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UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PROYECTO COMUNICACIÓN DIGITAL AVANZADA

TITULO DEL TALLER: ENLACE PUNTO A PUNTO ENTRE RIO SECO (EL ALTO) Y LA POBLACION DE PUCARANI (DEPARTAMENTO DE LA PAZ) CON RADIO MOBILE

DOCENTE: ING. JOSE NUÑEZ DE ARCO

ESTUDIANTES: LUIS RADA VIDANGOS EDERSON CALET RAFAEL ESCOBAR

GESTIÓN: 1/2015

INDICE CAPITULO I.......................................................................................................... 5 1.

INTRODUCCION.................................................................................................. 5

1.1.

PRESENTACION...................................................................................... 5

1.2.

ANTECEDENTES...................................................................................... 5

1.3.

OBJETIVOS............................................................................................. 6

1.3.1.

OBJETIVO GENERAL................................................................................ 6

1.3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................6

CAPITULO II......................................................................................................... 7 2.

MARCO TEORICO.................................................................................... 7

2.1.

Propagación............................................................................................. 7

2.1.1.

Propagación en superficie...........................................................................8

2.1.2.

Propagación troposférica............................................................................ 8

2.1.3.

Propagación Ionosférica............................................................................. 8

2.1.4.

Propagación por visión directa.....................................................................9

2.1.5.

Propagación por el espacio.........................................................................9

2.2.

Microondas............................................................................................. 10

2.3.

Enlace Punto a Punto............................................................................... 12

2.4.

Tipos de Antenas..................................................................................... 13

CAPITULO III...................................................................................................... 15 3.

MARCO PRÁCTICO................................................................................ 15

3.1.

Calculos................................................................................................. 15

3.1.1.

Antena seleccionada................................................................................ 15

3.2.

Línea de Vista......................................................................................... 15

3.3.

Margen de Desvanecimiento.....................................................................17

3.4.

Simulación.............................................................................................. 20

CAPITULO IV...................................................................................................... 27 4.

CONCLUSIONES.................................................................................... 27

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3

CAPITULO I

1. INTRODUCCION 1.1. PRESENTACION

El siguiente trabajo es una conexión punto a punto entre los puntos los cuales se encuentran situados en el departamento de La Paz el primer punto se encuentra es una población llamada Pucarani, el segundo punto se encuentra en la ciudad de El Alto. El enlace será simulado con el programa Radio Mobile el cual es la versión 11.04.3 Este programa brinda diferentes facilidades para la simulación de radio-enlaces ya que posee mapas que brinda la NASA. Para el diseñador de enlaces de radio, es muy importante conocer cómo trabajan los sistemas de radio, porque las características de los equipos afectan dramáticamente el rendimiento total de la red. Los estándares de rendimiento de un radio enlace son derivadas de los estándares basados en la ITUT, que definen los límites para los enlaces o circuitos punto a punto. Un enlace consiste de tres partes fundamentales: el transmisor, el receptor y el medio que para este el caso de enlaces de microondas es el espacio libre. El Transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, el espacio libre representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital.

1.2. ANTECEDENTES

Básicamente

un

enlace

vía

Microondas

consiste

en

tres

componentes

fundamentales: el transmisor, el receptor y el espacio libre. El Transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, el espacio libre representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y

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como es de esperarse el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital. El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces vía radio es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además esta distancia debe ser libre de obstáculos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en la vía. Para compensar este efecto se utilizan torres para ajustar dichas alturas. La distancia cubierta por enlaces microondas puede ser incrementada mediante el uso de repetidores, las cuales amplifican y re direccionan la señal. La señal de microonda transmitida es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor; estas atenuaciones y distorsiones son causadas por la pérdida de potencia causada por la distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, y a pérdidas atmosféricas. El diseño de enlaces entonces tiene como objetivo la interconexión de dos puntos siguiendo una ruta planificada por el diseñador teniendo en cuenta los obstáculos del terreno, y teniendo en cuenta ciertas especificaciones de los objetivos para hacerlo más eficiente.

1.3. OBJETIVOS 1.3.1.

OBJETIVO GENERAL

Diseñar una red de enlace de microondas para la región de Bolivia entre los puntos de Pucarani (Departamento de La Paz) y ciudad de El Alto (Departamento de La Paz) en Radio Mobile. 1.3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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   

Localizar las coordenadas de Pucarani y El Alto. Investigar parámetros de antenas. Utilizar Google Earth para calcular las zonas donde estarán las torres. Simular con Radio Mobile.

CAPITULO II 2. MARCO TEORICO

2.1. Propagación Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas del transmisor al receptor. Esta propagación puede realizarse siguiendo diferentes fundamentos físicos, cada uno más adecuado para un rango de frecuencias de la onda a transmitir. La transmisión de ondas de radio utiliza cinco tipos de propagación distintos: 

Superficial



Troposférica



Ionosférica



Línea de vista



Espacio

La tecnología de radio considera que la tierra está rodeada por dos capas de atmósfera: la troposfera y la ionosfera. La troposfera es la poción de la atmósfera que se extiende hasta aproximadamente 45 km desde la superficie de la tierra (en terminología de radio, la troposfera incluye una capa de máxima altitud denominada estratosfera) y contiene aquello en lo que nosotros generalmente pensamos como el aire. Las nubes, el viento, las variaciones de temperatura y el clima en general ocurren en la troposfera, al igual que los viajes en avión. La ionosfera es la capa de la atmósfera por encima de la troposfera pero por

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debajo del espacio. Esta mas allá de lo que nosotros denominamos atmósfera y contiene partículas libres cargadas eléctricamente (de aquí el nombre).

2.1.1.

Propagación en superficie.

En la propagación en superficie, las ondas de radio viajan a través de la porción más baja de la atmósfera, abrazando a la tierra. A las frecuencias más bajas, las señales emanan en todas las direcciones desde la antena de transmisión y sigue la curvatura de la tierra. La distancia depende de la cantidad de potencia en la señal: cuanto mayor es la potencia mayor es la distancia. La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua del mar.

2.1.2.

Propagación troposférica.

La propagación troposférica puede actuar de dos formas. O bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa) ó se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra. El primer método necesita que la situación del receptor y el transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores.

2.1.3.

Propagación Ionosférica.

En la Propagación Ionosférica, las ondas de radio de más alta frecuencia se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia la tierra. La densidad entre la troposfera y la ionosfera hace que cada onda de radio se acelere y cambie de

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dirección, curvándose de nuevo hacia la tierra. Este tipo de transmisión permite cubrir grandes distancias con menor potencia de salida.

2.1.4.

Propagación por visión directa.

En la Propagación por visión directa, se trasmite señales de muy alta frecuencia directamente de antena a antena, siguiendo una línea recta. Las antenas deben ser direccionales, estando enfrentadas entre sí, y/o bien están suficientemente altas ó suficientemente juntas para no verse afectadas por la curvatura de la tierra. La propagación por visión directa es compleja porque las transmisiones de radio no se pueden enfocar completamente. Las ondas emanan hacia arriba y hacia abajo así como hacia delante y pueden reflejar sobre la superficie de la tierra o partes de la atmósfera. Las ondas reflejadas que llegan a la antena receptora más tarde que la porción directa de la transmisión puede corromper la señal recibida.

2.1.5.

Propagación por el espacio.

La Propagación por el espacio utiliza como retransmisor satélites en lugar de la refracción atmosférica. Una señal radiada es recibida por un satélite situado en órbita, que la reenvía devuelta a la tierra para el receptor adecuado. La transmisión vía satélite es básicamente una transmisión de visión directa como un intermediario. La distancia al satélite de la tierra es equivalente a una antena de súper alta ganancia e incremente enormemente la distancia que puede ser cubierta por una señal.

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2.2. Microondas

Son ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de 3 ns (3×10-9 s) a 3 ps (3×10-12 s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro. El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las de UHF (ultra-high frequency- frecuencia ultra alta) 0,3–3 GHz, SHF (super-high

frequency -

frecuencia

súper

alta)

3–30

GHz

y EHF (extremely-high frequency - frecuencia extremadamente alta) 30–300 GHz Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas. La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir de sus famosas Ecuaciones de Maxwell. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas mediante la construcción de un aparato para generar y detectar ondas de radiofrecuencia.

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Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío. Los dispositivos de estado sólido para microondas están basados en semiconductores de silicio o arseniuro de galio, e incluyen transistores de efecto campo (FET), transistores de unión bipolar(BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT. Se han desarrollado versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades que se usan comúnmente en aplicaciones de microondas. Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera. En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada. Protocolos 802.11g y b también usan microondas en la banda ISM, aunque la especificación 802.11a usa una banda ISM en el rango de los 5 GHz La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas. En la industria armamentística, se han desarrollado prototipos de armas que utilicen la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea o permanente de diferentes enemigos en un radio limitado. La tecnología de microondas también es utilizada por los radares, para detectar el rango, velocidad, información meteorológica y otras características de objetos remotos; o en el máser, un dispositivo semejante a un láser pero que trabaja con frecuencias de microondas. 10

Las cámaras de RF ejemplifican el gran cambio que recientemente ha surgido en este tipo de tecnologías. Desempeñan un papel importante en el ámbito de radar, detección de objetos y la extracción de identidad mediante el uso del principio de imágenes microondas de alta resolución, que consiste, esencialmente, en un transmisor de impulsos para iluminar la tarjeta, un auto-adaptador aleatorio de fase seguido por un receptor de microondas que produce un holograma a través del cual se lee la información de la fase e intensidad de la tarjeta de radiación.

2.3. Enlace Punto a Punto

Las redes punto a punto son aquellas que responden a un tipo de arquitectura de red en las que cada canal de datos se usa para comunicar únicamente dos nodos, en contraposición a las redes multipunto, en las cuales cada canal de datos se puede usar para comunicarse con diversos nodos. En una red punto a punto, los dispositivos en red actúan como socios iguales, o pares entre sí. Como pares, cada dispositivo puede tomar el rol de esclavo o la función de maestro. En un momento, el dispositivo A, por ejemplo, puede hacer una petición de un mensaje/dato del dispositivo B, y este es el que le responde enviando el mensaje/dato al dispositivo A. El dispositivo A funciona como esclavo, mientras que B funciona como maestro. Un momento después los dispositivos A y B pueden revertir los roles: B, como esclavo, hace una solicitud a A, y A, como maestro, responde a la solicitud de B. A y B permanecen en una relación reciproca o par entre ellos. Las redes punto a punto son relativamente fáciles de instalar y operar. A medida que las redes crecen, las relaciones punto a punto se vuelven más difíciles de coordinar y operar. Su eficiencia decrece rápidamente a medida que la cantidad de dispositivos en la red aumenta. Los enlaces que interconectan los nodos de una red punto a punto se pueden clasificar en tres tipos según el sentido de las comunicaciones que transportan: 11

Simplex.- La transacción sólo se efectúa en un solo sentido. Half-dúplex.- La transacción se realiza en ambos sentidos, pero de forma alternativa, es decir solo uno puede transmitir en un momento dado, no pudiendo transmitir los dos al mismo tiempo. Full-Dúplex.- La transacción se puede llevar a cabo en ambos sentidos simultáneamente. Cuando la velocidad de los enlaces Semi-dúplex y Dúplex es la misma en ambos sentidos, se dice que es un enlace simétrico, en caso contrario se dice que es un enlace asimétrico Sus características son: 

Se utiliza en redes locales LAN



Los algoritmos de encaminamiento suelen ser complejos, y el control de errores se realiza en los nodos intermedios además de los extremos.



Las estaciones reciben sólo los mensajes que entregan los nodos de la red. Estos previamente identifican a la estación receptora a partir de la dirección de destino del mensaje.



La conexión entre los nodos se puede realizar con uno o varios sistemas de transmisión de diferente velocidad, trabajando en paralelo.



Los retardos se deben al tránsito de los mensajes a través de los nodos intermedios.



La conexión extremo a extremo se realiza a través de los nodos intermedios, por lo que depende de su fiabilidad.



La seguridad es inherente a la propia estructura en malla de la red en la que cada nodo se conecta a dos o más nodos.



Los costos del cableado dependen del número de enlaces entre las estaciones. Cada nodo tiene por lo menos dos interfaces.

2.4. Tipos de Antenas

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Es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cortar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras. En las antenas parabólicas transmisoras el reflector parabólico refleja la onda electromagnética generada por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del reflector parabólico, y los frentes de ondas que genera salen de este reflector en forma más coherente que otro tipo de antenas, mientras que en las antenas receptoras el reflector parabólico concentra la onda incidente en su foco donde también se encuentra un detector. Normalmente estas antenas en redes de microondas operan en forma full dúplex, es decir, trasmiten y reciben simultáneamente. Las antenas parabólicas suelen ser utilizadas a frecuencias altas y tienen una ganancia elevada. Los tipos de antenas parabólicas son los siguientes. Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes: 

La antena parabólica de foco centrado o primario, que se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto al foco.



La antena parabólica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto al foco. Son más eficientes que

las

parabólicas

de

foco

centrado,

porque

el

alimentador

no

hace sombra sobre la superficie reflectora. 

La antena parabólica Cassegrain, que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras.

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CAPITULO III 3. MARCO PRÁCTICO 3.1. Calculos 3.1.1.

Antena seleccionada

3.2. Línea de Vista 

Definición de la posición de cada estación latitud y longitud Estación El Alto(La Paz) Pucarani(La Paz)

Latitud S 16°29'24.27 "S 16°24'21.74 "S

Longitud O 68°12'34.42" O 68°28'40.52" O

Distancia =30.18 Km El anterior es dato obtenido de gracias a google earth.  Generación del perfil del terreno entre las dos estaciones. 

Determinación del valor de coeficiente de curvatura . En Bolivia K=4/3



Cálculo de la curvatura C de la Tierra



Calculo del radio de la primera zona del elipsoide de Fresnel F1, para control de difracción. El radio F1 en cualquier punto del elipsoide de la primera zona de Fresnel se calcula con la siguiente fórmula:

√

F1 (m )=17,32∗

r 1 ( Km ) r 2(Km) r ( Km ) f (GHz)

F1 = radio de la primera zona de Fresnel. En m. r1, r = distancia de las antenas al obstáculo. En km. r = distancia entre antenas. En km. 14

f frecuencia operación del sistema En GH

√

F1 (m )=17,32∗

0.67 Km 30.18 Km∗7.12 GHz =3.05x10-5

Mediante Radio Mobile se obtiene la distancia del primer y único obstáculo. r1= que es 0.67 Km Según el datasheet se tiene la frecuencia de trabajo f=7.12GHz 

Determinación de la altura de antenas, hasta que se obtenga línea de vista y solo se tiene en cuenta la atenuación del espacio libre. Estación Latitud S Longitud O Inclinacion El Alto(La Paz) 16°29'24.27"S 68°12'34.42"O 22° Pucarani(La Paz) 16°24'21.74"S 68°28'40.52"O 0°

Elevación 4054 3893

3.3. Margen de Desvanecimiento Selección de la frecuencia de trabajo, del Plan nacional de frecuencias y de los requerimientos. Frecuencia Minima= 6.425 GHz Frecuencia Maxima= 7.125GHz Definición de posición de cada estación, latitud y longitud Estación El Alto(La Paz) Pucarani(La Paz) 

Latitud S

Longitud O

16°29'24.27"S 16°24'21.74"S

68°12'34.42"O 68°28'40.52"O

Selección de guía de onda o cable coaxial. El cable coaxial se aplica hasta 3 GHz y la guía de ondas a partir de esta frecuencia. TIPO DE CABLE RG 58 RG 213 LMR 200 LMR 400 AIRCOM PLUS LMR 60 FLEXLINE DE 1/2 " FLEXLINE DE 7/8 " HELIAX DE 1/2 " HELIAX DE 7/8 "

PERDIDA [dB/100m] 80 -100 50 50 22 22 14 12 6,6 12 7 15

Pérdidas en los conectores promedio 0.25 dB. Pérdidas en los protectores contra descarga eléctrica cerca de 1 dB.  Selección de antenas dependiendo de los parámetros requeridos. En este caso el modelo de la antena es HSX10-64-D4M

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CALCULOS OBTENIDOS FRECUENCIA MINIMA: FRECUENCIA MAXIMA: POTENCIA DE TRANSMISION: UMBRAL DE RECEPCION: PERDIDA DE LA LINEA: GANANCIA DE LA ANTENA: ALTURA DE LA ANTENA EN METROS:

6.425GHz 7.125 GHz 25.5 dBm -88.9 dBm 3 dB 43.6 dBi 0.6 m

0.3548134 watt 8.0353 uV 32.95 dBd

Con estos datos podemos adquirir los siguientes resultados PIRE (dBm) = Potencia del transmisor (dBm) –Pérdidas en el cable y conectores(dB) + ganancia de antena (dBi) PIRE (dBm) =25.5-0.22-0.25+43.6 = 68.63 Margen = Señal recibida en el receptor –sensibilidad Según la siguiente tabla. Datos Elementos Distancia 30.18Km Salidas transmisor Frec 7,12GHz Cables conectores Antena Tx FSL Antena Rx Cables conectores Sensibilidad del receptor TOTAL 18

Valores

Margen = -88.9 PRESUPUESTO DE ENLACE COMPLETO Potencia del transmisor [dBm] –Pérdida en el cable TX [dB] + ganancia de antena TX [dBi] –Pérdidas en la trayectoria en el espacio abierto [dB] + ganancia de antena RX [dBi] –Pérdidas en el cable del RX [dB] = Margen –Sensibilidad del receptor [dBm]. 25.5-0.22+43.6-3+43.6-0.22 = 92.26

3.4. Simulación Delimitar el área de trabajo en el cual diseñaremos nuestro enlace de microondas punto a punto. Estación Latitud S Longitud O El Alto(La Paz) 16°29'24.27"S Pucarani(La Paz) 16°24'21.74"S Se procede a buscarlo puntos en google earth

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68°12'34.42"O 68°28'40.52"O

Se muestra el perfil de elevación entre los dos puntos

Para obtener distancias se muestra en la siguiente grafica

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Introducimos las coordenadas del punto 1 Rio Seco

Introducimos las coordenadas del punto 2 Pucarani

21

Introducción de los datos a la antena

Toma de pantalla del enlace

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Línea de vista del enlace

En la siguiente figura se ve la distribución estadística relativa al rendimiento del receptor.

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En la siguiente figura se ve el rango del enlace

Detalles del enlace

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Datos del enlace

Datos Transmisor y Receptor

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CAPITULO IV 4. CONCLUSIONES  El Proyecto de Interconexión de la estación representa una importante ampliación de la cobertura de señal del Operador beneficiado, lo que significaría una nueva oportunidad de obtener ingresos económicos.  La Red de Radio Enlaces se encuentra diseñada mediante un cuidadoso trabajo de ingeniería que permite que la misma utilice la mínima cantidad de componentes, materiales e insumos, además del mínimo Presupuesto de Potencia posible sin pérdida en el rendimiento ni la calidad de señal.  El enlace presenta una buena línea de vista y no presento ningún inconveniente el simular en el programa Radio Mobile.

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