スペクトラム・アナライザとは、周波数に対する入力信号の大きさを測定する計測器です。主な用途は、既知および未知の信号のスペクトルのパワーを測定することです。今日のRFデバイスの特性を明確にするためには、周波数、振幅、および変調パラメータが短期および長期にわたってどのように変化するかを理解する必要があります。
従来のツールである掃引型スペクトラム・アナライザ（SA）やベクトル・シグナル・アナライザ（VSA）は、周波数ドメインや変調ドメインでの信号のスナップショットを提供します。しかし、これだけでは現代のRF信号の動的な性質を十分に把握することはできません。この進化する課題を克服するためには、現代のエンジニアや科学者にとって、時間の経過とともに変化するRF信号を確実に検出し特性を把握することが重要です。とはいえ、これを従来の測定ツールで行うのは容易ではありません。
リアルタイム・スペクトラム・アナライザ（RSA）は、RF信号の捉えにくい現象を発見し、その現象に基づいてトリガをかけ、それをシームレスにメモリにキャプチャし、周波数、時間、変調、統計、およびコード・ドメインで解析することができる機器です。
現代の世界ではRF信号が普及するにつれて、それらを生成するデバイス間の干渉問題も増加しています。この進化する課題を克服するためには、繰り返しになりますが、現代のエンジニアや科学者にとって、時間とともに変化するRF信号を確実に検出し、特性を把握することが重要です。
このような測定ツールの一つとして進化したのが、リアルタイム・スペクトラム・アナライザです。リアルタイム・スペクトラム・アナライザは、以下のような現代のRF測定課題に対応できます。・ 稀な短期間のイベントの発見・ 強い信号に隠れた弱い信号の観測・ ノイズに隠れた信号の観察・ 瞬間的および動的な信号の発見と解析・ バースト転送、グリッチ、スイッチング過渡現象のキャプチャ
スペクトラム・アナライザの種類
スペクトラム・アナライザは、そのアーキテクチャに基づいて3つのカテゴリーに分類できます。掃引型スペクトラム・アナライザ（SA）、ベクトル・シグナル・アナライザ（VSA）、およびリアルタイム・スペクトラム・アナライザ（RSA）の3つです。
掃引型スペクトラム・アナライザ（SA）
掃引型、スーパーへテロダイン方式のスペクトラム・アナライザ（SA）は、伝統的なアーキテクチャであり、制御された静的信号の観察に最適です。SAは、対象信号をダウンコンバートし、分解能帯域幅（RBW）フィルタの通過帯域を掃引することによって、周波数に対する電力測定を行います。RBWフィルタの後には、選択されたスパン内の各周波数点で振幅を計算する検出器があります。この方法は高いダイナミックレンジを提供できますが、その欠点は、一度に1つの周波数点の振幅データしか計算できないことです。したがって、測定は比較的安定して変化しない入力信号に対してのみ有効です。
ベクトル・シグナル・アナライザ（VSA）
デジタル変調を伴う信号の解析には、振幅と位相の両方の情報を提供するベクトル測定が必要です。VSAは、機器の通過帯域内のすべてのRF電力をデジタル化し、デジタル化された波形をメモリに保存します。メモリ内の波形は振幅と位相の情報を含んでおり、デジタル信号処理（DSP）による復調、測定、または表示処理に使用できます。VSAは波形をメモリに保存する機能を追加しましたが、一時的なイベントの解析能力には限界があります。バッチ処理のシリアル性により、取得間に発生するイベントには実質的に対応できません。単発または稀なイベントは確実には発見できないため、外部トリガが必要であり、これらの一時的なイベントに関する非現実的な事前知識が必要です。VSAの他の制限には、強い信号の存在下で弱い信号を分離することの困難さや、振幅ではなく周波数が変化する信号の解析が含まれます。
リアルタイム・スペクトラム・アナライザ（RSA）
RSAは、メモリに保存される前にリアルタイムのデジタル信号処理（DSP）を使用して信号解析を行います。これは、VSAアーキテクチャで一般的な取得後の処理とは対照的です。リアルタイム処理により、ユーザーは他のアーキテクチャでは見えないイベントを発見し、そのイベントに基づいてトリガをかけ、選択的にメモリにキャプチャすることができます。メモリ内のデータは、バッチ処理を使用して複数のドメインで広範に解析できます。リアルタイムDSPエンジンは、信号調整、校正、および特定の種類の解析も実行します。
スペクトラム・アナライザとオシロスコープの違いを教えてください。
オシロスコープとスペクトラム・アナライザは、どちらも研究開発で最も重要な機器の一つです。簡単に言うと、スペクトラム・アナライザは信号の周波数情報を測定するために使用され、オシロスコープは信号のタイミング情報を測定するために使用されます。しかし、実際には信号の性質は事前にわからないことが多いため、両方の機器を使用することで信号の適切な特性評価が可能になります。スペクトラム・アナライザ・スコープには、これらの両方の機器が一体化されており、信号のより包括的な測定や特定の環境での携帯性を可能にします。RSAのように非常に敏感な機能や即時の測定能力は、スペクトラム・アナライザを別個の機器として選ぶ理由の一つに過ぎません。
スペクトラム・アナライザが測定できるもの
スペクトラム・アナライザは、以下を含む多くの測定に使用されます。
- あらゆる種類の無線周波数回路の周波数応答、ノイズ、歪み特性の測定
- 通信分野での占有帯域幅と干渉源の特定
- EMC試験のためのプリコンプライアンス・テスト
他の測定技術には、ミュージシャンやオーディオエンジニアによる音声信号の高調波のテストのためにスペクトラム・アナライザを設定することや、光スペクトラム・アナライザを使用して反射または屈折技術によって光の波長を分離すること、さまざまな成分周波数での振動振幅の測定などがあります。使用する測定技術は用途によって異なります。
スペクトラム・アナライザの重要性
今日のRFデバイスの特性を明確にするためには、周波数、振幅、および変調パラメータが短期および長期にわたってどのように変化するかを理解する必要があります。従来のツールである掃引型スペクトラム・アナライザ（SA）やベクトル・シグナル・アナライザ（VSA）は、周波数ドメインや変調ドメインでの信号のスナップショットを提供します。しかし、この方法では現代のRF信号の動的な性質を確実に表現するには十分な情報が得られないことがよくあります。
リアルタイム・スペクトラム・アナライザ（RSA）のアーキテクチャは、SAやVSAの測定制限を克服し、過渡的および動的なRF信号に関連する課題に対処するために設計されています。リアルタイム・スペクトラム・アナライザは、メモリ保存前にリアルタイムのデジタル信号処理（DSP）を使用して信号解析を行います。リアルタイム処理により、ユーザーは他のアーキテクチャでは見えないイベントを発見し、それらのイベントに基づいてトリガをかけ、選択的にメモリにキャプチャすることができます。メモリ内のデータは、その後バッチ処理を使用して複数のドメインで広範に解析できます。
スペクトラム・アナライザの仕組み
現代のRSAは、そのアナライザの入力周波数範囲内の任意の通過帯域またはスパンを取得することができます。この機能の中心には、RFダウン・コンバータとそれに続く広帯域の中間周波数（IF）セクションがあります。ADCはIF信号をデジタル化し、システムはすべての後続のステップをデジタルで実行します。DSPアルゴリズムは、すべての信号調整および解析機能を実行します。
スペクトラム解析がリアルタイムと分類されるためには、関心のあるスパン内に含まれるすべての情報をギャップなしに無限に処理する必要があります。RSAは、時間ドメインの波形に含まれるすべての情報を取り、それを周波数ドメインの信号に変換しなければなりません。これをリアルタイムで行うためには、いくつかの重要な信号処理要件が必要です。
- 関心のある信号の解析をサポートするための十分なキャプチャ帯域幅
- キャプチャ帯域幅のナイキスト基準を超えるための十分に高いADCクロックレート
- 関心のある最も狭い分解能帯域幅（RBW）をサポートするための十分に長い解析間隔
- 関心のあるRBWのナイキスト基準を超えるための十分に高速なDFT変換レート
- RBWのナイキスト基準を超えるDFTレートには、重複するDFTフレームが必要:
- 重複の量はウィンドウ関数に依存します
- ウィンドウ関数はRBWによって決定されます
スペクトラム・アナライザの用途
フィールドやラボで使用する場合でも、リアルタイム・スペクトラム・アナライザは、複数のアプリケーションに使用できます。例えば、音声およびデータ通信（セルラー無線や無線通信など）、DVB-SおよびDVB-S2形式を使用した衛星によるビデオ放送配信、DVB-T形式を使用したデジタルビデオ放送、レーダー送信機のテスト解析、およびスペクトラム管理と干渉ハンティングなどです。
最も一般的なアプリケーションの一つは、無線LANテスト、別名Wi-Fiテストです。
スペクトラム・アナライザの使い方
無線LANは、過去10年間でオフィス、家庭、および個人通信において広く普及しました。IEEE 802.11標準としてのWi-Fiの初期仕様は、2.4 GHzの産業、科学、医療の周波数帯域でしたが、Wi-Fiは6回以上の改訂を経て、2 Mb/sのチャネルから1 Gb/sを超えるスループットを持つ複数のチャネルに進化しました。現在の周波数帯域には2.4 GHz、3.6 GHz、5 GHz、60 GHzが含まれます。現在最も人気のあるバリアントは802.11g（2.4 GHz）、802.11n（2.4 GHzおよび5 GHz）、および802.11ac（5 GHz）です。
新しい標準での無線LAN伝送のテストは、いくつかの課題を伴います。チャネル帯域幅、変調タイプ、および空間ストリームの数にはオプションの実装が存在します。80 MHzの無線LANチャネルをテストするには、トランスミッタのスペクトラム放射マスクテストを測定するために、スペクトラム・アナライザは120 MHzのリアルタイム帯域幅を持つ必要があります。これは、IF帯域幅外でのトリガリングを可能にする外部トリガーメソッドが存在しない限りです。
テスト機器は、256QAM変調の実装に必要な非常に低いEVMを測定するために十分な線形性とノイズ仕様を持っている必要があります。256QAM 5/6コーディングのためのデバイスEVMは-32 dBm未満である必要があるため、スペクトラム・アナライザはそれより少なくとも10 dB優れた-42 dBm未満であれば、歪みを引き起こさずに信号を正確に測定することができます。最後に、複数の空間ストリームのテストには、複数のアンテナからの位相精度の高い測定を可能にするために、8つの独立したキャプチャチャネルを持つテスト機器が必要です。
Tektronixの低価格帯のリアルタイム・スペクトラム・アナライザは、40 MHzのリアルタイム帯域幅を持ち、40 MHzの無線LANチャネルの特性評価とデコードに適しています。これらの機器を同期させることで、複数の無線LAN空間チャネルをキャプチャし、解析することが可能です。
また、Wi-Fiトランスミッタは40 MHzを超える広いチャネルのスペクトラム放射マスクテストによって特性評価が可能です。このタイプのテストには広いリアルタイム帯域幅は必要ありませんが、先に述べたように信号バーストに対するトリガリング方法が利用可能である必要があります。Tektronixの高性能スペクトラム・アナライザは、160 MHzのWLANチャネルの完全な特性評価に適した165 MHzのリアルタイム帯域幅を持っています。RSA5100Bは-49 dBmの残留EVM仕様を持ち、256QAMなどの複雑な変調のテストには十分です。
