレーミングを判断できる。残りの53 秒間は、現在時刻、日付、および関連情報を符号化したデータビットを提供する。
2005年7月12日以前は 、WWVBの最大ERPが50kWであったため 、電力削減は10dBで 、結果として5kW の信号となっていた。変調深度の増加への変更は、送信電力を増やさずにカバレッジを拡大するための一連の実験の一環であった。[ 16 ]
独立したタイムコードは、 WWVB搬送波のバイナリ位相偏移変調（BPSK）によって送信される。1 ビットは、搬送波の位相を1秒間反転（180°位相シフト）することで符号化される。0 ビットは通常の搬送波位相で送信される。位相シフトは 対応するUTC秒の0.1秒後に開始されるため、搬送波振幅が低い間に遷移が発生する。[ 15 ]： 2-4
位相シフトキーイングの使用により、より高度な（ただし現代の電子機器の基準からすると依然として非常に単純な）受信機が0ビットと1ビットをはるかに明確に区別できるようになり、WWVB信号レベルが弱く、無線周波数ノイズが高く、英国からのMSF時間信号が時折干渉する米国東海岸での受信が改善される。 [ 17 ]
振幅変調タイムコードのようなマーカーは存在しません。代わりに、各分の最後の1秒と 次の分の最初の13秒に送信される固定パターンのデータビットによって分単位のフレームが提供されます。振幅変調マーカーは0.2 秒しかフル強度の搬送波を提供しないため、その位相変調を復号するのがより困難です。そのため、位相変調タイムコードでは、分内のこれらのビット位置を重要な情報に使用することは避けています。
2012年後半に追加されたこの位相変調は、搬送波の振幅のみを考慮する一般的な電波時計には影響を与えませんが、搬送波の位相を追跡する（まれな）受信機を機能不全に陥らせます。[ 18 ]
位相追跡受信機のユーザーが調整する時間を与えるため、位相変調された時刻コードは当初、 山岳部標準時（UTC）の正午と深夜（ UTC 07:00と19:00）から始まる30分間、1日2回省略されました。これにより、受信機がWWVB搬送波の位相にロックオンするのに十分な機会が与えられました。この措置は2013年3月21日に廃止されました。[ 19 ]
位相変調時刻コードが導入される以前は、WWVBは毎時10分に搬送波の位相を45°進め、5分後に元の位相（-45°シフト）に戻すことで識別を行っていた。この位相ステップは、60kHzの搬送波サイクルの1/8、つまり約2.08μsを「切り貼り」することに 相当した。
この局識別方法は、VLF帯およびLF帯の狭帯域高出力送信機で一般的に用いられており、これらの帯域では、他の要因によって通常のコールサイン送信方法が妨げられる場合があった。
2012年後半に位相変調時刻コードが導入された際、この局識別は廃止され、時刻コード形式自体が局識別として機能するようになった。[ 15 ]： 2
WWVBは毎分、現在時刻を二進化十進数（BCD）形式で放送している。これはIRIGタイムコードに基づいているものの、ビット符号化方式や送信ビットの順序は、現在または過去のIRIG時刻配信規格とは異なっている。
オンタイムマーカー、つまりタイムコードが識別する正確な瞬間は、フレーム参照マーカーの先頭（マイナス方向）エッジです。したがって、タイムコードは常にそれが表す瞬間の直後の分に送信され、UTC（協定世界時）でその瞬間に時計が表示すべき時刻の時と分と一致します（タイムゾーンや夏時間によるオフセットが適用される前）。
次の図では、シアン（0 dBr）のブロックはフル強度の搬送波を、濃い青色（-17 dBr）のブロックは低強度の搬送波を示しています。最も幅の広い濃い青色のブロック（低強度搬送波の 最長区間（0.8秒））はマーカーであり、 0秒、9秒、19秒、29秒、39秒、49秒、59秒に現れます。残りの濃い青色のブロックのうち、最も幅の狭いものは0.2秒間の低強度搬送波を表し、したがってデータビットの値は0です。中間の幅のブロック（たとえば、02秒と03秒）は0.5秒間の低強度搬送波を表し、したがってデータビットの値は1です。
上記の例は、以下の内容をエンコードしています。
以下の表はこれをより詳細に示しており、「Ex」列は上記の例からのビットを表しています。
WWVBのタイムコードのいくつかのビットは、今後のイベントを警告する情報を含んでいる。
ビット 55が設定されている場合、その年は閏年であり、2月 29日が含まれることを示します。これにより、タイムコードに世紀が含まれていない場合でも、受信機はグレゴリオ暦の閏年の規則に従って、日付を月と日に変換することができます。
閏秒が月末に予定されている場合、 月の初め頃にビット56が設定され、閏秒の挿入直後にリセットされます。
DSTステータスビットは、米国の夏時間規則を示します。これらのビットは、UTC 00:00から始まる1分間に毎日更新されます 。最初のDSTビットは、57 秒後に送信され、夏時間が開始または終了するUTC日の開始時に変更されます。もう1つのDSTビットは、 58秒後に、24 時間後（夏時間変更後）に変更されます。したがって、DSTビットが異なる場合、現在のUTC日の現地時間02:00に夏時間が変更されます。 その後の次の現地時間02:00までは、ビットは同じになります。
夏時間（DST）の変更は、現地時間帯と夏時間の開始または終了のタイミングに応じて、米国本土で太平洋標準時（ PST）16:00から東部夏時間（EDT）20:00の間に最初に受信されます。したがって、東部時間帯（UTC - 5）の受信機は、現地時間の表示を正しい時刻に変更するためには、夏時間開始の7時間前、および夏時間終了の6時間前に「夏時間変更中」の表示を正しく受信する必要があります。そのため、中部時間帯、山岳部時間帯、太平洋時間帯の受信機は、それぞれ1時間、2時間、3時間多く事前通知を受けることができます。
受信側の時計は、ビットの差に気づいた場合、次の現地時間午前2時に変更を適用する義務があります。受信側の時計が変更当日の協定 世界時午前0時から現地時間午前2時までの間に更新を受信しなかった場合 、その後の次の更新時に夏時間の変更を適用する必要があります。
DSTステータスビットの同等の定義としては、ビット 57は 、現在のUTC日の終わりである24:00 ZにDSTが適用される場合にセットされ、ビット 58は、現在のUTC日の開始である00:00 ZにDSTが適用されていた場合にセットされる 。
位相変調タイムコードは完全に更新されており、振幅変調タイムコードとは関係ありません。唯一の共通点は、位相変調タイムコードも60 秒フレームで送信されること、そして振幅変調マーカー（1秒の20%のみが最大強度で送信される場合）は重要なタイムコード情報には使用されないことです。
時刻は、0 から 52595999 ( 閏年が 24 年しかない世紀では 52594559) までの 26 ビットの「世紀の分」として送信されます。[ 15 ] 振幅変調コードと同様に、時刻は識別された瞬間の次の分で送信されます。時計は表示するためにそれをインクリメントする必要があります。
追加の5ビットの誤り訂正ビットにより、1ビットの誤りを訂正したり、2ビットの誤りを検出したりできる（ただし両方を同時に行うことはできない） 31ビットのハミング符号が生成されます。
別のフィールドには、標準的なWWVBと同様に夏時間と閏秒のアナウンスビットがエンコードされており、新しい6ビットフィールドは、予定されている夏時間変更について大幅に早い段階での警告を提供する。
毎分送信される60ビットは、以下のように分割されます。
数秒以内の精度で時刻を把握している受信機は、個々のタイムコードビットを識別できない場合でも、固定された同期パターンに同期することができる。
完全な時間コード（振幅変調コードを基準として含む）は、次のように送信されます。
フィールド内のビットは、最下位ビットを0として番号が付けられ、各フィールドは最上位ビットから順に送信されます。
この例は、2012年7月4日17:30から17:31 UTCの間に送信されたタイムコードを示しています 。[ 15 ]： 12-13 BCD振幅コードは、 186日目の17:30という時刻を示しています。
バイナリタイムコードでは、今世紀の0x064631A = 6578970 分を示しています。 1日1440分で割ると、今世紀の4568日目の 1050分（= 17×60 + 30）になります。2012年までの12年間は365×12 + 3 = 4383日なので、これはその年の185日目です。この日付番号は、BCDタイムコードのように1ではなく、1月1日を0として始まるため、同じ日付をエンコードします。
位相変調符号には、放送されたUTCを民間時間に変換するために役立つ追加のアナウンスビットが含まれている。
振幅変調コードに含まれる夏時間と閏秒の警告ビットに加えて、追加の夏時間スケジュールフィールドにより、夏時間規則の数ヶ月前の警告が提供されます。
最後に、「通知」という部分では、WWVB のユーザーにとって興味深いお知らせがnist.gov/pml/div688/grp40/wwvb.cfmに掲載されていることを示しています。
2つの予約ビットは現在定義されていませんが、ゼロであることが保証されているわけではありません。上記の例では、そのうちの1つが1として送信されていることに注意してください。
振幅変調コードに含まれるDUT1情報（+0.4 秒）と閏年表示ビット（2012年は閏年）は、位相変調コードには含まれていません。天体航法におけるDUT1の使用は、衛星航法によって廃止されました。
位相変調時刻コードには、振幅変調時刻コードと同等の夏時間告知情報と閏秒警告情報が含まれているが、エラー検出のために1つの5ビットフィールドにまとめられている。
受信機が米国の夏時間規則を適用できるようにするDSTアナウンスビットが2つあります。
2つのビットは、夏時間への切り替え日（ 現地時間午前2時）に異なります。
閏秒の警告値には3種類（0秒、+1秒、-1秒）があり、エンコードする必要のある値は合計12種類になります。これらのうち11種類は、奇数パリティの5ビットコードとしてエンコードされ、1ビットエラー検出（有効な2つのコード間の最小ハミング距離が2）を実現します。
16個の 奇数パリティ値（00011と1ビットだけ異なる値）のうち5個は使用されず、偶数パリティ値00011が最も一般的な状態（夏時間実施中で閏秒が未処理）を符号化するために使用されます。これにより、このコードが送信されるたびに、1ビット誤り訂正（最小ハミング距離3）が実現されます。
上記の例は、この一般的なケースを示しています。夏時間が実施されており、うるう秒は予定されていません（前回のうるう秒は4 日前でした）。
うるう秒の間、ビット 59（位相変調コードが0のマーカービット）が再度送信されます。
dst_on[1] によって提供される数時間の警告を延長するために、別の 6 ビットのフィールドに次の夏時間変更のスケジュールがエンコードされます。エンコードはやや複雑ですが、実質的に 5 ビットの情報を提供します。3 ビットは変更日を示し、 3 月の最初の日曜日から 0 ～ 7 日後 (dst_on[1] = 0 の場合)、または 11 月の最初の日曜日の 4 日前から 3 日後 (dst_on[1] = 1 の場合) のいずれかになります。
さらに2ビットで変更時刻（ 現地時間午前1時、午前2時、午前3時）を符号化します。これら2ビットの4番目の組み合わせは、（変更日ビットを使用して）いくつかの特殊なケース（別の時刻での夏時間、常に夏時間オフ、常に夏時間オン、および5つの予約コード）を符号化します。
他の警告フィールドと同様に、割り当てられた6ビットコードのほとんどは奇数パリティを持ち、互いのハミング距離は2です。ただし、32個の 奇数パリティコードのうち6個は使用されず（011011と1ビットだけ異なるものすべて）、偶数パリティコード011011は、最も一般的な夏時間規則（ 3月の第2日曜日または 11月の第1日曜日）をエンコードするために使用され、ハミング距離は3です。
追加の5つの予約コードは、DSTルールコードからハミング距離が1である他の偶数パリティコードワードに割り当てられます。
例のコード011011は、11月の第1日曜日の午前2時に夏時間（DST）が切り替わることを示しています。
タイムコードフレームのごく一部（通常は10%未満）[ 15 ]： 5は、緊急放送などの他の情報を含む1分間のメッセージフレームに置き換えられることがあります。
このようなフレームの詳細はまだ確定していませんが、代替同期ワード（1101000111010、59秒目に0 ）で始まり、 タイムコードの非マーカービットに42ビットの非時間データが含まれます。メッセージフレームには、19秒目にtime[0]、49秒目にnoticeビットが含まれている ため、±1分以内の精度で時間を知っている受信機は、 それらに同期できます。
メッセージは複数のメッセージフレームにまたがることが想定されています。
毎時10～16分と40～46分の6分間、 1分間のフレームが特別な拡張時間フレームに置き換えられます。1分間に35 ビットの情報を送信する代わりに、6分間で7ビット（時刻と夏時間ステータスのみ）を送信し、送信ビットあたりのエネルギーが30倍になり、標準的な1分間のタイムコードと比較してリンクバジェットが14.8 dB向上します。[ 15 ]： 13～17
360ビットのコードワードは、以下の3つの部分から構成されます。
送信される情報は、1日の中の時刻（48の 30分単位のうちの1つ）と、現在の米国の夏時間状況のみであり、2×48＝96通りのタイムコードが可能である。
夏時間変更のある日には、協定世界時（UTC）の04:10から10:46の間に、さらに2×14＝28個のタイム コードが送信され、夏時間変更が間近に迫っていることを数時間前に知らせる。
WWVBの低周波信号は地表に沿って伝搬しやすいため、送信機から受信機までの信号経路は、電離層と地表の間で反射する際に最も強くなるWWVの短波信号よりも短く、乱流も少なくなります。このため、同じ場所で受信した場合、WWVB信号はWWV信号よりも精度が高くなります。また、長波信号は夜間に遠くまで伝搬する傾向があるため、WWVB信号は夜間により広い範囲をカバーできます。そのため、多くの電波時計は、現地の夜間にWWVB時刻コードに自動的に同期するように設計されています。
WWVBアンテナの放射パターンは、米国本土の大部分とカナダ南部において、一日のうちのある時間帯に少なくとも100μV/mの電界強度を示すように設計されています。この値は熱雑音の閾値をはるかに上回っていますが、人工的な雑音や様々な電子機器からの局所的な干渉によって信号が容易にマスキングされる可能性があります。受信アンテナを電子機器から離れた場所に設置することで、局所的な干渉の影響を軽減できます。
米国国立標準技術研究所（NIST）は、現在のNIST 60kHz、WWVB放送を補完するために、NIST時刻をバイナリコード形式で放送する米国東海岸の低周波ラジオ局の設置を検討している
。「提案されている新しい東海岸放送は、現在のWWVB信号と同じタイムコード形式で動作しますが、搬送波周波数が異なり、おそらく40kHzになります
」と、WWVB局長のジョン・ロウ氏はRWに語った。
昨日2013年3月21日現在、WWVBは
このフォーマットの1日2回の30分番組を終了しました。
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