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最擔心微波爐的是……電波天文學家?!

臺北天文館_96
・2016/11/14 ・3128字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

文/胡佳伶

利用可見光觀測的天文學家最討厭光害了,但電波天文學家的煩惱可不太一樣,他們得要擔心微波爐、除草機器人,甚至連 Wi-Fi、手機、電視、廣播訊號都會影響到他們的觀測!

用微波爐熱午餐發現的新天體!

偵測到「佩利頓」信號的帕克斯電波望遠鏡,直徑有64公尺。圖 / Credit : CSIRO
ㄅˋ 偵測到「佩利頓」信號的帕克斯電波望遠鏡,直徑有 64 公尺。圖 / CSIRO

澳洲帕克斯(Parkes)電波望遠鏡偵測到一種神祕的「佩利頓」(peryton)訊號,這種訊號和僅維持幾毫秒的快速電波爆發(FRBs)有些類似,可能與中子星坍塌或是星體合併有關。

帕克斯天文台所偵測到的「佩利頓」信號。圖 / By Petroff, E. et al.
帕克斯天文台所偵測到的「佩利頓」信號。圖 / By Petroff, E. et al.

天文學家展開追查,發現訊號幾乎都在午餐時出現。直到某天有位研究人員在廚房裡微波午餐,卻沒耐性等微波爐停止,就打開微波爐的門,就在那個那一個瞬間,望遠鏡也探測到了佩利頓訊號……。於是天文學家裝設電波監測器反覆測試後,得到了以下結論:

「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」

圖/Chris Kelly@flickr, CC BY 2.0
圖/Chris Kelly@flickr, CC BY 2.0

嗯,這給我們的啟示是:使用微波爐務必要等停止運轉後再打開,否則可能會發現意想不到的新天體!整起事件看來有些烏龍,但認真的天文學家還就此在《皇家天文學會月報》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)發表了一篇論文呢!

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論文中指出「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」。圖/《臺北星空》提供
論文中指出「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」。圖/《臺北星空》提供

天文學家抗議 iRobot 研發除草機器人

電波天文學家不但要擔心微波爐,連掃地機器人也得操心!以掃地機器人聞名的 iRobot公司研發的除草機器人,引起電波天文學家的不滿。美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory,簡稱 NRAO)為此在美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission,簡稱 FCC)與 iRobot 進行激烈的辯論。

iRobot公司所生產的掃地機器人。圖 / Credit : iRobot
iRobot 公司所生產的掃地機器人。圖 / iRobot

原來這是因為 iRobot 公司向 FCC 申請批准使用一個特定的無線電頻段,以用作限制除草機器人活動範圍的虛擬牆。沒想到他們所申請的發射頻率,恰巧是在 6240 – 6740 MHz ── 天文學家利用電波望遠鏡監測太空中甲醇訊號的波段,而甲醇訊號被認為與恆星形成區域有關。NRAO 在寫給 FCC 的公開信中,呼籲不要核准 iRobot 公司的申請,他們在信裡寫道:

「NRAO 所屬的電波望遠鏡正在繪製宇宙地圖,以極高精度測量恆星形生區的距離,探尋星系的演化歷程。」

iRobot 公司提出了應對方案──他們在使用手冊中加了一項:「消費者僅限於居住區域使用」,他們認為這將能確保除草機器人不會出現在電波天文台附近。但美國國家電波天文台則認為這項條文的效果令人難以信服,根本無法限制居住在電波望遠鏡附近的居民使用此產品。iRobot 公司的律師曾經前往 NRAO,針對技術性問題進行溝通,當時天文學家就對此表示疑慮,但 iRobot 公司仍然向 FCC 提出頻段申請。

之後 NRAO 和 iRobot 雙方開始各自計算虛擬牆所採用的信號樁可能造成干擾的範圍大小,NRAO 計算的結果是 88.5 公里,而 iRobot 的計算結果則是 19.3 公里,他們並宣稱 NRAO 附近的大部分地區是沙漠和森林,並不是常會使用除草機器人的區域 ── NRAO 對此的評論則是:「愚蠢至極」。還好,FCC 的態度是「應採取一切可行措施,保護電波天文觀測不受干擾」。

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iRobot所研發的除草機器人,利用信號樁形成的虛擬牆限制機器人的活動範圍。圖 / Credit : iRobot
iRobot 所研發的除草機器人,利用信號樁形成的虛擬牆限制機器人的活動範圍。圖 / iRobot

沒有手機、沒有 Wi-Fi 的小鎮

不少現代人有網路成癮症,隨時都在滑智慧型手機,每到一個地方就會先問問:有沒有 Wi-Fi 可以用?但你能想像在美國西維吉尼亞州,有個人口僅 147 人的綠堤鎮(Green Bank),這裡沒有電視、Wi-Fi、廣播電台,也無法使用手機、藍芽等無線電相關用品。只有急救醫療人員能夠使用無線電通訊器材,居民在外想打電話,只得使用小鎮上唯一的公用電話;想上網,只能用龜速的數據機撥接;甚至有警察在街上巡邏,阻止居民違法使用無線訊號。

直徑100公尺的綠堤電波望遠鏡,是全球最大的可操控電波望遠鏡。圖 / Credit : NRAO
直徑 100 公尺的綠堤電波望遠鏡,是全球最大的可操控電波望遠鏡。圖 / NRAO

你或許好奇什麼樣的人會想定居於此?對三十多名患有「電磁波過敏症」的居民來說,這兒可是天堂!他們無法承受手機訊號、無線網路以及其他電子產品產生的電磁波,身心產生嚴重的不適症狀。

美國聯邦通訊委員會在 1958 年,就將周邊 3 萬 4000 平方公里的區域劃為「國家電波靜止區」(National Radio Quiet Zone),禁用任何會釋放電波的裝置,這裡的山丘地形還能阻擋外來的電波訊號,確保電波望遠鏡的有效運作。美國國家電波天文台所建置的「綠堤電波望遠鏡」(Green Bank Telescope)就坐落在此,直徑達 100 公尺,是全球最大的可操控電波望遠鏡

這裡是可以使用微波爐的,但綠堤電波望遠鏡的天文學家對此可是嚴陣以待,牢牢把它關在由銅特製的法拉第籠(Faraday cage)裡,以阻隔電磁波可能造成的干擾。

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中國建全球最大電波望遠鏡「天眼」,遷徙近萬人

2015年12月16日FAST工程進展。圖 / 新華社記者歐東衢攝。版權:中國科學院國家天文台 FAST 工程
2015年12月16日FAST工程進展。圖 / 新華社記者歐東衢攝。版權:中國科學院國家天文台 FAST 工程

望遠鏡當然是越大越好,直徑 64 公尺的澳洲帕克斯電波望遠鏡、直徑 100 公尺的綠堤電波望遠鏡還不夠看。目前最大的單一鏡面電波望遠鏡是位在波多黎各的阿雷西波(Arecibo)電波望遠鏡,直徑達305公尺。這部望遠鏡在 1974 年向 2 萬 5000 光年外的球狀星團 M13 傳送給外星文明的訊息而聲名大噪,更是受好萊塢青睞,出現在電影 007 系列《黃金眼》的打鬥場面中。

但今(2016)年 9 月,中國的 500 米口徑球面電波望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱 FAST,亦稱「天眼」)即將完工並投入使用,望遠鏡選在貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地興建,這裡有天然的喀斯特地形,有利工程進行;而且當地地處偏遠、遠離城市,擁有較佳的無線電環境。為了讓電波望遠鏡能有更良好的工作環境,中國搬遷周圍 5 公里內 2029 戶約 9110人,每人約可獲得 1.2 萬人民幣的補償,這樣的處置方式引來熱議,部分居民對賠償金額表達不滿。

2008 年前拍攝的 FAST 台址,貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地。圖 / 中國科學院國家天文台 FAST 工程
2008 年前拍攝的 FAST 台址,貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地。圖 / 中國科學院國家天文台 FAST 工程

資料來源


本文轉載自《臺北星空》72 期

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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從 3G 到 6G:行動通信的進化之路
數感實驗室_96
・2024/06/20 ・825字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話,這些似乎是上古時代的科技,其實都發生在過去兩百年內。而手機,作為近五十年來的產物,又經歷了怎樣的演變呢?

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年,一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布,迅速走紅,登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關,但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla,沒錯,這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要,而從 3G 到 6G,行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢?讓我們一起深入了解。

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行動通信的歷史雖然只有短短幾十年,但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭,再到行動通信所帶來的社會變革,每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中,我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi,也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技!

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

參考資料

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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