Jak przewód telefoniczny może mieć wiele częstotliwości jednocześnie?

W jaki sposób przewód telefoniczny może mieć wiele częstotliwości?
W moim Podręczniku sieci o DSL vs Dial Up napisano, co następuje:

Domowa linia telefoniczna przenosi jednocześnie dane i tradycyjne sygnały telefoniczne, które są kodowane na różnych częstotliwościach:

• Szybki kanał odbiorczy w paśmie od 50 kHz do 1 MHz

• Kanał upstream średniej prędkości, w paśmie od 4 kHz do 50 kHz

• Zwykły dwukierunkowy kanał telefoniczny w paśmie od 0 do 4 kHz

Z mojej podstawowej wiedzy z fizyki, częstotliwość drutu to szybkość, z jaką odwraca on biegunowość. Więc jeśli masz jeden przewód, w jaki sposób elektrony mogą jednocześnie zmieniać polaryzację 4000 razy na sekundę (w przypadku rozmowy przez telefon), a także 50 000 razy na sekundę (w przypadku korzystania z DSL)?

Założenie w twoim pytaniu - że mierzona częstotliwość jest szybkością, z jaką elektrony odwracają polaryzację - jest nieprawidłowe. Częstotliwość sygnału na nadajniku, odbiorniku lub w dowolnym miejscu pomiędzy fizycznie odpowiada cyklicznemu napięciu napięcia.

Na przykład w aplikacji cyfrowej wykorzystującej modulację amplitudy (dla uproszczenia załóżmy kluczowanie on-off), możesz mierzyć częstotliwość na podstawie liczby impulsów „on” wykrytych w jednostce czasu. W komunikacji RF może to odpowiadać logicznie wysokiemu napięciu, a w komunikacji optycznej może odpowiadać przybyciu dużej liczby fotonów. W idealnym przypadku stan niskiego lub wyłączenia logicznego odpowiadałby napięciu zerowemu lub pojawieniu się żadnych fotonów, ale ciemne prądy i niedoskonałości modulatorów rzadko to robią.

Pod względem implementacji, prosta i prosta implementacja do transmisji dwóch oddzielnych częstotliwości RF na jednym medium (drut miedziany) polega na zastosowaniu dwóch kompletnych łańcuchów nadajnika do kodowania danych na dwóch różnych częstotliwościach nośnych, a następnie zastosowanie łącznika RF do przeniesienia dwóch wyjść z nadajników na pojedynczy drut miedziany. Odbiornik można zaimplementować na wiele sposobów, ale uproszczoną metodą byłoby użycie dzielnika mocy RF do utworzenia dwóch kopii sygnału, a następnie użycie filtra górnoprzepustowego na jednym i filtra dolnoprzepustowego na drugim. Następnie możesz kontynuować normalny łańcuch odbiornika.

Jak powiedzieli inni, wiele częstotliwości może być obecnych jednocześnie na przewodzie. Natychmiastowa obecność wielu częstotliwości nie wskazuje jednak na wiele napięć; w danym punkcie drutu musi koniecznie występować pojedyncze napięcie (o ile napięcie jest określone między tym punktem a wspólnym punktem odniesienia, zwykle uziemionym). Z biegiem czasu można jednak zbudować sygnał, próbkując w regularnych odstępach czasu. Sygnał ten nie będzie wyglądał jak normalna fala sinusoidalna, jeśli występuje wiele częstotliwości, ze względu na zasadę superpozycji. Jeśli wybierzesz dwie częstotliwości nośne, powiedzmy 5 kHz i 5 MHz, moduluj dane na oba, a następnie zsumuj otrzymane sygnały modulowane, możesz otrzymać bardzo osobliwy sygnał w dziedzinie czasu.

Na „jednym przewodzie” może być obecne tylko jedno napięcie w dowolnym momencie w określonym punkcie tego przewodu. Więc jeśli dodasz dwie fale sinusoidalne, suma nie będzie już falą sinusoidalną, ale czymś innym. Elektrony poruszają się również w ten sam złożony sposób. Obserwuj źródło animacji .

Im więcej częstotliwości dodasz, tym bardziej złożony staje się sygnał. Z pewnej liczby częstotliwości, jak ma to miejsce w przypadku ADSL / VDSL, połączony sygnał pojawia się jako szum na analizatorze widma lub oscyloskopie i staje się niezrozumiały dla ludzkiego mózgu.

W jaki sposób mnogość częstotliwości tworzących utwór muzyczny może być z powodzeniem przesyłana do głośnika i odtwarzana w dużej mierze bezbłędnie?

Głośniki są połączone przewodami, podobnie jak mikrofony - zasadniczo nie ma żadnej różnicy. Zdarza się, że przewód telefoniczny przenosi znacznie wyższe częstotliwości, ale zasada jest taka sama.

Każde medium, które przenosi jedną częstotliwość, zwykle jest w stanie przenosić wiele częstotliwości. Powietrze na przykład - możesz rozmawiać z sąsiadem, a wytwarzany przez ciebie wzór mowy jest mnóstwem ciągle zmieniających się częstotliwości.

Wszystkie nadajniki radiowe dzielą to samo medium i nie ma problemu z rozróżnieniem jednej transmisji przy 98,4 MHz i innej przy 99 MHz.

Musisz spojrzeć na systemy superpozycji i liniowe. Jako przykład wielu częstotliwości na drucie, fala kwadratowa ma wiele harmonicznych.

W twoim pytaniu jest jeszcze bardziej fundamentalny problem, niż wskazano w innych odpowiedziach.

„Jednocześnie” jest pojęciem w dziedzinie czasu. Częstotliwość jest koncepcją w dziedzinie częstotliwości.
Są to transformacje Fouriera, więc są to pojęcia „dualne”, a nie pojęcia ortogonalne.

Z pewnością możliwe jest uzyskanie sygnału o dwóch częstotliwościach: wystarczy dodać dwa cosinusy o różnych częstotliwościach razem; sygnał „jednocześnie” ma dwie częstotliwości.

Ale powiedzenie, że sygnał „jednocześnie” ma dwie częstotliwości, byłoby bez znaczenia, ponieważ „jednocześnie” odnosi się do jednej chwili w czasie, a jeśli ograniczysz się do jednej chwili w czasie, prawdopodobnie nie będziesz w stanie nic wiedzieć o różnych obecnych częstotliwościach.
(Jest to zasada niepewności czasowo-częstotliwościowej, która powinna przypominać o zasadzie nieoznaczoności Heisenberga).

Gdy zaczniesz patrzeć na wszystkie możliwe częstotliwości, pojęcie czasu staje się bez znaczenia.

W ramach jednej rozmowy telefonicznej jest wiele wielu częstotliwości (które zmieniają się wraz z wysokością głosu, jeśli nic więcej)! Fale o różnych częstotliwościach nakładają się, aby utworzyć wynikowy kształt fali. Gdyby to nie zadziałało, jedynym dźwiękiem, który można usłyszeć, są fale sinusoidalne o różnej wysokości.

Drut może przenosić wiele sygnałów elektrycznych, podobnie jak powietrze może przenosić wiele dźwięków.

Wyobraź sobie, że jesteś w cichym pokoju, a skrzypce zaczynają grać nuty. Pojedyncza częstotliwość słyszana przez wibracje w powietrzu.

Potem dołącza wiolonczela. Teraz masz dwie częstotliwości podróżujące przez jedno medium do błony bębenkowej. Możesz usłyszeć, że są one różne, a dzięki treningowi można stwierdzić, która nuta gra.

Działa dokładnie tak samo w drucie tylko z elektronami, a nie z cząsteczkami powietrza.

Po modulacji i transmisji ze źródła końcowy sygnał na przewodzie JEST pojedynczym sygnałem. Po prostu spróbuj wrócić do epoki sprzed cyfrowej telewizji kablowej, w której podłączyłeś dostawców telewizji kablowej bezpośrednio do telewizora i mogłeś oglądać dowolny kanał.

A jeśli miałeś wtedy dwa telewizory, możesz oglądać jednocześnie dwa różne kanały, które były obecne na tym samym kablu. Zauważ, że mówię o dawnych czasach, w których NIE potrzebowałeś pudełka od firmy kablowej, aby zobaczyć kanały.

Teraz z powrotem do pojedynczego sygnału na przewodzie. Zawsze jest to tylko jeden sygnał. Magia dzieje się na końcu odbierającym. Możesz podawać ten sam pojedynczy sygnał do różnych odbiorników. Aby odbiór i przetwarzanie przebiegły pomyślnie i wyraźnie, potrzebny będzie obwód do dostrojenia do wybranej częstotliwości. Są to tak zwane filtry pasmowo-przepustowe. Obwody te przetwarzają pojedynczy złożony sygnał, ale reagują tylko na pewne charakterystyki czasowe sygnału wejściowego. Cokolwiek, co nie potwierdza tego terminu, jest usuwane (właściwy termin jest tłumiony). Ta część sygnału, która odpowiada taktowaniu, może utrzymać swoją siłę sygnału. Wyjście tego obwodu jest teraz tylko sygnałem, który urządzenie chce przetworzyć.

Ten sam pojedynczy sygnał może być doprowadzony do innego urządzenia dostrojonego do innej częstotliwości. Wtedy jego moc wyjściowa będzie drugą częstotliwością, do której został dostrojony.

Ani pierwsze wyjście, ani drugie wyjście nie zawierają teraz innych sygnałów. Jeśli spróbujesz podać te wyjścia do innego urządzenia i dostroić się do innej częstotliwości, nic nie dostaniesz.

Aby uzyskać szczegółowe wyjaśnienia, musisz google i zrozumieć, jak działają obwody LC (RC). Połączona charakterystyka ładowania i rozładowywania elementów LC determinuje częstotliwość strojenia.

Istnieje również inny sposób strojenia zwany filtrem pasma zatrzymania.

Teraz, w jaki sposób nadajnik jest w stanie uzyskać tak wiele sygnałów połączonych na jednym przewodzie, to całe oddzielne pole.