Wie kann ein Telefonkabel mehrere Frequenzen gleichzeitig haben?

Wie kann ein Telefonkabel mehrere Frequenzen haben?
In meinem Networks-Lehrbuch über DSL und DFÜ steht Folgendes:

Die Telefonleitung in Wohngebieten überträgt gleichzeitig sowohl Daten- als auch herkömmliche Telefonsignale, die mit unterschiedlichen Frequenzen codiert sind:

• Ein Hochgeschwindigkeits-Downstream-Kanal im 50-kHz- bis 1-MHz-Band

• Ein Upstream-Kanal mittlerer Geschwindigkeit im 4-kHz- bis 50-kHz-Band

• Ein gewöhnlicher Zwei-Wege-Telefonkanal im 0- bis 4-kHz-Band

Nach meinen Grundkenntnissen in Physik ist die Frequenz eines Drahtes die Geschwindigkeit, mit der er die Polarität umkehrt. Wenn Sie also einen Draht haben, wie können die Elektronen gleichzeitig die Polarität 4.000 Mal pro Sekunde (zum Telefonieren) und 50.000 Mal pro Sekunde (zum Verwenden von DSL) ändern?

Die zugrunde liegende Annahme in Ihrer Frage - dass die gemessene Frequenz die Rate 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 (der Einfachheit halber nehmen wir an, dass das Ein- und Ausschalten erfolgt) können Sie die Frequenz beispielsweise anhand der Anzahl der Einschaltimpulse messen, die Sie pro Zeiteinheit erfassen. In der HF-Kommunikation kann dies einer logisch hohen Spannung entsprechen, oder in der optischen Kommunikation kann es dem Eintreffen 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 dunkle Ströme und die Unvollkommenheiten von Modulatoren machen dies selten der Fall.

In Bezug auf die Implementierung besteht eine einfache und einfache Implementierung für die Übertragung von zwei getrennten HF-Frequenzen auf einem einzelnen Medium (einem Kupferdraht) in der Verwendung von zwei vollständigen Senderketten, um die Daten bei den zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen zu codieren, und dann bei der Verwendung eines HF-Kombinierers, um die beiden Ausgänge der Sender auf einen einzigen Kupferdraht zu bringen. Der Empfänger kann auf verschiedene Arten implementiert werden, aber ein vereinfachtes Verfahren wäre, einen HF-Leistungsteiler zu verwenden, um zwei Kopien des Signals zu erzeugen, und dann ein Hochpassfilter auf dem einen und ein Tiefpassfilter auf dem anderen zu verwenden. Sie können dann mit der normalen Empfängerkette fortfahren.

Wie andere gesagt haben, können mehrere Frequenzen gleichzeitig auf einem Draht vorhanden sein. Das sofortige Vorhandensein mehrerer Frequenzen zeigt jedoch nicht mehrere Spannungen an. An jedem Punkt des Kabels liegt notwendigerweise eine einzige Spannung an (solange die Spannung zwischen diesem Punkt und einer gemeinsamen Referenz, typischerweise Masse, definiert ist). Im Laufe der Zeit können Sie jedoch ein Signal erstellen, indem Sie in regelmäßigen Abständen eine Abtastung durchführen. Dieses Signal sieht jedoch aufgrund des Überlagerungsprinzips nicht wie eine normale Sinuswelle aus, wenn mehrere Frequenzen vorhanden sind. Wenn Sie zwei Trägerfrequenzen auswählen, z. B. 5 kHz und 5 MHz, Daten auf beide modulieren und dann die resultierenden modulierten Signale summieren, wird Ihnen möglicherweise ein sehr eigenartiges Signal im Zeitbereich angezeigt.

An einem Draht kann zu einem bestimmten Zeitpunkt an diesem Draht immer nur eine Spannung anliegen. Wenn Sie also zwei Sinuswellen addieren, ist die Summe keine Sinuswelle mehr, sondern etwas anderes. Die Elektronen bewegen sich ebenso komplex. Beobachten Sie die Animation Animationsquelle .

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

Wie kann die Vielzahl der Frequenzen, aus denen ein Musikstück besteht, erfolgreich auf einen Lautsprecher übertragen und weitgehend fehlerfrei wiedergegeben werden?

Lautsprecher sind mit Drähten verbunden, ebenso Mikrofone - im Prinzip gibt es absolut keinen Unterschied. Es kommt also vor, dass ein Telefonkabel viel höhere Frequenzen führt, aber das Prinzip ist dasselbe.

Jedes Medium, das eine einzelne Frequenz trägt, kann normalerweise eine Vielzahl von Frequenzen tragen. 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 das gleiche Medium und es gibt kein Problem, eine Übertragung bei 98,4 MHz und eine andere bei 99 MHz zu unterscheiden.

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

Ihre Frage enthält ein noch grundlegenderes Problem als die anderen Antworten.

"Simultan" ist ein Zeitbereichskonzept. Frequenz ist ein Frequenzbereichskonzept.
Dies sind Fourier-Transformationen voneinander, es handelt sich also um "duale" Konzepte, nicht um orthogonale Konzepte.

Es ist sicherlich möglich, ein Signal mit zwei Frequenzen zu haben: Addieren Sie einfach zwei Cosinus mit unterschiedlichen Frequenzen; Das Signal "gleichzeitig" hat zwei Frequenzen.

Es wäre jedoch bedeutungslos zu sagen, dass das Signal "gleichzeitig" zwei Frequenzen hat, da sich "gleichzeitig" auf einen einzelnen Zeitpunkt bezieht. Wenn Sie sich auf einen einzelnen Zeitpunkt beschränken, können Sie möglicherweise nichts über die verschiedenen vorhandenen Frequenzen wissen.
(Dies ist das Zeit-Frequenz-Unsicherheitsprinzip, das Sie an das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip erinnern soll.)

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

Innerhalb eines einzigen Telefongesprächs 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 hätte, wären Sinuswellen unterschiedlicher Tonhöhe der einzige Klang, den Sie jemals hören könnten.

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

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

Dann kommt ein Cello hinzu. Jetzt haben Sie zwei Frequenzen, die durch ein Medium zu Ihrem Trommelfell wandern. Sie können hören, dass sie unterschiedlich sind und mit dem Training erkennen können, welche Note jeder gespielt hat.

Genau so funktioniert es im Draht nur mit Elektronen und nicht mit Luftmolekülen.

Nach der Modulation und Übertragung von der Quelle ist das endgültige Signal auf dem Draht ein einzelnes Signal. Versuchen Sie einfach, in das vordigitale Zeitalter des Kabels zurückzukehren, in dem Sie die Kabel Ihres Kabelfernsehanbieters direkt an Ihren Fernseher angeschlossen haben und jeden Kanal sehen konnten.

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

Nun zurück zu dem einzelnen Signal auf dem Draht. Es ist immer nur ein einziges Signal. Die Magie geschieht am empfangenden Ende. Sie können dasselbe einzelne Signal verschiedenen Empfängern zuführen. Für einen erfolgreichen und übersichtlichen Empfang und Verarbeitung benötigen Sie eine Schaltung, um die Frequenz Ihrer Wahl abzustimmen. Diese werden als Bandpassfilter bezeichnet. Diese Schaltungen verarbeiten das einzelne komplexe Signal, reagieren jedoch nur auf bestimmte Timing-Eigenschaften des Eingangssignals. Alles, was diesen Zeitpunkt nicht bestätigt, wird verworfen (der richtige Begriff wird abgeschwächt). Der Teil des Signals, der dem Timing entspricht, darf seine Signalstärke behalten. Die Ausgabe dieser Schaltung ist jetzt nur das Signal, das das Gerät verarbeiten möchte.

Das gleiche Einzelsignal kann einem anderen Gerät zugeführt werden, das auf eine andere Frequenz eingestellt ist. Dann ist sein Ausgang die zweite Frequenz, auf die er eingestellt wurde.

Weder der erste noch der zweite Ausgang enthalten jetzt die anderen Signale. 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-Schaltungen) 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 der Sender nun in der Lage ist, so viele Signale auf einem Draht zu kombinieren, ist ein ganz anderes Feld.