4. 链路预算基础

卫星数据下传链路能否闭合，最终取决于一条由发射端到接收端逐级累加、逐级扣减的功率与噪声账本。链路预算就是这本账：把发射功率、天线增益、路径损耗、接收增益、系统噪声温度和带宽逐项折算到同一个参考点上，再与解调门限比较。理解链路预算，关键是理解五个核心参数之间的传递关系——EIRP 描述“发出去多强”，自由空间损耗描述“路上衰减多少”，G/T 描述“接收端听得多清”，C/N0 描述“载波相对噪声密度有多强”，Eb/N0 描述“每比特能量够不够解调”。

一、EIRP：发射端的等效全向辐射功率

EIRP（Equivalent Isotropically Radiated Power，等效全向辐射功率）把发射机输出功率与发射天线增益合并为一个等效指标，表示“若换成理想全向天线，需要多大功率才能在同一方向产生相同功率密度”。其定义为：

EIRP(dBW) = P_tx(dBW) + G_tx(dBi) - L_feed(dB)

其中 P_tx 为功放输出功率，G_tx 为发射天线在目标方向上的增益，L_feed 为馈线、滤波器、波导等发射链路的损耗。例如某卫星下传发射机输出 10 W（即 10 dBW），发射天线增益 30 dBi，馈线损耗 1.5 dB，则 EIRP = 10 + 30 − 1.5 = 38.5 dBW。工程上 EIRP 直接决定地面站接收到的功率密度，是链路预算的起点。需要注意的是，天线增益必须取指向地面站方向的实际增益，若存在指向误差，应额外扣除指向损耗。

二、自由空间损耗：路径衰减的主项

自由空间损耗（FSPL）描述电磁波在理想无吸收、无遮挡空间中随距离扩散造成的功率衰减。其常用工程计算式为：

FSPL(dB) = 32.44 + 20·log10(d_km) + 20·log10(f_MHz)

式中 d_km 为传播距离（km），f_MHz 为频率（MHz）。例如 X 频段 8.2 GHz、斜距 2000 km 时，FSPL = 32.44 + 20·log10(2000) + 20·log10(8200) ≈ 32.44 + 66.02 + 78.28 ≈ 176.7 dB。可见距离和频率都以对数方式放大损耗：频率翻倍增加约 6 dB，距离翻倍也增加约 6 dB。实际链路中还要在此基础上叠加大气吸收、雨衰、云衰和指向损耗，这些附加损耗在 Ka 频段和低仰角时尤为显著。

三、G/T：接收系统的品质因数

G/T 是接收天线增益与系统噪声温度之比，单位为 dB/K，衡量接收端“信号收得强、噪声压得低”的综合能力。定义为：

G/T(dB/K) = G_rx(dBi) - 10·log10(T_sys_K)

系统噪声温度 T_sys 由天线噪声温度、馈线损耗贡献的噪声以及接收机噪声温度级联构成。例如接收天线增益 45 dBi，系统噪声温度 150 K，则 G/T = 45 − 10·log10(150) ≈ 45 − 21.76 = 23.24 dB/K。G/T 每提高 3 dB，等效于接收功率提高 3 dB，或允许发射端少发 3 dB。工程上降低 T_sys 往往比提高天线增益更有效，因为前者直接改善信噪比，而后者受口径和成本限制。

四、C/N0 与 Eb/N0：从载噪比到比特信噪比

C/N0 是接收载波功率与噪声功率谱密度之比，单位为 dBHz，反映接收信号在单位带宽内的信噪强度：

C/N0(dBHz) = EIRP(dBW) + G/T(dB/K) - FSPL(dB) - L_other(dB) + 228.6

其中 228.6 为玻尔兹曼常数 1.38×10⁻²³ J/K 的 −10·log10 值（dBW/K/Hz）。该式把发射、路径、接收三部分统一到同一参考点，是链路预算最常用的核心公式。得到 C/N0 后，除以信息速率即可换算为每比特能量与噪声密度之比：

Eb/N0(dB) = C/N0(dBHz) - 10·log10(R_bps)

例如 C/N0 = 78 dBHz，数据速率 100 Mbps（80 dBbps），则 Eb/N0 = 78 − 80 = −2 dB，显然无法解调。若速率降至 10 Mbps（70 dBbps），Eb/N0 = 8 dB，配合 QPSK 约 10⁻⁵ 误码率所需门限约 9.6 dB，仍偏紧；若采用 1/2 卷积编码可获得约 5 dB 编码增益，则余量转为正。这说明 Eb/N0 才是与调制编码方式直接对应的解调判据，而 C/N0 是链路层面的中间量。

五、工程意义与预算余量

把上述参数串起来，链路预算的工程意义就清晰了：EIRP 和 G/T 是设计端可调的两个“旋钮”，FSPL 和附加损耗是任务给定的约束，C/N0 是链路层面的中间结果，Eb/N0 是最终与调制编码门限比较的判据。工程上通常要求 Eb/N0 比门限高出 2～3 dB 作为链路余量，用于补偿雨衰、指向误差和器件老化。若余量为负，可选的调整手段包括：提高 EIRP（增大功放或天线增益）、改善 G/T（降低噪声温度或增大接收口径）、降低速率或采用更低阶调制、引入更强编码增益，或缩短斜距、提高仰角以减小 FSPL 和大气损耗。