スペクトラムアナライザの基礎Lite

Product Introduction

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電気信号を周波数別に、目に見える形で表示する測定器です。

被測定信号に含まれる各周波数成分が、周波数軸上の対応

した位置に、振幅の大きさとして表示されます。

スペアナと略して呼ばれています。

アンリツのスペアナラインナップ

MS269x Series MS271ｘE MS272xT MS2830A

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スペクトラムアナライザとは？

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周波数成分 スペアナ出力 電力換算値

基本波 －10 dBm 0.1 mW

２次高調波 －20 dBm 0.0 1mw

３次高調波 －54 dBm 4.0 nW

（合計） 0.11 mW

オシロスコープ波形

電力 0.11 mW (-9.6 dBm)

スペクトラムアナライザ波形

ある周波数を出すと、高調波成分も出てしまいます。波形が歪むので歪み成分とも呼ばれます。

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スペクトラムアナライザの表示方法

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タイムドメイン •時間的な変化を見られます。

•信号の各成分が重なり、

周波数分析が難しい。

周波数ドメイン •複雑な信号の各成分を簡単に

分離できます。

•低レベルの信号ひずみの検出

ができます。

•スプリアス成分の測定ができ

ます。

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タイムドメインと周波数ドメイン

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図2-1 スーパーヘテロダイン方式

基本ブロック図

ATT

IFフィルタ (RBW) MIX

ローカル 信号

検波器

ビデオフィルタ

(VBW)

掃引信号(ランプ)

入力信号

縦軸信号

横軸信号

ディスプレイ

ローカル信号周波数 Start Ｓ

top

0V (左端)

1V (右端)

図2-2 ローカル周波数対横軸信号レベル

横軸

信号

レベ

ル

fIN =fL±fIF 式1

fIFfIN

fL

対数増幅器

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スペクトラムアナライザの原理

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信号 入力

ミキサ IFフィルタ

C MHz：B+A and B-A

B-A＝D MHz：固定 （IF周波数）

A=B-D

DとBはスペアナ内部の信号なので既知 であり、入力されたAの信号が分かる。

A MHz

B MHz

C MHz

Local入力

ミキサ出力 フィルタ出力

D MHz

局部発振器 （Local Oscillator）

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スペクトラムアナライザの原理

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0 MHz 50 MHz 100 MHz 150 MHz 200 MHz

10 MHz 60 MHz 110 MHz 160 MHz 210 MHz

管面周波数設定

Local発振周波数

10 MHz 10 MHz 10 MHz 10 MHz 10 MHz IF周波数

全測定ポイントが10 MHzという同一条件で測定される

測定ポイント数は機種に より異なる。 選択可能の場合もある。 501や1001が多い 最新では10001もある。

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スペクトラムアナライザの原理

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周波数ダウンコンバートの方法

スーパー ヘテロダイン

1stLocal 2ndLocal 3rdLocal

ダイレクト コンバージョン

Local

Local周波数は入力周波数と同じ

Low-IF

Local

Local周波数は入力周波数に近く スーパーヘテロダインの3段分を1段で落とす

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スペクトラムアナライザの原理

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1. 設定項目 2. 周波数の設定 3. 振幅の設定 4. 分解能帯域幅(RBW)・ビデオフィルタ(VBW) 5. 掃引時間(Sweep Time)・掃引時間とRBW 6. 減衰器 7. 検波モード 8. 時間軸の測定

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設定項目

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(1) 周波数（Frequency・Span） Center Frequency /Span(中心周波数・周波数幅）

Start Frequency / Stop Frequency（開始周波数・停止周波数）

(2) 振幅（Level・Amplitude） Reference Level（基準ﾚﾍﾞﾙ画面の一番上のﾚﾍﾞﾙ）

Log Scale(縦軸の1区分 division)

Linear Scale Offset・Correction（補正値）

Pre Amp(On/Off)

(3) フィルタBW Resolution Band Width （分解能帯域幅）

Video Band Width（映像帯域幅）

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スペクトラムアナライザの設定項目 1/2

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(4)掃引速度（Sweep Time） Repeat/single

(5)減衰器（Attenuator）

(6)検波モード（Detector） Normal Positive Peak

(Quasi-Peak） Negative Peak Sample RMS（実効値） Average（平均値）

（7）表示・データ処理 （Storage） Average Max Hold Min Hold

（8）その他 Marker機能 Measure機能 Time機能(時間軸) Over Write等 Trig/Gate機能

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スペクトラムアナライザの設定項目 2/2

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周波数（Frequency・Span） Center Frequency /Span(中心周波数・周波数幅）

Start Frequency / Stop Frequency（開始周波数・停止周波数）

中心周波数 中心周波数

Span Span

ｽﾀｰﾄ周波数 ｽﾄｯﾌﾟ周波数 ｽﾀｰﾄ周波数 ｽﾄｯﾌﾟ周波数

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周波数の設定

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振幅（Level・Amplitude）

リファレンスレベル

一番上のライン

ログスケール

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振幅の設定 1/2

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単位：Unit

電力 W、dBm 0 dBm = 1 mW dBm = 10*Log（X mw/1 mW）

電圧 V 、dBμV 、dBmV、ｄBμV e.m.f 0 dBμV = 1 μV dBμV = 20*Log（XμV/1μV）

電界強度 W/m、dBm / m、dBμV/m 測定した値にアンテナ係数で補正した値

W = V（電圧）*I（電流） I = V/R（抵抗） R：50ｵｰﾑ

W = (V * V) / 50

V ＝ W * 50

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振幅の設定 2/2

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RBWの設定：IFフィルタの3 dB帯域幅の設定

ATT

IFフィルタ (RBW) MIX 検波器

ビデオフィルタ

(VBW)

入力信号

fIF fIN

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分解能帯域幅（RBW） ＊測定法で必ず指定されます

3 dB

IFフィルタ

fIF

帯域幅

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(例) MS2830Aの仕様 選択度 4.5：1 （ガウス・フィルタ Gaussian Filter）

狭いRBWを選択すると、3 dB帯域幅と60 dB帯域幅がともに

小さくなり周波数分解能が上がります。 よって、ノイズフロアレベルも下がり、低い信号を見ることが できます。

60 dB帯域幅 選択度 ＝ 3 dB帯域幅

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分解能帯域幅（RBW） ＊測定法で必ず指定されます

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雑音レベルに埋もれた微弱な信号を測定する場合に効果を発揮します。

(例) MS2830Aの仕様 1 Hz～10 MHz，Offが選択可能

VBW 10 kHz VBW 10 Hz

VBWを低くすると雑音性の信号を除去できます。しかし、パルス的な信号を測定する 場合には、VBWを低くしすぎると信号が見えなくなります。

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ビデオフィルタ（VBW） ＊測定法で必ず指定されます

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ローカル 信号

掃引信号

横軸信号

fL

ローカル信号の周波数が変化＝管面左から右へ測定周波数が変化。

周波数Sweepまたは日本語で掃引（そういん）と呼びます。

掃引時間の設定はSpan幅・RBW・VBWと関連しています。

掃引

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掃引時間 (Sweep Time)

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最適入力レベルは、ミキサ入力に信号を加えたとき、測定に影響を与えないひずみレベルを規定したものです。 入力信号とひずみのレベル関係は、入力コネクタではなくミキサ入力レベルで規定されています。よって入力信号は、RF減衰器で最適なミキサ入力レベルに減衰して測定します。

アンリツの代表的な最適レベル：-30 dBm

ATT

MIX

Local OSC.

ここの信号レベル

入力信号

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減衰器 ATT

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Normal：ノーマル

現在のサンプルポイントから次のサンプルポイントまでの間に 存在する最大・最小レベルの 両方を表示します。

Pos Peak：ポジティブピーク 尖頭値（せんとうち）

現在のサンプルから次のサンプルポイントまでに存在する最大レベルをホールドして表示します。 ノイズレベルに近い信号のピークを測定するときに有効です。

Sample：サンプル

各サンプルポイントの瞬時の信号レベルを表示します。雑音レベル測定やタイムドメインなどで 使用します。

Neg Peak：ネガティブピーク

現在のサンプルポイントから次のサンプルポイントまでに存在する最小レベルをホールドし表示 します。

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検波モードの選択 ＊測定法で必ず指定されます

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掃引ごとに同じ周波数のポイントごとに測定データを保存（Storage）し、 最大値、最小値、平均値などを表示する機能。表示モードとも言う。

Normal ： ノーマル 掃引ごとにトレースデータを更新し表示します。通常の測定に使います。

Max Hold ： マックスホールド、最大値 掃引ごとに、以前の横軸ポイントのトレースデータと新しいトレースデータの比較を行い、 大きい方を表示します。バースト信号の波形確認などに用います。

Min Hold ： ミニマムホールド、最小値 掃引ごとに、以前の横軸ポイントのトレースデータと新しいトレースデータの比較を行い、 小さい方を表示します。

Lin Average ： リニアアベレージ、リニア平均、ワット平均 ログ表示モード（dBm）において、リニア値（W）における平均化処理を行い、結果は ログで表示されます。

Average ： アベレージ 、Log平均 掃引ごとに、横軸ポイントにおいて平均化の演算を行い、その結果を表示します。

Average：（－1 dBm＋0 dBm＋1 dBm）／３＝0 dBm Lin Average：（0.78 mW＋1 mW＋1.26 mW）／3＝1.01 mW → 0.043 dBm

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Trace Storageモードの選択

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1. 最適入力レベル 2. 最大入力レベル 3. 測定周波数範囲 4. 側波帯雑音 5. ダイナミックレンジ(平均雑音レベル、

残留レスポンス、ひずみ) 6. 管面ダイナミックレンジ

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性能評価項目

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最適入力レベルは、ミキサ入力に信号を加えたとき、測定に影響を 与えないひずみレベルを規定したものです。 入力信号とひずみのレベル関係は、入力コネクタではなくミキサ入力 レベルで規定されています。 よって入力信号は、RF減衰器で最適なミキサ入力レベルに減衰して 測定します。

(例) MS2692Aの仕様

2次高調波ひずみ <-90 dBc （ミキサ入力：-10 dBm）

ATT

MIX

Local OSC.

ここの信号レベル

入力信号

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最適入力レベル

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最大入力レベルは、入力回路部の損傷レベルを指します。 規格値以上の電力を入力すると破損します。

(例) MS2692Aの仕様 +30 dBm（入力ATT≧10 dB)

ATT

MIX

Local OSC.

入力信号

損傷レベル

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最大入力レベル

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測定周波数範囲は、IFフィルタの中心周波数とローカル発振器の 周波数範囲によって決まります。

入力信号周波数 = ローカル信号周波数 - IF周波数

IFフィルタの出力は、入力信号とローカル信号が混合され、IF フィルタの中心周波数fcに一致したときにIFフィルタから出力 され、画面に表示されます。

IF Filter Input Signal (0～300 MHz)

Local OSC. (200～500 MHz)

(fc=200 MHz)

(200 MHz)

f

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測定周波数範囲

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内部のローカル信号源がもっている雑音で、波形のすそのところに現れます。側波帯雑音は信号純度を示し、近傍信号解析の性能はこの特性で決まります。分解能帯域幅（RBW）を十分狭くし、高純度の信号を入力したとき、中心から何kHz離れて何dB落ちるかで規定されます。

ローカル信号源は、点線のスペクトラム が理想ですが、実際には実線のような側 波帯雑音をもっています。

近傍にAまたはB信号があると側波帯雑音にマスクされて検出できなくなります。

Ideal

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側波帯雑音

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1. 平均雑音レベル

2. 残留レスポンス

3. 2次高調波ひずみ

4. 2信号3次ひずみ

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ダイナミックレンジ

雑音レベル、残留レスポンス、ひずみのいずれにもわずらわされずに 測定できる範囲を言いますが、メーカー共通の定義がなく、 どこを基準にするかで値が違ってきます。

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(例) MS269xAの仕様

平均雑音レベル < -155dBm/Hz (f0=2 GHz, ATT 0dB)

内部で発生する雑音は、熱雑音とトランジスタやICなど能動素子から 発生する雑音が主要因です。そのため平均雑音レベルは、測定できる 入力信号の下限レベルになります。

平均雑音レベルの表示方法は、メーカーにより異なり測定条件で表示 したり、1Hz当たりに換算した値で表示されています。

Pn（平均雑音）＝10log10（kTB）＋N0 で計算されます。

ｋ：ボルツマン定数（1.38054×10-23J/K）,Ｔ：絶対温度（Ｋ）

B：IF帯域幅 , N0：雑音指数（能動素子）

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1. 平均雑音レベル

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入力信号を加えていないのに、画面上に入力信号があるように現れる現象を残留レスポンスと呼びます。

原因は、内部で使っている各種発信器の基本波やその高調波が複雑に混合され、IF周波数と一致したときに現れます。

平均雑音レベルは全周波数帯域に関係するのに対し、残留レスポンスは特定の周波数帯に現れ、測定できる入力信号の下限レベルに影響します。

(例) MS269xAの仕様

残留レスポンス < -100 dBm

(f0=2 GHz帯)

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2. 残留レスポンス

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20 dB

入力ミキサに大きな振幅の入力信号が入力されると、ミキサはひずみが発生して、入力信号の2倍、3倍周波数の高調波が出てきます。

(例) MS269xAの仕様

2次高調波ひずみ < -90 dBc

(f0=2 GHz,ミキサ入力 -30 dBm)

f0 f2 f3 f0 f2 f3

10 dB

30 dB

基本波を10 dB大きくすると 2次高調波ひずみは20 dB、 3次高調波ひずみは30 dB 大きくなります。

90 dBc

-30 dBm

30

3. 2次高調波ひずみ

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２つの大きな振幅の近接した周波数の信号がミキサ入力に加わると、 ２つの信号は相互に影響しあい、入力信号に含まれない周波数が 現れます。

2f1-f2 f1 f2 2f2-f1

-30dBm

-89dBc

(例) MS269xAの仕様 2信号3次ひずみ < -74 dBc

(f0=2 GHz、 ミキサ入力 -15 dBm)

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4. 2信号3次ひずみ

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1. 測定前にキャリブレーションを行うこと

2. 設定条件により波形・測定値が変化する RBW・VBW・Sweep Time・検波モード・波形処理(Avg等)により 波形測定値が変化する。 データの互換性には同一設定条件にて測定することが必須。

3. ミキサへの過入力により信号が歪む ディスプレイ上に表示されている信号以外にも信号が存在している 場合があります。（特にアンテナ使用の場合・キャリア信号を抑圧無し でスプリアスを測定する場合等） 適切なATTおよびフィルタを選択する必要有り。

4. バースト信号の測定 横軸測定ポイント数から1ポイントにバーストONが入るように Sweep Timeを設定する。時間軸で確認すると分かり易い。 波形観測だけならMaxHold機能でも良い。

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スペアナ使用上の注意事項

2016-2 MG No. MS2830A-J-Z-4-(1.00)