Как телефонный провод может иметь несколько частот одновременно?

Как телефонный провод может иметь несколько частот?
В моем учебнике по сетям о DSL vs Dial Up говорится следующее:

Жилая телефонная линия одновременно передает как данные, так и традиционные телефонные сигналы, которые кодируются на разных частотах:

• Высокоскоростной нисходящий канал в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц

• Канал восходящего потока средней скорости, в диапазоне от 4 кГц до 50 кГц

• Обычный двусторонний телефонный канал в диапазоне от 0 до 4 кГц

Исходя из моих базовых знаний по физике, частота провода - это скорость, с которой он меняет полярность. Итак, если у вас есть один провод, как электроны могут одновременно менять полярность 4000 раз в секунду (для разговора по телефону), а также 50 000 раз в секунду (для использования DSL)?

Основное предположение в вашем вопросе - что измеряемая частота - это скорость, с которой электроны меняют полярность, - неверно. Частота сигнала на передатчике, приемнике или где-либо между ними физически соответствует циклическому поступлению напряжения.

Например, в цифровом приложении, использующем амплитудную модуляцию (для простоты предположим, что включено-выключено), вы можете измерить частоту по количеству включенных импульсов, которые вы обнаружите за единицу времени. В радиосвязи это может соответствовать логике высокого напряжения или в оптической связи это может соответствовать прибытию большого количества фотонов. В идеальном случае логически низкое или выключенное состояние соответствует нулевому напряжению или появлению фотонов, но темновые токи и несовершенства модуляторов редко приводят к такому случаю.

С точки зрения реализации, простая и простая реализация для передачи двух отдельных РЧ-частот на одной среде (медный провод) заключается в использовании двух полных цепей передатчика для кодирования данных на двух разных несущих частотах, а затем использование радиочастотного сумматора для подключения двух выходов передатчиков к одному медному проводу. Приемник может быть реализован несколькими способами, но упрощенным способом будет использование делителя мощности РЧ для создания двух копий сигнала, а затем использование фильтра верхних частот для одного и фильтра нижних частот для другого. Затем вы можете продолжить работу с обычной цепью приемника.

Как уже говорили другие, в проводнике могут одновременно присутствовать несколько частот. Мгновенное присутствие нескольких частот не указывает на наличие нескольких напряжений; обязательно будет одно напряжение в любой заданной точке провода (при условии, что напряжение определено между этой точкой и общим эталоном, обычно заземлением). Тем не менее, за определенный промежуток времени вы можете создать сигнал путем регулярной выборки. Этот сигнал не будет выглядеть как нормальная синусоидальная волна, если присутствует несколько частот, из-за принципа суперпозиции. Если вы выберете две несущие частоты, скажем, 5 кГц и 5 МГц, модулируете данные на обе и затем суммируете результирующие модулированные сигналы, вам может быть представлен очень специфический сигнал во временной области.

На «одном проводе» может быть только одно напряжение в любой момент времени в определенной точке этого провода. Таким образом, если вы добавите две синусоидальные волны, сумма больше не синусоида, а что-то еще. Электроны движутся так же сложным образом. Обратите внимание на источник анимации .

Чем больше частот вы добавляете, тем сложнее становится сигнал. На определенном количестве частот, как в случае ADSL / VDSL, объединенный сигнал появляется в виде шума на анализаторе спектра или осциллографе и становится непонятным для человеческого мозга.

Как можно успешно передать множество частот, составляющих музыкальное произведение, на громкоговоритель и воспроизвести в основном без ошибок?

Динамики соединены проводами, как и микрофоны - разницы в принципе нет. Бывает так, что телефонный провод несет гораздо более высокие частоты, но принцип тот же.

Любая среда, которая несет одну частоту, обычно способна нести множество частот. Например, в эфире - вы можете говорить со своим соседом, и ваша речевая модель представляет собой множество постоянно меняющихся частот.

Все радиопередатчики используют одну и ту же среду, и нет проблем с разграничением одной передачи на частоте 98,4 МГц и другой на частоте 99 МГц.

Вам нужно взглянуть на суперпозицию и линейные системы. В качестве одного примера нескольких частот на проводе, прямоугольная волна имеет много гармоник.

В вашем вопросе есть еще более фундаментальная проблема, чем указано в других ответах.

«Одновременно» является концепцией во временной области. Частота - это понятие в частотной области.
Это преобразования Фурье друг друга, поэтому они являются «двойственными» понятиями, а не ортогональными понятиями.

Конечно, возможно иметь сигнал с двумя частотами: просто сложите два косинуса разных частот; сигнал «одновременно» имеет две частоты.

Но говорить, что сигнал «одновременно» имеет две частоты, было бы бессмысленно, потому что «одновременно» относится к одному моменту времени, и если вы ограничиваетесь одним моментом времени, то вы не можете ничего знать о различных присутствующих частотах.
(Это принцип частотно-временной неопределенности, который должен напоминать вам о принципе неопределенности Гейзенберга.)

Как только вы начинаете смотреть на все возможные частоты, понятие времени теряет смысл.

В одном телефонном разговоре много разных частот (которые меняются в зависимости от высоты вашего голоса, если ничего больше)! Волны на разных частотах накладываются, чтобы создать результирующую форму волны. Если это не сработает, то единственный звук, который вы когда-либо сможете услышать, - это синусоиды различной высоты.

Провод может нести несколько электрических сигналов так же, как воздух может нести несколько звуков.

Представьте, что вы в тихой комнате, и скрипка начинает играть на ноте. Единственная частота, которую вы слышите через вибрации в воздухе.

Затем к нему присоединяется виолончель. Теперь у вас есть две частоты, проходящие через одну среду к вашим барабанным перепонкам. Вы можете слышать, что они разные и с помощью обучения могут определить, какую ноту играл каждый.

Он работает точно так же в проводе только с электронами, а не с молекулами воздуха.

После модуляции и передачи от источника, окончательный сигнал на проводе является единым сигналом. Просто попробуйте вернуться к до-цифровому веку кабельного телевидения, когда вы подключили провайдеры кабельного телевидения напрямую к телевизору и могли смотреть любой канал.

И если у вас было два телевизора в то время, вы можете смотреть два разных канала одновременно, которые присутствовали на одном и том же проводе. Обратите внимание, что я имею в виду старые времена, когда вам НЕ нужна коробка от вашей кабельной компании для просмотра каналов.

Теперь вернемся к единственному сигналу на проводе. Это всегда только один сигнал. Магия происходит на приемном конце. Вы можете подать один и тот же сигнал на разные приемники. Для успешного и четкого приема и обработки вам потребуется схема для настройки на выбранную вами частоту. Это так называемые полосовые фильтры. Эти схемы обрабатывают один комплексный сигнал, но они реагируют только на определенные временные характеристики входного сигнала. Все, что не подтверждает это время, отбрасывается (правильный срок ослабляется). Части сигнала, которые соответствуют синхронизации, разрешено сохранять мощность сигнала. Выход этой схемы теперь является просто сигналом, который устройство хочет обработать.

Тот же единственный сигнал может быть подан на другое устройство, настроенное на другую частоту. Тогда его выход будет второй частотой, на которую он был настроен.

Ни первый, ни второй выходы теперь не содержат других сигналов. Если вы попытаетесь передать эти выходы на другое устройство и настроиться на другую частоту, вы ничего не получите.

Для подробного объяснения вам нужно будет зайти в Google и понять, как работают схемы LC (RC). Комбинированные характеристики заряда и разряда компонентов LC определяют частоту настройки.

Существует также другой способ настройки, называемый полосовым фильтром.

Теперь, как передатчик может получить столько сигналов, соединенных на одном проводе, это отдельное поле.