衛星通訊 - 鏈路預算
在衛星通訊系統中，有兩種型別的功率計算。分別是發射功率和接收功率計算。通常，這些計算被稱為鏈路預算計算。功率的單位是分貝。
首先，讓我們討論鏈路預算中使用的基本術語，然後我們將繼續解釋鏈路預算計算。
基本術語
各向同性輻射體（天線）向所有方向均勻輻射。但實際上它並不存在。它只是一個理論上的天線。我們可以將所有真實（實際）天線的效能與該天線進行比較。
功率通量密度
假設一個各向同性輻射體位於半徑為r的球體的中心。我們知道功率通量密度是功率流與單位面積之比。
各向同性輻射體的功率通量密度，$\Psi_i$ 為
$$\Psi_i = \frac{p_s}{4\pi r^2}$$
其中，$P_s$ 是功率流。通常，實際天線的功率通量密度隨方向而變化。但是，它的最大值僅在一個特定方向上。
天線增益
實際天線的增益定義為實際天線最大功率通量密度與各向同性天線功率通量密度之比。
因此，天線增益或天線增益G為
$$G = \frac{\Psi_m}{\Psi_i}$$
其中，$\Psi_m$ 是實際天線最大功率通量密度。而$\Psi_i$ 是各向同性輻射體（天線）的功率通量密度。
等效各向同性輻射功率
等效各向同性輻射功率（EIRP）是鏈路預算測量中使用的主要引數。數學上，它可以寫成
$$EIRP = G\:\:P_s$$
我們可以用分貝表示EIRP為
$$\left [ EIRP \right ] = \left [ G \right ] + \left [ P_s \right ]dBW$$
其中，G是發射天線的增益，$P_s$ 是發射機的功率。
傳輸損耗
一端傳送的功率與接收站接收到的功率之間的差異稱為傳輸損耗。損耗可分為兩種型別。
- 恆定損耗
- 可變損耗
饋線損耗等恆定的損耗稱為恆定損耗。無論我們採取了哪些預防措施，這些損耗都必然會發生。
另一種損耗是可變損耗。天空和天氣狀況就是這種損耗的一個例子。也就是說，如果天空不晴朗，訊號將無法有效地到達衛星，反之亦然。
因此，我們的程式首先包括計算晴朗天氣或晴朗天空條件下的損耗，因為這些損耗是恆定的。它們不會隨時間變化。然後在第二步中，我們可以計算惡劣天氣條件下的損耗。
鏈路預算計算
由於存在兩個鏈路，即上行鏈路和下行鏈路，因此鏈路預算計算有兩種型別。
地球站上行鏈路
這是地球向衛星傳送訊號，衛星接收訊號的過程。其數學方程可以寫成
$$\left(\frac{C}{N_0}\right)_U = [EIRP]_U+\left(\frac{G}{T}\right)_U - [LOSSES]_U -K$$
其中，
- $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ 是載波噪聲密度比
- $\left [\frac{G}{T}\right ]$ 是衛星接收機的G/T比，單位為dB/K
這裡，損耗表示衛星接收機的饋線損耗。所有依賴於頻率的損耗都考慮在內。
為了有效地進行上行鏈路，EIRP值應儘可能低。當我們獲得晴朗的天空條件時，這是可能的。
這裡我們使用了（下標）符號“U”，表示上行鏈路現象。
衛星下行鏈路
在此過程中，衛星傳送訊號，地球站接收訊號。該方程與衛星上行鏈路相同，不同之處在於我們到處使用縮寫“D”代替“U”來表示下行鏈路現象。
其數學方程可以寫成：
$$\left [\frac{C}{N_0}\right ]_D = \left [ EIRP \right ]_D + \left [ \frac{G}{T} \right ]_D - \left [ LOSSES \right ]_D - K$$
其中，
- $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ 是載波噪聲密度比
- $\left [\frac{G}{T}\right ]$ 是地球站接收機的G/T比，單位為dB/K
這裡，所有存在於地球站周圍的損耗。
在上式中，我們沒有包含訊號頻寬B。但是，如果我們包含它，則該方程將修改如下。
$$\left [\frac{C}{N_0}\right ]_D = \left [ EIRP \right ]_D + \left [ \frac{G}{T} \right ]_D - \left [ LOSSES \right ]_D -K-B$$
鏈路預算
如果我們考慮地面衛星，則還應考慮自由空間擴充套件損耗（FSP）。
如果天線未正確對準，則可能會發生損耗。因此，我們考慮AML（天線失準損耗）。類似地，當訊號從衛星向地球傳播時，它會與地球表面碰撞，其中一些會被吸收。這些由大氣吸收損耗“AA”來處理，並以db為單位測量。
現在，我們可以為晴空寫出損耗方程為
$$Losses = FSL + RFL+ AML+ AA + PL$$
其中，
RFL代表接收饋線損耗，單位為db。
PL代表極化失配損耗。
現在，接收功率的分貝方程可以寫成
$$P_R = EIRP + G_R + Losses$$
其中，
- $P_R$ 代表接收功率，以dBW為單位測量。
- $G_r$ 是接收天線的增益。
下行鏈路的設計比上行鏈路的設計更關鍵。因為發射所需的功率和天線的增益有限。