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

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 modulación de encendido y apagado es más sencilla), podría medir la frecuencia por el número de pulsos "encendidos" que detecta por unidad de tiempo. En las comunicaciones de RF, esto podría corresponder a un alto voltaje lógico, 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 fotones, pero las corrientes oscuras y las imperfecciones de los moduladores rara vez hacen que ese sea el caso.

En términos de implementación, una implementación directa y simple para la transmisión de dos frecuencias de RF separadas en un solo medio (un cable de cobre) es mediante el uso de dos cadenas de transmisores 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 simple sería usar un divisor de potencia de RF para crear dos copias de la señal y luego usar un filtro de paso alto en una y un filtro de paso bajo en la otra. A continuación, puede continuar con la cadena de receptores 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 lapso de tiempo, puede construir una señal muestreando a intervalos regulares. Sin embargo, esa señal no se verá como una onda sinusoidal normal si hay múltiples frecuencias, debido al principio de superposición. Si elige dos frecuencias portadoras, digamos 5 kHz y 5 MHz, modula los 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 momento en un punto determinado de ese cable. Entonces, si agrega dos ondas sinusoidales, la suma ya no es una onda sinusoidal sino otra cosa. Los electrones también se mueven de la misma manera compleja. Observe la fuente de animación .

Cuantas más frecuencias agregue, más compleja se vuelve la señal. A partir de un determinado 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 multitud de frecuencias que componen una pieza musical a un altavoz y reproducirla en gran medida sin errores?

Los altavoces están conectados con cables y también los micrófonos; en principio, no hay absolutamente ninguna diferencia. Sucede que un cable telefónico transporta 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. Air, 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 98,4 MHz y otra a 99 MHz.

Necesitas mirar la superposición y los sistemas lineales. Como ejemplo de múltiples frecuencias 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 en el dominio del tiempo. La frecuencia es un concepto en el dominio de la frecuencia.
Estas son transformadas de Fourier entre sí, por lo que son conceptos "dual", no conceptos ortogonales.

Ciertamente es posible tener una señal con dos frecuencias: simplemente agregue dos cosenos de diferentes frecuencias; 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 te limitas a un solo instante en el tiempo, entonces no puedes 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 de tiempo pierde sentido.

¡Dentro de una sola conversación telefónica hay muchas frecuencias (que cambian con el tono de su voz, por lo menos)! Las ondas a diferentes frecuencias se superponen para crear la forma de onda resultante. Si esto no funcionara, entonces el único sonido que podría escuchar, siempre, 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 violonchelo. Ahora tienes dos frecuencias viajando a través de un medio hasta tus tímpanos. Puede escuchar que son diferentes y con el entrenamiento podría decir qué nota estaba tocando cada uno.

Funciona exactamente igual en el cable solo que 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 señal única. Simplemente intente volver a la era predigital del cable, en la que conectaba a sus proveedores de televisión por cable directamente a su televisor y podía ver cualquier canal.

Y si tenía dos televisores en esos momentos, puede ver dos canales diferentes al mismo tiempo que estaban presentes en el mismo cable. Tenga en cuenta que estoy hablando de los 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 una sola señal. La magia ocurre en el extremo receptor. Puede enviar la misma señal única a diferentes receptores. Para una recepción y procesamiento exitosos y claros, necesitará un circuito para SINTONIZAR la frecuencia de su elección. Estos se llaman filtros de paso de banda. Estos circuitos procesan la señal compleja única, pero solo responden a ciertas características de tiempo de la señal de entrada. Cualquier cosa que no confirme este momento se elimina (el término propio se atenúa). Se permite que la parte de la señal que corresponde a la temporización mantenga 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 fue sintonizado.

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 obtener una explicación detallada, deberá 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 es que el transmisor puede combinar tantas señales en un solo cable? Es un campo completamente separado.