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SETI@home 如何運作?


SETI@home 究竟在找些什麼?

究竟大家在幫 SETI@home 做什麼? 大家在資料中尋找什麼?這個問題非常容易回答,那就是假設有外星人將「訊息」傳送給我們,而我們則想辦法將「訊息」找出來。假設他們 (外星人) 會以無線電波的方式向外傳遞「訊息」-- 這是最有效率、同時也最容易被我們偵測的訊息傳遞方式,這些無線電波不大可能以全頻率向外發射,因為這種方式會浪費太多能源,不符「經濟效益」;最有可能的方法,是將訊息透過頻率範圍極窄的無線電波(窄波)向外發射,除了節省能源,同時接收端也較容易將混合在宇宙背景雜訊中的窄波訊號「過濾」出來;尤其是雙方距離非常遙遠時,電磁波強度會衰減得極為嚴重。所以 SETI@home 並不對寬頻訊號作分析,而是針對頻率非常特殊的窄頻訊號為搜尋目標。 SETI@home 程式的動作原理非常類似一般的收音機,它不停的切換到不同的頻道,不停的注意著接收的訊號強度,一旦訊號強度有「先遞增、後遞減」的跡象,就會將其相關狀態記錄下來。

而無線電望遠鏡所接收的訊號,堶惟|有一些因素必須加以辨識、排除;如地表本身所散射的電磁波、人造衛星通訊電波....等,這些由地球本身所散射的無線電訊號,不僅有著一定的強度,且會不斷地產生。另一個因素, Arecibo 無線電望遠鏡是一個固定於地面的大型無線電接收設備,不能改變接收仰角,所以它無法對任一星系作鎖定追蹤;而且不斷漂移的星空,使望遠鏡的「鏡頭」焦點也不斷地在星空中移動著。目標物進入「鏡頭」監視範圍到離開監視範圍,只有 12 秒的時間。因此,我們只好假設,在望遠鏡「鏡頭」監視範圍的 12 秒之中,「外星人」湊巧發出強度夠大的訊號,才能被我們收到。參與者所收到的每個 Work-Unit,都是連續 100 秒所接收的資料,每個 Work-Unit 彼此都有小部份重疊,如此,就能確保不會有任何一個重要的關鍵訊號因「切割」而漏失。

See the section on RFI (Radio Frequency Interference) for more details.

Let's look at and some examples. If you have RealAudio, you can also listen to simulations of what it might sound like (though remember that these signals are radio waves, not sound waves…)


Click graph for RealAudio sound
左圖,X軸表時間,Y軸表訊號頻率;當中是一個寬頻訊號,它是由許多不同的頻率混合而成。最左側是強度最弱(亮度較暗表之)的訊號,向右側遞增(亮度增加表之),6 秒後達最大中心強度 (因為此時訊號目標正好位移到望遠鏡「鏡頭」正中央) ;之後 6 秒強度遞減。而這 12 秒,就是我們假設若真有「外星人」發射訊號給我們,遠望鏡只能連續接收其 12 秒的訊號。在宇宙中,有許多天文星體都會發出這樣的寬頻訊號,也因此 SETI 並不會對寬頻訊號作分析並加以排除。

右圖所顯示的窄頻訊號,它的頻率集中在一個非常狹窄的範圍,在 12 秒的時間內,它仍有強弱的變化。我們不知道它的頻寬到底有多窄,所以我們會以多種不同的頻寬範圍對它進行檢測。
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如果咱們的「外星朋友」,真想把確實的訊息加入發射的無線電波中,那麼其訊號應該會以脈波的型式 (如右圖) 呈現出來,這樣也比較容易為我們所發現。

宇宙中任何兩個星系彼此的相對位置,不太可能保時靜止不動;就因為彼此的相對位置會不斷的變化,所以接收之訊號會有都卜勒相移 (Doppler Shifting) 或頻率的改變。在12秒內頻率些微的變化,我們稱為「Chirped Signals」;;這也是我們要檢測的項目之一。
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當然,那些包含脈波的都卜勒相移訊號,我們也要加以檢查。

 

Extra Credit Section: More detail on the analysis

SETI@home 程式對微弱訊號的搜尋能力,比 Arecibo 接收站所採用的 SERENDIP IV 軟體程式要高出十倍;這是因為 SETI@home 程式所採用的是一種極為繁複計算的演算法 - 「Coherent Integration」;目前還沒有電腦設備有充分能力可應付這種數學運算方式。另一方面,則對資料作快速溥立葉轉換 (Fast Fourier Transforms) ,藉此在混合著不同頻率、頻寬與相移率的無線電波中,找出高強度訊號並加以記錄。參與者由 SETI@home 伺服器所收到的 Work-Unit,皆是以上述步驟作處理。

再來則說明,為何 SETI@home 程式會如此「凶猛」的消耗電腦的運算資源。首先我們要對資料作「相移還原」,把都卜勒加速所產生的影響移除。首先,初始範圍從 –5 Hz/Sec 到 +5 Hz/sec,間隔 0.002 Hz/Sec,共執行 5000 次。在其中每一個相移處理中,將時間範圍為 107 秒的資料作相移還原,並以 13.375 秒的間隔分割成 8 個區塊,每個 13.375 秒的區塊再以 0.07 Hz 的頻寬範圍去檢查其電波峰值強度。光是這一步驟,您的電腦就已經做了壹億次運算動作。

這樣還沒完呢,我們必須以其它頻寬再進行檢查!我們將檢查峰值強度的頻寬加倍到 0.15 Hz,相移處理範圍也同步加倍成 –10 Hz/Sec 至 +10 Hz/Sec。雖然檢測範圍是前一步驟的 2 倍,但實際上,運算總量只有前一步驟的二分之一,約伍仟萬次運算動作。

接下來,再將檢測頻寬由 0.15 Hz 加倍到 0.3 Hz(注意,此時起,相移範圍就保時在 –10 Hz/Sec 至 +10 Hz/Sec);這個步驟的運算總量為前一步驟的四分之一,約壹仟貳佰伍拾萬次。如此共進行了 14 次的頻寬加倍處理動作(0.07、0.15、0.3、0.6、1.2、2.5、5、10、20、40、75、150、300、600 與 1200 Hz),累積運算動作為壹億柒仟伍佰萬次;而 SETI 程式有 70% 的工作都集中於窄波的分析。

最後,從混雜著各種頻率、頻寬與相移訊號的無線電波中,初步得到的高強度峰值電波,必須再進行「人工訊號干擾判斷測試」。只有在 12 秒時間範圍內,其訊號強度有「先遞增、後遞減」的情形 ( 12 秒為星空固定目標通過望遠鏡「鏡頭」的時間,而當目標通過「鏡頭」時,接收之訊號強度自然會產生「先遞增、後遞減」的現象),這個訊號才會被列入「可能來自外星文明」並加以考量。

Finding pulsed signals

All the above work is done just to find a continuous extraterrestrial signal - one that's "always on", or an intense pulses. What if our alien friends are trying to signal us with a series of regularly spaced pulses? That means that we must also look for a signal that regularly varies in power over time. SETI@home applies two different tests. One of these tests looks for pulse triplets that are relatively strong. The other test looks for lots of equally spaced, but weak pulses.

The triplet test is pretty simple. For every frequency slice in the spectrum, the computer looks for pulses above a certain threshold value. This threshold is set at a reasonable value so as to reveal a reasonable number of pulses, yet not overwhelm us with noise that would cause us useless calculation. For every pair of pulses above the threshold, the screensaver looks for a pulse exactly in between the two. If it finds one, the screensaver logs it and sends the data back to Berkeley. The screen saver does this intelligently, so that it does not repeat itself in trying ALL pairs. Remember that it must do this for EVERY frequency slice in your 10kHz sample!

The second pulse detection method is a little more complicated. It was developed specially by the SETI@home team just for this purpose. It's called a "fast folding algorithm." Again we do this analysis on every frequency slice in your 10kHz piece of data. This method was designed to detect lots of small repeating pulses in the data. These small pulses may be weak enough to seem lost in the noise and be undetectable. We start by selecting a frequency slice from the data set to examine. We now look at this power vs. time data for the pulses. The screensaver slices up the data into uniform sized time chunks and adds the chunks all together. If the size of the time chunk is the same as (or a multiple of) the period of the pulses, all the pulses will add one on top of the other and we will see the pulses grow out of the noise. The hard part here is that we must guess the correct size for the time slice. Since we have no idea what the frequency of the pulses might be, we have to try ALL the various time periods. Again, the algorithm does this in such a way that it will not repeat work already done. If repeating pulses are found, they are logged and sent back to Berkeley. How long should all these computations take? An average, current model home home computer should take between 10 and 50 hours to complete one work-unit. This assumes that the computer ONLY works on SETI@home.

Depending on how the telescope was moving when the work unit was recorded, your computer will do between 2.4 trillion and 3.8 trillion mathematical operations (flops or floating point operations in technical jargon) to complete its work.

分析一個工作單位,一般的電腦究竟要花費多少時間?若電腦在時間內只用於執行 SETI@home 程式,常見的家用機型約 10 到 50 小時。

現在,大家應該明瞭,為何 SETI@home 需要大家一起來幫忙!

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    本頁譯者為:塏子; 校稿:SFK
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本頁原文網址: http://setiathome.ssl.berkeley.edu/about_seti/about_seti_at_home_4.html