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スペクトラム・アナライザ

スペクトラム・アナライザは、 各周波数に対する信号の強度を表示する機能を持つ。 低い周波数のためのスペクトラム・アナライザとしては、 一連のバンド・パス・フィルタを用いたものや、 FFT (高速フーリエ変換) アナライザも用いられているが、 EMI 測定で用いられている RF スペクトラム・アナライザのほとんどは、 技術的にはヘテロダイン式の掃引同調レシーバの一種と考えることができる。

測定の原理

スペクトラム・アナライザの主要な構成要素 (回路によってではなく、 デジタル処理によって実現されていることもある) は、以下のようなものである：

1. アッテネータ

   RF 入力はアッテネータ (減衰器) を通り、 ミキサへの入力レベルが適当なレベルとなるように減衰させられる。

2. プリセレクタ

   スペクトラム・アナライザによっては、ミキサの前に、 プリセレクタ (pre-selector) と呼ばれる帯域通過フィルタを持つことがある。

   プリセレクタは、それほど狭い通過帯域幅を持つものではないが、 測定の対象とする周波数と大きく異なる周波数の成分がミキサに入ることをある程度防ぐことができる。

3. ミキサ (混合器)

   これは、ヘテロダイン式のスペクトラム・アナライザの特徴的な部分である。

   ２つの信号をミキサで混合すると、 その２つの信号の差の周波数成分を含む出力が得られる。 従って、局部発振器 (local oscillator; LO) の発振周波数を 測定の対象とする周波数に合わせて調整する (測定の対象とする周波数からあらかじめ決めた分だけ離れた周波数に設定する) ことにより、 測定の対象とする周波数の近傍のスペクトラムを あらかじめ決めた固定の周波数 (中間周波数; IF) の近傍にコピーしたような信号を得ることができる。

   スペクトラム・アナライザの場合、周波数掃引を行なうために、局部発振器は掃引信号発生器で制御される。 手動のレシーバの場合、局部発振器は同調つまみなどでの周波数設定に応じて制御される。

4. IF (中間周波数) フィルタ、あるいは RBW (分解能帯域幅) フィルタ

   ミキサの出力では、測定の対象とする周波数の近傍のスペクトラムに対応するものが 中間周波数を中心として現れるので、 中心周波数が固定の帯域通過フィルタを通すことで、 その周波数の近傍の所定の周波数範囲の信号成分を取り出すことができる。

   このフィルタは、 それが中間周波数に対して適用されることから 中間周波数 (intermediate frequency; IF) フィルタと呼ばれたり、 あるいはそれが周波数分析の分解能を決定するものとなることから 分解能帯域幅 (resolution bandwidth; RBW) フィルタと呼ばれたりする。

   実際のスペクトラム・アナライザでは、複数の中間周波数 (1st IF、2nd IF などと呼ばれる) を用い、 段階的に周波数変換を行なうこともある。

   この中間周波数という名称は、ヘテロダイン式のラジオ受信器において、 それが無線周波数と音声周波数のあいだに位置するものとなることを考えれば 理解しやすいであろう。

5. 対数増幅器 (ログアンプ)

   信号は、その出力が入力の対数に対応するものとなる特殊な増幅器である、 対数増幅器に通されることがある。 信号を対数増幅器に通すこと (対数圧縮と呼ばれる) は、 特にスペクトラム・アナライザのように 大きなダイナミック・レンジの信号を一括して扱いたい場合に有利である。

   また、対数増幅器を利用することで、 リニアな表示デバイス (例えば指針式のメータや CRT) を用いて dB に対応した表示を行なうことも可能となる。

6. 検波器 (ディテクタ)

   フィルタで抽出された中間周波信号は、検波器によって直流に変換される。

   スペクトラム・アナライザでは、主として包絡線検波が用いられる。 デジタル化されたモデルは、付加機能として、 ポジティブ・ピーク、ネガティブ・ピーク、サンプルなどの切り替えが 可能となっていることも多い。

   EMI 測定用のレシーバでは、主として CISPR 16-1 で規定されている 尖頭値／準尖頭値／平均値検波が用いられることが多い。

7. ビデオ・フィルタ、あるいは VBW (ビデオ帯域幅) フィルタ

   スペクトラム・アナライザでは、検波された信号は、ビデオ・フィルタ、 あるいはビデオ帯域幅 (video bandwidth; VBW) フィルタと呼ばれる 低域通過フィルタ (高域遮断フィルタ) に通される。 このフィルタは、信号のスペクトラムに対してではなく、 検波された信号の時間変動に対するフィルタとして働く。

   VBW を絞ると信号がスムージングされるが、 これはビデオ・アベレージングと呼ばれることがある。 逆に、意図しないアベレージングを防ぎ、信号のピークを正しく測定するためには、 この帯域幅は充分に広くしておく必要がある。

   ビデオ・フィルタは対数増幅器 (もしあれば) よりも後に入るので、 表示の縦軸を対数にするかリニアにするかで ビデオ・アベレージングの結果も異なることになる。

8. ディスプレイ

   通常、スペクトラム・アナライザは、 スペクトラムを直読できるような二次元のディスプレイを備える。 初期のスペクトラム・アナライザは、スペクトラムの表示を、 CRT (オシロスコープのようなもの) の電子ビームの掃引の Y 軸をビデオ・フィルタの出力で制御し、 X 軸を掃引信号発生器と連動させることによって行なっていた。 後の世代では信号をコンピュータに取り込んで表示を行なうようになっているが、 原理的には大きな違いはない。

   レシーバは、主としてアナログやデジタルのメータを用いて値を表示する。

特殊な機能

ゼロ・スパン

だが、ほとんどのスペクトラム・アナライザでは、掃引スパンをゼロに設定することにより、 同調周波数を固定して、横軸を時間軸とした表示を行なわせることも可能となっている。 これはゼロ・スパン (zero span) と呼ばれ、 信号の時間変動のパターンを調べたい場合などに使用することができる。

周波数カウンタ

多くのスペクトラム・アナライザは周波数カウント機能を備えており、 これを作動させることで、内蔵の周波数カウンタで測定された周波数を表示させることができる。

トラッキング・ジェネレータ

注意事項

1. 掃引速度 ―― 周波数掃引の速度が早すぎると、 信号のレベルが低く測定され、またピークの周波数がずれる。 通常、スペクトラム・アナライザはこのような設定を拒否せず、 単に uncal などと表示するだけで動作を続けるので、 正常に測定を行なえなくなるような設定で 不用意に測定を行なわないように注意が必要である。

2. 飽和 ―― 入力の信号レベルが大き過ぎると、 ミキサやアンプが飽和し、 正常に分析を行なえなくなる。 飽和は、分析を行なっている周波数以外の信号成分によって生じることもある (プリセレクタは帯域外の信号による飽和の可能性を低減するが、完全なものではない)。

3. 許容入力 ―― 許容限度を超えた入力信号は、回路を損傷させ得る。 一般に RF 入力は非常にデリケートであり、 使用に際しては過大入力を加えないように注意する必要がある。 いかなる場合でも、直流や低周波の信号、そして静電気には特に注意すべきである。

4. 整合 ―― 通常、高周波用のスペクトラム・アナライザでは、 信号源のインピーダンスが 50Ω であることが 前提となっており、 信号源インピーダンスがこれと異なると測定結果に誤差を生じる。 また、その RF 入力は 50Ω に整合するように作られているものの、 内蔵のアッテネータを 0dB とした場合や、高い周波数においては、 RF 入力の VSWR が有意に悪化することがある。

by Tom Sato, 2008-06-08