Перейти к содержанию

Почему радиомодули на 433 МГц бьют дальше, чем на 2,4 ГГц?

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Дальность радиолинии определяется бюджетом: мощность передатчика минус чувствительность приёмника. Этот бюджет «съедают» потери на трассе, а они зависят от частоты.

Потери на трассе

По ITU-R P.525 потери между изотропными антеннами:

L=32,4+20lg⁡fМГц+20lg⁡dкмL = 32{,}4 + 20 \lg f_\text{МГц} + 20 \lg d_\text{км}

Разница между 2440 и 433 МГц на одном расстоянии:

ΔL=20lg⁡2440433≈15,0 дБ\Delta L = 20 \lg \frac{2440}{433} \approx 15{,}0\ \text{дБ}

(наш расчёт). При одинаковом бюджете 15 дБ — это примерно в 5,6 раза меньшая дальность на 2,4 ГГц. TI в AN058 формулирует то же правило проще: снижение частоты вдвое удваивает дальность в прямой видимости. Подробнее о формуле — в статье о потерях в свободном пространстве.

Чувствительность приёмников

Второй выигрыш sub-GHz — низкие скорости. Чем уже полоса, тем меньше шума на входе и тем лучше чувствительность:

МодульЧастотаСкоростьЧувствительность
CC1101433 МГц0,6 кБод−116 дБм
nRF24L01+2,4 ГГц250 кбит/с−94 дБм
nRF24L01+2,4 ГГц2 Мбит/с−82 дБм

Разница CC1101 и nRF24L01+ на 250 кбит/с — 22 дБ, вместе с 15 дБ потерь на трассе это 37 дБ, то есть около 70 раз по дальности в свободном пространстве при одинаковой мощности и антеннах (наш расчёт). Часть этой разницы — заслуга низкой скорости, а не частоты.

Что ещё учесть

  • Антенна. На 433 МГц четвертьволновой штырь — 17,3 см, на 2,4 ГГц — 3,1 см. Короткая антенна на 433 МГц сильно теряет, и выигрыш частоты пропадает.
  • Препятствия. Формула ITU-R описывает свободное пространство. Ослабление стенами и мебелью зависит от частоты и материалов, и его проверяют на месте.

Модули на 433 и 868 МГц разобраны в статье «Радиомодули 433 и 868 МГц», полный расчёт линии — в статье «Бюджет радиолинии», сравнение технологий — в обзоре беспроводных интерфейсов.

Похожие вопросы

Значит ли это, что 2,4 ГГц всегда хуже?

Нет. На 2,4 ГГц антенна в несколько раз короче — λ/4 всего 3,1 см против 17,3 см на 433 МГц, — выше скорость передачи, есть готовые стандарты Wi-Fi и Bluetooth. Для дальности при малой скорости лучше sub-GHz, для скорости и малых размеров — 2,4 ГГц.

Почему вакууму важна частота?

Сам вакуум частоту не замечает: потери в формуле ITU-R растут из-за того, что эффективная площадь антенны с заданным усилением пропорциональна квадрату длины волны. Антенна на 433 МГц с тем же усилением собирает больше энергии, чем на 2,4 ГГц.

Можно ли сравнить дальность двух модулей по их паспортам?

Приблизительно: сложите мощность передатчика и модуль чувствительности приёмника в дБм — это бюджет линии. Сравнивать нужно при одинаковой скорости и критерии ошибок, иначе цифры чувствительности несопоставимы.

Источники

  1. Recommendation ITU-R P.525-4 (08/2019). Calculation of free-space attenuation — формулы (3) и (4): потери между изотропными антеннами Lbf = 20·lg(4πd/λ) = 32,4 + 20·lg f (МГц) + 20·lg d (км)
  2. Texas Instruments. AN058 Antenna Selection Guide (SWRA161B, 2010) — разд. 3.3: снижение частоты вдвое удваивает дальность в прямой видимости; табл. 1: λ/4 для 433 МГц — 17,3 см, для 2,4 ГГц — 3,1 см
  3. Texas Instruments. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver (SWRS061I, 2013) — с. 2: чувствительность −116 дБм при 0,6 кБод на 433 МГц, PER 1 %
  4. Semtech. AN1200.22 LoRa Modulation Basics, Rev. 2 (May 2015) — архивная копия официального файла; разд. 4.2: шумовой порог приёмника −174 + 10·lg B дБм — чем уже полоса, тем ниже шум
  5. Nordic Semiconductor. nRF24L01+ Product Specification v1.0 (September 2008) — мощность до 0 дБм; чувствительность −82 дБм (2 Мбит/с), −85 дБм (1 Мбит/с), −94 дБм (250 кбит/с) при BER 0,1 %

Нашли ошибку?

Смотрите также