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uスペクトラム・アナライザ入門

ROHDE & SCHWARZ JAPAN

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目次1. スペクトラム・アナライザとは１－１スペクトラム・アナライザの用途

１－２スペクトラム・アナライザとオシロスコープの相違

2. スペクトラム・アナライザの構成２－１スペクトラム・アナライザの基本構成

２－２スーパー・ヘテロダイン・スペクトラム・アナライザの動作原理

3. スペクトラム・アナライザの基本機能３－１周波数に関する機能

u 中心周波数

u 周波数スパン

３－２振幅に関する機能

u スケールファクタ

u 基準レベル

u RFアッテネータとIFゲインコントロール

３－３分解能帯域幅

３－４掃引

３－５検波回路

３－６ビデオフィルタ

３－ 7 トレース4. スペクトラム・アナライザのラインナップ5. 実習問題

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世界中で「音声」、「映像」、「データ」のやりとりが行われています。

効率よく相手に情報を伝えるために、信号をいろいろ加工して（電波にのせて）伝送している。（周波数変換、変調、データ変換・・・）

１．スペクトラム・アナライザとは

Fig.1-1

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信号に加工を加えた場合、それがきちんと決められた通りに加工されているか確認する必要がある。

効率よく確認を行う道具（＝測定器）が必要

例えば、・周波数変換された信号・変調信号・不要信号、不要電波

などはスペクトラム・アナライザ（周波数軸）スペクトラム・アナライザ（周波数軸）で見ると確認がしやすい！


u １－１スペクトラム・アナライザの用途

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u １－２スペクトラム・アナライザの用途

電波全般を定量的に測定する為のツール。

u 部品やモジュールの測定・・・設計通りに作られているか？

– 発振器の出力のレベルと周波数の確認– 信号の高調波レベルの測定– デバイスのひずみ測定 etc.

u 送信機などの送信波の測定・・・決まった範囲内の特性となっているか？

– 変調波のチャネルパワーの測定– 変調の周波数と変調度– 変調に関する障害の解析– 信号の高調波レベルの測定 etc.

u EMIなどの放射ノイズ測定・・・決まった範囲内か？どこから発生?

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u １－２スペクトラム・アナライザとオシロスコープの相違

すべての電気信号は、周波数と振幅の異なった正弦波の組合により成り立っています。これらの信号は、時間軸上の波形としてはオシロスコープにより、また周波数軸上の波形としてはスペクトラム・アナライザにより観測されます。

Fig.1-2

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u Fig 1-3ではオシロスコープの画面上に正弦波が表示されています。オシロスコープでは、振幅の瞬時値とその時間変化を表示しています。

u Fig 1-4ではスペクトラム・アナライザに同じ正弦波を入力しており、中央のピークはその振幅を表します。水平軸上で１つの信号しか現れていないのでこの値は唯一の周波数成分であり、それが正弦波であることがわかります。

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

M1[1] - 10.49 dBm100.000000000 MHz

CF 100.0 MHz Span 10.0 kHz

* RBWVBWSWT

100 Hz300 Hz980msRef -10.0 dBm

Att 10 dB

1APClrw

M1

Date: 28.MAR.2006 20:41:45

Fig.1-3 オシロスコープ画面 Fig.1-4 ｽﾍﾟｸﾄﾗﾑ･ｱﾅﾗｲｻﾞ

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u Fig 1-5,Fig 1-6では振幅変調された信号をオシロスコープとスペクトラム・アナライザに入力した波形です。変調周波数と搬送波周波数が測定できます。スペクトラム・アナライザでは搬送波が一番大きな信号として表示され変調信号を２つの小さな信号として表示されます。

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

M1[1] -10.43 dBm100.000000000 MHz


* RBWVBWSWT

100 Hz300 Hz980msRef -10.0 dBm

Att 10 dB

1APClrw

M1

Date: 28.MAR.2006 20:42:09

Fig.1-5 Fig.1-6

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Ref 10 dBm Att 35 dB

*1 RMCLRWR

A

Center 100 MHz Span 20 MHz2 MHz/

RBW 500 kHzVBW 5 MHzSWT 2.5 ms

SGL

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

1

Marker 1 [T1 ] -54.80 dBm 95.000000000 MHz

Date: 17.OCT.2004 17:44:34


u スペクトラム・アナライザ

u 横軸：周波数

u 縦軸：電力、対数表示

u 周波数ごとに信号を分離

u オシロスコープ

u 横軸：時間

u 縦軸：電圧、リニア表示

u すべての周波数成分をいっしょに

電力

周波数

100MHz

6MHz 電圧値

時間

100MHz

Fig.1-7 Fig.1-8

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２．スペクトラム・アナライザの構成

２－１スペクトラム・アナライザの基本構成

Fig 2-1 に基本的なスーパー・ヘテロダイン方式のスペクトラム・アナライザの基本構成を示します。ＲＦアッテネータ、ローカル発振器、ミキサ、分解能帯域フィルタ（IFフィルタ）、検波器、ビデオフィルタ、などから構成されているのがわかります。

Fig 2-1 ｽﾍﾟｸﾄﾗﾑ･ｱﾅﾗｲｻﾞ基本構成図

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２－２スーパー・ヘテロダイン型スペクトラム・アナライザの基本構成

u ミキサとIFフィルタの動作

Fig 2-2 にミキサの動作原理図を示します。

Fig 2-2

ミキサIF ﾌｨﾙﾀ

(RBW)ｆIF

L O

ｆRF

f LO

fIF = f RF ± f LO

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u ローカルオシレータと掃引

ローカルオシレータはVCO（電圧により発振周波数が制御される発振器）が使われています

f LO START fLO STOP

SWEEP

f LOSTART fLO STOPf LOSTART fLO STOP

V STOP

V START

V STOP

V START

SWEEP SWEEP

Fig 2-3

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３．スペクトラム・アナライザの基本機能

u ３－１周波数に関する機能

中心周波数（Center Frequency)中心周波数の設定により、画面中央の周波数を変化させ、測定したいスペクトラムをこの位置に移動させることにより、スペクトラム解析し易くします。

実習１中心周波数の設定

PRESET → FREQ → １ → ＧＨｚ

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

-10 dBm

CF 1.5 GHz Span 3.0 GHz

RBWVBWSWT

3 MHz10 MHz5msRef 0.0 dBm

Att 20 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 20:51:09

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

-10 dBm


RBWVBWSWT


Att 20 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 20:51:46

Fig 3-1 Fig 3-2

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u ３－１周波数に関する機能

周波数スパン（Frequency Span)周波数スパンの設定により、スペクトラム解析する周波数幅を変えることができます。例えばＳＰＡＮ１０ＭＨｚと設定すると、１Ｄｉｖは１ＭＨｚになり画面の水平軸の右端から左端までが１０ＭＨｚに設定されます。

実習２周波数スパンの設定

SPAN → １ → ０ → ＭＨｚ

SPAN → ↑ → ↓ （上下矢印でもスパンの変更は可能）

Fig 3-3

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

-10 dBm

CF 1.0 GHz Span 10.0 MHz

RBWVBWSWT

300 kHz1 MHz2.5msRef 0.0 dBm

Att 20 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 20:52:24

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その他スパンの設定

その他、スパンの設定方法として、Ｓｔａｒｔ／Ｓｔｏｐ周波数での設定も可能です。

ZERO SPAN /FULL SPAN

周波数スパンには２つの補助設定があります。１つは、FULL SPANで、周波数バンドの最大周波数幅まで表示されます。２つめはZERO SPANで、設定されている中心周波数だけ受信する動作をします。そのときの水平軸表示は時間軸にかわります。

実習３ ZERO SPANの設定

SPAN → Zero Span → Last Span → Full Span

FREQ １GHz SPAN １０MHｚに設定する。

Fig 3-4-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

-20 dBm

-10 dBm

CF 1.0 GHz 500.0 µs/

*

*

RBWVBWSWT


Att 20 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 20:53:15

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u 3－2 振幅に関する機能

スケール・ファクタ（縦軸）

スペクトラム・アナライザの測定では、dBm,dBμVなどの対数系の測定単位が使用され、振幅の目盛は通常対数目盛となります。

dB 単位について

更に通常使用される電力の絶対単位としてdBmがあります。これは1mWを０dBmとした電力単位です。したがって５０Ω系での０dBmの電圧は次のようになります。

dBm = 10 log( 電力＊/ 1mW) * 規定されたインピーダンスにおける電力0.001(W) = E2 / 50 (Ω） E = 0.224 V

また、その他電圧の絶対単位として、dBmV、 dBμVなどがあります。dBmV = 20 log （V ** /1mV）dBμV = 20 log （V **/ 1μV ） **実効値電圧

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その他、スペクトラム・アナライザで使用される単位として、ｄBcやｄBμなどがあります。

ｄＢ：相対的電力単位

利得や減衰量などに使用

ｄＢｃ：測定キャリアからの相対単位

スプリアスや位相ノイズ測定にで使用

ｄＢμ：１μV を基準とした絶対電圧単位

一般的に開放端電圧の表記に使用され、EMI測

定などで使用

・50Ωシステムでは、

P = V2／R

ｄBμV ＝２０log （√（RP）×１０6）

例： 0dBm＝107dBμ、-20dBm＝87dBμ

dBc

Fig.3-5

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u 3－2 振幅に関する機能

基準レベル (REFerence Level)

基準レベル設定は、スペクトラム・アナライザの基本操作のひとつです。画面に現れた信号の振幅測定に適した状態にするためのもので、画面いっぱいに信号を表示するように設定します。（画面垂直軸の一番上部を基準レベルにするのが一般的です）

実習４基準レベルの設定

AMPT → － → ２ → ０ → dBm

Fig 3-6

-110 dBm

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

C F 1.0 G Hz Span 10 .0 MHz

RBWVBWSWT

300 kHz1 MHz2.5msRef -20.0 dBm

Att 0 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 20:54:53

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u おまけの実習（縦軸の単位を変更する）

AMPT → 0 → dBm

AMPT → More → Unit → dBμ

u おまけの実習マーカ機能

マーカを使用することにより、周波数とレベルを簡単に読み取ることができます。

MRK 周波数＿＿＿＿＿＿＿＿＿レベル＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

単位をdBmに戻してください。

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（補足資料）単位の変換

(rms)] [mV 607.223][ 50 [mW] 1

2

=×=

=

=

Ω

から、

より

V

PRVR

VP

0 [dBm] → 1 [mW] @ 50 [Ω]

223,606.797.. [uV (rms)]

=

20 log A

107 [dBuV]

316 [mV (peak)]

2

50 Ω系

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スペクトラム・アナライザは、基準レベルを設定する時に、設定に見合った測定が

行われるよう、内部のＲＦアッテネータとIFアンプの２箇所を変更します。

Fig 3-7

IF アンプ

ＲＦアッテネータ：

ミキサへの入力が、最適なレベルになるよう設定されます。

ＩＦアンプ：

検波器への入力が最適になるように設定されます。

基準レベルを測定対象信号に合わせることにより、もっとも確度の高い測定が出来ます。

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実習５基準レベルとＲＦアッテネータ動作の確認

基準レベルとRFアッテネータを設定してノイズレベルを測定します

1.入力信号をスペクトラム・アナライザからはずします

2. 中心周波数 1 GHz SPAN 1MHz 基準レベルを0dBm に設定する

3.この時の画面のＲＦアッテネーターの値は＿＿＿＿＿＿＿

4.この時の画面の信号のノイズの値は＿＿＿＿＿＿＿(MRK 使用可）

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実習５基準レベルとＲＦアッテネータ動作の確認（つづき）

5.基準レベルを-10dBm に設定する

6.この時の画面のＲＦアッテネータの値は＿＿＿＿＿＿＿＿

7.この時の画面の信号のノイズの値は＿＿＿＿＿＿＿＿


9.この時の画面のＲＦアッテネータの値は＿＿＿＿＿＿＿＿

10.この時の画面の信号のノイズの値は＿＿＿＿＿＿＿＿

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実習５基準レベルとＲＦアッテネータ動作の確認（つづき）

次にＲＦアッテネータの値を設定します。

11.基準レベルを0dBm に設定する

12. AMPT → ＲＦATTen Manual → 1 → 0 → ENTER

13. この時の画面の信号のノイズの値は＿＿＿＿＿＿＿＿＿


15.AMPT → ＲＦATTen Manual → 0 → ENTER

16.この時の画面の信号のノイズの値は＿＿＿＿＿＿＿＿＿

AUTOの場合ミキサ入力レベルが-30dBmになるようにアッテネータを調整。小信号を測定する場合基準レベルを-20dBm or -10dBm など調整が必要

但し大信号を入力した場合、波形が歪む、過入力の恐れがあるので注意が必要！

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最大入力レベル＋３０ｄＢｍ

最大ＤＣ入力０ＶＤＣ


u 過入力をしない為の注意事項

信号の総和が入力される

複数の周波数成分を含む信号を測定する時

スペクトラム・アナライザでは、周波数ごとに振幅を表示できます。しかし、入力回路は電力計

と同じように全ての信号が加わります。したがって、最大入力レベルは画面に表示されているかいないかにかかわらず、そのときに入力回路に加えられている全ての信号の和として考えます。

例えば、２つの＋20dBmの信号と１つの－50dBmの信号が同時にケーブルから伝送された場合、スパンを狭くして－50dBmの信号だけをを観測しようとした場合、ＲＦアッテネータが0dBとなっていると、ミキサには+20dBm以上の電力が加わってしまうことになりミキサを破壊する可能性があります。

この場合にはＲＦアッテネータを30dB以上入れる必要があります。

※ 最大入力表示 FSPの場合

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ダイナミックレンジについて

u １dB利得圧縮ポイント (1dB compression point)

ミキサーへの入力レベルがミキサ入力最適レベルを超えて増加すると、やがてミキ

サーは非直線動作を始め、利得が詰まります。利得が１dB圧縮されたとき、直線性はこの点までと考え、このミキサの入力レベルを１dB利得圧縮ポイントと呼びます。最大振幅測定の目安になります。

u 3次相互変調歪 (3rd order Intermodulation)2信号入力時の歪特性。どのくらい小さいひずみが測定できるかの目安。

u 最小ノイズフロア（DANL)機器の持つ最低ノイズレベル。どのくらい小さい信号まで測れるかの目安。

Fig 3-8

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u ３－３分解能帯域幅（RBW）

理想的には、振幅対周波数の表示は、Fig 3-9のように接近した信号でも識別された細い線でなければなりません。もし、Fig 3-10のように太い線で描いたとしたら信号は識別できなくなります。分解能帯域幅を設定することで、どれだけ接近した信号を分離して測定できるかが決定されます。

また、ＩＦフィルタ帯域を可変することにより、入力されるノイズ量をコントロールし、測

定したい信号に見合ったノイズレベルに可変することができます。

Fig 3-9 Fig 3-10

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実習６分解能帯域幅（RBW）の設定PRESET → FREQ → １ → 0 → 0 → MＨｚ

SPAN → 1 → 0 → 0 kＨｚ

AMPT → － → 2 → 0 → dBm

BW → Res BW Manual → １ → KHz

-110 dBm

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm


RBWVBWSWT

3 kHz10 kHz15msRef -20.0 dBm

Att 0 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 21:09:07

-110 dBm

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm


* RBWVBWSWT

1 kHz3 kHz100msRef -20.0 dBm

Att 0 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 21:09:30

Fig 3-11 Fig 3-12

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u 分解能帯域幅（RBW）を変化させるとノイズフロアも変化します

実習７分解能帯域幅（RBW）とノイズの測定1. 入力信号をスペクトラム・アナライザからはずします。

2. PRESET → 中心周波数1GHz SPAN 1MHz 基準レベル -30dBmに設定する

3. BW → Res BW Manual →１→ 0 → KHz ノイズレベル _________

4. BW → Res BW Manual →１→ KHz ノイズレベル _________

5. MKR → Noise Meas→ ON → マーカーレベル＿＿＿＿＿

※ ノイズは、RBWを１０倍すると１０ｄB上がり、１／１０倍すると１０ｄB下がります。その為、ノイズを測定する時はRBWの設定値を記録するか、/Hz（正規化）する必要があります。但し、RBWを狭くすると掃引時間が長くなる。

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<–115 dBm(1Hz)

<–130 dBm(1Hz)

<–145 dBm(1Hz)

<–152 dBm(1Hz) ← 1Hzにて正規化した値<–146 dBm(1Hz)

<–140 dBm(1Hz)

9 kHz to 1 MHz

1 MHz to 10 MHz

10 MHz to 50 MHz

50 MHz to 3 GHz3 GHz to 5 GHz

5 GHz to 6 GHz

preamplifier = onfrequency

0 dB RF attenuation, RBW = 1 kHz, VBW = 10 Hz, normalized to 1 Hz

Displayed average noise level （表示平均雑音レベル）

「 RBWが 10倍広くなる → ノイズフロアが 10dB 上昇」の法則

測定周波数が 50MHz~3GHzの時、ノイズフロアは -152dBm以下（ただし、RBW=1Hzに換算時）

][][

][

][3

)1]([)100(

00.51021

10100log10152

dBuVdBm

Hz

HzHzRBWdBmkHzRBWDANL

≈−=

×+−=

スペアナで RBW=100kHz の場合のノイズフロアは？

応用例：ノイズフロアとRBWの関係

実測定条件でのノイズフロア参考値

例：FSLスペックより

フィルタの形が同じ場合

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-110 dBm

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

C F 1.0 G Hz Span 10 0.0 kHz

*

*

RBWVBWSWT

1 kHz3 kHz20msRef -2 0 .0 dBm

Unc alAtt 0 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 21:16:59


u ３－４掃引 (Sweep)

分解能帯域幅とともにスペクトラム・アナライザの多くは最適な掃引速度を自動的に

設定します。掃引速度が速すぎるとその設定での分解能帯域幅の波形が歪んでしまったり、信号本来の振幅に達せず正確な振幅表示が得られません。正しい測定ができない場合UNCALが表示されます。またおそずぎると観測しづらくなります。

Dpt. | Date | 32


実習８掃引速度の設定

掃引時間を早くしてUNCALになるポイントをさがす

1.PRESET → 中心周波数1GHz SPAN 100KHz

基準レベル -20dBm RBW 1KHzに設定する

2.SWEEP → Sweep time Manual → 20msec

3.SWEEP → Sweep time Manual → 10msec

-110 dBm

-100 dBm

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

-60 dBm

-50 dBm

-40 dBm

-30 dBm

C F 1.0 G Hz Span 10 0.0 kHz

*

*

RBWVBWSWT

1 kHz3 kHz20msRef -2 0 .0 dBm

Unc alAtt 0 dB

1APClrw

Date: 28.MAR.2006 21:16:59

Fig 3-13

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u ３－５検波回路（Detector）

デジタル・データをメモリーに記録する前に行うデータ処理の方法を選択する機能です。最近のスペクトラム・アナライザはデジタル処理を行っている為、多彩な検波機

能を持っています。有効に使用し、最適な測定を行ってください。

Fig 3-14

Dpt. | Date | 34


実習８検波器の設定

検波器を変えて波形の違いを観測する

スペクトラム・アナライザから入力信号をはずします。

1. PRESET → 中心周波数1GHz SPAN 10MHz 基準レベル-20dBm

2. TRACE → Detector Manual Select3. Positive Peak

4. Negative Peak

5. RMS

6. Sample

7. Ａverage

Dpt. | Date | 35


u ３－６ビデオフィルタ（ＶＢＷ）

このフィルタは、検波回路の後にあるフィルタで、表示波形上のノイズを除去し、表示を見易くするために使用されます。

実習９ビデオフィルタの設定

1. PRESET → 中心周波数1GHz SPAN 10MHz 基準レベル-20dBm

2. BW → Video BW Manual→ 100KHz

Dpt. | Date | 36


u ３－７トレース（Ｔｒａｃｅ）

掃引ごとに同じ周波数のポイントごとにデータを処理して、最大値最小値、平均値

などを表示する機能

実習10 トレースの変更による表示の違い1. PRESET → 中心周波数1GHz SPAN 10MHz 基準レベル-20dBm

２．Trace

MAXHold

MINHold

AVＥ

Dpt. | Date | 37

４．スペクトラム・アナライザのラインナップ

u スペクトラム・アナライザ選択のポイント

u 基本性能（周波数範囲、ダイナミックレンジなど）

u ベンチトップかポータブルタイプか？（バッテリー駆動対応か？）

u 測定機能が対応しているか？（EMI測定、TG、TV測定など）

Dpt. | Date | 38

４．スペクトラム・アナライザのラインナップ～仕様～

Dpt. | Date | 39

４．スペクトラム・アナライザのラインナップ

Dpt. | Date | 40

５．実習問題

u 入力された信号の3つ信号の周波数とレベルを測定。u PRESET

u 中心周波数は

u SPANは

u 基準レベルは

u RBWは

u 信号１周波数 ___________ レベル______________

u 信号２周波数 ___________ レベル______________

u 信号３周波数 ___________ レベル______________

Dpt. | Date | 41

５．実習問題（Know How編）

u 間欠的に発生する信号の観測 (Gated Trigger)

トリガ機能を使うことにより間欠的な信号を捕まえる事ができる

1. 中心周波数 500MHz

2. SPAN 10MHz

3. 基準レベル -30dBm

周波数とレベルは？

Dpt. | Date | 42

５．実習問題（Know How編）

1. TRIG

2. Trig/Gate Source → IF Power （信号が発生した事を検出する仕掛け）

3. Trig/Gate Level → -40dBm （信号がこのレベルを超えたら信号とする）

4. Gate Setting (信号が発生したら掃引を開始する仕掛け）

5. Gate Length → 600 usec （信号がONしている範囲を設定）

6. ↑

7. Gated Trigger （仕掛けの動作モードに入る）

8. Gate Setting

9. Gate Delay → 200 usec （画面上の赤いラインと黄色い波形を確認）

10. ↑

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Dpt. | Date | 43

本日はありがとうございました

END

Dpt. | Date | 44

補足資料

Dpt. | Date | 45

アンテナを利用

アンテナの特性データ(アンテナファクタ）

80 dBµV/m

70 dBµV/m

60 dBµV/m

50 dBµV/m

40 dBµV/m

30 dBµV/m

20 dBµV/m

10 dBµV/m

0 dBµV/m

-10 dBµV/mTdf


**

RBWVBWSWT

100 kHz100 Hz300sRef 87.0 dBµV/m

Att 0 dB

1APClrw

*

Date: 6.APR.2006 11:18:55

「 Transducer Factor 」機能で、

アンテナの特性をスペアナに反映

注）測定下限のノイズフロアは、

アンテナの分だけ上昇します

値を入力・・アンテナの受信電界強度を直読可能！

Dpt. | Date | 46

リミット・チェックの活用

リミット値を設定

リミット内・PASS

FAIL ！！リミットに対するマージンも設定できます。

例：マージン 30dB

MARG

Dpt. | Date | 47

リモート制御の活用

従来は・・・

GPIB

計測器

PC

LAN / Internet

リモートデスクトップで、

PC（マウス＆キーボード）で操作！

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