Was ist Link-Budget?

Eine Rechnung, die Gewinne und Verluste von der Sendeleistung bis zur Empfangsleistung aufsummiert, um die am Empfänger ankommende Leistung und die Reserve gegenüber der für den Empfang nötigen Leistung (der Empfindlichkeit) abzuschätzen. Sie wird in dB und dBm durchgeführt, indem Terme wie Sendeleistung + Antennengewinne − Ausbreitungsdämpfung − Kabelverluste addiert und subtrahiert werden. Dasselbe Vorgehen wird außer im Funk auch für das Leistungsbudget in der optischen Kommunikation verwendet.

Japanische Bezeichnung: リンクバジェット

„Link-Budget“ kommt in 2 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Siliziumphotonik, Grundlagen der Funkkommunikation.

Fachgebiet: Grundlagen der Funkkommunikation

Rechenschritte

Zuerst werden zur Sendeleistung (dBm) die Gewinne von Sende- und Empfangsantenne (dBi) addiert und die Ausbreitungsdämpfung sowie Kabel- und Steckerverluste (dB) abgezogen; das ergibt die Empfangsleistung. Dann wird aus Rauschmaß und Bandbreite des Empfängers die Empfindlichkeit bestimmt, und die Differenz zur Empfangsleistung ist die Link-Reserve. Bei zum Beispiel 20 dBm Sendeleistung, je 2 dBi Antennengewinn, 100 dB Ausbreitungsdämpfung und 4 dB Kabelverlust beträgt die Empfangsleistung −80 dBm; bei einer Empfindlichkeit von −90 dBm bleibt eine Reserve von 10 dB.

Warum eine Reserve eingeplant wird

Die tatsächliche Ausbreitungsdämpfung ist im Allgemeinen größer als die Freiraumdämpfung, und hinzu kommen Abschattung durch Gebäude und Menschen, Dämpfung durch Regen sowie vorübergehende Einbrüche durch Fading. Daher werden Reserven wie eine Fading-Reserve eingeplant, um eine Zielwahrscheinlichkeit für den Erhalt der Verbindung zu erreichen. Reicht die Reserve nicht aus, kann man Sendeleistung oder Antennengewinn erhöhen, das Rauschmaß des Empfängers senken oder die Datenrate verringern, um das benötigte S/N zu reduzieren.

Der Vorteil der Rechnung in dB

Mit dB, das Leistungsverhältnisse logarithmisch angibt, und dBm, bezogen auf 1 mW, werden Multiplikationen und Divisionen von Leistungen über viele Größenordnungen zu Additionen und Subtraktionen. Größen, die sich um mehr als zehn Größenordnungen unterscheiden, etwa ein Sender mit einigen Watt und eine Empfangsleistung unter 1 pW, passen in dieselbe Tabelle, und man sieht auf einen Blick, wo die Verluste groß sind.

Jetzt üben: Fragen zu Link-Budget

Laserlicht mit einer Ausgangsleistung von +3 dBm erreicht nach insgesamt 10 dB Verlust (Kopplung an die Faser, Wellenleiter, Modulator usw.) den Photodetektor. Welcher Wert liegt der empfangenen Leistung am nächsten?

AEtwa 0,2 mW (−7 dBm)
BEtwa 20 mW (+13 dBm)
CEtwa 0,05 mW (−13 dBm)

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Antwort: A. Etwa 0,2 mW (−7 dBm)

dBm ist eine absolute Leistungseinheit mit 1 mW als Bezugswert: 0 dBm entspricht 1 mW, +3 dBm etwa 2 mW und −10 dBm 0,1 mW. Verluste in dB werden einfach subtrahiert: 3 − 10 = −7 dBm, und 10^(−0,7) ≈ 0,2 mW. Die Rechnung, bei der man so die Verluste von der Sendeleistung abzieht und prüft, ob das Ergebnis über der vom Photodetektor benötigten Mindestleistung (Empfindlichkeit) liegt, nennt man Link-Budget (Leistungsbudget). +13 dBm ist der Wert, wenn man den Verlust addiert, −13 dBm der Wert bei falschem Vorzeichen der Sendeleistung.

Die Sendeleistung beträgt 20 dBm, der Gewinn der Sendeantenne 2 dBi, der Gewinn der Empfangsantenne 2 dBi, die Ausbreitungsdämpfung 100 dB und die Kabelverluste auf Sende- und Empfangsseite zusammen 4 dB. Wie groß ist die Empfangsleistung?

A−88 dBm
B−80 dBm
C−76 dBm

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Antwort: B. −80 dBm

Die Empfangsleistung ergibt sich, indem man zur Sendeleistung in dBm die Antennengewinne (dBi) addiert und Ausbreitungsdämpfung und Kabelverluste (dB) abzieht. Diese Rechnung heißt Link-Budget: 20 + 2 + 2 − 100 − 4 = −80 dBm. Beträgt die kleinste Leistung, die der Empfänger noch korrekt empfangen kann (die Empfindlichkeit), zum Beispiel −90 dBm, bleibt eine Reserve von 10 dB (Link-Reserve). In der Praxis wird mit Reserve geplant, weil die Empfangsleistung durch Fading absinken kann.

Häufige Fragen

Wie wird die Empfindlichkeit bestimmt?

Addiert man zur Leistungsdichte des thermischen Rauschens bei 290 K, −174 dBm/Hz, die Bandbreite (10·log₁₀ B) und das Rauschmaß des Empfängers, erhält man die auf den Eingang bezogene Rauschleistung. Addiert man dazu das zum Demodulieren nötige S/N, ergibt sich ein Richtwert für die Empfindlichkeit. Bei 1 MHz Bandbreite, 6 dB Rauschmaß und einem benötigten S/N von 10 dB sind das −174 + 60 + 6 + 10 = −98 dBm.

Ist es dasselbe wie das Leistungsbudget in der optischen Kommunikation?

Das Prinzip ist dasselbe. In der optischen Kommunikation wird die am Photodetektor ankommende Leistung bestimmt, indem man von der Laserleistung (dBm) die Verluste von Faser, Wellenleiter, Steckern und Kopplung (dB) abzieht, und dann die Reserve gegenüber der Empfindlichkeit des Detektors geprüft. Anders als im Funk gibt es keine Antennengewinne, doch das Addieren und Subtrahieren in dB und dBm ist gleich.

„Link-Budget“ in den Erläuterungen

Die Rechnung, bei der man so die Verluste von der Sendeleistung abzieht und prüft, ob das Ergebnis über der vom Photodetektor benötigten Mindestleistung (Empfindlichkeit) liegt, nennt man Link-Budget (Leistungsbudget).
Laserlicht mit einer Ausgangsleistung von +3 dBm erreicht n…
Diese Rechnung heißt Link-Budget: 20 + 2 + 2 − 100 − 4 = −80 dBm.
Die Sendeleistung beträgt 20 dBm, der Gewinn der Sendeanten…