Wie kann ein Telefonkabel mehrere Frequenzen gleichzeitig haben?

Die Ihrer Frage zugrunde liegende Annahme - dass die gemessene Frequenz die Geschwindigkeit ist, mit der Elektronen die Polarität umkehren - ist falsch. Die Frequenz eines Signals am Sender, Empfänger oder irgendwo dazwischen entspricht physikalisch dem zyklischen Eintreffen einer Spannung.

In einer digitalen Anwendung mit Amplitudenmodulation (nehmen wir der Einfachheit halber eine Ein-Aus-Tastung an) könnten Sie beispielsweise die Frequenz anhand der Anzahl der Einschaltimpulse messen, die Sie pro Zeiteinheit erkennen. In der HF-Kommunikation könnte dies einer logisch hohen Spannung entsprechen, oder in der optischen Kommunikation könnte es der Ankunft einer großen Anzahl von Photonen entsprechen. Im Idealfall würde ein logisch niedriger oder ausgeschalteter Zustand einer Spannung von Null oder dem Eintreffen von keinen Photonen entsprechen, aber Dunkelströme und die Unvollkommenheiten von Modulatoren machen dies selten der Fall.

In Bezug auf die Implementierung besteht eine unkomplizierte und einfache Implementierung für die Übertragung von zwei separaten HF-Frequenzen auf einem einzigen Medium (einem Kupferdraht) in der Verwendung von zwei vollständigen Senderketten, um die Daten bei den zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen zu codieren, und dann die Verwendung eines HF-Combiners, um die beiden Ausgänge der Sender auf einen einzigen Kupferdraht zu bringen. Der Empfänger kann auf verschiedene Arten implementiert werden, aber eine vereinfachte Methode wäre die Verwendung eines HF-Leistungsteilers, um zwei Kopien des Signals zu erstellen, und dann die Verwendung eines Hochpassfilters auf der einen und eines Tiefpassfilters auf der anderen. Sie können dann mit der normalen Empfängerkette fortfahren.

Wie andere gesagt haben, können mehrere Frequenzen gleichzeitig auf einem Draht vorhanden sein. Das augenblickliche Vorhandensein mehrerer Frequenzen weist jedoch nicht auf mehrere Spannungen hin; An jedem Punkt des Kabels liegt notwendigerweise eine einzige Spannung an (solange die Spannung zwischen diesem Punkt und einer gemeinsamen Referenz, normalerweise Masse, definiert ist). Über einen Zeitraum hinweg können Sie jedoch ein Signal konstruieren, indem Sie es in regelmäßigen Abständen abtasten. Aufgrund des Überlagerungsprinzips sieht dieses Signal jedoch nicht wie eine normale Sinuswelle aus, wenn mehrere Frequenzen vorhanden sind. Wenn Sie zwei Trägerfrequenzen auswählen, sagen wir 5 kHz und 5 MHz, Daten auf beide modulieren und dann die resultierenden modulierten Signale summieren, erhalten Sie möglicherweise ein sehr eigenartiges Signal im Zeitbereich.

Auf „einem Draht“ kann zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Punkt auf diesem Draht nur eine Spannung vorhanden sein. Wenn Sie also zwei Sinuswellen addieren, ist die Summe keine Sinuswelle mehr, sondern etwas anderes. Auch die Elektronen bewegen sich auf die gleiche komplexe Weise. Beobachten Sie die Animationsquelle .

Je mehr Frequenzen Sie hinzufügen, desto komplexer wird das Signal. Ab einer gewissen Anzahl von Frequenzen, wie zB bei ADSL/VDSL, erscheint das kombinierte Signal auf einem Spektrumanalysator oder Oszilloskop als Rauschen und wird für das menschliche Gehirn unverständlich.

Wie gelingt es, die vielen Frequenzen, aus denen ein Musikstück besteht, erfolgreich auf einen Lautsprecher zu übertragen und weitgehend fehlerfrei wiederzugeben?

Lautsprecher werden mit Kabeln verbunden, Mikrofone auch - prinzipiell gibt es keinen Unterschied. Es kommt vor, dass eine Telefonleitung viel höhere Frequenzen überträgt, aber das Prinzip ist das gleiche.

Jedes Medium, das eine einzelne Frequenz überträgt, kann normalerweise eine Vielzahl von Frequenzen übertragen. Luft zum Beispiel – Sie können mit Ihrem Nachbarn sprechen und das von Ihnen erzeugte Sprachmuster besteht aus einer Vielzahl sich ständig ändernder Frequenzen.

Funksender teilen sich alle dasselbe Medium und es gibt kein Problem, eine Übertragung bei 98,4 MHz und eine andere bei 99 MHz zu unterscheiden.

Sie müssen sich Superposition und lineare Systeme ansehen. Als ein Beispiel für mehrere Frequenzen auf einem Draht hat eine Rechteckwelle viele Oberwellen.

Ihre Frage enthält ein noch grundlegenderes Problem als in den anderen Antworten angegeben.

"Gleichzeitig" ist ein Zeitbereichskonzept. Frequenz ist ein Konzept im Frequenzbereich.
Dies sind Fourier-Transformationen voneinander, also sind sie "duale" Konzepte, keine orthogonalen Konzepte.

Es ist sicherlich möglich, ein Signal mit zwei Frequenzen zu haben: Addieren Sie einfach zwei Kosinusse unterschiedlicher Frequenzen; das Signal "gleichzeitig" hat zwei Frequenzen.

Aber zu sagen, dass das Signal "gleichzeitig" zwei Frequenzen hat, wäre bedeutungslos, weil sich "gleichzeitig" auf einen einzigen Zeitpunkt bezieht, und wenn Sie sich auf einen einzigen Zeitpunkt beschränken, können Sie unmöglich etwas über die verschiedenen vorhandenen Frequenzen wissen.
(Dies ist die Zeit-Frequenz-Unschärferelation, die Sie an die Heisenbergsche Unschärferelation erinnern sollte.)

Sobald Sie anfangen, alle möglichen Frequenzen zu betrachten, wird der Begriff der Zeit bedeutungslos.

In nur einem einzigen Telefongespräch gibt es viele, viele Frequenzen (die sich mit Ihrer Stimmlage ändern, wenn nichts anderes)! Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen werden überlagert, um die resultierende Wellenform zu erzeugen. Wenn dies nicht funktioniert, sind Sinuswellen unterschiedlicher Tonhöhe der einzige Ton, den Sie jemals hören könnten.

Ein Draht kann mehrere elektrische Signale übertragen, genau wie die Luft mehrere Töne übertragen kann.

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem ruhigen Raum und eine Geige beginnt, einen Ton zu spielen. Eine einzelne Frequenz, die Sie durch die Vibrationen in der Luft hören.

Dann gesellt sich ein Cello dazu. Jetzt haben Sie zwei Frequenzen, die durch ein Medium zu Ihrem Trommelfell wandern. Sie können hören, dass sie unterschiedlich sind, und mit dem Training konnten Sie erkennen, welche Note jeder spielte.

Im Draht funktioniert es genauso, nur mit Elektronen und nicht mit Luftmolekülen.

Nach der Modulation und Übertragung von der Quelle ist das endgültige Signal auf der Leitung ein einzelnes Signal. Versuchen Sie einfach, in das vordigitale Kabelzeitalter zurückzukehren, in dem Sie Ihre Kabelfernsehanbieter direkt an Ihren Fernseher angeschlossen haben und jeden Kanal sehen konnten.

Und wenn Sie damals zwei Fernseher hatten, können Sie gleichzeitig zwei verschiedene Kanäle sehen, die auf demselben Kabel vorhanden waren. Beachten Sie, dass ich von alten Zeiten spreche, in denen Sie KEINE Box von Ihrem Kabelunternehmen brauchten, um die Kanäle zu sehen.

Nun zurück zum einzelnen Signal auf dem Draht. Es ist immer nur ein einzelnes Signal. Die Magie geschieht am empfangenden Ende. Sie können dasselbe einzelne Signal in verschiedene Empfänger einspeisen. Für einen erfolgreichen und klaren Empfang und Verarbeitung benötigen Sie eine Schaltung zum EINSTELLEN auf die Frequenz Ihrer Wahl. Diese werden Bandpassfilter genannt. Diese Schaltungen verarbeiten das einzelne komplexe Signal, aber sie reagieren nur auf bestimmte Zeitcharakteristiken des Eingangssignals. Alles, was diesem Timing nicht entspricht, wird fallen gelassen (der eigentliche Begriff wird abgeschwächt). Der Teil des Signals, der dem Timing entspricht, darf seine Signalstärke behalten. Der Ausgang dieser Schaltung ist jetzt nur das Signal, das das Gerät verarbeiten möchte.

Dasselbe einzelne Signal kann einem anderen Gerät zugeführt werden, das auf eine andere Frequenz abgestimmt ist. Dann wird sein Ausgang die zweite Frequenz sein, auf die er abgestimmt wurde.

Weder der erste Ausgang noch der zweite Ausgang haben jetzt die anderen Signale in sich. Wenn Sie versuchen, diese Ausgänge einem anderen Gerät zuzuführen und auf eine andere Frequenz abzustimmen, erhalten Sie nichts.

Für eine detaillierte Erklärung müssen Sie googeln und verstehen, wie LC-Schaltungen (auch RC) funktionieren. Die kombinierten Lade- und Entladeeigenschaften der LC-Komponenten bestimmen die Abstimmfrequenz.

Es gibt auch eine andere Art der Abstimmung, die als Bandsperrfilter bezeichnet wird.

Wie kann der Sender nun so viele Signale auf einem Draht kombinieren, ist ein ganz separates Feld.