TWI572183B - Digital timekeeping method and device - Google Patents

Description

數位報時方法及裝置

本發明係關於一種數位報時方法及裝置，係在語音報時系統播報語音內容時，在每一個播報準秒語音辨識標誌內，加入序列的即時數位時間碼，俾使後續經由語音報時網路接收的使用者，不但能接收語音報時信號，且能經由數位解碼還原過程，獲得準確的校時數位資訊，而應用於資訊系統的數位化準確校時。本發明所提出之方法不但使用者可獲得類比的報時語音信號作人工校時，同時也可以有效的獲得準確而即時的數位化校時資訊，包括時間、日期、閏秒，及控制功能等，並擴大其應用領域。

先前語音報時系統為經由電話網路傳遞類比語音的標準時間播送系統，使用者則經由電話撥特定號碼而獲得語音時間訊息。其語音內容包括：標頭、時、分、秒，及最後的準秒標誌信號，但無日期、閏秒等資訊。上述方式，在過去電腦不普遍的時代，目的只針對人工校時而設計，但目前電腦資訊設備已廣泛使用，其系統時間自動化準確校時則是需求殷切，先前技術則顯得難以適用，因其信號內容以人聲來呈現，以目前的技術在使用者端很難廉價而能準確辨認其校時訊息，而達到自動化校時的目的。

先前應用於語音報時的技術，主要是針對時間發送源端產生類比語音時間，而應用電話網路來傳遞，為使用者所用的設計。在下列先前的專利技 術中有提及時間應用的類似概念：US20050129203A1、US20120128080A1、US20090077591A1、110957；另一方面則針對廣播時間在接收端所設計的接收應用技術，並非應用於時間源系統的傳送技術，因此不適用於時間源的播報系統，在下列先前的專利技術中有提及類似的概念：US20040027921A1、US20120142372A1、200633449。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件語音報時方法及裝置。

本發明的目的即在於針對傳統語音報時服務系統提出一種數位報時方法及裝置，擴大其應用範圍。係在現行的語音報時內容及時序配置架構下，在準秒標誌內加入數位校時序列，經由語音報時網路傳遞。接收端則經由簡易解碼還原過程，獲得可用的、完整的數位校時序列，包括時間、日期、閏秒，及控制功能等，使得使用者不但能持續應用原人工校時功能，且能應用數位校時序列達成資訊系統自動化準確校時的目的，並發展應用系統，擴大其應用領域。使用者更可進一步的應用以上這兩種信息作時間正確性的双重核對，提高可靠度。

為達成上述發明目的，本發明係在語音報時系統之輸入端引入標準時間，用來校正內部時間累積單元，經轉化過程產生標準時間的語音及數位資 訊碼，輸出到特定的語音報時網路，供遠端的使用者接收校時。目前，報時機使用語音來播報標準時間，經由電話網路提供給遠端的使用者，用戶端只能用人耳去收聽報時聲音，再進行後續終端設備的人工校時。根據本發明，為了提供數位系統的校時功能及降低使用者使用的複雜度，因此在報時語音準秒標誌內加入序列校時資訊碼。使用者端，則經由去除載波成分、還原基頻的數位時間碼序列，之後再經由數位相關器比對之後，檢出前置序列同步字元。藉由同步字元的檢出，並控制擷取端的移位暫存器，使得接下來的校時位元序列能順利取得相位同步，還原校時訊息，包括日期、時間、閏秒，及相關的控制功能，而能進一步的後續應用。本發明最特別的是，在數位時間資訊擷取當下，並不影響原語音時間功能的呈現。也就是說，人工語音校時所需要的類比聲音仍保留，但更進一步加入數位校時序列，使得校時自動化利用本發明而獲得。

本發明所提出一種數位報時方法及裝置包括：一時間信號檢出器、一時間日期累積器、一不歸零格式轉換器、一數位差分相位移鍵調變器、一微處理控制器、一類比語音時間產生器、一語音時間資料單元，以及一輸出隔離匹配器。當語音報時系統提供報時信號時，首先時間日期累積器會累計基本頻率1MHz的週期時脈，而先後產生時間、日期等數位校時序列。在正常情況下，時間日期累積器被強制同步來自時間信號檢出器所檢出的標準時間。當信號檢出器未檢出時間信號時，則時間日期累積器不受牽制，而處於自由累計狀態。不歸零格式轉換器則將來自時間日期累積器的校時資訊轉換為不歸零的符元碼格式。接下來的數位差分相位移鍵調變器將輸入的數位校時序列，經由差分過程完成差分編碼轉換，再經由二元相位移鍵(Binary Phase-Shift Keying,BPSK)調變1kHz的載波信號，最終產生DPSK(Differential Phase Shift Keying，差分相位移鍵) 調變信號供給輸出隔離匹配器。微處理控制器讀取來自時間日期累積器的數位校時序列，依預置的時序，控制類比語音時間產生器。換句話說，就是將數位時間資訊當索引，自語音時間資料單元找出對映的語音檔，產生對映時間的聲音給輸出隔離匹配器。語音時間資料單元，用以存放主要報時內容的預先錄製語音檔。輸出隔離匹配器，用以將前端信號與輸出的信號作隔離，並整合類比時間語音信號及數位時間信號，以及作報時網路之電氣及機械結構匹配，完成信號輸出功能。請參閱圖1所示，為本發明一種數位報時方法及裝置之播報內容及時序配置圖。分段的語音，相隔在播報時序之間，包含「標頭」、「時」、「分」、「秒」，而數位報時的前置同步字元置於準秒字元之前，而準秒字元的最後一個位元的時脈後緣與準秒(第0,10,20,30,40,50秒)同步。完整校時資訊，及結束控制字元則放置在準秒之後。最後，利用一段240毫秒長度的1kHz的固定音頻信號，作為準秒語音通告。

101‧‧‧時間信號檢出器

102‧‧‧時間日期累積器

103‧‧‧不歸零格式轉換器

104‧‧‧數位差分相位移鍵調變器

105‧‧‧微處理控制器

106‧‧‧類比語音時間產生器

107‧‧‧語音時間資料單元

108‧‧‧輸出隔離匹配器

301‧‧‧類比濾波器

302‧‧‧史密特觸發器

303‧‧‧波形重整單元

304‧‧‧位置標誌檢出單元

305‧‧‧準秒時脈檢出單元

306‧‧‧校時資訊檢出單元

401‧‧‧內頻產生單元

402‧‧‧內/外頻率選擇器

403‧‧‧除法器

404‧‧‧次秒累積單元

405‧‧‧時間累積單元

406‧‧‧日期累積單元

407‧‧‧閏秒及控制功能產生單元

408‧‧‧輸入暫存器

409‧‧‧輸出暫存器

501‧‧‧位元差分單元

502‧‧‧位元延遲單元

503‧‧‧數位反相器

504‧‧‧除法器

505‧‧‧類比濾波器

506‧‧‧弦波反相器

507‧‧‧類比開關

圖1係為本發明一種數位校時方法及裝置之播報內容及時序配置圖；圖2係為本發明一種數位校時方法及裝置之系統架構圖；圖3係為本發明之時間信號檢出器方塊圖；圖4係為本發明之時間日期累積器方塊圖；圖5係為本發明之數位差分相位移鍵調變器方塊圖；圖6係為本發明一種數位校時方法及裝置之語音時間資料檔。

本發明係針對一種數位報時的方法及裝置，係在語音報時系統每間隔10秒播報類比語音內容時，利用在每一個播報準秒語音辨認標誌內加入序列的即時數位時間碼，使其成為報時內容的一部分，俾使後續經由語音報時網路接收的使用者，不但能接收類比語音報時信號，經由人耳以人工校時，且能經由數位解碼還原過程，獲得數位校時序列，包括日期、時間、閏秒，及控制功能等，而進一步的應用於其資訊系統的自動化準確校時。本發明提供一可靠且低複雜度的類比語音信號與數位時間信號的合併方法及裝置，供傳時及校時應用。

請參閱圖2所示，為本發明數位校時裝置之系統架構圖，包括：時間信號檢出器101、時間日期累積器102、不歸零格式轉換器103、數位差分相位移鍵調變器104、微處理控制器105、類比語音時間產生器106、語音時間資料單元107，以及輸出隔離匹配器108。本發明係將接收到的信號送到時間訊號檢測器101，利用濾波器及史密特(Schmitt)觸發電路檢出時間源的校時資訊，供時間日期累積器102校正。

請參閱圖3所示，為本發明一種數位報時方法及裝置之時間信號檢出器方塊圖，係由一個類比濾波器301、一個史密特觸發器302、一個波形重整單元303、一個位置(Position)標誌檢出單元304、一個準秒時脈檢出單元305，及一個校時資訊檢出單元306所組成。圖3中，首先，輸入信號進入類比濾波器301，將傳送過程所引入的雜訊濾除，再經由史密特觸發器302的遲滯特性，將信號波形修剪為數位電路所能處理的方形波，再經由波形重整單元303將一些干擾脈衝(Glitch)去除，使還原基頻校時資訊。之後，其中一路經由位置標誌檢出單元304檢出間隔10毫秒的位置標誌同步信號提供給準秒時脈檢出單元305檢出同步的準秒信號；同時，另一路經由校時資訊檢出單元306檢出時間、日期、閏秒， 及控制功能，校正下一級的時間日期累積器102所產生的時間、日期、閏秒，及控制功能等。

請參閱圖四所示，為本發明一種數位校時方法及裝置之時間日期累積器102方塊圖，係由一個內頻產生單元401、一個內/外頻率選擇器402、一個除法器403、一個次秒累積單元404、一個時間累積單元405、一個日期累積單元406、一個閏秒及控制功能產生單元407、一個輸入暫存器408、及一個輸出暫存器409所組成。圖四中，首先由內頻產生單元401產生內部計時所需的10MHz準確頻率，其準確度優於5x10^-8，作為下一級內/外頻率選擇器402的內頻輸入，另一個輸入為外部標準頻率，其準確度優於內部標準頻率，正常運作時選擇外頻，當外頻故障時，則自動選擇內頻，使達到備用保護的功能。前級的10MHz輸出經由除法器403使輸出為1MHz脈衝，提供次秒累積單元404累計微秒週期，而產生每秒一個脈衝輸出，再提供給下一級的時間累積單元405產生秒、分、時數位資訊，及每24小時產生一個脈衝輸出，提供給日期累積單元406供累計產生日，及年的數位資訊，閏秒及控制功能產生單元407則用來留住外來的閏秒及控制功能狀態。正常情況下，當接到來自時間信號檢出器101檢出的校時訊息時，404、405、406、407等單元經由微處理控制單元105每秒載入(Load)輸入暫存器408所暫存的該101的即時時間、日期、閏秒，及控制功能等資訊，使達到校正的目的。異常情況下，當沒接到101信息時(失去同步)，上述404、405、406、407等各時間日期單元雖持續運作，但微處理控制單元105停止每秒載入或校正動作。此時，仍能維持高準確的校時資訊一段期間(期間長短依402所選擇的內外頻振盪器準確度而定)。最後，404、405、406、407等單元所產生的秒、分、時、日、年、閏秒，及控制等資訊送到輸出暫存器409暫存，供後續處理。

接下來，利用不歸零格式轉換單元103將前級時間日期累積器102所輸出的校時資訊轉換成不歸零(除了0，1所代表的電位外，無其它停留或電位)二進位符元格式。

請參閱圖5所示，為本發明一種數位校時方法及裝置之數位差分碼產生器方塊圖，其組成包括一個位元差分單元501、一個位元延遲單元502、一個數位反相器503、一個除法器504、一個類比濾波器505、一個弦波反相器506，及一個類比開關507。首先，將不歸零格式轉換器103輸出訊號A(n)送入位元差分單元501，將輸入的位元資訊與位元延遲單元502輸出A(n-1)的位元資訊作位元差分運算，其輸出再經由數位反相器503作位元反相，得輸出位元序列D(n)。D(n)送到類比開關單元507作為控制載波輸出的調變信號，同時D(n)也回體送入位元延遲單元502，作一位元的延遲運算，得D(n-1)，構成一個完整差分位元運算迴路，其數位邏輯運算如下所示： D(n)=NOT(D(n-1)XOR A(n))

其中，A(n)為輸入信號的資訊序列，D(n)為差分編碼資訊序列的輸出，XOR及NOT分別為數位邏輯運算的「互斥或」運算元，及「反相」運算元。

接下來，利用除法器504將前述除法器403的1MHz輸出除1K得到1KHz的方波輸出，經1KHz的類比濾波器505濾除諧波得到1KHz的弦波(為本發明的載波信號)，再經由弦波反相器506做180°弦波反相。因此，得到相位差180°的兩路弦波信號，分別輸入類比開關單元507，經由前述數位反相器503輸出的D(n)作BPSK調變，最終得到DPSK調變信號供給輸出隔離匹配單元108。BPSK調變信號表示如下：

其中，Y(t)為已調變信號輸出，A _c cos(2πf _c t)為載波信號，symbol代表調變信號，即為不歸零的數位差分碼。當symbol=1時，Y(t)=A _c cos(2πf _c t)和載波同相；反之，當symbol=0時，Y(t)=A _c cos(2πf _c t+180°)=-A _c cos(2πf _c t)，和載波反相。換言之，只要數位調變信號symbol有“0”和“1”的變化，Y(t)之相位就會有180°之變化。

接著，利用微處理機控制器105攫取時間日期累積器102累計的時間、日期資訊，依此資訊於正確的時序控制類比時間語音產生單元106將時間資訊作為索引，讀取語音時間資料單元107所儲存的對映時間語音資料檔，並經由檔案格式辨認、解壓縮，及數位類比轉換，還原成「人聲」時間信號，提供給輸出隔離匹配器108，使後續單元能達到即時語音報時為目的。

請參閱圖6所示，為本發明一種數位報時方法及裝置之語音時間資料單元107之完整語音資料檔。有標頭、時、分、秒、及結尾。「標頭」是「下面音響」的語音；「時」含24個小時標籤的語音；「分」含60個分標籤的語音；「秒」含6個秒標籤的語音；結尾為固定1KHz頻率，240毫秒長的音響，即為準秒語音通告信號。

最後，輸出隔離匹配單元108接受來自數位差分相位移鍵調變器104的已調變DPSK載波信號，及來自類比時間語音產生單元106的時間語音信號(兩輸入跟據圖一時序配置)。其功能，一方面作信號隔離，避免負載效應影響前級正常運作，並整合類比時間語音信號及數位時間信號，另一方面作電話網路電氣信號及機械結構匹配，完成信號輸出功能。

先前傳統的技術主要是針對語音報時應用所設計，在電話網路傳送類比的「人聲」標準時間，此種方式只針對人工校時而設計，不適用於現代化、自動化校時需求。另一方面，針對先前傳統技術所設計的校時內容，只有每日的時、分、秒語音信息，缺乏提供日期、閏秒，及控制功能等訊息的能力，而不適用於需求日期、閏秒調整，或其它控制功能的應用系統。本發明所提供針對語音報時系統之數位報時方法及裝置，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明加入數位化的校時資訊，可大幅降低使用者自動化校時的成本及複雜度。

2.本發明加入數位化的時間、日期、閏秒，及控制功能等，使用者可得到準確且完整的校時資訊。

3.本發明同時提供類比及數位化時間訊息，使用者不但可保有原語音校時功能，也可經由數位化訊息擴展其應用領域。

4.本發明由於同時提供類比及數位化校時訊息，因此使用者可經由同時接收兩種信息作時間正確性的双重核對。

5.本發明之信號傳送依附在原傳送網路，不須另架設網路。因此，建設成本低廉，且容易深入一般家庭，應用效益高。

上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

101‧‧‧時間信號檢出器

102‧‧‧時間日期累積器

103‧‧‧不歸零格式轉換器

104‧‧‧數位差分相位移鍵調變器

105‧‧‧微處理控制器

106‧‧‧類比語音時間產生器

107‧‧‧語音時間資料單元

108‧‧‧輸出隔離匹配器

Claims (11)

1. 一種數位報時裝置，包括：一時間信號檢出器，用以檢出來自時間源的時間信號，並檢出時間源的校時資訊；一時間日期累積器，用以累計時間信號的基本頻率1MHz的週期時脈，以產生時間、日期之數位校時序列；一不歸零格式轉換器，用以將數位校時序列轉為不歸零符元格式之數位校時序列；一數位差分相位移鍵調變器，用以將不歸零符元格式之數位校時序列轉換為DPSK(Differential Phase Shift Keying，差分相位移鍵)調變輸出；一微處理控制器，讀取來自時間日期累積器的數位校時序列，依預置的時序，控制類比語音時間產生器；一類比語音時間產生器，用以將時間資訊當作索引找出對映的語音檔，產生對映時間的語音；一語音時間資料單元，用以儲存並提供語音時間資料檔；以及一輸出隔離匹配器，用以將前端信號與輸出的信號作隔離，並整合類比時間語音信號及數位時間信號。
2. 如請求項1所述之數位報時裝置，其中該時間信號檢出器包括：一類比濾波器，用以將傳送輸入信號過程所引入的雜訊濾除；一史密特觸發器，用以將輸入信號波形修剪為數位電路能處理的方形波；一波形重整單元，用以將方形波的干擾脈衝去除使還原校時數位資訊；一位置標誌檢出單元，用以將校時數位資訊檢出間隔10毫秒的位置標誌同步信號；一準秒時脈檢出單元，用以將位置標誌同步信號檢出同步的準秒信號；以及 一校時資訊檢出單元，用以將位置標誌同步信號檢出時間、日期之數位校時序列。
3. 如請求項1所述之數位報時裝置，其中該時間日期累積器包括：一內頻產生單元，用以產生內部計時所需的10MHz頻率；一內/外頻率選擇器，用以選擇內頻產生單元產生的10MHz頻率為內部頻率或外部頻率；一第一除法器，用以將10MHz頻率除1k變為1MHz的脈衝輸出；一次秒累積單元，累計1MHz的脈衝，產生每秒一個脈衝輸出；一時間累積單元，利用次秒累積單元所產生的脈衝輸出產生秒、分及時數位資訊，並於每24小時產生一個脈衝輸出；一閏秒及控制功能產生單元，用來留住外來的閏秒及控制功能的狀態；一輸入暫存器，用以暫存檢出的外來信號的數位資訊、閏秒，及控制功能；以及一輸出暫存器，用以將次秒累積單元、時間累積單元、日期累積單元，以及閏秒及控制產生單元所產生的資訊暫存。
4. 如請求項1所述之數位報時裝置，其中該數位差分相位移鍵調變器包括：一位元差分單元，用以接收不歸零格式轉換器輸入之訊號，並將輸入訊號之位元資訊與一位元延遲單元輸出之位元資訊作位元差分運算；一數位反相器，用以將位元差分運算後的位元作位元反相，以得輸出位元序列；一第二除法器，用以將第一除法器輸入1MHz方波除1K轉為1KHz的方波輸出；一類比濾波器，用以將輸入的1KHz方波過濾，去除諧波得到基本頻率的1KHz弦波； 一弦波反相器，用以將輸入的1KHz弦波之相位反相180°，以得到相位差180°的兩路弦波信號；以及一類比開關單元，用以將輸出位元序列作為控制載波輸出的調變信號，同時將輸出位元序列回饋送入位元延遲單元，作位元的延遲運算，及將兩個相位差180°的弦波透過的數位反相器輸出的輸出位元序列作BPSK調變，以得到DPSK調變信號。
5. 如請求項1所述之數位報時裝置，其中該時序為每10秒間隔的第1秒「標頭」、第3秒「時」、第4秒「分」、第6秒「秒」，及第10秒「數位碼」加結尾音響。
6. 如請求項5所述之數位報時裝置，其中數位碼包括前置同步字元、準秒字元(最後位元的脈衝後緣為準秒)、主要校時資訊，以及結束字元。
7. 如請求項6所述之數位報時裝置，其中數位碼之主要校時資訊包括時間、日期、閏秒字元序列或其它控制字元。
8. 一種數位報時方法，其步驟包括：a. 當語音報時系統提供報時信號時，時間日期累積器會累計基本頻率1MHz的週期時脈而產生時間、日期、閏秒，及控制功能之數位校時序列，透過時間日期累積器同步來自時間信號檢出器所檢出標準時間源的時間信號，當信號檢出器未檢出時間信號時，則時間日期累積器自行運作計數；b. 利用不歸零格式轉換器將來自時間日期累積器的數位校時序列轉換為不歸零符元格式之數位校時序列；c. 利用數位差分相位移鍵調變器將輸入不歸零符元格式之數位校時序列，經由差分過程轉換為差分編碼序列，再經由二元相位移鍵調變過程，最終產生DPSK(差分相位移鍵)信號； d. 利用微處理控制器讀取來自時間日期累積器的校時資訊，依預置的時序，控制類比語音時間產生器，換句話說，就是將時間資訊當索引，自語音時間資料單元找出對映的語音檔，產生對映時間的聲音給輸出隔離匹配器；e. 利用輸出隔離匹配器，用以將前端信號與輸出的信號作隔離，並整合類比時間語音信號及數位時間信號，以及作播報網路電氣及機械結構匹配，完成信號輸出功能。
9. 如請求項8所述之數位報時方法，其中時間信號檢出器檢出時間信號之步驟包括：a. 當標準時間源的時間信號流入時，首先利用類比濾波器將傳送過程所引入的雜訊濾除；b. 利用史密特觸發器的遲滯特性將類比信號波形修剪為數位電路能處理的方形波；c. 利用波形重整單元將方形波不需要的干擾脈衝(Glitch)去除，使還原校時數位資訊；d. 利用位置標誌檢測單元檢測校時數位資訊，得到間隔10毫秒同步於時間源的位置標誌信號；e. 利用準秒時脈單元檢測位置標誌信號，得到同步於時間源的準秒標誌信號；f. 利用時間資訊檢出單元檢測位置標誌信號，得到時間、日期、閏秒及控制功能等數位校時序列。
10. 如請求項8所述之數位報時方法，其中時間日期累積器用以產生時間、日期、閏秒，及控制功能之數位校時序列，其步驟包括： a. 內/外頻率選擇器的內頻輸入由內頻產生單元供應10MHz頻率，而外頻輸入則由外部標準頻率供應1MHz頻率，外頻準確度優於內頻，正常運作時選擇外頻輸入，當外頻故障時，則自動選擇內頻輸入，使達到備用保護的功能；b. 10MHz輸入經由除法器使輸出轉變為1MHz的脈衝提供次秒累積單元累計微秒週期，而產生每秒一個脈衝；c. 時間累積單元累計產生秒、分、時數位資訊、及每24小時產生一個脈衝；d. 日期累積單元累計產生日、及年的數位資訊，閏秒及控制功能產生單元則用來留住外來的閏秒及控制功能狀態；e. 在外部輸入信號正常情況下，微處理控制單元每秒載入輸入暫存器暫存的來自時間信號檢出器的即時時間、日期、閏秒，及控制功能狀態等資訊，異常情況下，當沒接到外來信號時(失去同步)，各時間日期單元仍然運作，但微處理控制單元停止每秒載入動作；f. 次秒累積器、時間累積器、日期累積器，以及閏秒及控制功能產生單元所產生的秒、分、時、日、年、閏秒，及控制功能等資訊送到輸出暫存器暫存。
11. 如請求項8所述之數位報時方法，其中數位差分相位移鍵調變器將校時資訊轉換為差分相位移鍵調變信號，其步驟包括：a. 位元差分單元將目前的校時位元與前一校時位元作差分運算，再經由數位反相器作位元反相，此時分成兩路，一路送至類比開關單元，另一路則回饋送入位元延遲單元；b. 位元延遲單元則將回饋的前一位元作一個位元的延遲，再送回位元差分器，構成一個完整差分位元運算迴路；c. 利用除法器除1MHz得到1KHz的方波輸出，經類比濾波器得到1KHz的弦波作為載波信號； d. 弦波反相器將c.之1KHz弦波作180°反相，得到相位差180°的兩路弦波信號；e. 類比開關單元，輸入d.之兩個相差180°的兩路弦波信號，經由數位校時序列作調變，得到差分相位移鍵調變信號輸出。