¿Cómo puede un cable telefónico tener múltiples frecuencias a la vez?

¿Cómo puede un cable telefónico tener múltiples frecuencias?
En mi libro de texto de redes sobre DSL vs Dial Up dice lo siguiente:

La línea telefónica residencial transporta simultáneamente datos y señales telefónicas tradicionales, que están codificadas en diferentes frecuencias:

• Un canal descendente de alta velocidad, en la banda de 50 kHz a 1 MHz

• Un canal ascendente de velocidad media, en la banda de 4 kHz a 50 kHz

• Un canal telefónico bidireccional ordinario, en la banda de 0 a 4 kHz

Desde mi conocimiento básico de física, la frecuencia de un cable es la velocidad a la que invierte la polaridad. Entonces, si tiene un cable, ¿cómo pueden los electrones cambiar la polaridad simultáneamente 4.000 veces / segundo (para hablar por teléfono) y también 50.000 veces / segundo (para usar DSL)?

La suposición subyacente en su pregunta, que la frecuencia que se mide es la velocidad a la que los electrones invierten la polaridad, es incorrecta. La frecuencia de una señal en el transmisor, el receptor o en cualquier punto intermedio corresponde físicamente a la llegada cíclica de un voltaje.

Por ejemplo, en una aplicación digital que utiliza modulación de amplitud (supongamos que la codificación de encendido-apagado por simplicidad), puede medir la frecuencia por el número de pulsos 'on' que detecta por unidad de tiempo. En las comunicaciones de RF, esto podría corresponder a un voltaje lógicamente alto, o en las comunicaciones ópticas, podría corresponder a la llegada de una gran cantidad de fotones. En el caso ideal, un estado lógico bajo o apagado correspondería a un voltaje de cero o la llegada de ningún fotón, pero las corrientes oscuras y las imperfecciones de los moduladores rara vez hacen que ese sea el caso.

En términos de implementación, una implementación simple y directa para la transmisión de dos frecuencias de RF separadas en un solo medio (un cable de cobre) es mediante el uso de dos cadenas transmisoras completas para codificar los datos en las dos frecuencias portadoras distintas, y luego el uso de un combinador de RF para obtener las dos salidas de los transmisores en un solo cable de cobre. El receptor se puede implementar de varias maneras, pero un método simplista sería usar un divisor de potencia de RF para crear dos copias de la señal, y luego usar un filtro de paso alto en uno y un filtro de paso bajo en el otro. Luego puede continuar con la cadena del receptor normal.

Como han dicho otros, múltiples frecuencias pueden estar presentes en un cable al mismo tiempo. Sin embargo, la presencia instantánea de múltiples frecuencias no indica múltiples voltajes; necesariamente habrá un solo voltaje en cualquier punto dado del cable (siempre que el voltaje esté definido entre ese punto y una referencia común, generalmente tierra). Sin embargo, durante un período de tiempo, puede construir una señal muestreando a intervalos regulares. Sin embargo, esa señal no se verá como una onda sinusoidal normal si existen múltiples frecuencias, debido al principio de superposición. Si elige dos frecuencias portadoras, digamos 5 kHz y 5 MHz, modula datos en ambas y luego suma las señales moduladas resultantes, es posible que se le presente una señal muy peculiar en el dominio del tiempo.

En 'un cable' solo puede haber un voltaje presente en cualquier instancia en el tiempo en un punto determinado de ese cable. Entonces, si agrega dos ondas sinusoidales, la suma ya no es una onda sinusoidal sino algo más. Los electrones también se mueven de la misma manera compleja. Observe la fuente de animación .

Cuantas más frecuencias agregue, más compleja se volverá la señal. A partir de un cierto número de frecuencias, como es el caso de ADSL / VDSL, la señal combinada aparece como ruido en un analizador de espectro u osciloscopio y se vuelve ininteligible para el cerebro humano.

¿Cómo se puede transmitir con éxito la gran cantidad de frecuencias que componen una pieza de música a un altavoz y reproducirla en gran medida sin errores?

Los altavoces están conectados con cables y también los micrófonos: no hay absolutamente ninguna diferencia en principio. Sucede que un cable telefónico lleva frecuencias mucho más altas, pero el principio es el mismo.

Cualquier medio que transporta una sola frecuencia suele ser capaz de transportar una multitud de frecuencias. Aire, por ejemplo: puede hablar con su vecino y el patrón de voz que produce es una multitud de frecuencias en constante cambio.

Todos los transmisores de radio comparten el mismo medio y no hay problema para distinguir una transmisión a 98.4MHz y otra a 99MHz.

Debe observar la superposición y los sistemas lineales. Como un ejemplo de frecuencias múltiples en un cable, una onda cuadrada tiene muchos armónicos.

Hay un problema aún más fundamental en su pregunta que el señalado en las otras respuestas.

"Simultáneamente" es un concepto de dominio del tiempo. La frecuencia es un concepto de dominio de frecuencia.
Estas son transformaciones de Fourier entre sí, por lo que son conceptos "duales", no conceptos ortogonales.

Ciertamente es posible tener una señal con dos frecuencias: simplemente agregue dos cosenos de diferentes frecuencias juntas; la señal "simultáneamente" tiene dos frecuencias.

Pero decir que la señal "simultáneamente" tiene dos frecuencias no tendría sentido porque "simultáneamente" se refiere a un solo instante en el tiempo, y si se restringe a un solo instante en el tiempo, entonces no puede saber nada sobre las diversas frecuencias presentes.
(Este es el principio de incertidumbre de frecuencia de tiempo, que debería recordarle el principio de incertidumbre de Heisenberg).

Una vez que comienzas a mirar todas las frecuencias posibles, la noción del tiempo deja de tener sentido.

¡Dentro de una sola conversación telefónica hay muchas frecuencias (que cambian con su tono de voz si nada más)! Las ondas a diferentes frecuencias se superponen para crear la forma de onda resultante. Si esto no funcionó, entonces el único sonido que podría escuchar, alguna vez, son ondas sinusoidales de varios tonos.

Un cable puede transportar múltiples señales eléctricas al igual que el aire puede transportar múltiples sonidos.

Imagina que estás en una habitación tranquila y un violín comienza a tocar una nota. Una sola frecuencia que escuchas a través de las vibraciones en el aire.

Luego se le une un cello. Ahora tiene dos frecuencias que viajan a través de un medio hasta sus tímpanos. Se puede escuchar que son diferentes y con el entrenamiento podría saber qué nota estaba tocando cada uno.

Funciona exactamente igual en el cable solo con electrones en lugar de moléculas de aire.

Después de la modulación y transmisión desde la fuente, la señal final en el cable ES una sola señal. Simplemente intente volver a la era pre-digital del cable donde conectó sus proveedores de televisión por cable directamente a su televisor y pudo ver cualquier canal.

Y si tenía dos televisores en ese momento, puede ver dos canales diferentes al mismo tiempo que estaban presentes en el mismo cable. Tenga en cuenta que estoy hablando de viejos tiempos en los que NO necesitaba una caja de su compañía de cable para ver los canales.

Ahora volvamos a la señal única en el cable. Siempre es solo una señal única. La magia ocurre en el extremo receptor. Puede alimentar la misma señal individual a diferentes receptores. Para una recepción y procesamiento exitoso y claro, necesitará un circuito para SINTONIZAR a la frecuencia que elija. Estos se llaman filtros de paso de banda. Estos circuitos procesan la señal compleja única, pero solo responden a ciertas características de temporización de la señal de entrada. Cualquier cosa que no confirme este tiempo se descarta (el término apropiado se atenúa). La parte de la señal que corresponde al tiempo puede mantener su intensidad de señal. La salida de este circuito ahora es solo la señal que el dispositivo quiere procesar.

La misma señal única se puede alimentar a otro dispositivo sintonizado a otra frecuencia. Entonces su salida será la segunda frecuencia a la que se sintonizó.

Ni la primera salida ni la segunda salida, ahora tienen las otras señales en ellas. Si intenta alimentar estas salidas a otro dispositivo y sintonizar otra frecuencia, no obtendrá nada.

Para una explicación detallada, necesitará buscar en Google y comprender cómo funcionan los circuitos LC (RC también). Las características combinadas de carga y descarga de los componentes LC es lo que determina la frecuencia de sintonización.

También existe la otra forma de sintonización llamada filtro de parada de banda.

Ahora, ¿cómo puede el transmisor obtener tantas señales combinadas en un cable? Es un campo completamente separado.