卫星通信 - 链路预算

在卫星通信系统中，有两种类型的功率计算。即发射功率和接收功率计算。一般来说，这些计算称为链路预算计算。功率的单位是分贝。

首先，让我们讨论一下链路预算中使用的基本术语，然后我们将继续解释链路预算计算。

基本术语

各向同性辐射器（天线）向所有方向均匀辐射。但是，它实际上并不存在。它只是一个理论上的天线。我们可以比较所有真实（实际）天线相对于此天线的性能。

功率通量密度

假设各向同性辐射器位于半径为 r 的球体的中心。我们知道，功率通量密度是功率流与单位面积的比值。

各向同性辐射器的功率通量密度，$\Psi_i$为

$$\Psi_i = \frac{p_s}{4\pi r^2}$$

其中，$P_s$为功率流。一般而言，实际天线的功率通量密度随方向而变化。但是，它的最大值只会在一个特定的方向上。

天线增益

实际天线的增益定义为实际天线的最大功率通量密度与各向同性天线的功率通量密度之比。

因此，天线增益或天线增益G 为

$$G = \frac{\Psi_m}{\Psi_i}$$

其中，$\Psi_m$ 是实际天线的最大功率通量密度。其中，$\Psi_i$ 是各向同性辐射器（天线）的功率通量密度。

等效各向同性辐射功率

等效各向同性辐射功率 (EIRP) 是用于测量链路预算的主要参数。 从数学上来说，它可以写成

$$EIRP = G\:\:P_s$$

我们可以用分贝来表示 EIRP，如下所示

$$\left [ EIRP ight ] = \left [ G ight ] + \left [ P_s ight ]dBW$$

其中，G是发射天线的增益，$P_s$是发射机的功率。

传输损耗

一端发送的功率与接收站接收的功率之间的差值称为传输损耗。损耗可分为两种类型。

• 恒定损耗
• 可变损耗

馈线损耗等恒定损耗称为恒定损耗。无论我们采取何种预防措施，这些损耗仍不可避免地会发生。

另一种损耗是可变损耗。天空和天气状况就是这种损耗的一个例子。这意味着如果天空不晴朗，信号将无法有效到达卫星，反之亦然。

因此，我们的程序首先包括计算由于晴朗天气或晴朗天空状况造成的损耗，因为这些损耗是恒定的。它们不会随时间而变化。然后在第二步中，我们可以计算恶劣天气造成的损失。

链路预算计算

由于存在两个链路，因此链路预算计算有两种类型，即上行链路和下行链路。

地球站上行链路

这是地球向卫星发送信号并由卫星接收信号的过程。其数学方程可以写成

$$\left(\frac{C}{N_0} ight)_U = [EIRP]_U+\left(\frac{G}{T} ight)_U - [LOSSES]_U -K$$

其中，

• $\left [\frac{C}{N_0} ight ]$ 是载波与噪声密度比

• $\left [\frac{G}{T} ight ]$ 是卫星接收器 G/T 比，单位为 dB/K

此处，损耗表示卫星接收器馈线损耗。取决于频率的损耗均被考虑在内。

EIRP 值应尽可能低，以实现有效上行链路。在晴朗的天空条件下，这是可能的。

此处我们使用了（下标）符号"U"，它表示上行链路现象。

卫星下行链路

在此过程中，卫星发送信号，地面站接收信号。该方程与卫星上行链路相同，不同之处在于我们到处都使用缩写"D"而不是"U"来表示下行链路现象。

其数学方程可以写成；

$$\left [\frac{C}{N_0} ight ]_D = \left [ EIRP ight ]_D + \left [ \frac{G}{T} ight ]_D - \left [ LOSSES ight ]_D - K$$

其中，

• $\left [\frac{C}{N_0} ight ]$ 是载波与噪声密度比
• $\left [\frac{G}{T} ight ]$ 是地球站接收器 G/T 比，单位为dB/K

这里，所有存在于地面站周围的损耗。

在上面的公式中，我们没有包括信号带宽 B。但是，如果我们包括它，公式将进行如下修改。

$$\left [\frac{C}{N_0} ight ]_D = \left [ EIRP ight ]_D + \left [ \frac{G}{T} ight ]_D - \left [ LOSSES ight ]_D -K-B$$

链路预算

如果我们考虑地面卫星，那么还应考虑自由空间扩展损耗 (FSP)。

如果天线未正确对准，则可能会发生损耗。因此，我们将 AML（天线未对准损耗）考虑在内。同样，当信号从卫星传向地球时，它会与地球表面碰撞，其中一些会被吸收。这些由大气吸收损耗来处理，由"AA"给出，以 db 为单位测量。

现在，我们可以将自由天空的损耗方程写为

$$Losses = FSL + RFL+ AML+ AA + PL$$

其中，

• RFL 代表接收馈线损耗，单位为 db。

• PL 代表极化失配损耗。

现在接收功率的分贝方程可以写为

$$P_R = EIRP + G_R + Losses$$

其中，

• $P_R$ 代表接收功率，以 db 为单位测量dBW。
• $G_r$ 是接收器天线增益。

下行链路的设计比上行链路的设计更为关键。因为发射所需功率和天线增益受到限制。