Come può un cavo telefonico avere più frequenze contemporaneamente?

Come può un cavo telefonico avere più frequenze?
Nel mio Networks Textbook su DSL vs Dial Up dice quanto segue:

La linea telefonica residenziale trasporta contemporaneamente sia dati che segnali telefonici tradizionali, codificati a frequenze diverse:

• Un canale downstream ad alta velocità, nella banda da 50 kHz a 1 MHz

• Un canale a monte a media velocità, nella banda da 4 kHz a 50 kHz

• Un normale canale telefonico a due vie, nella banda da 0 a 4 kHz

Dalla mia conoscenza di base della fisica, la frequenza di un filo è la velocità con cui inverte la polarità. Quindi se hai un filo, come possono gli elettroni cambiare simultaneamente la polarità 4.000 volte / secondo (per parlare al telefono) e anche 50.000 volte / secondo (per usare DSL)?

Il presupposto alla base della tua domanda - che la frequenza misurata è la velocità con cui gli elettroni invertono la polarità - è errato. La frequenza di un segnale sul trasmettitore, sul ricevitore o in qualsiasi punto intermedio corrisponde fisicamente all'arrivo ciclico di una tensione.

Ad esempio, in un'applicazione digitale che utilizza la modulazione di ampiezza (supponiamo che la codifica on-off sia semplice), è possibile misurare la frequenza in base al numero di impulsi "on" rilevati per unità di tempo. Nelle comunicazioni RF, ciò potrebbe corrispondere a una tensione logicamente alta, oppure nelle comunicazioni ottiche potrebbe corrispondere all'arrivo di un gran numero di fotoni. Nel caso ideale, uno stato logico basso o spento corrisponderebbe a una tensione pari a zero o all'arrivo di nessun fotone, ma le correnti oscure e le imperfezioni dei modulatori raramente lo fanno.

In termini di implementazione, un'implementazione semplice e diretta alla trasmissione di due frequenze RF separate su un singolo supporto (un filo di rame) è mediante l'uso di due catene di trasmissione complete per codificare i dati alle due frequenze portanti distinte, e quindi il uso di un combinatore RF per ottenere le due uscite dai trasmettitori su un singolo filo di rame. Il ricevitore può essere implementato in diversi modi, ma un metodo semplicistico sarebbe quello di utilizzare un divisore di potenza RF per creare due copie del segnale e quindi utilizzare un filtro passa alto su uno e un filtro passa basso sull'altro. È quindi possibile continuare con la normale catena di ricevitori.

Come altri hanno già detto, più frequenze possono essere presenti su un filo contemporaneamente. La presenza istantanea di più frequenze non indica però tensioni multiple; ci sarà necessariamente una singola tensione in un dato punto del filo (purché la tensione sia definita tra quel punto e un riferimento comune, generalmente a terra). Per un arco di tempo, tuttavia, è possibile costruire un segnale campionando a intervalli regolari. Quel segnale non sembrerà un'onda sinusoidale normale se sono presenti più frequenze, a causa del principio di sovrapposizione. Se scegli due frequenze portanti, diciamo 5 kHz e 5 MHz, moduli i dati su entrambi e quindi sommi i segnali modulati risultanti, potresti ricevere un segnale molto particolare nel dominio del tempo.

Su "un filo" può esserci una sola tensione presente in qualsiasi momento nel tempo in un determinato punto su quel filo. Quindi se aggiungi due onde sinusoidali la somma non è più un'onda sinusoidale ma qualcos'altro. Anche gli elettroni si muovono nello stesso modo complesso. Osservare la fonte dell'animazione .

Più frequenze aggiungi, più complesso diventa il segnale. Da un certo numero di frequenze come nel caso dell'ADSL / VDSL, il segnale combinato appare come rumore su un analizzatore di spettro o un oscilloscopio e diventa incomprensibile per il cervello umano.

In che modo la moltitudine di frequenze che compongono un brano musicale può essere trasmessa con successo a un altoparlante e riprodotta in gran parte senza errori?

Gli altoparlanti sono collegati con fili e anche i microfoni: in linea di principio non c'è alcuna differenza. Accade così che un filo telefonico porti frequenze molto più alte, ma il principio è lo stesso.

Qualsiasi mezzo che trasporta una singola frequenza è generalmente in grado di trasportare una moltitudine di frequenze. Aria per esempio: puoi parlare con il tuo vicino e il modello vocale che produci è una moltitudine di frequenze in continua evoluzione.

I trasmettitori radio condividono tutti lo stesso supporto e non vi è alcun problema a distinguere una trasmissione a 98,4 MHz e un'altra a 99 MHz.

Devi guardare la sovrapposizione e i sistemi lineari. Come esempio di frequenze multiple su un filo, un'onda quadra ha molte armoniche.

C'è un problema ancora più fondamentale nella tua domanda rispetto a quello indicato nelle altre risposte.

"Simultaneamente" è un concetto nel dominio del tempo. La frequenza è un concetto di dominio della frequenza.
Queste sono trasformazioni di Fourier l'una dell'altra, quindi sono concetti "doppi", non concetti ortogonali.

È certamente possibile avere un segnale con due frequenze: basta aggiungere due coseni di frequenze diverse insieme; il segnale "simultaneamente" ha due frequenze.

Ma dire che il segnale "simultaneamente" ha due frequenze non avrebbe senso perché "simultaneamente" si riferisce a un singolo istante nel tempo, e se ti limiti a un singolo istante nel tempo, non puoi assolutamente sapere nulla delle varie frequenze presenti.
(Questo è il principio di incertezza frequenza-tempo, che dovrebbe ricordare il principio di incertezza di Heisenberg.)

Una volta che inizi a guardare tutte le possibili frequenze, la nozione di tempo diventa insignificante.

All'interno di una sola conversazione telefonica ci sono molte molte frequenze (che cambia con il tono della voce se non altro)! Le onde a frequenze diverse vengono sovrapposte per creare la forma d'onda risultante. Se questo non funzionasse, l'unico suono che potresti sentire, mai, è sinusoidale di varia tonalità.

Un filo può trasportare più segnali elettrici proprio come l'aria può trasportare più suoni.

Immagina di essere in una stanza tranquilla e un violino inizia a suonare una nota. Un'unica frequenza che senti attraverso le vibrazioni nell'aria.

Quindi viene raggiunto da un violoncello. Ora hai due frequenze che viaggiano attraverso un mezzo fino ai timpani. Puoi sentire che sono diversi e con l'allenamento puoi dire quale nota suonava ciascuno.

Funziona esattamente lo stesso nel filo solo con elettroni piuttosto che molecole d'aria.

Dopo la modulazione e la trasmissione dalla sorgente, il segnale finale sul filo è un singolo segnale. Prova a tornare all'era pre-digitale del cavo in cui hai collegato i tuoi fornitori di TV via cavo direttamente alla tua TV e sei riuscito a guardare qualsiasi canale.

E se avevi due TV in quei momenti, puoi guardare contemporaneamente due canali diversi che erano presenti sullo stesso filo. Nota che sto parlando di vecchi tempi in cui NON ti serviva una scatola della tua compagnia via cavo per vedere i canali.

Ora torniamo al singolo segnale sul filo. È sempre solo un singolo segnale. La magia accade all'estremità ricevente. È possibile inviare lo stesso segnale singolo a ricevitori diversi. Per una ricezione e un'elaborazione chiare e di successo, sarà necessario un circuito per sintonizzarsi sulla frequenza desiderata. Questi sono chiamati filtri passa-banda. Questi circuiti elaborano il singolo segnale complesso, ma rispondono solo a determinate caratteristiche di temporizzazione del segnale di ingresso. Tutto ciò che non conferma questa tempistica viene eliminato (il termine corretto viene attenuato). La parte del segnale che corrisponde alla temporizzazione è autorizzata a mantenere la sua potenza del segnale. L'uscita di questo circuito è ora solo il segnale che il dispositivo vuole elaborare.

Lo stesso segnale singolo può essere inviato a un altro dispositivo sintonizzato su un'altra frequenza. Quindi la sua uscita sarà la seconda frequenza su cui è stata sintonizzata.

Né la prima uscita né la seconda uscita, ora contengono gli altri segnali. Se si tenta di alimentare queste uscite a un altro dispositivo e sintonizzare un'altra frequenza, non si otterrà nulla.

Per una spiegazione dettagliata, dovrai cercare su Google e capire come funzionano i circuiti LC (anche RC). Le caratteristiche combinate di carica e scarica dei componenti LC sono ciò che determina la frequenza di sintonia.

Esiste anche un altro modo di accordare chiamato filtro di arresto di banda.

Ora, come fa il trasmettitore in grado di ottenere che molti segnali combinati su un filo, sia un campo completamente separato.