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Die Erfindung betrifft einen Frequenzmodulator zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Kommunikationssignals, insbesondere für einen Magnetresonanztomographen. Der Frequenzmodulator umfasst einen Modulatoreingang für ein Modulationssignal zur Vorgabe der Frequenzmodulation für das Kommunikationssignal, wie auch eine Oszillatoreinheit bzw. Oszillatorschaltung, welche dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Modulationssignal das frequenzmodulierte Kommunikationssignal an einem Oszillatorausgang zu erzeugen. Ein kapazitives Elementenpaar mit zwei seriell zueinander geschalteten Kapazitätselementen ist einerseits an die Oszillatoreinheit angekoppelt und andererseits mit einem Bezugspotential gekoppelt. Ein zwischen den Kapazitätselementen liegender Knoten ist mit dem Modulatoreingang gekoppelt, sodass an diesem Knoten das Modulationssignal bereitstellbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Magnetresonanztomographen mit einem solchen Frequenzmodulator.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf einen so genannten DC-fähigen Frequenzmodulator, bei welchem der Frequenzmodulator auch eine Gleichspannung als Modulationssignal verarbeiten kann. Die Erfindung geht dabei von einem Frequenzmodulator aus, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist. Dieser bekannte und insgesamt mit 1 bezeichnete Frequenzmodulator hat einen Modulatoreingang 2, an welchen eine erdunsymmetrische Modulationsquelle 3 zur Bereitstellung eines Modulationssignals UM angeschlossen ist. Das Modulationssignal UM ist im Allgemeinen ein Wechselsignal, nämlich eine Wechselspannung. Das Modulationssignal UM kann aber auch in bestimmten Fällen eine Gleichspannung sein. Der Modulatoreingang 2 ist über einen Widerstand 4 mit einem Knoten 5 gekoppelt, mit welchem zwei Kapazitätselemente 6, 7 eines kapazitiven Elementenpaares verbunden sind. Beide Kapazitätselemente 6, 7 sind in dem hier dargestellten Beispiel als Kapazitätsdioden ausgebildet, könnten jedoch auch zum Beispiel durch steuerbare Kondensatoren gebildet sein oder es könnte vorgesehen sein, dass eines der Kapazitätselemente 6, 7 durch eine Kapazitätsdiode gebildet ist, während das andere Kapazitätselement durch einen einfachen Kondensator gebildet ist. Die Kapazitätsdioden 6, 7 sind dabei antiseriell zueinander geschaltet, sodass die jeweiligen Kathoden direkt mit dem Knoten 5 verbunden sind. Die Anode der Kapazitätsdiode 7 ist mit einem Bezugspotential 8 direkt verbunden, währen die Anode der Kapazitätsdiode 6 mit einem Resonator einer Oszillatoreinheit 10 gekoppelt ist. Die Anode der Kapazitätsdiode 6 ist hierbei bevorzugt über eine Spule des Resonators an das Bezugspotential 8 angebunden. Alternativ – wenn statt eines LC-Resonators ein Quarz-Resonator verwendet wird – genügt eine zum Quarz parallele Verbindung der Anode der Kapazitätsdiode 6 mit dem Bezugspotential 8, nämlich beispielsweise über einen parallel zum Quarz geschalteten Widerstand. Die Oszillatoreinheit 10 bildet zusammen mit den Kapazitätsdioden 6, 7 vorzugsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, voltage-controlled oscillator). Die Oszillatoreinheit 10 ist mit dem Bezugspotential 8 gekoppelt und hat einen Oszillatorausgang 11, welcher mit einem Modulatorausgang 12 gekoppelt ist. An dem Oszillatorausgang 11 und somit dem Modulatorausgang 12 wird ein frequenzmoduliertes Kommunikationssignal UK bereitgestellt.
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Die Oszillatoreinheit 10 kann durch eine Oszillatorschaltung gebildet sein, welche beispielsweise einen Oszillator und einen Schwingkreis aufweisen kann, wie beispielsweise einen LC-Schwingkreis, einen Quarz-Schwingkreis oder dergleichen. Die Erfindung ist dabei nicht auf eine spezielle Ausgestaltung der Oszillatoreinheit 10 beschränkt.
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Bei Fehlen des Modulationssignals UM liegt an dem Modulatoreingang 2 eine Biasspannung an, welche beispielsweise 2 V beträgt, nämlich bezüglich des Bezugspotentials 8. Somit werden die beiden Kapazitätsdioden 6, 7 stets in Sperrrichtung betrieben, weil zwischen der jeweiligen Kathode und der zugeordneten Anode eine positive Spannung abfällt. Bei Fehlen des Modulationssignals UM ist die Frequenz des Kommunikationssignals UK somit konstant. Wird nun der Biasspannung am Modulatoreingang 2 das Modulationssignal UM überlagert, beispielsweise derart, dass an dem Modulatoreingang 2 ein Sinussignal als Modulationssignal mit einer Amplitude von zum Beispiel 1 V und damit insgesamt eine Wechselspannung von 1 V bis 3 V bereitgestellt wird, so verändern sich auch die Kapazitäten der Kapazitätsdioden 6, 7 und somit die Schwingfrequenz des gesamten VCOs. Entsprechend der veränderlichen Frequenz einer Wechselspannung US an der Oszillatoreinheit 10 erzeugt selbige Einheit 10 dann das Kommunikationssignal UK, dessen Frequenz analog zum Modulationssignal UM variiert wird. Die Frequenzmodulation des Kommunikationssignals UK wird demnach durch das Modulationssignal UM vorgegeben, welches mithilfe der Modulationsquelle 3 erzeugt wird.
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Der Frequenzmodulator 1 gemäß 1 stellt zwar einen DC-fähigen Modulator dar, jedoch hat dieser Frequenzmodulator 1 auch gewisse Nachteile: Bei dem Frequenzmodulator 1 gemäß 1 können Gleichtaktstörungen im Modulationspfad nicht unterdrückt werden. Sind nun beispielsweise Störspannungen oder Ströme vorhanden, welche sich auf die Leitung zwischen der Modulationsquelle 3 und dem Knoten 5 oder vorher auf die Modulationsquelle 3 einkoppeln, ist diese Störspannung dem Modulationssignal überlagert und es folgt daraus eine unerwünschte Modulation des Kommunikationssignals UK.
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Eine gewisse Abhilfe schaffen hier Frequenzmodulatoren, bei denen dem Modulatoreingang ein Symmetrieübertrager vorgeschaltet ist, wie er beispielsweise in „M. Meinke, F. W. Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3. Aufl. 1968, , S. 1373” vorgeschlagen wird. Ein solcher Frequenzmodulator ist dann jedoch naturgemäß nicht DC-fähig und kann somit keinen statischen oder quasi-statischen Frequenzoffset per Modulation erzeugen. Ein derartiger Frequenzoffset kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn amplitudenkomprimierte Signale ohne einen Informationsverlust übertragen werden sollen. Der Einsatz eines Symmetrieübertragers erweist sich außerdem insbesondere bei Magnetresonanztomographen als nachteilig, also dann, wenn der Modulator in einem relativ starken Magnetfeld betrieben wird. Es sind dann nämlich keine Eisen- oder Ferritkerne möglich.
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Eine weitere Abhilfe könnten hier so genannte Stromspiegel schaffen, welche dem Modulatoreingang vorgeschaltet werden könnten. Ein solcher Stromspiegel ist beispielsweise aus „U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 9. Auf 1., , S. 140” als bekannt zu entnehmen. Eine solche Schaltung ist aber relativ aufwändig und erfordert zusätzlich noch weitere aktive Bauelemente mit den damit verbundenen Nachteilen insbesondere hinsichtlich des Stromverbrauchs.
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Ein Frequenzmodulator ist des Weiteren aus der Druckschrift
DE 689 09 854 T2 bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Frequenzmodulator der eingangs genannten Gattung die Gleichtaktstörungen ohne viel Aufwand unterdrückt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Frequenzmodulator, wie auch durch einen Magnetresonanztomographen mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Frequenzmodulator neben dem ersten Modulatoreingang auch einen zweiten Modulatoreingang zum Empfangen eines zum ersten Modulationssignal symmetrischen – insbesondere erdsymmetrischen – zweiten Modulationssignals sowie ein parallel zum ersten kapazitiven Elementenpaar geschaltetes zweites Elementenpaar mit zwei zueinander seriell geschalteten Kapazitätselementen aufweist. Ein zwischen den Kapazitätselementen des zweiten Elementenpaares liegender zweiter Knoten ist – bevorzugt über einen Widerstand – mit dem zweiten Modulatoreingang gekoppelt, sodass an dem zweiten Knoten das zweite Modulationssignal bereitstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird also der Frequenzmodulator gemäß 1 derart ausgestaltet, dass parallel zu dem ersten kapazitiven Elementenpaar ein zweites kapazitives Elementenpaar aus zwei seriell geschalteten Kapazitätselementen vorgesehen ist, welche mit einem zweiten Modulatoreingang gekoppelt sind, an welchem ein zum ersten Modulationssignal symmetrisches zweites Modulationssignal bereitgestellt wird. Auf diesem Wege gelingt es, den Frequenzmodulator mit einer symmetrischen (erdsymmetrischen) Modulationsquelle zu betreiben und somit zwei symmetrische Signalpfade zwischen der Modulationsquelle und dem Oszillator bereitzustellen. Dies ermöglicht wiederum eine zuverlässige und wirkungsvolle Unterdrückung der Gleichtaktstörungen, wodurch eine fehlerhafte Frequenzmodulation verhindert werden kann. Es erübrigt sich daher der Einsatz eines zusätzlichen Symmetrieübertragers oder aber eines Stromspiegels mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich der Verlustleistung. Insgesamt wird erfindungsgemäß also ein DC-fähiger Frequenzmodulator geschaffen, bei welchem zusätzlich noch die Gleichtaktstörungen ohne viel Aufwand unterdrückt werden.
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Bevorzugt ist zumindest eines der Kapazitätselemente des ersten Elementenpaares und/oder zumindest eines der Kapazitätselemente des zweiten Elementenpaares durch eine Kapazitätsdiode gebildet. Solche Kapazitätsdioden können auf einfache Weise mithilfe der anliegenden Sperrspannung gesteuert werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beide Kapazitätselemente des ersten Elementenpaares jeweils durch eine Kapazitätsdiode gebildet sind, wobei die Kapazitätsdioden des ersten Elementenpaares antiseriell zueinander geschaltet sind. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass auch die beiden Kapazitätselemente des zweiten Elementenpaares durch jeweilige Kapazitätsdioden gebildet sind, welche antiseriell zueinander geschaltet sind und welche mit einer gegenüber den Kapazitätsdioden des ersten Elementenpaares umgekehrten Polarität an die Oszillatoreinheit geschaltet sind. Somit erhält man für die Schwingfrequenz eine Parallelschaltung aus zwei separaten Diodenpaaren, welche an die Oszillatoreinheit angekoppelt sind und somit die Schwingfrequenz der gesamten Oszillatorschaltung beeinflussen.
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Bevorzugt sind die Kapazitätselemente des ersten und des zweiten Elementenpaares Bauteile gleichen Bauteiltyps, und insbesondere Kapazitätsdioden gleichen Bauteiltyps bzw. identische Dioden. Somit ist einerseits die erforderliche Symmetrie ermöglicht; andererseits ist somit der Aufwand bezüglich der benötigten Bauteiltypen minimal.
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Vorzugsweise ist das erste Elementenpaar über zumindest einen Koppelkondensator mit dem zweiten Elementenpaar im Frequenzband der Oszillatoreinheit gekoppelt. Insbesondere sind dabei zwei solche Koppelkondensatoren vorgesehen, nämlich einerseits ein erster Koppelkondensator sowie andererseits – also auf der Seite des Bezugspotentials – ein zweiter Koppelkondensator. Der zumindest eine Koppelkondensator wird bevorzugt so gewählt, dass er einen hochfrequenten Kurzschluss darstellt, sodass für die Schwingfrequenz der Oszillatoreinheit der zumindest eine Koppelkondensator die beiden Elementenpaare miteinander kurzschließt und bezüglich einer Biasspannung die beiden Elementenpaare elektrisch voneinander trennt. Dabei gilt vorzugsweise die Beziehung, dass die Kapazität des zumindest einen Koppelkondensators deutlich größer als die maximale Kapazität der Kapazitätsdioden im Betrieb ist. Durch Einsatz eines solchen Koppelkondensators können also die beiden Elementenpaare bezüglich der Biasspannung zuverlässig voneinander elektrisch getrennt werden.
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Der Frequenzmodulator kann Versorgungsmittel aufweisen, mit welchen eine Biasspannung an den einzelnen Kapazitätselementen des ersten Elementenpaares und/oder an den einzelnen Kapazitätselementen des zweiten Elementenpaares bereitgestellt wird. Somit lässt sich bei steuerbaren Kapazitätselementen die Kapazität der jeweiligen Kapazitätselemente ohne viel Aufwand einstellen. Sind die Kapazitätselemente als Kapazitätsdioden ausgebildet, so können diese Dioden durch Anlegen einer Biasspannung stets in Sperrrichtung betrieben werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kapazitätselemente des zweiten Elementenpaares als Kapazitätsdioden ausgebildet sind, welche über ihre Anoden mit dem zweiten Knoten – und hierdurch mit dem zweiten Modulatoreingang – verbunden sind. Dann kann mithilfe der Versorgungsmittel ein elektrisches Biaspotential (bezüglich des Bezugspotentials) an den Kathoden dieser Kapazitätsdioden bereitgestellt werden. Außerdem können die Versorgungsmittel ein elektrisches Eingangspotential (bezüglich des Bezugspotentials) an dem ersten und dem zweiten Modulatoreingang bereitstellen. Somit ist gewährleistet, dass an allen Kapazitätsdioden eine Biasspannung zwischen der jeweiligen Kathode und der jeweiligen Anode abfällt und alle Kapazitätsdioden stets in Sperrrichtung betrieben werden.
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Es erweist sich dabei als besonders vorteilhaft, wenn das Biaspotential an den Kathoden der Kapazitätsdioden des zweiten Elementenpaares doppelt so hoch wie das Eingangspotential an den Modulatoreingängen ist. Somit werden alle Kapazitätsdioden mit der gleichen Biasspannung in Sperrrichtung beaufschlagt, und die benötigte Symmetrie ist gewährleistet. Es kann somit außerdem ein möglichst linearer Arbeitsbereich der Diodencharakteristik und somit ein linearer Bereich des Zusammenhangs zwischen der Frequenzänderung und der Modulationsspannungsänderung an den Kapazitätsdioden gewählt werden.
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Unter den Modulationssignalen werden vorliegend insbesondere Wechselsignale bzw. Wechselspannungen verstanden, welche für sich gesehen zueinander erdsymmetrisch bzw. bezüglich des Bezugspotentials (Masse) symmetrisch sind. Diese Modulationssignale können eine Frequenz von 0 Hz bis hin zu einem vorbestimmten maximalen Frequenzwert aufweisen, beispielsweise bis 500 kHz. Im Grenzfall können die Modulationssignale also auch Gleichspannungen sein, welche der jeweiligen Biasspannung bzw. dem jeweiligen Eingangspotential an den Modulatoreingängen überlagert werden. Durch Überlagerung der Modulationssignale mit den Eingangspotentialen werden an den Modulatoreingängen Signale bereitgestellt, welche bezüglich des Eingangspotentials symmetrisch sind.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Magnetresonanztomograph mit einem erfindungsgemäßen Frequenzmodulator. Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Modulator vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen Frequenzmodulator gemäß dem Stand der Technik; und
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2 einen Frequenzmodulator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren werden gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gegenüber dem Frequenzmodulator 1 gemäß 1 weist der Frequenzmodulator 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 zusätzlich noch ein zweites kapazitives Elementenpaar mit zwei Kapazitätselementen 16, 17 auf, nämlich im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Diodenpaar mit einer ersten und einer zweiten Kapazitätsdiode 16, 17, welche zueinander antiseriell geschaltet sind und insgesamt für die Schwingfrequenz parallel zu dem ersten Diodenpaar 6, 7 geschaltet sind. Der Frequenzmodulator 1 weist zusätzlich auch einen zweiten Modulatoreingang 18 auf. Die Modulationsquelle 3 ist nunmehr zum Bereitstellen von zwei für sich alleine gesehen erdsymmetrischen – also bezüglich des Bezugspotentials 8 symmetrischen – Modulationssignalen UM1, UM2 ausgebildet. Der zweite Modulatoreingang 18 ist über einen Widerstand 19 mit einem zweiten Knoten 20 gekoppelt, welcher zwischen den beiden Kapazitätsdioden 16, 17 des zweiten Diodenpaares liegt. Der zweite Knoten 20 ist dabei mit den jeweiligen Anoden der Kapazitätsdioden 16, 17 direkt verbunden.
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Die Kathode der Kapazitätsdiode 16 ist über einen ersten Koppelkondensator 21 mit der Anode der Kapazitätsdiode 6 gekoppelt, und die Kathode der Kapazitätsdiode 17 ist über einen zweiten Koppelkondensator 22 mit dem Bezugspotential 8 und somit auch mit der Anode der Kapazitätsdiode 7 gekoppelt. Über jeweilige Widerstände 23, 24 wird an den Kathoden der Kapazitätsdioden 16, 17 des zweiten Diodenpaares mithilfe entsprechender Versorgungsmittel ein elektrisches Biaspotential von +U0 angelegt, beispielsweise 4 V.
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Die beiden symmetrischen Modulatoreingänge 2, 18 werden kontinuierlich mit einem elektrischen Eingangspotential von U0/2 vorgespannt, so dass beispielsweise gilt: U0/2 = 2 V.
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Durch das Biaspotential U0 und die Eingangspotentiale U0/2 ergibt sich folglich, dass alle Kapazitätsdioden 6, 7, 16, 17 mit einer gleichen Biasspannung von U0/2 in Sperrrichtung vorgespannt sind. Somit ist einerseits die erforderliche Symmetrie gegeben; andererseits können die Kapazitätsdioden 6, 7, 16, 17 in Sperrrichtung durch geeignete Wahl von U0 und U0/2 in einem Arbeitspunkt betrieben werden, welcher in einem möglichst annähernd linearen Bereich der insgesamt nichtlinearen Diodencharakteristik liegt.
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Die Koppelkondensatoren 21, 22 weisen eine Kapazität auf, welche deutlich größer als die maximale Kapazität der Kapazitätsdioden 6, 7, 16, 17 ist. Die beiden Koppelkondensatoren 21, 22 stellen also einen hochfrequenten Kurzschluss dar. Demgegenüber werden die Widerstandswerte der Widerstände 4, 19, 23, 24 so gewählt, dass sie einen hochfrequenten Leerlauf darstellen. Für diese Widerstände 4, 19, 23, 24 gilt folglich: Rv >> 1/(ωCmin), wobei Rv den Widerstandswert der Widerstände 4, 19, 23, 24 und Cmin die minimale Kapazität der Kapazitätsdioden 6, 7, 16, 17 bezeichnen und ω die per Modulation kleinste Kreisfrequenz der Oszillatoreinheit 10 ist.
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Die beiden Modulatoreingänge 2, 18 werden also mit dem Eingangspotential von U0/2 kontinuierlich vorgespannt. Bei Fehlen von Modulationssignalen UM1, UM2 liegt an den Modulatoreingängen 2, 18 somit jeweils das Eingangspotential von U0/2 an (zum Beispiel 2 V). Werden von der Modulationsquelle 3 die für sich alleine gesehen erdsymmetrischen Modulationssignale UM1, UM2 bereitgestellt, so werden diese Modulationssignale UM1, UM2 dem Eingangspotential von U0/2 überlagert. Weil die beiden Modulationssignale UM1, UM2 für sich alleine gesehen erdsymmetrische Signale sind, erhält man an den Knoten 5, 20 jeweilige Signale, welche bezüglich der Biasspannung von U0/2 zueinander symmetrisch sind. Weil an den Kathoden der Kapazitätsdioden 16, 17 stets das Biaspotential von U0 bereitgestellt ist, werden diese Kapazitätsdioden 16, 17 stets in Sperrrichtung betrieben. Weil weiterhin die Anoden der Kapazitätsdioden 6, 7 an dem Bezugspotential 8 liegen, werden auch diese Kapazitätsdioden 6, 7 stets in Sperrrichtung betrieben.
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Bei Fehlen von Modulationssignalen UM1, UM2 liegt folglich an dem ersten und dem zweiten Modulatoreingang 2, 18 jeweils das Eingangspotential U0/2 an, sodass die Frequenz des Kommunikationssignals UK konstant bleibt. Werden nun dem Eingangspotential U0/2 an den Modulatoreingängen 2, 18 die jeweiligen erdsymmetrischen Modulatorsignale UM1, UM2 überlagert, so erhält man sowohl am Knoten 5 als auch am Knoten 20 jeweilige Spannungen, welche bezüglich des Potentials U0/2 zueinander symmetrisch sind. Ist U0 beispielsweise gleich 4 V und beträgt die Amplitude der zu U0/2 überlagerten Modulationsspannung zum Beispiel 1 V, so variieren die Spannungen an dem Knoten 5 beispielsweise zwischen 1 V und 3 V und gleichzeitig an dem Knoten 20 umgekehrt von 3 V bis 1 V. Somit ändern sich auch die Kapazitäten der Kapazitätsdioden 6, 7 und 16, 17 in gleicher Weise und somit auch die Frequenz der Spannung US am Anschluss der Oszillatoreinheit 10. Der Oszillator 10 erzeugt dann das Kommunikationssignal UK mit entsprechend veränderlicher Frequenz.
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Zur Vorspannung der beiden Modulatoreingänge 2, 18 auf das Eingangspotential von U0/2 und zur Bereitstellung des Biaspotentials U0 umfasst der Frequenzmodulator 1 entsprechende Versorgungsmittel, welche beispielsweise auch in die Modulationsquelle 3 selbst integriert oder aber als separate Quelle bereitgestellt sein können.
