FM Tranceiver

7/29/2019 FM Tranceiver

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L a b 7 : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n - R e v B : 1 0 0 3 2 0 0 2

© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 1

E X P E R I M E N T # 7 : F R E Q U E N C Y M O D U L A T I O N

INTRODUCTION:

F r e q u e n c y m o d u l a t i o n , o r F M , i s a n i m p o r t a n t m e t h o d o f i m p r e s s i n g i n f o r m a t i o n o n a c a r r i e r . I t h a s

m a n y a d v a n t a g e s o v e r A M . F i r s t , s i n c e F M o n l y c h a n g e s t h e f r e q u e n c y , a n d n o t t h e a m p l i t u d e o f t h e

c a r r i e r w a v e , F M r e c e i v e r s c a n b e b u i l t t o i g n o r e a m p l i t u d e ( v o l t a g e ) c h a n g e s . T h i s i s i m p o r t a n t ,

b e c a u s e m o s t e x t e r n a l n o i s e i s i n t h e f o r m o f v o l t a g e v a r i a t i o n s t h a t a r e " a d d e d " t o t h e c a r r i e r w a v e a s

i t m a k e s i t s w a y f r o m t r a n s m i t t e r t o r e c e i v e r . A n A M r e c e i v e r d i r e c t l y r e s p o n d s t o t h e s e w i t h t h e

f a m i l i a r s o u n d s o f s t a t i c i n t e r f e r e n c e ; a n F M r e c e i v e r i g n o r e s t h e a m p l i t u d e c h a n g e s , a l m o s t

e l i m i n a t i n g t h e e f f e c t o f t h e n o i s e .

S e c o n d , i t i s m u c h e a s i e r t o d e s i g n s y s t e m s t o r e p r o d u c e h i g h - f i d e l i t y s o u n d u s i n g F M . " H i g h - f i d e l i t y "

m e a n s a c c u r a t e s i g n a l r e p r o d u c t i o n , w i t h a m i n i m u m o f d i s t o r t i o n . T h e r e p r o d u c e d i n f o r m a t i o n s i g n a l

i s a v e r y c l o s e r e p l i c a o f t h e o r i g i n a l i n a n F M s y s t e m . I t ' s d i f f i c u l t t o b u i l d h i - f i A M r e c e i v e r s , p a r t l y

d u e t o t h e i n h e r e n t n o n l i n e a r d i s t o r t i o n c r e a t e d i n a c o n v e n t i o n a l A M d i o d e d e t e c t o r , a n d a l s o p a r t l y

d u e t o t h e l i m i t e d t r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h ( 8 k H z ) a l l o t t e d f o r A M b r o a d c a s t .

T h e s e a d v a n t a g e s d o c o m e a t a p r i c e ; t h a t p r i c e i s i n c r e a s e d b a n d w i d t h . A t y p i c a l F M b r o a d c a s t s t a t i o n

u s e s u p t o 7 5 k H z o f s i g n a l d e v i a t i o n ( t h e p e a k f r e q u e n c y c h a n g e ) , w h i c h r e s u l t s i n a t y p i c a l b a n d w i d t h

o f 1 5 0 t o 2 0 0 k H z . B e c a u s e o f t h e h i g h b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t s , F M b r o a d c a s t i n g i s d o n e i n t h e V H F

b a n d b e t w e e n 8 8 a n d 1 0 8 M H z . F M r e c e i v e r s a n d d e t e c t o r s a r e s l i g h t l y m o r e c o m p l e x t h a n t h o s e f o r

A M ; a n d t h e h i g h e r f r e q u e n c i e s u s e d f o r F M ( V H F ) c o m p l i c a t e o v e r a l l t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r d e s i g n .

T h e c i r c u i t r y i n t h i s l a b o p e r a t e s o n a c a r r i e r f r e q u e n c y o f 1 0 0 k H z , w h i c h i s i n t h e V L F b a n d . A t s u c h

a l o w c a r r i e r f r e q u e n c y , t h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n n e e d s t o b e l i m i t e d s o t h a t t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s

n o t u s e d u p . F M s y s t e m s w i t h l i m i t e d d e v i a t i o n a r e v e r y c o m m o n l y u s e d w h e r e t h e h i g h e s t f i d e l i t y i s

n o t n e e d e d . V o i c e - o n l y c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n t h e a m a t e u r , b u s i n e s s , a n d g o v e r n m e n t r a d i o

s e r v i c e s a r e t y p i c a l " n a r r o w b a n d " F M a p p l i c a t i o n s . M o s t n a r r o w b a n d F M c o m m u n i c a t i o n s o c c u r s i n t h e

V H F a n d U H F b a n d s , w h e r e t h e r e d u c e d b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t a l l o w s m o r e s t a t i o n s t o s h a r e t h e

a v a i l a b l e r a n g e o f r a d i o f r e q u e n c i e s .

CIRCUIT ANALYSIS:

T h i s e x p e r i m e n t i s i n t w o p a r t s , a n F M m o d u l a t o r a n d a n F M d e t e c t o r . T h e c i r c u i t r y i s d e s i g n e d t o

o p e r a t e i n t h e V L F b a n d a t a c a r r i e r f r e q u e n c y o f 1 0 0 k H z . T h e v o l t a g e - c o n t r o l l e d - o s c i l l a t o r ( V C O )

s e c t i o n o f a n L M 5 6 5 P L L i s u s e d t o c r e a t e t h e F M w a v e f o r m , a n d a s e c o n d L M 5 6 5 p h a s e - l o c k e d - l o o p

( P L L ) o p e r a t e s a s t h e F M d e t e c t o r .

F M M o d u l a t o r

F i g u r e 1 i l l u s t r a t e s t h e F M m o d u l a t o r c i r c u i t . I t ' s b a s e d o n t h e L M 5 6 5 p h a s e - l o c k e d l o o p ( P L L ) . O n l y

t h e V C O s e c t i o n o f t h e I C i s u s e d .




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 2

C1

0.1 uF

R2

4.7K

R4

4.7K

R3

10K

R1

2.2 K

C2

0.001 uF

U1

LM565

IN2

IN3

VIN5

T R E S

8

TCAP9

V C C -

1

VCC+10

VCON7

VOUT4

REF6

R5

10K

C4

0.01 uF

R6

1K

C3

10 uF

+

Vcc (+15 V)

FM Output (Square Wave)

AF Input

F i g u r e 1 : F M M o d u l a t o r E m p l o y i n g t h e L M 5 6 5

T h e f r e q u e n c y p r o d u c e d b y t h e L M 5 6 5 V C O i s e x p r e s s e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n :

( 1 )

RtCtVcc

VcVcc

f

)(4.2 −

=

W h e r e : R t = T h e t i m i n g r e s i s t a n c e o n p i n 8 ,

C t = T h e t i m i n g c a p a c i t a n c e o n p i n 9 ,

V c c = T h e p o w e r s u p p l y v o l t a g e ,

V c = T h e c o n t r o l v o l t a g e o n p i n 7 .

T h e i n t e l l i g e n c e e n t e r s t h e c i r c u i t t h r o u g h C 3 , a D C b l o c k , a n d i s s u p e r i m p o s e d o n t h e c o n t r o l v o l t a g e .

T h i s c a u s e s t h e D C c o n t r o l v o l t a g e a t p i n 7 o f t h e V C O t o r i s e a n d f a l l w i t h t h e i n t e l l i g e n c e s i g n a l .




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 3

t

LM565

Pin 7

Voltage

V average

AC

Information

Signal

N o t i c e t h a t t h e a u d i o s i g n a l i s n o w r i d i n g o n t o p o f a D C l e v e l . P o t e n t i o m e t e r R 3 s e t s t h i s D C l e v e l ,

w h i c h c o n t r o l s t h e c a r r i e r c e n t e r f r e q u e n c y . A s t h e D C v o l t a g e r i s e s , t h e V C O f r e q u e n c y d e c r e a s e s

i n d i r e c t p r o p o r t i o n t o t h e a m o u n t o f r i s e . T h e v o l t a g e " r i s e " i s a c t u a l l y t h e s a m e t h i n g a s t h e

a m p l i t u d e o f t h e i n f o r m a t i o n . T h u s , p o s i t i v e i n f o r m a t i o n c a u s e s n e g a t i v e c a r r i e r f r e q u e n c y c h a n g e o r

d e v i a t i o n . T h e o p p o s i t e e f f e c t h a p p e n s o n t h e n e g a t i v e p e a k o f t h e i n t e l l i g e n c e ; w h e n t h e c o n t r o l

v o l t a g e f a l l s , t h e V C O f r e q u e n c y i n c r e a s e s . I n o t h e r w o r d s , f r e q u e n c y m o d u l a t i o n o c c u r s .

C o n s i d e r a b l e a m o u n t s o f R F s i g n a l f r o m t h e V C O m a y “ l e a k ” o u t o f p i n 7 o f t h e L M 5 6 5 . C o m p o n e n t s

R 6 a n d C 4 f o r m a l o w - p a s s f i l t e r t o p r e v e n t t h i s R F e n e r g y f r o m p a s s i n g b a c k t o t h e a u d i o i n p u t .

M o d u l a t o r S e n s i t i v i t y

T h e a m o u n t o f f r e q u e n c y d e v i a t i o n p r o d u c e d i n t h e V C O i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e a m p l i t u d e o f t h e

i n f o r m a t i o n s i g n a l . T h e a m o u n t o f d e v i a t i o n c a n b e p r e d i c t e d b y u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n :

( 2 )

0VmK =δ

W h e r e : K

0

i s t h e m o d u l a t o r s e n s i t i v i t y , i n H z / V o l t .

V m = t h e p e a k i n f o r m a t i o n s i g n a l a m p l i t u d e .

δ = t h e d e v i a t i o n o r p e a k f r e q u e n c y s w i n g .

F o r e x a m p l e , i f V m = 1 / 2 v o l t p e a k , a n d K

0

= 5 0 k H z / V o l t , t h e n t h e a m o u n t o f d e v i a t i o n p r o d u c e d w i l l

b e :

KHzV KHzV VmK 25) / 50)(5.0(0 ===δ

T h i s w o u l d p r o b a b l y b e t o o m u c h d e v i a t i o n , s i n c e t h e c a r r i e r f r e q u e n c y i s o n l y 1 0 0 k H z ! T h e r e f o r e , t h e

d e v i a t i o n i n t h e e x p e r i m e n t w i l l b e l i m i t e d t o 1 0 k H z .




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 4

F i n d i n g t h e M o d u l a t o r S e n s i t i v i t y

T h e c o n s t a n t o f t h e m o d u l a t o r i n t h e e x p e r i m e n t c a n b e e a s i l y d e r i v e d b y d i f f e r e n t i a t i n g e q u a t i o n ( 1 )

w i t h r e s p e c t t o V c ( r e c a l l t h a t t h e c o n t r o l v o l t a g e V c i s t h e s u m o f t h e i n f o r m a t i o n s i g n a l , V m ( t ) a n d

t h e a v e r a g e D C c o n t r o l v o l t a g e ) :

( 3 )

RtCtVccdVc

dF K

4.20

−== ( H z / V )

T h i s d e r i v a t i v e i s n e g a t i v e , i n d i c a t i n g t h a t p o s i t i v e i n t e l l i g e n c e v o l t a g e d e c r e a s e s t h e o s c i l l a t o r

f r e q u e n c y .

F M D e t e c t o r :

F i g u r e 2 s h o w s t h e F M d e t e c t o r . I t ' s b a s e d o n t h e N E 5 6 5 p h a s e - l o c k e d - l o o p . T h e l o o p i s s e t t o f r e e - r u n

a t 1 0 0 k H z b y C 1 0 4 a n d t h e s e r i e s c o m b i n a t i o n o f R 1 0 7 a n d R 1 0 6 . P o t R 1 0 6 a l l o w s a d j u s t m e n t o f t h e

f r e e - r u n n i n g f r e q u e n c y , w h i c h s h o u l d b e t h e s a m e a s t h e c a r r i e r o r c e n t e r f r e q u e n c y o f t h e F M

t r a n s m i t t e r .

V+ RT

IN 1

IN 2

VCO OUT

P D V C O I N

V- CT

2

3

4

5

10 8

7

1 9

CTRL

VLTGLM565

VCO Free Run

Adjustment

U101

R101

10 OhmsR106

10K

R1071K

R109

10K

R110

10K

R10847K

C1010.1 uF

C1020.1 uF

C103

0.1 uF

C104470 pF

C10547 pF

C10647 pF

C107150 pF

C108.0022

C109.001 uF

C110

10 uF

+

R102

4.7K

R103

4.7K

R10410K

R10510K

+15 V

FM INPUT

AF OUT

F i g u r e 2 : F M D e t e c t o r u s i n g t h e L M 5 6 5 P L L

T h e F M s i g n a l i s c o u p l e d i n t o t h e n u m b e r 1 r e f e r e n c e i n p u t o f t h e p h a s e d e t e c t o r ( p i n 2 ) t h r o u g h C 1 0 3 .

S i n c e t h e P L L i s o p e r a t i n g f r o m a s i n g l e s u p p l y , r e s i s t o r s R 1 0 2 a n d R 1 0 3 a r e u s e d a s a v o l t a g e d i v i d e r

t o s p l i t t h e p o w e r s u p p l y i n h a l f . A p p r o x i m a t e l y 7 . 5 v o l t s a p p e a r s a t t h e j u n c t i o n o f R 1 0 2 a n d R 1 0 3

w h e n t h e c i r c u i t i s w o r k i n g p r o p e r l y . C 1 0 2 i s a n R F b y p a s s f o r t h e b i a s p o i n t , a n d R 1 0 4 a n d R 1 0 5 s e r v e

t o i s o l a t e t h e t w o p h a s e d e t e c t o r i n p u t s ( s i n c e s i g n a l s h o u l d o n l y b e i n t r o d u c e d i n t o o n e i n p u t a t a

t i m e . )




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 5

T h e V C O c o n t r o l v o l t a g e o f t h e l o o p o n p i n 7 o f t h e 5 6 5 c o n t a i n s t w o c o m p o n e n e n t s . O n e i s a D C l e v e l

c o r r e s p o n d i n g t o t h e " a v e r a g e " f r e q u e n c y g o i n g i n t o t h e P L L f r o m t h e F M m o d u l a t o r , a n d t h e o t h e r i s

a n A C l e v e l t h a t i s a c t u a l l y t h e d e t e c t e d i n f o r m a t i o n s i g n a l . T h i s A C s i g n a l a r i s e s b e c a u s e o f t h e P L L ' s

s e l f - c o r r e c t i n g a c t i o n ; a s t h e t r a n s m i t t e r d e v i a t e s u p o r d o w n i n f r e q u e n c y , t h e P L L a t t e m p t s t o f o r c e

t h e V C O t o f o l l o w t h i s f r e q u e n c y e x a c t l y b y v a r y i n g i t s c o n t r o l v o l t a g e . T h u s , t h e c o n t r o l v o l t a g e i s a

c o p y o f t h e o r i g i n a l i n f o r m a t i o n s i g n a l .

C o m p o n e n t s C 1 0 6 , C 1 0 7 , a n d R 1 0 8 f o r m t h e l o o p f i l t e r , w h i c h s e t s u p t h e l o o p o p e r a t i n g p a r a m e t e r s

( c a p t u r e r a n g e , d a m p i n g r a t i o , n a t u r a l f r e q u e n c y ) a p p r o p r i a t e l y f o r d e m o d u l a t i o n o f a n F M s i g n a l .

T h e s i g n a l a t p i n 7 o f t h e 5 6 5 c o n t a i n s s o m e c a r r i e r f r e q u e n c y i n a d d i t i o n t o t h e A C a n d D C l e v e l s j u s t

d i s c u s s e d ; c o m p o n e n t s R 1 0 9 , C 1 0 8 , R 1 1 0 , a n d C 1 0 9 f o r m a l o w - p a s s f i l t e r t o r e m o v e a n y t r a c e s o f

1 0 0 k H z c a r r i e r s i g n a l . T h e f i n a l o u t p u t i s A C c o u p l e d b y C 1 1 0 , l e a v i n g o n l y d e m o d u l a t e d i n f o r m a t i o n

a t t h e o u t p u t .




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 6

LABORATORY PROCEDURE:

I n t h i s e x p e r i m e n t y o u ' l l h a v e t w o c i r c u i t s t o b u i l d . I t i s s u g g e s t e d t h a t t h e y b e b u i l t o n s e p a r a t e

b r e a d b o a r d s , i f p o s s i b l e .

1 . B u i l d t h e c i r c u i t o f F i g u r e 1 . D o n ' t c o n n e c t a n y t h i n g t o t h e A F I N P U T y e t .

2 . C o n n e c t a f r e q u e n c y c o u n t e r a n d s c o p e t o t h e F M O U T P U T o f t h e c i r c u i t , a n d a d j u s t R 3 u n t i l a 1 0 0

k H z c a r r i e r w a v e i s o b t a i n e d . T h e w a v e s h a p e f r o m t h e V C O c i r c u i t w i l l b e a s q u a r e w a v e .

3 . C a l c u l a t e K

0

, t h e m o d u l a t o r s e n s i t i v i t y , b y u s i n g e q u a t i o n ( 3 ) .

4 . N o w c o n n e c t a s i g n a l g e n e r a t o r t o t h e A F I N P U T . A d j u s t i t f o r 5 k H z f r e q u e n c y , a n d c o r r e c t p e a k

v o l t a g e f o r 1 0 k H z d e v i a t i o n . ( U s e t h e r e s u l t f r o m s t e p 3 ) .

5 . C o n n e c t s c o p e c h a n n e l 1 t o t h e A F I N P U T , a n d s c o p e c h a n n e l 2 t o t h e F M O U T P U T . T r i g g e r o f f

s c o p e c h a n n e l 1 . A d j u s t t h e c o n t r o l s a p p r o p r i a t e l y . R e c o r d t h e o s c i l l o s c o p e g r a p h : F M O u t p u t v s A F

I N P U T . C a n y o u s e e t h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n t a k i n g p l a c e ? W h y o r w h y n o t ?

6 . U s i n g t h e A g i l e n t 5 4 6 2 2 D ’ s s p e c t r u m a n a l y z e r f e a t u r e , l o o k a t t h e s p e c t r u m b e i n g d i s p l a y e d o n

c h a n n e l 1 . R e c o r d t h i s s p e c t r u m . C a l c u l a t e t h e t h e o r e t i c a l s p e c t r u m a n d c o m p a r e t h e r e s u l t s .

7 . B u i l d t h e c i r c u i t o f F i g u r e 2 . K e e p c o m p o n e n t l e a d l e n g t h s a s s h o r t a s p o s s i b l e .

8 . A p p l y p o w e r t o t h e d e m o d u l a t o r c i r c u i t , b u t d o n ' t c o n n e c t i t s F M I N P U T t o a n y t h i n g y e t . F i r s t ,

a d j u s t R 1 0 6 s o t h a t t h e f r e e - r u n n i n g V C O o u t p u t o n p i n 4 o f t h e N E 5 6 5 P L L i s 1 0 0 k H z . U s e a

f r e q u e n c y c o u n t e r f o r t h i s m e a s u r e m e n t ( t h e f r e q u e n c y c o u n t e r f u n c t i o n o f t h e d i g i t a l s c o p e i s

s u f f i c i e n t l y a c c u r a t e f o r t h i s a d j u s t m e n t . )

I m p o r t a n t : Y o u m u s t u s e p r o p e r R F g r o u n d i n g t e c h n i q u e s f o r t h i s e x p e r i m e n t t o w o r k p r o p e r l y .

U s e o n l y o n e b u s f o r g r o u n d , a n d k e e p a l l w i r e s a n d l e a d s a s s h o r t a s p o s s i b l e .

T I P : T o g e t t h e b e s t p i c t u r e o f t h e F M s i g n a l o n t h e ‘ 5 4 6 2 2 D , t h e f o l l o w i n g s e t t i n g s a r e

s u g g e s t e d :

T i m e b a s e : 1 0 0 µS / d i v ( o r 2 M S a m p l e / s ) C e n t e r F r e q u e n c y : 1 0 0 k H z

S p a n : 1 0 0 k H z W i n d o w : H A N N I N G

Y o u ’ l l a l s o f i n d i t v e r y h e l p f u l t o t a k e a s p e c t r a l p i c t u r e i n t h e u n m o d u l a t e d c o n d i t i o n i n o r d e r

t o m e a s u r e V c ( u n m o d u l a t e d ) . Y o u ’ l l n e e d t h i s v a l u e t o c a l c u l a t e t h e t h e o r e t i c a l s p e c t r u m .




© 2 0 0 2 T o m A . W h e e l e r

7 - 7

9 . N o w c o n n e c t t h e t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r c i r c u i t s t o g e t h e r . D o n ' t f o r g e t t o h o o k t o g e t h e r t h e

g r o u n d s ! C o n n e c t t h e s c o p e p r o b e s a s f o l l o w s : C h a n n e l 1 t o t h e A F I N P U T o f t h e F M m o d u l a t o r ,

a n d C h a n n e l 2 t o t h e A F O U T o f t h e F M d e t e c t o r . R e c o r d t h e o s c i l l o s c o p e g r a p h : D e t e c t e d F M

O u t p u t v s A F I n p u t .

N o t e : M a k e s u r e t h e a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y o f t h e f u n c t i o n g e n e r a t o r a r e s e t c o r r e c t l y a s i n s t e p 4 .

1 0 . H o w a c c u r a t e i s t h e r e p r o d u c t i o n o f t h e i n f o r m a t i o n a t t h e d e t e c t o r , w h e n c o m p a r e d t o t h e o r i g i n a l

i n f o r m a t i o n ( s c o p e c h a n n e l 1 ) ? U s e t h e s u b t r a c t f e a t u r e o f t h e o s c i l l o s c o p e t o f i n d o u t . S e t u p a n

o s c i l l o s c o p e t r a c e t h a t i s t h e d i f f e r e n c e o f c h a n n e l s 1 a n d 2 ( u s e t h e m a t h m e n u ) . Y o u m a y n e e d t o

s c a l e t h e c h a n n e l s a p p r o p r i a t e l y t o g e t “ n u l l ” o n e q u a l s i g n a l s . A s y s t e m t h a t i s n ’ t c r e a t i n g a n y

d i s t o r t i o n w i l l h a v e a n i n p u t - o u t p u t d i f f e r e n c e s i g n a l o f z e r o .

1 1 . I n c r e a s e t h e d e v i a t i o n a t t h e m o d u l a t o r ( b y a d j u s t i n g t h e a m p l i t u d e o f t h e s i g n a l g e n e r a t o r ) u n t i l

t h e d e t e c t e d o u t p u t j u s t b e g i n s t o b e c o m e d i s t o r t e d .

H o w m u c h d e v i a t i o n c o u l d t h i s s y s t e m s u p p o r t ? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _




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7 - 8

Q U E S T I O N S ( A N S W E R I N Y O U R T H E O R Y O F O P E R A T I O N S E C T I O N )

1 . W h a t c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c a r r i e r i s v a r i e d d u r i n g F r e q u e n c y M o d u l a t i o n ?

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2 . W h a t c o n t r o l s t h e a m o u n t o f d e v i a t i o n i n a n F M t r a n s m i t t e r ?

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3 . W h a t d i d R 3 a d j u s t ? W h y w a s t h i s i m p o r t a n t ?

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4 . W h a t c a u s e s t h e v o l t a g e a t p i n 7 o f t h e F M d e m o d u l a t o r ( N E 5 6 5 ) t o f o l l o w t h e o r i g i n a l i n f o r m a t i o n

s i g n a l ?

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FM Tranceiver

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