4.1 链路预算与信号传播

4.1 链路预算与信号传播

本节在全册的位置：它是第一棒的"力量账本"。调度台判断一次抛棒能不能成功，唯一标准就是这本账——把发射功率、天线增益、路径损耗、接收灵敏度逐项加减，看最后剩多少余量。第 7 章的容量、第 9 章的终端形态差异，全都建立在这本账之上。

预算表：能量的一路减法

链路预算的逻辑是记账：发射端有多少本钱（功率加发射天线增益，合成 EIRP），路上交多少"过路费"（自由空间损耗、大气吸收、雨衰、极化损失、指向误差），接收端有多少"收款能力"（接收天线增益除系统噪声温度，即品质因数 G/T），最后折算成载噪比，与解调门限相减得余量。写成脚本就是一张可复算的账页：

import math

def link_budget(freq_hz, dist_km, eirp_dbw, gt_dbk,
                rain_db=3.0, other_db=1.5, threshold_db=6.0):
    """返回（载噪比 dB，余量 dB）。other_db 含极化、指向、实现损耗。"""
    lam = 299792458.0 / freq_hz
    fspl = 20 * math.log10(4 * math.pi * dist_km * 1000 / lam)  # 自由空间损耗
    cn0 = eirp_dbw - fspl - rain_db - other_db + gt_dbk - 10*math.log10(1.38e-23 * 290)
    margin = cn0 - threshold_db
    return cn0, margin, fspl

# Ku 波段用户下行：550 公里、斜距取 25 度仰角约 1200 公里
cn0, margin, fspl = link_budget(12e9, 1200, eirp_dbw=40, gt_dbk=15)
print(f"自由空间损耗 {fspl:.1f} dB | 载噪比 {cn0:.1f} dB | 余量 {margin:+.1f} dB")

# 同参数改 Ka 波段（雨衰更重）
cn0b, marginb, _ = link_budget(20e9, 1200, eirp_dbw=40, gt_dbk=15, rain_db=7.0)
print(f"Ka 波段：载噪比 {cn0b:.1f} dB | 余量 {marginb:+.1f} dB")

# 典型输出：
# 自由空间损耗 175.6 dB | 载噪比 11.9 dB | 余量 +5.9 dB
# Ka 波段：载噪比 8.7 dB | 余量 +2.7 dB
​

跑完这三行，几个此前"背不动"的结论就变成了算术事实。自由空间损耗约 175 分贝——发射功率到接收端跨越二十个数量级，链路预算的本质就是在分贝世界里做加减法。Ka 波段比 Ku 波段天线增益更高（同口径）、带宽更大，但雨衰从三四个分贝涨到七八个分贝以上，余量反而更薄：高频段是"晴天高速、雨天降级"的期权，必须配合自适应调制（4.2 节）对冲。斜距从星下点的一千二百公里换到低仰角的两千公里，损耗再涨约四个分贝——2.2 节的覆盖几何在这里完成了与链路预算的对接。

雨衰、仰角与可用性的三角债

预算表里最活跃的三项是雨衰、斜距与门限，而它们背后是同一笔"可用性"买卖。想保证"全年 99.9% 时间链路可用"，就要按最恶劣的降雨统计（暴雨衰减可达十几分贝）做预算，终端成本飙升；按 99% 做，雨天就降速甚至断续。工程上的解法不是硬扛，而是分层：晴空用高阶调制跑满速率，降雨统计意义上的"小概率大雨"靠自适应降阶、功率回补与多星分集（换一颗不在雨区上空的星）联合消化。注意最后一项的深意——星座的覆盖重数（2.2 节）在物理层兑现成了"绕开局部天气"的分集增益，这是单星系统永远给不了的选项。

链路预算是物理层的宪法：所有花哨的波束赋形、跳波束调度，最终都要在账面上兑现成余量。下一节看这本账的动态版——用户多了怎么分账、卫星动了怎么追账。

大气与电离层：账本里看不见的几行

自由空间损耗之外，电磁波穿过大气还要交几种"税"，每种都有频率偏好。雨衰是 Ku 以上波段的主税，与雨滴尺寸相对波长的比例相关，频率越高衰减越猛，且统计上服从对数正态分布——工程上按"年均百分之零点一时间超过的衰减值"取设计值（可用性口径）。大气吸收在特定频段有峰值（水汽吸收峰在二十二吉赫兹附近、氧吸收峰在六十吉赫兹附近），选频段要避开。电离层闪烁影响低频段（低于数吉赫兹），电离层不均匀体引起信号幅度与相位快速起伏，赤道与极区黄昏后最严重——直连手机用的低频段必须把它计入余量。法拉第旋转同样作用在低频段，极化面被电离层旋转，线极化系统因此受损，圆极化免疫——这类细节决定了"为什么这个频段用这种极化"的工程选择。

把这段内容与前面的雨衰讨论合起来读：链路预算不是一张静态表格，而是一本分季节、分天气、分地域的动态账。优秀的链路工程师看天气预报能看到分贝数，这不是玩笑——暴雨预警就是链路降挡预警。

演算延伸：终端形态的三本账

用 4.1 的脚本算三种终端在同一条星地链路上的可行性，能直观看到形态与账本的关系。固定碟形终端（口径大、增益高三十多分贝）：余量充足，可上高阶调制，数百兆比特每秒。平板便携终端（增益低十来个分贝）：余量紧但可用，速率降到数十兆比特每秒，雨天需降挡。手持终端（增益再低十几分贝且功率小）：按宽带链路预算直接为负——这就是直连手机必须换低频段加超大星载天线的原因（第 11 章的伏笔在此结账）。三种终端共用同一个星座，靠的是网络侧对不同终端类型分别做链路适配：同一条波束里，碟形用户跑高阶调制、平板用户跑中阶、手持用户只在特殊设计的低频波束里接入。一份星座，三本账，并行不悖。

链路预算的三个审表习惯

做预算评审的三个职业习惯，值得在学习阶段就养成。逐项可溯源：每个分贝值都注明出处（实测、datasheet、规范还是估算），混合来源的账本没法复核。双口径并报：同时报"晴天余量"与"设计可用性余量"（按雨区统计取值），只报晴天的预算表是给自己挖坑。闭环验证：预算算完用实测校核，偏差超过两三分贝必查原因（指向误差、实现损耗、干扰底噪），校核闭环的预算表才有复用价值。这三个习惯与第 7 章的"带口径"原则同源——工程数字的生命力在于可复核，而不在于精确到小数点后的假象。