Como um fio telefônico pode ter várias frequências ao mesmo tempo?

Como um fio telefônico pode ter várias frequências?
No meu livro de redes sobre DSL vs Dial Up, ele diz o seguinte:

A linha telefônica residencial transporta simultaneamente os dados e os sinais telefônicos tradicionais, codificados em diferentes frequências:

• Um canal downstream de alta velocidade, na faixa de 50 kHz a 1 MHz

• Um canal upstream de velocidade média, na faixa de 4 kHz a 50 kHz

• Um canal telefônico bidirecional comum, na faixa de 0 a 4 kHz

Pelo meu conhecimento básico de física, a frequência de um fio é a taxa na qual ele inverte a polaridade. Portanto, se você tem um fio, como os elétrons podem alterar simultaneamente a polaridade 4.000 vezes / segundo (para falar ao telefone) e também 50.000 vezes / segundo (para usar DSL)?

A suposição subjacente em sua pergunta - que a frequência que está sendo medida é a taxa na qual os elétrons invertem a polaridade - está incorreta. A frequência de um sinal no transmissor, receptor ou em qualquer outro local fisicamente corresponde à chegada cíclica de uma tensão.

Por exemplo, em um aplicativo digital usando modulação de amplitude (vamos assumir a tecla on-off por simplicidade), você pode medir a frequência pelo número de pulsos 'on' detectados por unidade de tempo. Nas comunicações de RF, isso pode corresponder a uma tensão lógica alta, ou nas comunicações ópticas pode corresponder à chegada de um grande número de fótons. No caso ideal, um estado lógico baixo ou desligado corresponderia a uma voltagem zero ou a chegada de nenhum fóton, mas correntes escuras e imperfeições dos moduladores raramente o fazem.

Em termos de implementação, uma implementação direta e simples para a transmissão de duas frequências de RF separadas em um único meio (um fio de cobre) é pelo uso de duas cadeias transmissoras completas para codificar os dados nas duas frequências portadoras distintas e, em seguida, na uso de um combinador de RF para obter as duas saídas dos transmissores em um único fio de cobre. O receptor pode ser implementado de várias maneiras, mas um método simplista seria usar um divisor de potência de RF para criar duas cópias do sinal e, em seguida, usar um filtro passa-alto em um e um filtro passa-baixo no outro. Você pode continuar com a cadeia de receptores normal.

Como outros já disseram, várias frequências podem estar presentes em um fio ao mesmo tempo. A presença instantânea de múltiplas frequências não indica múltiplas tensões; haverá necessariamente uma única tensão em qualquer ponto do fio (desde que a tensão seja definida entre esse ponto e uma referência comum, normalmente terra). Porém, durante um período de tempo, você pode construir um sinal amostrando em intervalos regulares. Esse sinal não parecerá uma onda sinusoidal normal se várias frequências estiverem presentes, devido ao princípio de superposição. Se você escolher duas frequências de portadora, digamos 5 kHz e 5 MHz, modular dados em ambos e depois somar os sinais modulados resultantes, você poderá receber um sinal muito peculiar no domínio do tempo.

Em 'um fio', só pode haver uma tensão presente em qualquer instância no tempo, em um determinado ponto desse fio. Portanto, se você adicionar duas ondas senoidais, a soma não será mais uma onda senoidal, mas outra coisa. Os elétrons se movem da mesma maneira complexa também. Observe a fonte da animação .

Quanto mais frequências você adicionar, mais complexo o sinal se tornará. De um certo número de frequências, como é o caso do ADSL / VDSL, o sinal combinado aparece como ruído em um analisador de espectro ou osciloscópio e se torna ininteligível para o cérebro humano.

Como a multiplicidade de frequências que compõem uma peça musical pode ser transmitida com sucesso a um alto-falante e reproduzida em grande parte sem erros?

Os alto-falantes são conectados com fios e também os microfones - não há absolutamente nenhuma diferença em princípio. Acontece que um fio telefônico carrega frequências muito mais altas, mas o princípio é o mesmo.

Qualquer meio que transporta uma única frequência geralmente é capaz de transportar uma infinidade de frequências. Ar, por exemplo - você pode falar com seu vizinho e o padrão de fala que produz é uma infinidade de frequências em constante mudança.

Todos os transmissores de rádio compartilham o mesmo meio e não há problema em distinguir uma transmissão a 98,4 MHz e outra a 99 MHz.

Você precisa olhar para superposição e sistemas lineares. Como um exemplo de múltiplas frequências em um fio, uma onda quadrada possui muitos harmônicos.

Há um problema ainda mais fundamental na sua pergunta do que o indicado nas outras respostas.

"Simultaneamente" é um conceito no domínio do tempo. Frequência é um conceito no domínio da frequência.
Essas transformações de Fourier são uma da outra, portanto são conceitos "duplos", não ortogonais.

Certamente é possível ter um sinal com duas frequências: basta adicionar dois cossenos de diferentes frequências juntos; o sinal "simultaneamente" tem duas frequências.

Mas dizer que o sinal "simultaneamente" tem duas frequências não teria sentido porque "simultaneamente" refere-se a um único instante no tempo e, se você se restringir a um único instante no tempo, não poderá saber nada sobre as várias frequências presentes.
(Esse é o princípio da incerteza na frequência do tempo, que deve lembrá-lo do princípio da incerteza de Heisenberg.)

Quando você começa a procurar todas as frequências possíveis, a noção de tempo se torna sem sentido.

Em apenas uma única conversa telefônica, existem muitas frequências (o que muda com o tom da sua voz, se nada mais)! Ondas em diferentes frequências são sobrepostas para criar a forma de onda resultante. Se isso não funcionar, o único som que você poderá ouvir são ondas senoidais de vários tons.

Um fio pode transmitir vários sinais elétricos, assim como o ar pode transmitir vários sons.

Imagine que você está em uma sala silenciosa e um violino começa a tocar uma nota. Uma única frequência que você ouve através das vibrações no ar.

Então é acompanhado por um violoncelo. Agora você tem duas frequências viajando através de um meio para seus tímpanos. Você pode ouvir que eles são diferentes e, com o treinamento, pode dizer qual nota cada um está tocando.

Funciona exatamente da mesma maneira no fio apenas com elétrons, e não com moléculas de ar.

Após a modulação e transmissão da fonte, o sinal final no fio É um único sinal. Tente voltar à era pré-digital do cabo, onde você conectou os provedores de TV a cabo diretamente à TV e pôde assistir a qualquer canal.

E se você tiver duas TVs naquela época, poderá assistir a dois canais diferentes ao mesmo tempo, presentes no mesmo fio. Observe que estou falando dos velhos tempos em que você NÃO precisava de uma caixa da sua empresa de cabo para ver os canais.

Agora, de volta ao sinal único no fio. É sempre apenas um único sinal. A mágica acontece no final do recebimento. Você pode alimentar o mesmo sinal único para diferentes receptores. Para uma recepção e processamento bem-sucedidos e claros, você precisará de um circuito para sintonizar na frequência de sua escolha. Estes são chamados filtros de passagem de banda. Esses circuitos processam o sinal complexo único, mas respondem apenas a certas características de tempo do sinal de entrada. Qualquer coisa que não confirme esse momento é descartada (o termo adequado é atenuado). A parte do sinal que corresponde ao tempo pode manter sua força de sinal. A saída desse circuito agora é apenas o sinal que o dispositivo deseja processar.

O mesmo sinal único pode ser alimentado para outro dispositivo sintonizado para outra frequência. Então sua saída será a segunda frequência em que foi sintonizada.

Nem a primeira saída nem a segunda saída agora possuem os outros sinais. Se você tentar alimentar essas saídas para outro dispositivo e sintonizar para outra frequência, não receberá nada.

Para uma explicação detalhada, você precisará pesquisar e entender como os circuitos LC (RC também) funcionam. As características combinadas de carga e descarga dos componentes de LC é o que determina a frequência de sintonia.

Há também a outra maneira de sintonizar o filtro de parada de banda.

Agora, como o transmissor é capaz de obter tantos sinais combinados em um único fio, é todo um campo separado.