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鯨豚的水下聊天室,與鐵達尼號最後的求救──《茶杯裡的風暴》

三采文化集團_96
・2017/08/19 ・3799字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

在墨西哥西北方的海岸與太平洋之間,有一個長達一千多公里的加利福尼亞灣,向南連接太平洋。海灣內的海域受到兩側高聳山脈的保護,而這些山區大多仍維持原始的狀態。

許多海洋生物在遷徙的過程中,都會進入這個區域休息與覓食。這裡的海象較為安穩,漁夫也可以乘著小船悠閒地捕魚。白天的陽光讓藍色的海面波光瀲灩,漁船受到海浪的搖晃而吱吱作響,這是平靜大海上唯一的聲音。忽然,一隻海豚從一望無際的海面一躍而出,然後伴隨飛濺的水花回到海中,水面上的世界很快地恢復如常的平靜,但實際上,海面下卻一直是個喧鬧的生態系統。

每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音。圖/Pixabay

鯨豚的水中廣播聊天室

海豚潛入水中時,會開始發出高頻的口哨聲(whistle)來識別身分,並利用脈衝式的聲音(clicks)與海豚群交談。每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音,這些聲音會藉由海水傳遞到其他海豚的身上,而海豚的下顎骨則會收集聲音,然後傳到內部的中耳產生聽覺。

海豚不斷發出的口哨聲、脈衝式的聲音和啁啾聲(chirps),會形成一個吵雜的環境,但是這些聲音不只幫助海豚溝通,還可以用來感測周圍的環境。海豚群時常在海面附近玩耍與呼吸,但是往往在忽然之間,牠們就會整群開始下潛,進入海洋更深更藍之處,因為牠們要執行一項重要的任務:狩獵。

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海面上充斥的陽光到了海下會迅速被吸收,因此光可以傳達的訊息非常有限;換句話說,視覺在海面下越深的地方就越沒有用處。雖然海豚擁有視覺,可以在淺層的海水中和跳出海面時使用,但對於光線的感知能力卻相當有限,無法區分顏色。這是因為在海中,顏色幾乎沒有變化,因此牠們的眼睛在演化上就不會出現對應的需求。雖然鯨魚身處在一個湛藍的世界中,不過牠們無法感受到藍色,海水對他們而言相當灰暗。可是鯨魚仍能看到魚身上反射的閃爍光點,這也證明動物之所以看到什麼,完全是依照牠們的需求演化而來。

海水的表面就像一面《愛麗絲夢遊仙境》的鏡子,雖然我們要穿過它不難,但是對於波來說,它卻隔開了兩個世界。海面上的聲波大部分不會進入海水裡,會從表面反彈回空氣中,至於海洋中的聲音也會留在海裡。空氣中的光波傳遞,往往有效而快速,但是光波到了海中就很容易被吸收;因此如果你在海中要獲得關於周圍環境的訊息,聲音是比光更好的選擇,除非是在海面附近,並且是觀察近距離的東西。

雖然海豚擁有視覺,可以在淺層的海水中和跳出海面時使用,但對於光線的感知能力卻相當有限,無法區分顏色。圖/Pixabay

海洋當中的聲音非常豐富。海豚能夠發出人耳聽不見的超音波,頻率是我們聽覺極限的 10 倍,而發出與接收這些短波長(高頻率)的聲波,意味著海豚可以利用回聲來獲得精確的定位,並感知到物體的細節。但是高頻率的聲音無法傳遞太遠,因此在一段距離之外,就不會聽到海豚群喋喋不休的聲音。不過若是頻率較低的聲音,就能傳遞得比較遠,例如一艘遠洋漁船引擎發出的轟轟聲,或是槍蝦(snapping shrimp)發出的衝擊聲,以及深海中一些低頻聲音,只是這些對於海豚來說都是聽不見的。

鬚鯨需要與遠距離的鯨魚溝通,衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。圖/Roderick Eime@Flickr

低頻而遠播的鯨魚頻道

不過也有另外一群海洋動物會使用較低頻的頻道來溝通,牠們就是鯨魚,發出的聲音可以傳到數十公里外。此外,因為鯨魚不需要使用回音定位(echolocation),也就不會像海豚一樣發出高頻的聲音。於是,例如鬚鯨(baleen whales)需要與遠距離的鯨魚溝通,衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。鯨魚聽不到海豚的高頻聲音,海豚聽不到低頻的鯨歌,但這些都發生在海洋當中,因此海洋生物透過選擇不同的頻段,發出或接收屬於自己族群的豐富訊息,可以生活在相近的區域,卻又不會彼此干擾。

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即使海洋中有光波也有聲波,但是不同於海面上或陸地上的世界,聲音是在海中傳遞訊息最重要的方式,因此鯨魚與海豚都是色盲,畢竟在海裡的光線已經缺乏細節,深一點的地方甚至是漆黑一片。

然而海洋內的聲波與大氣中的光波,還是有相似之處。一如波長越長的聲波可以長途傳遞訊息,波長較長的光波也可以在大氣內傳遞相當遠的距離,不會快速衰減。就在一百多年前,人類開始利用波長非常長的無線電波通訊,因為我們生活在大氣中,光波傳遞的效率遠比聲波來得好。無線電波最早用於橫跨大洋的通訊,當年的鐵達尼號要是可以善用這套系統,接收並重視另外一艘船發出的警告訊息,也許就不會沉沒了。

圖/WikimediaCommons

曾經的海上巨人,成為最有名的船難悲劇

1912 年 4 月15 日的凌晨,就在鐵達尼號撞擊冰山後一個小時內,北大西洋的海面上有少數無線電波的圓形脈衝,間歇性地往外擴張,越往外就越弱,並逐漸消失。有些波紋抵達遠處的接收天線,訊息就成功地傳遞到遠方。其中最強烈的波紋,是位於加拿大紐芬蘭南方650 公里處,來自電報員傑克.菲利浦(Jack Phillips)的求救訊號。

傑克利用當時最強大的海上無線電發報機,不斷向周邊的船隻發送訊息,告訴他們世界上最大的船--鐵達尼號正在下沉,並且請求救援。傑克藉由發報機送出的電子脈衝訊號,從甲板上的漏斗狀電線引導到上方的天線,而高高橫掛在空中的天線藉由振盪的電流放出強烈的無線電波,因此在廣大區域內的船隻,藉由船上的天線都能收到訊號,並且解讀訊號中的訊息。

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電報之所以能夠發送出去,是因為無線電在天線上產生後,會朝四面八方擴散出去, 因此你不需要知道接收者所在的位置,所有在周邊的天線都能接收到無線電訊號。鐵達尼號發出的無線電波,可以傳達數百公里遠,在這範圍內的許多船隻,例如卡柏西亞號(Carpathia)、波羅的號(Baltic)、奧林匹克號(Olympic)等等,接收到求救訊號之後即刻前往救援。雖然電報所能夠傳達的訊息相當有限,以今日的角度看起來非常原始,但這是人類最早的海上通訊方式。如果鐵達尼號的悲劇提早二十年發生,那麼這場災難將會無聲無息地沒入冰冷的海水內,而在一週之後,人們才知道這艘船消失了。

沉沒的鐵達尼號。圖/Wikipedia

事實上,鐵達尼號航行的前十年,人類才第一次將無線電應用在橫跨海洋的通訊。只是那個發生在凌晨的恐怖船難,即使附近的船隻盡力救援,但現場黑暗而混亂,許多救援的船也只能無奈地看著悲劇發生。

這些像鋼琴斷音彈奏的電報,並不是隨機的訊號,而是先藉由固定模式編排,以此代表一連串的訊息。當電報員將安排過的訊息,藉由一些裝置讓天線產生無線電波後,它就會以光速往外傳播出去。人類從此進入大量無線電通訊的時代。

迴響天空的求救電波

鐵達尼號的嚴重船難之所以有名,有一部分是因為它發生在一個新時代的開端,顯示出無線電波的巨大通訊潛力,能夠發出求救訊號,讓卡柏西亞號在兩個小時後趕來救援,及時挽救許多人的性命,但同時也暴露出當時的無線電系統有著巨大的瑕疵。電報傳遞的訊息往往會互相干擾,鐵達尼號在出事之前曾經收到另外一艘船的冰山警告,當時鐵達尼號正在與另一方通訊,使得同時間還有其他訊號混雜在其中,造成聽報、發報混淆的狀況,因此有些訊息的片段就會遺失,或是根本沒聽到。

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在當時,發送電報必須要透過其他方式通知對方打開收報機,而且船上發報的系統實際上只是一個開關,藉由開開關關的方式傳遞訊息,再者所有船上的無線電報系統都共用一個頻道。鐵達尼號並非只有透過無線電求救,同時也發射求救照明彈(distress flares),當時鄰近的加州人號(Californian)曾試圖以摩斯信號燈(Morse lamps)與其聯繫。

無線電通訊還有一個方式可以讓它傳遞更遠--當無線電進入大氣層上方(電離層的位置)時,會像遇到鏡子一般地反射回來,因此鐵達尼號的求救訊號不只在海面上向外擴散、掠過,還會藉由反射而傳遞到更遠的地方(因為地球的表面是曲面,如果不經由大氣層的反射,那麼直線傳播的無線電波,將使得在水平線的另外一方無法接收到訊息),達成無線電跨越大洋的通訊。藉由電離層這片「鏡子」,無線電波得以從高空反射到地平線的另外一端,但是對於波長較短的可見光而言,電離層不再是一面鏡子,因此傳遞的距離相當有限。

夜空中充滿電報員傑克發送的無線電波,試圖向所有正打開收報機的船隻傳達求救訊號與鐵達尼號的位置,直到最後,海水淹入電報室、而他也隨之殉職為止。由於無線電的通訊,趕來救援的船隻得以讓載滿 2223 人的鐵達尼號在沉沒時,能有 706 人倖存,這些因為無線電而獲救的人,也見證了往後無線電通訊的發展,從沉默無聲到滿天喧囂,透過這些看不見的波,讓人類的通訊發生史無前例的變革。如今,無線電訊號覆蓋地球所有的角落,人類彼此的通訊達到歷史上從未有過的便利。

 


 

 

本文摘自泛科學2017年8月《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》,三采文化出版。

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三采文化集團_96
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閱讀在生活中不曾改變, 它讓我們看見一句話的力量,足以撼動你我的人生。而產生一本書的力量,更足以改變全世界

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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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