A R T IC U LOD OD E T A P A
RECEPCIONDE T VD IG IT A L
PO RSA TELIT ITE Comunicaciones Vía Satélite Capítulo 6
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n Saber Electrónica Nº 131 comenzamos a analizar cómo se realizan las comunicaciones vía satélite,, describiendo la constitución satélite de estos equipos, la forma en que se realiza el enlace entre satélites y plantas transmisoras y receptoras, los distintos sistemas satelitales (en especial los que se encuentran sobre AméAmé-
rica Latina) y qué elementos son necesarios para poder captar señales con un televisor. Como estos artículos despertaron el interés de la mayoría de nuestros lectores, en Saber Electrónica Nº 146 146 decidimos comenzar con la edición de capítulos consecutivos sobre Comunicaciones Vía Satélites destacando los servicios de televisión satelital. Por tal motivo, hacemos en esta sexta entrega, una síntesis de lo visto hasta ahora a modo de “cierre” del primer tomo de esta serie, con el objeto de que el lector tenga una idea clara del material publicado hasta la fecha. Para la edición de este artículo, solicitamos la colaboración del profesor Juan Manuel González, de Electrónica y Servicio. Juan Manuel Gonzalez Ing. Horacio D. Vallejo
[email protected] www.editoria www. editorialqua lquark.com. rk.com.ar ar Saber Electrónica Nº 151
Artículo A rtículo de Tapa
El Sistema D S S
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l sistema de televisión digital por satélite, mejor conocido por las siglas DSS o DT DT H , descansaen un concepto concepto de transm transmisión de señales digitales comprimidas, las l ascuales cualesseenvían envían aun satélit satéli te que las retr retrans ansmite mite con mayor potencia de retorno a la Tierra. Esto permite captar las señales con una antena parabólica de orientación fija y de un tam tamaño muy reducido. reducido. Describiremos cómo funciona este sistemadeT V por satélite. téli te.
coincide con el del planeta mismo, de modo modo que par para un obser observador vador terrestre parecería un cuerpo fijo, pues mantiene la misma posición relativa (figura 2). La tecnología de entonces, no permitía el desarrollo de este tipo tipo de sistemas sistemas, y lo lo más más aproxima proximado a un cohete espacial se utilizaba con fines bélicos; fue el caso de las bombas voladoras V-2, utilizadas por los alemanes nes contra Inglate Inglaterr rra a durante la Seg Segunda Guerra MunM undial. En 1958, el ejército de los EstaCómo sur urg geel sistema DSS DSS dos Unidos lanzó con éxito un pequeño satélite capaz de manejar un En 1957, el hombre por primera canal de voz, el cual recibía la señal vez puso en órbita un satélite artifi- que llegaba desde la Tierra y podía cial, con el lanzamiento del Sputnik retransmitirla inmediatamente o grabarla para su posterior transmisión. (figura 1), de fabricación soviética. NASA hizo hi zo el expeririComenzó omenzó entonces ntonces una carrera espa- En 1960 la NASA mento de poner en una órbita baja cial cial que después de varias ri asdécadas daría por resultado un vasto sistema un satélite pasivo (una simple esfera gran diám diámetro y con acabado memede servicios satelitales, como la tele- de gr fonía, las comunicaciones transoceá- talizado) con el objetivo de que sirviera a las transmisiones sionesradia radiales conicas vía microondas, el monitoreo y vie predicción del clima, la cartografía y las emisiones televisivas. Los fundamentos teóricos de las comunicaciones vía satélite fueron planteados en 1945, por el físico y escritor británico Arthur C. Clarke (el autor de la novela 2001, una Odisea Espacial), a quien también se debe el concepto de satélites geo-s o-sincrónicos ncróni cos,, aquequellos cuyo movimiento alrededor de la Tierra Saber Electrónica Nº 151
mo punto de rebote para alcanzar lugares remotos. En 1962 se enviaron dos nuevos satélites para realizar prueba pruebass de enlace enlaces abaja baja altura, ura, pero no fue sino hasta 1963 cuando se lanzó el Syncom-2, primer satélite geo-sincrónico. Con todas las experiencias obtenidas, se pudo formar fina finalme lmente la orga organiza nización IN I N T ELEL SAT, que en 1965 puso en órbita estacionaria un satélite que fue muy famoso en los años posteriores: el Early Early Bird Bird o Pá Pájaro Ma M adrugador, que podía manejar hasta 240 conversaciones telefónicas simultáneas entre Estados Unidos y Europa. A parti partir de eseaño los los ava avances se sucedie dieron ron en cascada, y pront pronto o se pudie pudieron manejar señales señales deT V para su transmisión vía satélite desde un punto del planeta hasta sitios opues opuestos. tos. Ya en en la la década de los 80’s, con los progresos obtenidos en la tecnología electrónica, fue posible fabricar equipos de transmisión en los satélit éli tescada vez más poderosos poderosos,, al igual que circuitos receptores ceptoresmás precisos precisos e inmunes al ruido; fue entonces cuando las grandes compañías compañíasteletelevisoras pudieron ofrecer servicios de televisión por satélite directamente a los particulares.
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figura 1 - El Sputnik fue el primer satélite artificial puesto en órbita.
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figura 2 - Los satélites artificiales orbitando sobre la tierra.
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En muchos países el panorama urbano comenzó a cubrirse de antenas parabólicas, que por entonces se consideraban de mediano tamaño (entre 2 y 5 metros de diámetro; figura 3), pero ahora, con el nuevo sistema sistema DSS, DSS, resultan ultan ser ser enorme normes. I nclus ncluso, o, surgie urgieron canalesde televisión dedicados solamente a transmitir su señal por satélite, compitiendo así con los los servici rvicio o de T V de paga paga por cable. Este acelerado crecimiento de los servicios de televisión satelital, coincidió con el afianzamiento definitivo de la tecnología digital, que permitió la codificación numérica de los canales; la fabricación de satélites con trans transmi misores sores cada vez vez máspodepoderosos y receptores receptoresterrestres restrescada vez vez más sensi ensibles blesy baratos; la l a compresión sión de las lasseñales ñalesenviada nviadas par para aprovechar aprovechar de manera nera más ópti óptima el
figura 3 - Las antenas parabólicas para recepción de TV satelital analógica son de gran tamaño. ño.
1) Instal talac acionesde detrans transmisión de subi ubida, da, lasc las cual uale esenví nvían an las assseñal ñale es deprog de programación a los losssatélitesen órbita bi ta sob sobre ree el ecuad cuador. or. 2) Un satélitequerecibelasseñalesy lasretransmitea la Tierra. 3) Una U na estaci tación ón receptora que queiincluyeal plato dere dereccepción de desatélite.
Lasseñales ñalesde ima imagen y sonido sonido originadas en un estudio (o en las instalaciones de radio), son primeramente envi enviada adas a una estación ación de ancho de banda asignado; la encrip- subida, en donde son procesadas y tación de canales para que sólo combinadas con otras señales para usuarios autorizados pudieran recisu transmisión en frecuencias de mibirlos; el mejoramiento del audio croondas. A continuación, un gran obtenido, con la misma calidad de plato plato de subida ubida concentra concentra estas señaun disco compacto; etc. les de microon microondas dasy la las trans transmite mite al Finalmente, la compañía RCA, satélite localizado a unos 36.000 kien conjunto con Hug H uge es Aircra Ai rcraft ft (la (la lómetros sobre el ecuador (altura de división aeroespacial de General la órbita geoestacionaria). La antena Motors otors), lanzó a media diados de los receptora receptora del satéli télite capta estas se90’ el primer sistema de televisión ñales y las envía a su receptor para “directa al hogar”, conocido también ser procesa procesadas; estasseñales ñales, que com como DTH DT H (sigl (siglas de Direct-torect-to-H H o- contienen la información original de me) o DSS (siglas de Digital Satelli- audio y video, son convertidas en te System), el cual ha tenido una otro grupo de frecuencias de microgran acogida en muchos países, inondas ondas, y ent entonces onces se envían nvían al amcluido el nuestro. plificador para, desde éste, ser transmitidas hacia la Tierra. Al conjunto completo receptorOperación general del sistema /transmisor se le denomina transUn sis sistema deT V direc directa ta por sasa- ponder. ponder. Las L asseñales ñalesde sali alida del téli télite está está compue compuessto por tre tres eletransponder son enviadas a la antena mentos básicos (figura 4): transmisora, la cual enfoca las miSaber Electrónica Nº 151
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figura 4 - Sistema de transmisión y recepción de TV DIGITAL SATELITAL (DSS) croondas en un haz electromagnético que es dirigido hacia la Tierra, donde un plato receptor de satélite capta la la energía nergía de esasmicro microond ondas as que contienen la información original de audio y video, y la enfoca hacia un bloque convertidor de bajo ruido o LNB. A su vez, el LNB amplifica y convierte las señales de microondas en otro grupo de frecuencias ciasmás bajo, bajo, mism mismasque pueden ser enviada enviadas a trav través ésde un cable cable coaxial al receptor decodificador de satéli télite dent dentro ro de la ca casadel usuario. usuario. El receptor sintoniza los transponders de manera individual y convierte la información original de audio y
video video en señale ñales que pueden pueden ser visvistas y escuchadas en un televisor convencional y en un sistema estéreo. En el sistema DSS se transportan datos digitales, video y audio a la casa del cliente, vía un satélite de banda KU de alta potencia (la banda KU transmite con una frecuencia cercana rcana alos 12 GH GH z). El proveedor deT V envía nvía sus programas programas, tanto tanto de video como de audio a las instalaciones de subida, en donde la señal es codificada digitalmente (compresión M PEG PEG y encripta ncriptación) ción).. A estasseñales ñales se añaden añaden dive di versos elem elementos, ntos, como una serie de “llaves” codificadas para activar los receptores de los
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usuarios abonados, una señal exclusiva con la programación de los diversos canales nalesmanejados nejados por el sissistema(una especie cie deT V-G V-Guía uía en pantalla) y algunos datos adicionales de carácter digital, que podrían tener un uso en comunicaciones vía Internet, flujo de información comercial, etc. To Toda esta info inforrmación ión se agrupa formando paquetes de datos, mismos que se transmiten al satélite, donde donde la la señal secapta, seproces procesa y se amplifica, para finalmente volverse a retransmit retransmitiir haci hacia a laTierra rra, donde los los usuarios uarios del sistema sistema DSS podrán captar los canales contrata-
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figura 5 - El concepto de la compresión MPEG dos, con una alta calidad de imagen y sin sin nece necesidad sidad de receptor ptores esmuy costosos.
Compresión MPEG2 Según mencionamos, en el sistemaDSS el audio udio y el vide video o son transmitidos como señales digitales, en vez vez de las lasseñales ñalesanal analógicas ógicasconvencionales. Recordemos que todo el proceso de generación, transmisión y rece recepción pción de T V convencioncional selleva a cabo por métodos todos completamente analógicos, debido a que se sigue utilizando el mismo formato de televisión (el NTSC) diseñado hacia hacia mediados ediados delos años años 50’. La canti ntidad de datos tos nece necesa saria ri a para transmitir toda la información de audio y video en forma digital requeriría velocidades de transmisión de cientos cientos de megabits abits por segundo. Simplemente, tome en cuenta que el ancho de banda banda de la señal deT V es de 4,5M 4,5MH H z; dicha dicha señal de debe muestre trearsea por lo lo menos 9MH 9MH z para para obtener un resultado satisfactorio, y esta velocidad hay que multiplicarla por la cantidad de bits por muestra, que no deben ser menos de 10 ó 12 12
para garantizar una reproducción fiel de las señales originales; y aún faltaría la información de audio. Proce Procesa sar datos a tal tal velocidad ocidad es algo muy complejo e impráctico, e implicaría un costo muy elevado con los sistema sistemas electróni electrónicos cos actuales. actuales. Para minimizar la velocidad de transferenci transferencia a de datos, éstos se se compactan mediante la compresión MPEG (Motion Pictures Expert Group o Grupo Grupo Expe Experto rto en en Imá I mágenes nes en Movimi Movimie ento), nto), organi organiza zaci ción ón que ha desarrollado una especificación para el envío de imágenes en movimiento por redes de computadoras. Básicamente, el formato está basado en el principio de que las imágenes contienen información redundant dundante e en las lastram tramasde un campo de video a otro (por ejemplo, un mismo fondo puede permanecer fijo varios segundos, undos, apareciendo apareciendo en cada una una de las las tramas sucesivasque se despliegan). La compresión consiste, entonces, en predecir el movimiento que ocurre de una trama de video a otra, para lo cual se transmiten vectores de movimiento e información de fondo. ondo. De esta manera, en vez vez de transmitir la información completa
de video, sólo se trasladan los datos que corresponden al movimiento y a las diferencias del fondo, por lo que la velocidad efectiva de video puede llegar a reducirse de cientos de megabits bits por segundo (M (M bps) bps) a un promedio dio de 3 a6Mbps 6M bps.. Por supuesto, esa velocidad es dinámica, y puede cambiar de acuerdo con la cantidad de movimiento que ocurra en el video. Dicho de otra forma, si una imagen tiene mucho movimiento, el grado de compresión posible se reduce. Vea la figura 5. También ién se efectúa un proceso de compres compresión de audio udio MPE M PEG G, para reducir la velocidad de transmisión del audio, es decir, la cantidad de dat datos que es neces necesario ario enviar enviar por segundo. Para Para efectuar ctuar esta esta compre compresión, si en un determinado punto del audio un sonido fuerte se superpone a uno débil, al grado que el primero pierde su importancia dentro de la gama audible, simplemente se omite la transmisión de dicho sonido débil, reduciendo así el ancho de banda requerido para el envío de tales datos. La compresión de la ve velocidad ocidad de datos deaudio audio puede variar de 56 kbps (kilobits por segundo) en monoaural, monoaural, a 384kbps en en
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Artículo A rtículo de Tapa señales ñalesestéreo (una (una señal de audi audio o acerca de la activación de la tarjeta Paqu aque etes dedat datos os estereofó stereofóni nica ca muestreada streada con cal calidad de acceso y datos datos acerca de los los canade CD requiere má más de2Mbps 2M bps para La información de los programas les de los que el receptor está autorisu manejo). es completamente digital y se trans- zado a decodificar. mite en paquetes de datos. Este con4: paquetes de datos seriales cepto es muy similar al de los datos Enccriptación de dato En datoss que transfiere o envía una computa- compatibles con PC Pueden contener cualquier forma dora dora atrav través ésdel módem. Con la intención de que usuarios H ay cinco cinco difere diferentes ntes tipos tipos de de papa- de datos que el proveedor de programas quiera transmitir, como es el cano inscritos no reciban la programa- quetes de datos, los los cual cualesson: so de un reporte de existencias. ción de cable, los productores de TV de decidie idieron codific ifica ar sus señales, 1 y 2: audio y video 5: guías de programación para que sólo sólo pudi pudieran ser capt captada adas Como su nombre lo indica, los Elaboran un mapa del número por los usuarios abonados. Un usua- paquetes de audio y video contienen canal, para entreg ntrega arlo rlo al transtransrio “pirata” sólo vería imágenes que la información visual y auditiva del de ca ponder ponder y a los SCD SCDI ´s (sobre (sobre esto se no tienen sentido o una pantalla programa. habla más adelante); dicho mapa completamente bloqueada. Para lograr este efecto, la señal 3: paquetes Gracias a las técnicas digitales, es posible enviar simultáneade video es encriptada (revuelta) en CA (accesos con- mente una gran cantidad de canales de TV y audio, además de una serie de datos que permiten controlar el acceso a los las instalaciones de subida. Un algo- dicionales) canales, proporcionar la programación programación a los usuarios y manejar ritmo seguro de encriptación es la La informadatos digitales, entre otra información. fórmula conocida como Estándar de ción que contieMPEG Encriptación Digital (DES), que se nen, y que es es didiAl satélite emplea para codificar la información reccionada reccionada de mamade video. Las claves para decodifinera individual a MPEG car los datos son transmitidas en los los receptores, in. . mismos paquetes de información cluye E-mail (coque se se reciben reciben en el el aparato del del rreo electrónico) MPEG Transmisor usuario (vea el artículo sobre softwa- del cliente, datos re y circui circuito toss para canal canale es deT V MPEG R codificados de esta misma edición). O X E La “tarjeta” de acceso del cliente L Modulador P MPEG I T desencripta la clave, con lo cual el L . U receptor puede decodificar los da M . tos. Cuando por primera vez la tarMPEG jeta es activa ivada en un receptor, el figura 6 - Es número de serie de éste está codifiposible encado; así seevita vita que una tarjeta arjeta de Datos viar distintas distin tas acceso que haya sido sido activa activada da en en un un Control informaciodeterminado receptor, pueda activar acceso cualquier otro para el que no esté nes en forma forma Guía de autorizada. Y siempre que la tarjeta simultánea programas esté fuera del receptor, éste no funpor un mismo cionará (tenga en cuenta que este 6 víncu vínculo, lo, gragrasistema sistema se emple mplea en DSS D SS y dif difiere Salida típica del multiplexor cias al aporte Video Audio CA Nulo Nulo Datos Video Nulo Audio de la metodolog todologíía normal para para TV TV de las técnipor cable.
cas digitales. Saber Electrónica Nº 151
RECEPCION DE TV DIGITAL POR SATELITE tenecen los paquetes en cuestión; cuando cuando secombi combina na con con el el SCD SCDI , el tipo de paquete determina cómo serán emplea pleados dichos dichos paquet paquetes; el el contador de continuidad agrega una unidad por cada tipo de paquete y SCDI. Los siguientes 127 bytes de información se refieren al pago de renta que esenviada enviada por el pro prove veedor de programas programas.
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figura 7 - Paquete de datos enviados en el sistema DSS también informa sobre la programación de T V. En la figura 6 observamos la configuración típica de subida para un transponder. Anteriormente, se utilizaba un solo transponder para cada canal de satélite. Ahora, gracias a las señales digitales, son varios los canales de satélite que pueden utilizarse para enviar a un mismo transponder. En el ejemplo de esta figura semuestr muestran an varios canal canales esde video, video, otr otros más másde audio udio en estéreo (uno (uno por cada cada canal de vi video, y dos extr extra a para otros servicios -como un segundo idioma-), y un canal de datos compatibles con PC. Lasseñales ñalesde audio udi o y video video del proveedor de programas están codificadas y convertidas en paquetes de datos, en una configuración que puede variar, dependiente del tipo de program programación. ción. Tales paquetes de datos son multiplexados en forma serial y enviados al transmisor, y cada uno tiene una longitud de 147 bytes (recuerde que un byte equivale a 8 bits), distribuidos como se muestra en la figura 7.
Los primeros 2 bytes de información contie contienen nen bande banderas rasy el el SCD SCDI ; este último, que se traduce como Identificación de Canal de Servicio, es un número único de 12 bits (del 0 al 4095) con el que se identifica al canal canal de paquetes paquetes de datos; lasbanderas contienen hasta 4 bits, los cuales se emplea mplean pri primeramente nte para verif ri ficar car que los los paque paquetes tes estén stén encriptados o no y para determinar cuál llave o clav clave e de acceso cceso están uti utilizando. El tercer byte de información, está conformado por un grupo de 4 bits que indica el tipo de paquete y por un cuarto bit contador de continuidad. El tipo de paquete es una característica que sirve para determinar a cuál de los cuatro tipos de datos per-
Los Satélites Dos satélites téli tesde ba banda KU KU de alta potencia, proporcionan la señal DSS al al rece receptor. Los satélites, localizados en órbitas geoestacionarias en el cinturón de Clarke, a 36.0000 km sobre el ecuador, están posicionados a menos de 0,5° uno del otro; el punto medio entre ellos se encuentra en 101° longitud Oeste, lo que permite que una antena fija sea orientada a los 101° y reci reciba ba entonces ntonces la señal de ambos satélites. La frecuencia recuencia de bajadaseencuentra en una banda de frecuencias comprendida comprendida entre ntre 12,2 y 12,7GH 12,7GH z. El ancho de banda total del canal del del tra transponder es de 24MH 24MH z por 8
figura 8 - El sentido de rotación determina el tipo de polarización. Saber Electrónica Nº 151
Artículo A rtículo de Tapa figura 9 - El “Disher” o plato satelital.
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canal, con un espaciamiento de 14,58MH 14,58MH z. Ca C ada satél télite cue cuenta nta con 16 transponders de 120 watts, y tiene ti ene una expectati expectativa va de vi vida de 12 años (vea nuevamente la figura 4). M ientras ntras que los satéli télites de banbanda C emplean la polarización horizontal y vertical, los satélites DSS usan la polarización circular. La energía de microondas es transmitida en un patrón tipo espiral. El sentido de la rotación determina el tipo de polarización circular (figura 8). En el sistema DSS, uno de los transponders de un satélite es configurado para polarización circular derecha y el otro para polarización circu-lar izquierda; de dicha configuración resulta un total de 32 transponders entre los dos satélites. Aunque sólo hay 16 transponders por satélite, la capacidad de canales nalesque sepuede pueden manejar manejar a travé través de ellos es gr grande. Mediante diante la compresió compresión n de datos y multiplexaje, los dos satélites, en trabajo conjunto, tienen la posibilidad de llevar hasta 150 canales convencionales (no están considerados canal nales deT V de alta defini fi nición) ción) de audio y video vía 32 transponders.
El plato
LNB El LN B hace que la señal de baba jad jada del satélite lite pase del ra rango de los 12,2 a 12,7GH z, al rango rango de los 950 a 1450M 1450MH H z, para para que pueda pueda ser procesada por el sintonizador del receptor.
• Des De sal aliida simple ple,, esdecir, con un sol olo o conector deRF. de RF. El plato re• Des De sal aliida dobl ble e, esdecir, con do dos ceptor de satélite conectoresde deRF. RF. (L (La sal aliida do dobl ble edel (figura 9) es una LNB puede deap aprove rovecharsepa para ra al aliimenantena para la tar a un segun undo do receptor o a otr tro o sisbanda banda KU KU, es de tema dedistribución.) 18” y ligeramente ovalado. Esta última característi característica ca sedebe a los 22,5° 22,5° Ambos tipos tipos de de LNB pueden rede despla plazamiento zamiento para el LN B (el cibir señales de polarización derecha bloque convertidor de bajo ruido). e izquierda. La polarización es selecFue posible utilizar una antena tan cionada eléctricamente, vía un voltareducida debido a una característica je de CD enviad iado en el centro del fundamental ntal del sistema sistema DSS: abso- conductor del cable del receptor. La lutamente todos los satélites retrans- polarización derecha es seleccionada misore misoress deT V que sefabrica bri caron ron an- con +13V y la izquierda con +17V. tes de la aparición de este sistema utilizaban transmisores de baja potencia (unos 20 ó 30 watts), lo que obligaba al uso de grandes antenas Decodificador que pudieran captar la minúscula magnitu gnitud d de energía rgía que lle llegaba Una vez que el LN B ha reduci reducido do hasta hasta los los hoga hogares. la frecuencia de la señal recibida del En cam cambio, el sistem tema DT H utiuti- satélite, la envía hacia el aparato deliza transmisores sores depote potencia ncia elevada codificador, que es finalmente el en(alrede-dor de 120 watts), lo que ga- cargado de descomprimir los canales rantiza que con una antena de tama- de audio y video y expedir únicaño reducido se obtenga la misma mente nte los los que tenga enga derecho un un propor proporci ción ón de de señal captada captada ante nteusuario en particular. Es en el decoriormente con antenas de varios me- dificador donde se alojan la tarjeta o tros de diámetro. tarjetas de activación de canales, y es Para maximizar la magnitud de aquí donde la las señales deT V recoenergía que es recibida, se ha colo- bran su forma original, de modo cado cado al pos poste te que sostie ostiene al LN B que ya pueden alimentarse directade tal forma que evite el bloqueo mente nte ala entr ntradade antena ntena de del área de la superficie del plato, cualquier televisor convencional. con lo que se previene la atenuaCon esto habrá concluido el recorrición de la señal de microondas de do de de la la señal desde su generación ración entrada. hasta su recepción. ✪
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