スペクトラムアナライザ｜広帯域信号の周波数スペクトル解析

2025.09.23

スペクトラムアナライザ

スペクトラムアナライザは、信号の周波数成分とそのレベルを可視化する計測器である。時間波形を扱うオシロスコープに対し、周波数領域での振幅特性やノイズ特性、隣接チャネル干渉、不要輻射などを解析できる。無線機設計、EMI/EMCプリスキャン、発振器の位相雑音評価、パワーアンプの線形性評価、センサ信号の帯域確認などに広く用いられる。測定は中心周波数・スパン・分解能帯域幅（RBW）・ビデオ帯域幅（VBW）・掃引時間（Sweep Time）・検波方式・トレースモード等の設定により結果が大きく変わるため、目的に応じた最適化が重要である。

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原理とアーキテクチャ

代表的方式はスーパーヘテロダイン型とFFT（リアルタイム）型である。前者は局部発振器で入力信号を掃引し、中間周波（IF）フィルタを通して周波数ごとのパワーを描く。RBWはIFフィルタの帯域であり、狭くするほど周波数分解能は向上するが掃引時間が長くなる。FFT型は広帯域フロントエンドで取り込んだIQ信号を窓関数適用後に高速フーリエ変換し、一括でスペクトルを得る。リアルタイム機はギャップなく更新でき、POI（Probability of Intercept）で瞬間的事象の捕捉性能を表す。

主要設定（RBW/VBW・スパン・掃引）

RBWは近接スペクトルの分離能とノイズフロアに直結し、VBWは包絡平滑化による表示のゆらぎ低減に用いる。スパンは表示帯域を決め、ゼロスパンではIF出力の時間変化を観測でき、AM/FM復調やバースト信号の時間包絡観測に有効である。掃引時間はRBW・スパン・検波に依存し、短すぎるとピークを取り逃す。規格試験では推奨RBW/VBW・検波・スイープ条件が規定されることが多い。

ダイナミックレンジとノイズ

ダイナミックレンジはDANL（表示換算雑音レベル）、位相雑音、ミキサひずみ（TOI、IP3）、内部スプリアスで規定される。プリアンプONでDANLは改善するが、強信号下では歪が増えやすい。入力アッテネータはミキサ過大入力を防ぎ、強信号での直線性を確保する。位相雑音は近接チャネル測定や狭帯域信号の評価で支配的である。

検波・トレース・平均化

検波はサンプル、ピーク、RMS、クワジーピーク（EMI）などを使い分ける。トレースはCurrent/Average/Max Hold/Min Holdがあり、スペクトル拡散や瞬間波を捕捉する際にMax Holdが有効である。平均化はリニア平均、パワー平均、ビデオ平均（VBWによる）を理解して選択する。RMS検波＋パワー平均はノイズ測定で再現性が高い。

ウィンドウ関数とFFTの注意

FFT測定ではハニング（Hann）、フラットトップ、ブラックマンハリス等の窓関数を使う。リーケージ低減と振幅精度のトレードオフがあり、狭線スペクトルの周波数分解にはHann、振幅精度重視にはフラットトップが有効である。サンプリング周波数と周波数分解能（Δf＝Fs/N）の関係、エイリアシング防止の前段フィルタの重要性を理解する。

測定手順の定石

  1. 概観：広スパン・大RBWで全体像と強信号位置を把握
  2. ズーム：中心周波数を合わせスパン縮小、RBWを段階的に狭める
  3. 最適化：アッテネータとプリアンプを調整しDANLと直線性を両立
  4. 確定：検波・平均・トレース（Max Hold等）を適切化し読み値を確定

EMI/EMCプリスキャンのポイント

伝導／放射エミッションでは規格指定RBW（例：9 kHz, 120 kHz等）やQピーク検波が要求される。プリスキャンではアンテナ・ LISN・前置AMPのゲインとケーブル損失を校正し、総合変換係数を用いてdBμVに換算する。Max Holdで掃引してピークを捕捉し、問題周波数を絞り込む。

無線・RF設計での活用

変調スペクトラム、ACPR/SEM、隣接チャネル漏洩、局発リーク、ハーモニクス・スプリアスを評価する。ゼロスパンでEVM前段の振幅・周波数漂いを観察し、バースト送信の立上りやガードタイムを確認する。外部ミキサによりミリ波まで拡張可能である。

測定不確かさと校正

振幅不確かさはRBWフィルタ特性、検波統計、ログアンプ直線性、周波数応答、温度ドリフトで決まる。パワーメータや校正信号源で定期確認し、周波数確度はGPSDOやOCXOで担保する。ケーブル・アダプタのSパラ損失は事前にベクトル校正して補正するとよい。

入力保護と実務上の注意

  • 最大入力レベル（例：+30 dBm等）とDCブロック有無を厳守
  • 50 Ω終端、SMA/N型コネクタの確実な締結、静電破壊対策
  • 狭RBW時の過長スイープを避けるための事前スクリーニング
  • 広ダイナミックレンジが必要な場合はプリアンプOFF・アッテネータ増で始める

代表的読取値と指標

ピークレベル、ノイズフロア（dBm/Hz換算）、チャネルパワー、OBW（占有帯域幅）、SEM、ACLR、スプリアスリスト、位相雑音（dBc/Hz@オフセット）などを用いる。RBWとdBm/Hz換算の関係（ノイズは帯域に比例）を理解しておくと装置間比較が容易となる。

補足：トリガと同期

トリガは周波数マスク（FMT）、レベル、外部を使い分ける。バースト通信やスプリアス突発の捕捉にFMTトリガが有効である。同期信号を用いると再現性が向上する。

補足：IQデータと後処理

IQストリームをエクスポートして自前でFFT・フィルタ設計・デテクタ実装を行えば、規格外解析や機械学習による分類にも応用できる。

補足：関連機器

ベクトルネットワークアナライザはSパラ特性、オシロスコープは時間領域解析を担う。周波数カウンタやシグナルジェネレータと併用し、校正済みカップラやアッテネータで安全な測定系を構成する。

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