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Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulatorschaltung,
insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Modulieren
von Ionsignalen auf eine Trägerschwingung für ein
Videorecordersystem.
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Bei Videorecordersystemen wird im allgemeinen ein Verfahren
der FM-Modulation zum Modulieren eines Hilfsträgers des
Videosystems mit einem Audiofrequenz-(AF)-Eingangssignal
angewandt. Solche FM-Modulatoren enthalten im allgemeinen
einen Resonanzkreis, z.B. einen LC-Kreis, mit einer
veränderbaren Kapazität, die gewöhnlich in Form einer Varaktor-
Diode zum Modulieren der Resonanzfreguenz des Kreises
vorgesehen ist. Ein Problem bei einem solchen Resonanzkreis
besteht darin, daß zur Wiedergabe mit hoher Güte eine
verhältnismäßig große Abweichung (Frequenzhub) oder Bandbreite
erforderlich ist (75 Kilohertz), und diese einfache
Modulationsschaltung Nichtlinearitäten bewirken kann.
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Ein weiteres Problem besteht darin, daß bestimmte Länder,
z.B. Frankreich, eine Fernsehnorm haben, die eine
Amplitudenmodulation (AM) erfordert, so daß ein Videorecorder mit
einem FM-Modulator in solchen Ländern nicht benutzt werden
könnte.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Modulatorschaltung anzugeben, die einfach von einer FM-
Betriebsart auf eine AM-Betriebsart, und umgekehrt,
umgeschaltet werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der
Fernsehnorm, mit der der Modulator benutzt werden soll, und
die vorzugsweise eine lineare Modulation über einen weiten
Frequenzhub bewirkt.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß
zur Erzielung einer AM-Betriebsart eine Mischschaltung zum
Mischen des Audiofrequenz-(AF)-Signals mit dem
Trägerschwingungssignal erforderlich ist und daß dieses
audiomodulierte Signal zur Erzeugung eines frequenzmodulierten
Signals verwendet werden kann, indem das audiomodulierte
Signal in der Phase verschoben und das phasenverschobene
Signal zum Trägerschwingungssignal addiert wird, um das FM-
Signal zu erzeugen. Bekannte Anordnungen, bei denen dieses
Prinzip angewandt wird, sind beispielsweise in den US-
Patentschriften 3,002,159 und 3,378,773 offenbart.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Modulatorschaltung mit
einem Eingang zum Empfangen eines Audiofrequenzsignals,
einer Oszillatorschaltung zur Bildung eines
Trägerschwingungssignals, einer Mischstufe zum Mischen des
Audiofrequenzsignals mit dem Trägerschwingungssignal, um ein
amplitudenmoduliertes Signal zu bilden, einem Phaseschiebemittel
zum Verschieben der Phasenlage des amplitudenmodulierten
Signals relativ zum Trägerschwingungssignal und ein
Zeigeraddiermittel zum Addieren des phasenverschobenen
amplitudenmodulierten Signals und des Trägerschwingungssignals
dadurch aus, daß die Oszillatorschaltung-Transistormittel mit
einem Resonanzkreis aufweist, der als Kollektorlast
geschaltet ist, wobei die Oszillatorschaltung einen linearen
Phasengang über einen vorbestimmten Frequenzbereich hat,
und daß das Zeigeraddiermittel einen Knotenpunkt zum
Verbinden des phasenverschobenen amplitudenmodulierten Signals
mit der Kollektorlast aufweist, wobei die
Oszillatorschaltung ein Trägerschwingungssignal erzeugt, das mit dem
Audiofrequenzsignal frequenzmoduliert ist.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Modulatorschaltung
in der FM-Betriebsart wird nachstehend anhand der Fig. 1A
und 1B umrissen. Fig. 1A ist eine herkömmliche Darstellung
der Frequenzmodulation in der komplexen Ebene, bei der die
Trägerschwingung als Zeiger C dargestellt ist, der sich
entgegen dem Uhrzeigersinn mit der Winkelgeschwindigkeit ωc
dreht, und das Modulationssignal durch einen Zeiger M
dargestellt ist, der zum Zeiger C addiert ist und sich um das
Ende des Zeigers C mit der Modulationswinkelgeschwindigkeit
ωm dreht. Die Projektion der vektoriellen Summe der beiden
Zeiger auf die x-Koordinate stellt den Realteil der
Amplitude des Signals in einem gegebenen Zeitpunkt dar. Nach der
herkömmlichen FM-Theorie hat das Ausgangssignal eine
konstante Amplitude, während sich seine Frequenz periodisch
ändert, wobei die maximale Frequenzabweichung proportional
zur Amplitude des Modulationssignals M und die
Änderungsgeschwindigkeit der Frequenzabweichung proportional zur
Frequenz des Modulationssignals M ist.
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Erfindungsgemäß wird ein frequenzmoduliertes Signal dadurch
gebildet, daß zur Trägerschwingungsamplitude ein Zeiger
addiert wird, der insgesamt oder zum größten Teil eine im
rechten Winkel zum Amplitudenzeiger stehende Komponente hat
und dessen Länge proportional zum augenblicklichen Realteil
des AF-Modulations-Eingangssignals ist. Dies ist in Fig. 1B
dargestellt, in der die durch den Oszillator erzeugte
Trägerschwingung durch den Zeiger A und der Modulationszeiger
durch den Zeiger B im rechten Winkel zum Zeiger A
dargestellt ist. Die Addition dieser beiden Zeiger ergibt den
Zeiger C, bei dem es sich um einen frequenzmodulierten
Zeiger handelt, der am Ausgang der Schaltung auftritt. Wie im
Vergleich zu Fig. 1A festgestellt werden kann, rotiert der
Zeiger B nicht um das Ende des Trägerschwingungszeigers.
Vielmehr schwingt er von der einen auf die andere Seite des
Zeigers A. Mit anderen Worten, er stellt die Komponente des
Zeigers M in Fig. 1A dar, die im rechten Winkel zum Zeiger
C steht. Diese Komponente ist bezüglich der
Frequenzmodulation wichtig, da die zum Trägerschwingungszeiger parallele
Komponente des Zeigers M unbedeutend ist, da sie lediglich
die Amplitude der Trägerschwingung um einen kleinen Betrag
erhöht oder verringert, aber die Frequenz nicht beeinflußt.
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Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand
der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1A und 1B Diagramme der prinzipiellen Wirkungsweise
der Erfindung darstellen,
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Fig. 2 ein Blockschaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Modulatorschaltung darstellt,
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Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt und
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Fig. 4 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung darstellt.
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Fig. 2 stellt eine erfindungsgemäße Modulatorschaltung für
einen Videorecorder dar, bei dem der Ton dem Videosignal
mittels eines separaten Hilfsträgers zugesetzt wird. Die
Schaltung ist zur Ausbildung als integrierte Schaltung
geeignet, und ein Oszillator 2 ist so ausgebildet, daß
Bauteile 4 zur integrierten Schaltung hinzugefügt werden
können, um die Betriebsfrequenz des Oszillators zu bestimmen,
z.B. eine Schwingkreisspule oder ein Kristall. Der
Oszillator 2 ist mit einem Eingang 40 einer Zeigeraddierschaltung
6, die nachstehend anhand von Fig. 3 beschrieben wird, und
einem 90º-Phasenschieber 8 verbunden, bei dem es sich um
ein einfaches RC-Glied oder eine aktive Schaltung handeln
kann. Der Phasenschieber 8 ist mit einer Mischstufe 10
geeigneter Form verbunden, z.B. einem Diodenring oder einem
symmetrischen Vierpol, wo sein Ausgangssignal mit einem
Audiofrequenz-Eingangssignal am Anschluß 12 gemischt wird,
der mit einem Vorverstärker 14 verbunden ist, dessen
Ausgangssignal der Mischstufe 10 zugeführt wird. Die
Verstärkung des Verstärkers 14 wird über eine Steuerleitung 16 und
einen Schalter 18 gesteuert.
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Das Ausgangssignal der Mischstufe 10 wird einem zweipoligen
Umschalter 20 zugeführt, dessen einer Ausgang über einen
Verstärkungssteuerungsverstärker 22 mit einem weiteren
Schalter 24 verbunden ist, an den eine Ausgangsleitung 26
angeschlossen ist, in der ein
Verstärkungssteuerungsverstärker 28 liegt. Die Schalter 18, 20, 24 werden durch eine
einzige Eingangsleitung 30 gesteuert, die mit "AM/FM-
Auswahl" bezeichnet ist. Der andere Ausgang des Schalters
ist mit einem Rückführzweig 32 verbunden, in dem ein
Rückführverstärker 34 liegt, der mit einem zweiten Eingang
42 der Zeigeraddierschaltung 6 verbunden ist. Der Ausgang
der Zeigeraddierschaltung 6 ist über eine Ausgangsleitung
und einen Verstärkungssteuerungsverstärker 36 mit dem
anderen Eingang des Schalters 24 verbunden. Die Zeigerad
dierschaltung kann in herkömmlicher Weise ausgebildet sein,
z.B. als Summierknotenpunkt.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung wird die AM-FM-
Auswahlleitung 30 beaufschlagt, um zu bestimmen, ob eine
AM- oder eine FM-Modulation bewirkt werden soll. Für eine
FM-Modulation verbindet der Schalter 20 die Mischstufe 10
mit der Rückführleitung 32 und der Schalter 24 die
Ausgangsleitung 26 mit der FM-Ausgangsleitung 35. Nach Fig. 1B
wird der auf der Leitung 35 auftretende Ausgangszeiger
durch den Phasenschieber 8 um 90º in der Phase verschoben
und dem einen Eingang der Mischstufe 10 zugeführt, wo er
mit dem Modulations-AF-Eingangssignal gemischt wird. Das
Ausgangssignal der Mischstufe 10 ist daher ein rechtwinklig
zum Trägerschwingungssignal stehender Zeiger mit einer zum
AF-Eingangssignal proportionalen Amplitude. Dieses Signal
wird durch den Zeiger B in Fig. 1B dargestellt. Dieses
Signal wird dem Eingang 42 der Zeigeraddierschaltung 6 über
die Rückführleitung 32 zugeführt. Die Zeigeraddierschaltung
6 bewirkt die Addition des Trägerschwingungszeigers A zum
Modulationszeiger B, um den Ausgangszeiger C zu erzeugen,
der auf der Leitung 35 verfügbar ist und über den
Verstärkungssteuerungsverstärker 36 der Ausgangsleitung 26
zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Oszillators 2 wird daher
praktisch in Phase durch die Addition des Zeigers B
moduliert, um eine resultierende FM-Modulation zu bewirken.
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Für eine AM-Betriebsart wird die Auswahlleitung 30
entsprechend beauf schlagt, so daß der Schalter 18 mit der
Steuerleitung 16 verbunden, der Schalter 20 mit dem Verstärker 22
verbunden und die Rückführleitung 32 abgeschaltet wird, so
daß der Verstärker 22 mit der Ausgangsleitung 26 verbunden
ist. Dies ist die AM-Betriebsart, bei der das Signal auf
der Steuerleitung 16 den Modulationsgrad des der Mischstufe
zugeführten Modulationssignals steuert. Die
Trägerschwingung des Oszillators 2 wird dem anderen Eingang der
Mischstufe 10 über die Zeigeraddierschaltung 6 zugeführt,
die jedoch gesperrt ist, da über die Rückführleitung 32
kein Eingangssignal zugeführt wird. Daher wird ein
herkömmliches Mischverfahren ausgeführt, und das AM-modulierte
Signal wird vom Ausgang des Mischers 10 zur Ausgangsleitung
26 geleitet.
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Fig. 3 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar, wobei den in Fig. 2 dargestellten ähnliche Teile mit
den gleichen Bezugszahlen versehen sind. Das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 untercheidet sich grundsätzlich von
dem nach Fig. 2 darin, daß die Oszillatorschaltung 2 durch
das Ausgangssignal der Zeigeraddierschaltung 6 gesteuert
und dem Eingang 40 der Zeigeraddierschaltung 6 ein
Ausgangssignal des Oszillators 2 über einen Rückführzweig 50
zugeführt wird, in dem ein Verstärkungssteuerungsverstärker
52 liegt. Wenn daher das Signal am Eingang 40 gleich Asinwt
und das Signal am Eingang 42 Bcosωt ist, wobei B eine
Funktion des Audioeingangssignals ist (BαVmcosωmt), dann gilt
für das Ausgangssignal der Zeigeraddierschaltung folgendes:
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C = Asinωt + Bcosωt
= A² + B² sin(ωt + φ; φ = arc tan(B/A)
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Bei einer praktischen Frequenzabweichung ist das Maximum
von B 0,2 A und mithin
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A² + B²
A und arc tan(B/A) B/A
0 = Asin(O)t+B/A)
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Der Oszillator bildet eine Blindlast mit einem Phasengang,
für den angenähert gilt 4) = K(ω-ωc), wobei ωc die mittlere
Trägerfrequenz des Oszillators ist. Bei kleinen
Frequenzabweichungen bleibt die Amplitude der Schwingung um die
mittlere Frequenz ωc herum konstant.
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Die Funktion des Oszillators ist daher folgende:
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C = Asin(ωt + B/A)TAsin(ωt+B/A-Kδω) = Asincωt
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(i/p) o/p δω = (ω-ωc)
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nur, wenn B/A = kδω oder δω = B/(Ak)
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Aber BαVmcosωmt = A.F.
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oder δωαA.F., d.h. FM-Modulation durch Zeigeraddition. Die
Linearität hängt vom Phasengang des Oszillators ab.
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Fig. 4 stellt ein Schaltbild eines dritten
Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, wobei ähnliche Teile, wie sie in
Fig. 2 und 3 dargestellt sind, mit den gleichen
Bezugszahlen versehen sind. Der Phasenschieber 8 ist mit einem
Transimpedanz-Verstärker 60 versehen, der mit
Phasenverschiebungskondensatoren 62 verbunden ist und ohmsche
Rückführwiderstände 64 aufweist. Eine
Spannung/Strom-Umformerschaltung 66 führt der Mischstufe 10 ein Signal zu.
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Das Rückführsignal auf der Leitung 32 wird einer
Differenzverstärker-Treiberschaltung 70 zugeführt, deren Kollektoren
mit den Kollektoren einer Gegentaktstufe 72 einer
Oszillatorschaltung 6 verbunden sind, die einen Resonanzkreis 4
mit einem Kondensator 74 und einer Induktionsspule 76
zwischen den Kollektoren der Gegentaktstufe 72 aufweist. Die
Kollektoren der Gegentaktstufe 72 sind überkreuz durch
Transistoren 78 mit ihrer jeweiligen Basis verbunden. Die
Gegentaktstufe 72 enthält eine Stromquelle 80 in ihrer
gemeinsamen Verbindungsleitung nach Masse. Diese Stromquelle
wird durch einen Verstärkungsregelkreis geregelt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Schwingungen bei
fehlender Modulation mithin durch die positiven
Rückführzweige zu den Basen der Transistoren 72 aufrechterhalten.
Wenn über den Rückführzweig 32 ein moduliertes Signal
zugeführt wird, werden den Kollektoren der Gegentaktstufe 72
Modulationssignale zugeführt, die um 180º zueinander und um
90º gegenüber dem oszillatorsignal, das durch den
Oszillator 22 erzeugt wird, phasenverschoben sind. Die Verbindung
mit den Kollektoren der Transistor-Gegentaktstufe 72 bildet
daher eine Zeigeraddierschaltung, und die zum Resonanzkreis
addierten modulierten Signale bewirken eine
Frequenzabweichung von der Resonanzfrequenz, und infolge des linearen
Phasengangs der Schaltung über einen vorbestimmten Bereich
wird im Oszillator eine Frequenzabweichung erzeugt, die der
durch das modulierte Signal bewirkten Phasenabweichung
proportional ist.
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Die Erfindung bezieht sich mithin auf die Ausbildung einer
Modulatorschaltung, die in der Lage ist, sowohl AM- als
auch FM-modulierte Ausgangssignale zu erzeugen, und die so
ausgebildet ist, daß sie sehr gut zur Aufintegration
geeignet ist. Sie dient hauptsächlich zur
Ton-Hilfsträgermodulation in Videomodulatorschaltungen, ist jedoch auch
überall dort anwendbar, wo eine gute AM- und/oder
FM-Modulation erforderlich ist.
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Die Schaltung ist mit einem Minimum an äußeren Bauteilen
ausgebildet und erfordert nur eine äußere
Resonanzkreisspule für den Oszillatorteil. Sie ist auch so ausgebildet, daß
ihre Anwendung einfach ist, da sie nur einen AF-Eingang für
beide Modulationsarten und einen HF-Ausgang hat. Ein
weiterer Eingang dient zur Einstellung des AM-Modulationsgrades;
bei der beabsichtigten Videomodulatoranwendung wäre dies
ein fester Pegel, obwohl er aus einer intern erzeugten
Quelle kommen würde. Die Einstellung des
AM-Modulationsgrades kann über den AF-Eingang bewirkt werden, wenn kein
weiterer Eingang erwünscht ist. Die gewünschte
Modulationsart wird einfach über den AM/FM-Auswahleingang gewählt.
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Ihre Hauptvorteile sind:
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1) Einfache Anwendung,
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2) exzellente Verzerrungskennlinien,
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3) niedrige Grundschwingungsabstrahlung,
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4) keine höherfrequenten Modulationsprodukte, aufgrund
weicher Umschaltung. Dadurch wird eine komplizierte
Nachfilterung vermieden.
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5) Einfache Umschaltung von FM- auf AM-Modulation,
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6) einfache Steuerung des AM-Modulationsgrades,
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7) exzellentes Rauschverhalten.
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FM-Betriebsart. - Die FM-Modulation wird durch Anwendung
von Zeigeradditionsverfahren bewirkt. Der Träger wird durch
die interne Oszillatorschaltung erzeugt, die so ausgebildet
ist, daß sie eine geringe Abstrahlung und eine weitgehend
konstante Ausgangsamplitude hat. Dieses Signal wird einem
Zeiger-Summierer und dann einem 90º-Phasenschieber
zugeführt. Der Oszillator liegt in einem gemeinsamen Kreis mit
dem Zeigeraddierer, und das Oszillator-Ausgangssignal wird
dann einem 90º-Phasenschieber zugeführt. Ein Teil des
Ausgangssignals dieser Schaltung wird dann dem anderen Eingang
des Zeiger-Summierers zugeführt. Das Rückführsignal ist der
Amplitude des AF-Eingangssignals proportional, so daß das
Ausgangssignals des Zeiger-Summierers ein
frequenzmoduliertes Signal mit einem der AF-Amplitude proportionalen
Frequenzhub ist, und die Frequenz der Modulation ist gleich
der AF. Das resultierende FM-Ausgangssignal wird dann über
Verstärkungsstufen dem FM/AM-Ausgang zugeführt.
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Die Amplitude des Rückführsignals wird durch einen
einfachen AM-Modulator gesteuert. Der Modulator kann eine
Zweiseitenband-Mischstufe ohne Trägerfrequenz-Durchbruch sein,
d.h. ein Ringmischer. Da die Trägerfrequenz nicht
durchschlägt, ist der Modulationsgrad aufgrund einer Division
durch null automatisch unendlich. Eine einfache
Verstärkungsstufe bestimmt das Maximum des Spitzenhubs bei einem
Spitzen-AF-Eingangssignal.
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AM-Betriebsart. - Die AM-Modulation wird durch Verwendung
der Rückführsteuerelemente der FM-Betriebsart bewirkt, die
einen Basis-AM-Modulator bildet. Bei dieser Betriebsart ist
der Rückführzweig abgeschaltet, so daß keine restliche FM
vorhanden ist. In das AF-Signal muß ferner eine
Verschiebung eingeführt werden, um den gewünschten Modulationsgrad
einzustellen. Das Ausgangssignal des Modulators wird dann
über Verstärkungsstufen dem FM/AM-Ausgang zugeführt.
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Die Verstärkung der Verstärkungsstufen ist so gewählt, daß
die maximale AM-Modulation die gleiche Amplitude wie die
FM-Modulation hat.