Как телефонный провод может иметь несколько частот одновременно?

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

Например, в цифровом приложении, использующем амплитудную модуляцию (давайте для простоты предположим двухпозиционную манипуляцию), вы можете измерить частоту по количеству «включенных» импульсов, которые вы обнаруживаете в единицу времени. В радиочастотной связи это может соответствовать высокому логическому напряжению, а в оптической связи это может соответствовать прибытию большого количества фотонов. В идеальном случае низкий логический уровень или состояние «выключено» соответствовало бы нулевому напряжению или отсутствию фотонов, но темновые токи и несовершенство модуляторов редко делают это возможным.

С точки зрения реализации, прямая и простая реализация передачи двух отдельных РЧ-частот по единой среде (медному проводу) заключается в использовании двух полных цепей передатчика для кодирования данных на двух разных несущих частотах, а затем использование ВЧ сумматора для передачи двух выходных сигналов от передатчиков на один медный провод. Приемник может быть реализован несколькими способами, но упрощенным методом будет использование делителя ВЧ-мощности для создания двух копий сигнала, а затем использование фильтра верхних частот для одного и фильтра нижних частот для другого. Затем вы можете продолжить обычную цепочку получателей.

Как уже говорили другие, в проводе одновременно может присутствовать несколько частот. Однако мгновенное присутствие нескольких частот не указывает на несколько напряжений; в любой заданной точке провода обязательно будет одно напряжение (при условии, что напряжение определяется между этой точкой и общей точкой отсчета, обычно землей). Однако в течение определенного промежутка времени вы можете построить сигнал путем выборки через равные промежутки времени. Этот сигнал не будет выглядеть как обычная 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 обеих, а затем суммируете результирующие модулированные сигналы, вы можете получить очень своеобразный сигнал во временной области.

На «одном проводе» может присутствовать только одно напряжение в любой момент времени в определенной точке этого провода. Поэтому, если вы добавите две синусоидальные волны, сумма будет уже не синусоидой, а чем-то другим. Таким же сложным образом движутся и электроны. Обратите внимание на источник анимации .

Чем больше частот вы добавляете, тем более сложным становится сигнал. На определенном количестве частот, например, в случае ADSL/VDSL, комбинированный сигнал появляется как шум на анализаторе спектра или осциллографе и становится непонятным для человеческого мозга.

Как множество частот, из которых состоит музыкальное произведение, может быть успешно передано в громкоговоритель и воспроизведено без ошибок?

Динамики подключены проводами, как и микрофоны - принципиальной разницы нет абсолютно никакой. Бывает так, что телефонный провод несет гораздо более высокие частоты, но принцип тот же.

Любая среда, несущая одну частоту, обычно способна передавать множество частот. Например, воздух — вы можете говорить со своим соседом, и ваш речевой паттерн представляет собой множество постоянно меняющихся частот.

Все радиопередатчики используют одну и ту же среду, и нет проблем отличить одну передачу на частоте 98,4 МГц от другой на частоте 99 МГц.

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

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

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

Конечно, можно иметь сигнал с двумя частотами: просто сложите вместе 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 ограничитесь одним моментом времени, вы не сможете ничего знать о различных присутствующих частотах.
(Это принцип неопределенности время-частота, который должен напомнить вам принцип неопределенности Гейзенберга.)

Как только вы начинаете рассматривать все возможные частоты, понятие времени становится бессмысленным.

Всего за один телефонный разговор можно услышать много-много частот (которые меняются в зависимости от высоты вашего голоса)! Волны на разных частотах накладываются друг на друга, чтобы создать результирующую форму волны. Если бы это не сработало, то единственный звук, который вы когда-либо могли слышать, — это синусоидальные волны разной высоты.

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

Представьте, что вы находитесь в тихой комнате, и скрипка начинает играть ноту. Единая частота, которую вы слышите через вибрации в воздухе.

Затем к ней присоединяется виолончель. Теперь у вас есть две частоты, проходящие через одну среду к вашим барабанным перепонкам. Вы можете услышать, что они разные, и при тренировке сможете сказать, какую ноту играет каждый.

Точно так же он работает и в проводе, только с электронами, а не с молекулами воздуха.

После модуляции и передачи от источника конечный сигнал в проводе ЯВЛЯЕТСЯ единым сигналом. Просто попробуйте вернуться в доцифровой век кабельного телевидения, когда вы подключали своих провайдеров кабельного телевидения напрямую к телевизору и могли смотреть любой канал.

И если у вас в те времена было два телевизора, вы могли одновременно смотреть два разных канала, которые присутствовали на одном проводе. Обратите внимание, что я говорю о старых временах, когда вам НЕ нужна была коробка от вашей кабельной компании, чтобы смотреть каналы.

Теперь вернемся к одиночному сигналу на проводе. Это всегда только один сигнал. Волшебство происходит на принимающей стороне. Вы можете подавать один и тот же сигнал на разные приемники. Для успешного и четкого приема и обработки вам понадобится схема для НАСТРОЙКИ на частоту по вашему выбору. Такие фильтры называются полосовыми. Эти схемы обрабатывают один комплексный сигнал, но реагируют только на определенные временные характеристики входного сигнала. Все, что не соответствует этому времени, отбрасывается (правильный термин ослабляется). Часть сигнала, которая соответствует синхронизации, может сохранять мощность сигнала. Выход этой схемы теперь просто сигнал, который устройство хочет обработать.

Один и тот же сигнал можно подавать на другое устройство, настроенное на другую частоту. Тогда его выход будет второй частотой, на которую он был настроен.

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

Для подробного объяснения вам нужно будет погуглить и понять, как работают схемы LC (также RC). Комбинированные зарядные и разрядные характеристики LC-компонентов определяют частоту настройки.

Существует также другой способ настройки, называемый полосовым фильтром.

Теперь, как передатчик может получить такое количество сигналов, объединенных в один провод, это целая отдельная область.