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什麼是時頻電台?

時頻電台用電波傳送時間資訊,因為電磁波相當光速的傳送速度,可讓接受裝置與發送源之間的延遲誤差極小,同時也可讓所有接收裝置進行同步。換句話說,在一些如深山或離島等無法建設電纜的地形,時頻電台仍然可以利用它超低頻的電波將時間等資訊送入這些地區。其實這樣的服務在國外相當常見,大家在廣告常見的日本電波錶就是這樣的應用,可以接收和解碼日本發送的時頻電波,將最精確的時間資訊傳達它的持有者。

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Figure 1a, Applications of Time Signal Station

一個屬於台灣的自製時頻電台系統

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時頻電台系統的建造是非常昂貴的,以一個在歐洲和日本常見的50千瓦/46%輻射效率的電台系統來說,整體建造經費要價新台幣5億元,對於政府來說已是個沉重的負擔,更別提之後的維運成本。也因此台灣原本要建造時頻電台的計畫胎死腹中。這個緣由導致這個狂妄的計畫的誕生:我們想要設計、研發到製造出一台全新架構的時頻電波發射系統,而且,不能太貴。

一套時頻電台系統由以下三個元件組成:一套基頻調變系統,將資料調變成基頻訊號;一套RF調變/高功率發射機,將基頻訊號調變到RF載波上,並把它加大功率輸出;最後透過一套天線設備將高功率的RF電波發射出去,如圖1b三個區塊所示。縱觀整個設備架構,我們能著力設計和打造的部份,大多是集中在基頻調變系統和RF調變/高功率發射機,也就是本研究注重的主題。至於天線系統就是一板一眼的土木建設,如同AM/FM電台那樣建造大型天線和拉地網,並不是我們能著力之處。

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Figure 1b, General Architecture of Time Signal Station

RF調變/高功率發射機

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因為RF調變/高功率發射機尚在申請專利中,因此我們尚且無法公開太多細節。但我們仍在討論開放專利的可能性,期許能對開放原始碼社群有所貢獻。

基頻調變系統

基頻調變系統的功能是將時間和一些公共資訊調變成二進位碼,再將這些二進位碼以Amplitude-Shift-Keying與Pulse-Width-Modulation的方式調變,再將這些ASK訊號送入RF調變/高功率發射機,打出時頻電波。

這部份最有趣的是我們用了時下當紅的單板電腦,我們選擇了UDOO開發板,它有一顆Freescale IMX6 四核心處理器和一顆Atmel SAM3X8E MCU。這種整合CPU和MCU的開發板能夠在有限空間裡完成許多功能,也因此我們選用UDOO來做為我們的開發板。我們讓IMX6執行一個Linux作業系統,運行一個我們開發的C程式,負責從網路進行NTP校時和編碼,再把編碼後的訊息送給了Atmel SAM3X8E進行ASK調變。在這樣的架構下,這些功能和技術的實現並不困難,更重要的是開發成本很低,就完成了過去要ASIC下線或買IC來Layout一塊板子才能做的事。

也許有人會覺得這類基頻調變系統也應該有現成的,但現成的產品價格都很昂貴,一套廠製的低階基頻調變設備,價格至少數十萬元新台幣,這對於預算極低的本研究計畫是難以支出的。

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