訊號太弱收不到怎麼辦?藉由「隨機共振」,科學家增強感測器的性能

訊號示意圖

日常生活中,「訊號感測」是很多設備的必要功能,例如手機要能收到 4G/5G 訊號,電腦要能收到 WiFi 訊號等等。然而各個地點的訊號強度不同,很多時候,這些訊號弱到手機、電腦偵測不到;此時,我們就要開始經歷一件超痛苦的事:沒有網路。

該如何提升裝置接收微弱訊號的能力呢?近日,賓州州立大學的研究團隊找到很特別的解方:添加背景噪音。研究團隊發現,添加適當的背景噪音,就能提升訊號強度,讓感測器偵測到。該論文發表於《Nature Communications》期刊。

研究論文 傳送門

透過隨機共振,背景噪音能放大訊號強度

「添加噪音」很不符合直覺。如果收訊差,不是應該降低背景噪音,讓裝置更能感測到訊號嗎?然而,背景噪音能夠與訊號產生隨機共振(stochastic resonance)的現象;也就是說,背景噪音中的特定頻率能與訊號的頻率產生共振,因此能放大訊號強度,讓裝置能偵測到。此外,隨機共振不會放大其餘頻率的背景噪音強度,因此噪音不會對收訊造成干擾。

雖然聽起來很新奇,但隨機共振在自然界很常見。例如例如匙吻鱘(paddlefish)無法藉由視覺看到獵物水蚤(Daphnia),但能感測到水蚤的電流訊號,透過隨機共振,牠們的感測距離能從 50 公尺拉長到 75 公尺,甚至 100 公尺。此外,吉丁蟲(jewel beetle)也能透過隨機共振,感測到 50 英里(80 公里)之外的森林火災,而目前人類最先進的紅外線感測器,僅能感測 10 到 20 英里(16 到 32 公里)的火災。

製造背景噪音所需的能量很低,該技術可用於物聯網裝置

透過同樣的原理,研究人員藉由背景噪音,讓微弱訊號產生隨機共振,進而放大訊號的強度,突破感測器的偵測門檻。雖然在實驗中,研究人員偵測的是光訊號,但同樣的原理也能應用於偵測其他種類的訊號。

關於應用,該原理能用於手機的通訊,也能用於自然觀測,例如偵測地震訊號等等。但重要的是,由於製造背景噪音所需的能量很低,裝置的體積也很小,因此能應用於物聯網的感測器,提升感測的靈敏度。

研究團隊成員 Aaryan Oberoi 表示,這項研究,開創了噪音強化訊號偵測的研究領域。研究團隊的下一步,是要在矽光電二極體感測器(silicon photodiode)導入該技術,提升商用化的可能性。

參考資料

Nature Communications》、《Penn State News》、《PhysOrg》、《Science Daily

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Wikimedia Commons。)

延伸閱讀

量子電腦遇到瓶頸?MIT 實驗發現,「宇宙射線」會影響量子運算的性能
為什麼柔軟的鬍子能讓刮鬍刀變鈍?MIT 找出關鍵要素:異質結構
【靠 AI 拯救瀕臨絕種的大象】工程師團隊開發動物追蹤系統,還將技術全開源!


《TO》深度專題! 

《TO》新專題持續上線! 台灣有沒有機會搭上電動車開發熱潮,打造意想不到的創新服務?訂閱電子報 獲取最新深度報導。

點關鍵字看更多相關文章: