3. 链路预算基本概念：EIRP、G/T、载噪比C/N、Eb/N0、链路余量定义及计算公式
卫星通信链路预算的本质，是在发射端与接收端之间建立一条“功率账目”，逐项核算信号从上行发射、星上转发、下行发射到地面接收的全过程增益与损耗。工程实践中，链路预算不仅是系统设计阶段的顶层计算工具，更是运行维护阶段判断链路是否健康、定位异常环节、评估雨衰余量是否充足的核心依据。本章围绕五个核心参数——EIRP、G/T、C/N、Eb/N0与链路余量，展开其物理含义、计算方法与工程应用逻辑。
3.1 EIRP：等效全向辐射功率
核心原理：EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）将发射功率与天线增益合并为一个等效值，表示“若以全向天线辐射，需要多大功率才能达到实际天线主瓣方向的功率密度”。其计算公式为：
EIRP (dBW) = P_T (dBW) + G_T (dBi) − L_feed (dB)其中 P_T 为高功率放大器（HPA）输出功率，G_T 为发射天线增益，L_feed 为波导、馈源、滤波器等无源器件的插入损耗。工程中常以 EIRP 作为发射能力的标称指标，例如某 Ku 波段卫星转发器 EIRP 为 48 dBW，即表示其下行辐射能力等效于 48 dBW 的全向辐射源。
判断方法与操作流程：在实际链路预算中，EIRP 的取值需区分“饱和 EIRP”与“工作 EIRP”。饱和 EIRP 是转发器功放满功率输出时的值，而工作 EIRP 需扣除输出回退（OBO）。对于地面站发射，还需考虑上行功率控制（UPC）的动态范围。计算时建议按以下步骤执行：
- 确认 HPA 在给定频率下的最大线性输出功率（P1dB 或饱和功率）；
- 查天线方向图获得工作频点增益，扣除馈线及接口损耗；
- 若为多载波工作，需按载波数分配功率并计入回退；
- 将结果与设备出厂标称值交叉验证，偏差超过 1 dB 需排查。
3.2 G/T：接收系统品质因数
核心原理：G/T 是接收天线增益 G_R 与接收系统等效噪声温度 T_sys 之比（dB/K），衡量接收系统对微弱信号的捕获能力。T_sys 包含天线噪声温度、馈线噪声、LNA 噪声温度及后端设备贡献，折算到 LNA 输入端。G/T 越高，系统在同等信号条件下获得的 C/N 越高。
计算与测试方法：G/T 的工程计算式为：
G/T (dB/K) = G_R (dBi) − 10·log(T_ant + T_feed + T_LNA + T_backend)测试方法通常采用“Y 因子法”：用冷空（约 5-10 K）与常温负载（约 290 K）分别测量输出噪声功率，计算 Y 因子后反推 T_sys。对于大型地球站，也可利用卫星信标进行相对测量。下表给出典型场景的 G/T 参考值：
| 接收站类型 | 频段 | 天线口径 | 典型 G/T (dB/K) |
|---|---|---|---|
| 大型国际关口站 | C | 13 m | 31.5 |
| 中型区域站 | Ku | 7.5 m | 25.0 |
| 小型 VSAT 主站 | Ku | 3.8 m | 18.5 |
| VSAT 远端站 | Ku | 1.2 m | 11.0 |
3.3 载噪比 C/N 与 Eb/N0
核心原理：C/N 是接收载波功率与噪声功率之比（dB），是链路预算最基础的中间量。其通用表达式为：
C/N (dB) = EIRP − L_fs − L_atm − L_other + G/T − 10·log(k·B)其中 L_fs 为自由空间损耗，L_atm 为大气吸收损耗（含氧、水汽），L_other 为极化失配、指向误差、雨衰等附加损耗，k 为玻尔兹曼常数（1.38×10⁻²³ J/K），B 为载波带宽。对于数字调制信号，更常用 Eb/N0（每比特能量与噪声功率谱密度之比），与 C/N 的换算关系为：
Eb/N0 (dB) = C/N (dB) + 10·log(B / R_b)其中 R_b 为信息比特速率。该式表明：在相同 C/N 下，带宽效率越低（B/R_b 越大），Eb/N0 越高，解调余量越大。
上下行链路串联计算：卫星链路包含上行和下行两段，总载噪比按下式合成：
(C/N)_total⁻¹ = (C/N)_up⁻¹ + (C/N)_down⁻¹ + IMIM 为转发器互调噪声贡献。该式揭示了链路预算的关键特性：总 C/N 受较差一方的制约。若上行 C/N 为 25 dB，下行 C/N 为 15 dB，则总 C/N 约为 14.6 dB，下行几乎决定了整体性能。
C/N = 44 − 206 − 0.5 + 18 − (−228.6) − 10·log(1×10⁶) = 44 − 206 − 0.5 + 18 + 228.6 − 60 = 24.1 dB。
若信息速率 R_b=2 Mbps，则 Eb/N0 = 24.1 + 10·log(1/2) = 24.1 − 3.0 = 21.1 dB。该值高于 QPSK 理论门限 8.4 dB，余量充足。
3.4 链路余量定义与工程取值
核心原理：链路余量（Link Margin）定义为系统实际可用 C/N（或 Eb/N0）与解调门限所需值之差：
Margin (dB) = (C/N)_available − (C/N)_required其中 (C/N)_required 由调制方式、编码效率、误码率目标共同决定。例如 DVB-S2 中，QPSK 1/2 在 AWGN 信道下达到 QEF（准无误码）所需 Eb/N0 约为 3.1 dB，加上实现损耗后工程取 5-6 dB。
余量分配策略：链路余量并非越大越好，过大的余量意味着浪费功率和带宽资源。工程上按以下维度分配：
- 雨衰余量：根据 ITU-R P.618 模型计算，Ku 波段典型取 3-6 dB，Ka 波段取 6-10 dB；
- 干扰余量：考虑邻星干扰、同频干扰，通常取 1-2 dB；
- 设备老化余量：HPA 输出下降、LNA 噪声恶化，取 1-2 dB；
- 指向误差余量：天线跟踪误差导致增益损失，取 0.5-1 dB。
判断方法与操作流程：在链路复核中，建议按以下流程评估余量是否充足：
- 计算晴空条件下的 (C/N)_total；
- 查当地降雨区划，确定 99.9% 可用度下的雨衰值；
- 将雨衰从 C/N 中扣除，得到降雨时的 C/N；
- 对比解调门限，确认降雨时余量仍 ≥ 1 dB；
- 若不足，则需提升 EIRP、增大天线口径或降低信息速率。
3.5 链路预算完整计算案例
场景描述：某 Ku 波段卫星新闻采集（SNG）系统，上行站位于北京，卫星位于东经 110.5°E，下行接收站为某省会城市中心站。要求传输 1080i 高清视频，信息速率 R_b=20 Mbps，采用 DVB-S2 QPSK 3/4 调制，目标 BER=10⁻⁷（对应 Eb/N0 门限 5.5 dB，含 1.5 dB 实现损耗）。
关键输入参数：
| 参数 | 上行 | 下行 |
|---|---|---|
| 频率 (GHz) | 14.25 | 12.50 |
| 天线口径 (m) | 2.4 | 4.5 |
| 发射功率/增益 | 40 W (16 dBW) | EIRP=47 dBW |
| 天线增益 (dBi) | 44.5 | 46.8 |
| 馈线损耗 (dB) | 1.0 | 0.5 |
| 系统噪声温度 (K) | — | 180 |
| 自由空间损耗 (dB) | 207.3 | 205.8 |
| 大气损耗 (dB) | 0.3 | 0.2 |
| 雨衰 (dB) | 2.5 | 3.0 |
计算过程：
上行 EIRP = 16 + 44.5 − 1.0 = 59.5 dBW
卫星 G/T = 14 dB/K（转发器参数）
上行 C/N = 59.5 − 207.3 − 0.3 − 2.5 + 14 + 228.6 − 10·log(36×10⁶)
= 59.5 − 207.3 − 0.3 − 2.5 + 14 + 228.6 − 75.6 = 16.4 dB
下行 C/N = 47 − 205.8 − 0.2 − 3.0 + (46.8 − 10·log(180)) + 228.6 − 75.6
= 47 − 205.8 − 0.2 − 3.0 + 24.2 + 228.6 − 75.6 = 15.2 dB
总 C/N = −10·log(10^(-1.64) + 10^(-1.52)) = −10·log(0.0229 + 0.0302) = 12.7 dB
Eb/N0 = 12.7 + 10·log(36/20) = 12.7 + 2.55 = 15.25 dB
链路余量 = 15.25 − 5.5 = 9.75 dB（雨衰条件下）结果分析与复盘：该链路在 99.9% 可用度下仍有 9.75 dB 余量，属于设计偏保守。若需降低成本，可考虑将上行站天线降至 1.8 m（EIRP 降低约 2.5 dB），或下行站天线降至 3.8 m（G/T 降低约 1.8 dB），余量仍可保持在 5 dB 以上。但需注意，余量降至 5 dB 以下后，降雨衰减的统计波动可能导致短时中断，需结合业务可用度要求权衡。