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RF

Calculadora de Presupuesto de Enlace RF

Calcula el presupuesto de potencia completo de un enlace inalámbrico incluyendo ganancias, pérdidas y margen de enlace.

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Fórmula

Pr=Pt+Gt+Gr−FSPL−Lmisc,FSPL=20log⁡10(4πdfc)P_r = P_t + G_t + G_r - FSPL - L_{misc}, \quad FSPL = 20\log_{10}\left(\frac{4\pi d f}{c}\right)

Referencia: Friis, "A Note on a Simple Transmission Formula" (1946)

d— Distancia (m)
λ— Longitud de onda (c/f) (m)
EIRP— P+ G− L (dBm)
Pᵣₓ— EIRP − FSPL − Lmisc + G− L (dBm)
L_rain— Rain fade (ITU-R P.838) (dB)
L_atm— Atmospheric / gaseous absorption (dB)
L_pt— Antenna pointing / misalignment loss (dB)

Cómo Funciona

El análisis del presupuesto de los enlaces de RF calcula la potencia de la señal recibida en los sistemas inalámbricos; los ingenieros de telecomunicaciones, los diseñadores de sistemas satelitales y los desarrolladores de IoT utilizan esto para determinar si un enlace de radio se cerrará con un margen adecuado. La ecuación de transmisión de Friis p_Rx = p_TX + G_tx + G_Rx - FSPL - L_misc constituye la base, donde FSPL = 20*log10 (4*pi*d*f/c) según ITU-R P.525-4.

La pérdida de trayectoria en el espacio libre aumenta 6 dB al duplicar la distancia (ley del cuadrado inverso) y 6 dB al duplicar la frecuencia. A 2,4 GHz y 1 km, FSPL = 100,0 dB; a 5,8 GHz y 1 km, FSPL = 107,7 dB. Esto explica por qué el WiFi de 5 GHz tiene un alcance inferior al de 2,4 GHz con una potencia de transmisión idéntica. Según el «Manual de radar» de Skolnik (tercera edición), la absorción atmosférica añade 0,01 dB/km a 2 GHz, pero 0,2 dB/km a 60 GHz (resonancia de oxígeno).

Margen de enlace = p_Rx: p_Sensitivity representa un amortiguador de seguridad contra la decoloración. La ITU-R P.530-17 recomienda un margen de atenuación de 25 a 40 dB para los enlaces de microondas con una disponibilidad del 99,999%. En los sistemas móviles, el desvanecimiento de Rayleigh provoca una variación de señal de 20 a 30 dB; los sistemas LTE se diseñan con un margen de 8 a 12 dB con control de potencia. Los receptores GPS funcionan a una sensibilidad de -130 dBm con un margen de enlace de más de 25 dB para garantizar una cobertura global.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un enlace LoRa de 915 MHz para un alcance de 10 km con una disponibilidad del 99% en terrenos rurales.

Solución utilizando el modelo de espacio libre ITU-R P.525-4:

  1. Potencia de transmisión: 20 dBm (100 mW, límite de la parte 15.247 de la FCC)
  2. Antena transmisora: omnidireccional de 6 dBi (elevada en torre)
  3. Antena receptora: 3 dBi (dispositivo portátil)
  4. Pérdidas de cable: 2 dB en total (lado de transmisión LMR-400)
  5. Pérdida de ruta por espacio libre: FSPL = 20*log10 (10000) + 20*log10 (915e6) + 20*log10 (4*pi/3e8) = 111,7 dB
  6. Pérdidas adicionales: 6 dB de vegetación/difracción (ITU-R P.833)
  7. Margen de atenuación: 10 dB (para una disponibilidad del 99% por Okumura-Hata)
  8. P_rx requerido: 20 + 6 + 3 - 2 - 111,7 - 6 - 10 = -100,7 dBm
  9. Sensibilidad LoRa a SF12/125 kHz: -137 dBm (hoja de datos de Semtech SX1276)
  10. Margen de enlace: -100,7 - (-137) = 36,3 dB — el enlace se cierra con un margen sustancial
En SF7 (sensibilidad -123 dBm), el margen cae a 22,3 dB, pero la velocidad de datos aumenta de 293 bps a 5,5 kbps.

Consejos Prácticos

  • ✓Diseño para un margen de enlace mínimo de 10 a 15 dB para redes inalámbricas fijas; de 20 a 30 dB para sistemas móviles sujetos a atenuación por rutas múltiples; de 30 a 40 dB para infraestructuras críticas (ITU-R P.530)
  • ✓Utilice modelos de propagación de la UIT-R adecuados al medio ambiente: P.525 (espacio libre), P.1411 (urbano), P.833 (vegetación), P.676 (atmosférico), P.838 (atenuación de la lluvia)
  • ✓Valide las predicciones presupuestarias de los enlaces con pruebas de conducción o estudios del sitio: la propagación real a menudo difiere entre 5 y 15 dB de la de los modelos debido a los efectos locales del terreno y de la construcción

Errores Comunes

  • ✗Uso de la pérdida de trayectoria en el espacio libre para enlaces terrestres sin correcciones ambientales: añada de 10 a 30 dB para entornos urbanos (ITU-R P.1411), de 6 a 15 dB para suburbanos y de 3 a 6 dB para entornos rurales con vegetación según ITU-R P.833
  • ✗Sin tener en cuenta las pérdidas de cable y conector: un LMR-400 de 30 m a 2,4 GHz pierde 3,5 dB; los cuatro conectores N añaden 0,6 dB; un total de 4,1 dB a menudo se omite en los presupuestos de enlaces
  • ✗Confundir la ganancia de antena con el EIRP: potencia de transmisión + ganancia de antena = EIRP; los límites reglamentarios (parte 15 de la FCC) suelen especificar el EIRP, no solo la potencia de transmisión
  • ✗Ignorando la absorción atmosférica dependiente de la frecuencia: insignificante por debajo de 10 GHz, pero crítica a 60 GHz (15 dB/km) y 24 GHz (0,2 dB/km) según ITU-R P.676

Preguntas Frecuentes

dBm es la potencia referenciada a 1 milivatio: P (dBm) = 10*log10 (p_mW). Valores comunes: 0 dBm = 1 mW, 10 dBm = 10 mW, 20 dBm = 100 mW, 30 dBm = 1 W. La sensibilidad del receptor suele ser negativa: -100 dBm = 0,1 pW (WiFi), -130 dBm = 0,1 fW (GPS). La escala de dBm permite vincular la aritmética del presupuesto mediante una simple suma o resta en lugar de mediante la multiplicación o división de los niveles de potencia.
La pérdida de trayectoria en el espacio libre aumenta 20*log10 (f2/f1) dB cuando la frecuencia aumenta de f1 a f2. La duplicación de la frecuencia añade una pérdida de 6 dB. A 1 km: 433 MHz = 92,5 dB FSPL; 915 MHz = 99,2 dB; 2,4 GHz = 107,6 dB; 5,8 GHz = 115,2 dB. Esta diferencia de 22,7 dB entre 433 MHz y 5,8 GHz explica por qué los protocolos de IoT subGHz (LoRa, Sigfox) ofrecen un alcance mucho mayor que el WiFi para la misma potencia de transmisión.
Esta calculadora proporciona una línea base teórica de espacio libre según el ITU-R P.525. Para entornos reales, añada factores de pérdida empíricos: oficinas interiores: de +20 a +40 dB (paredes, suelos); exteriores urbanos: de +20 a +30 dB (edificios, vehículos); zonas suburbanas: de +10 a +20 dB; zonas rurales abiertas: de +3 a +10 dB (vegetación, terreno). Para un modelado detallado, utilice Okumura-Hata (150 MHz-1,5 GHz urbano), COST-231 (1,5-2 GHz) o el trazado de rayos para diseños de edificios específicos.
Depende de la modulación y el ancho de banda. WiFi (OFDM, ancho de banda de 20 MHz): -65 dBm excelente, -75 dBm bueno, -85 dBm marginal. LTE celular: -80 dBm excelente, -100 dBm utilizables. LoRa (SF12, 125 kHz): sensibilidad de -137 dBm. GPS: -130 dBm nominal. Bluetooth: -70 dBm excelente, -90 dBm utilizables. La diferencia de más de 60 dB entre la sensibilidad de WiFi y LoRa explica el equilibrio entre alcance y rendimiento: LoRa alcanza los 15 km a 300 bps, mientras que el WiFi alcanza los 100 m a 100 Mbps.
La ganancia de la antena aumenta directamente el presupuesto del enlace: +3 dBi = duplica el alcance (para una sensibilidad constante) porque una pérdida de ruta de 6 dB equivale a 2 veces la distancia. Una antena parabólica de 24 dBi proporciona 24 dB más de capacidad de enlace que una antena parabólica de 0 dBi, lo que equivale a reducir la pérdida de ruta de 1 km a 60 m o a aumentar la potencia de transmisión 250 veces. Las antenas de alta ganancia cambian el área de cobertura por el alcance: una antena parabólica de 24 dBi tiene un ancho de haz de 10 grados y requiere una alineación precisa.
Enfoque de presupuesto de enlaces: pérdida de ruta disponible = p_TX + G_tx + g_Rx - P_sensitivity - margin. Ejemplo: transmisión de 20 dBm, antenas de 2 dBi en cada lado, sensibilidad de -137 dBm (SF12), margen de 20 dB = 20 + 2 + 2 - (-137) - 20 = 141 dB de FSPL permitido. Resuelva FSPL = 20*log10 (d) + 20*log10 (433e6) - 147,55 = 141 dB para d = 700 km teóricos. Mundo real con terreno: de 10 a 30 km en zonas rurales, de 2 a 5 km en zonas suburbanas, de 0,5 a 2 km en zonas urbanas. La ventaja de los niveles inferiores a los de GHz: el mismo cálculo a 2,4 GHz arroja solo 125 km en teoría, debido a un FSPL 15 dB más alto.
La ITU-R P.530-17 define los requisitos de margen de atenuación según la disponibilidad: disponibilidad del 99,9%: margen de 15-20 dB; 99,99%: 25-30 dB; 99,999%: 35-40 dB. El margen tiene en cuenta la atenuación por trayectoria múltiple, la atenuación por lluvia (muy por encima de los 10 GHz), el envejecimiento de los equipos y las variaciones atmosféricas. Para un enlace de 10 km y 18 GHz en climas templados: recorrido múltiple de 15 dB más 8 dB de lluvia (superación del 0,01%) +equipo de 3 dB = 26 dB de margen total para una disponibilidad del 99,99%.
La altura de la antena afecta directamente a la holgura de la zona de Fresnel, no a la pérdida de espacio libre. Radio de la primera zona de Fresnel a mitad de la trayectoria: r1 = sqrt (lambda * d/4). Para un enlace de 10 km a 5,8 GHz: r1 = sqrt (0,052 * 5000) = 16 m. Si el terreno obstruye más del 40% de esta zona, añada una pérdida de difracción de más de 6 dB. La altura determina si la zona de Fresnel está despejada; la causa más común de fallos en los enlaces en los sistemas punto a punto es la falta de espacio libre. Regla empírica: la altura de la antena debe dejar una distancia de 1 m por encima de cualquier obstáculo que se encuentre a mitad de camino.
Margen de enlace = p_Received - P_sensitivity (búfer de seguridad total). El margen de atenuación es la parte reservada para los eventos de atenuación de la señal. Ejemplo: un margen de enlace de 30 dB podría asignar: un margen de atenuación de 20 dB (trayecto múltiple, lluvia), un margen de implementación de 5 dB (tolerancia de los componentes, envejecimiento) y un margen de interferencia de 5 dB. El margen de atenuación determina las estadísticas de disponibilidad: un margen de atenuación de 20 dB con la atenuación de Rayleigh produce una disponibilidad de aproximadamente el 99,9% según la ITU-R P.530. La principal causa de fallos intermitentes en los enlaces es la subespecificación del margen de atenuación.

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