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変動スペクトラムを捕捉する種々の方法



瞬時変動スペクトラムを捕捉する方法

シグナルアナライザでは、RF信号を漏れなく保存(キャプチャ)し、それを再生(リプレイ)して解析を行うので、「瞬時的な変化」であっても取りこぼすことはありません。さらに、一度保存したデータに対して複数のトレースで解析できるため、「瞬時的な変化」をゆっくり見つけて確認できます。



方法1 オシロスコープ(FFT付)を使う


 

オシロスコープ(FFT付)を使う簡易的な方法です

デジタルオシロで波形を取り込み、波形として時間領域で、さらにFFTによって周波数領域で広帯域スペクトルを解析する方法です。オシロスコープは身近な測定器でもあり、簡易的なノイズ測定としてまず初めに試みる価値のある方法です。しかしながら、オシロスコープの感度は10mV/div程度が限界なので、小レベルの信号や微小なノイズを検出できる機会は限られます。運良く検出できたとしても、高周波が対象であることから高速サンプリングを必要とします。また、信号取り込みはごく短い時間範囲に限られるので、スペクトラムが変化する様子を見ることはできません(例えば1GS/sで1Mポイントのデータとした場合、取り込まれる時間幅は1μs)。さらに、FFTの結果は広帯域のスペクトラム観測となるため、問題となる無線周波数帯などに対して分解能が不足します。レベル分解能も最高の条件で8bit程度です。




方法2 掃引式スペアナを使う

 

掃引式スペアナを使用するオーソドックスな方法です

スペクトラムアナライザは元々、無線通信機など電波を測定することを想定しているため解析周波数範囲が広く、極めて感度が高いうえにダイナミックレンジも広い特長を持つ高周波信号の測定・解析には最も適した測定器です。定常的なノイズの測定などにも広く用いられています。ただし、一般のスペクトラムアナライザは周波数を掃引(sweep/scan)制御して結果を得る周波数掃引方式であるため、掃引中の周波数にスペクトラムが存在しないと結果に反映されません。したがって過渡的な信号は見逃される可能性があります。周波数スパン(測定範囲)を限定すればスキャンの繰り返し速度が速くなり、非定常なスペクトラムが見つかる確率は高まりますが、測定結果を真のスペクトラムであると誤認する危険性が残ります。

周波数掃引式スペクトラムアナライザにおいてこの問題を避ける一つの方法に「マックスホールド(Max hold)・スキャン」があります。マックスホールド・スキャンは繰り返しスキャン(掃引)にホールド機能を併用し、各スキャンによる最大値を保持したスペクトラム像を得るものです。 これにより変動スペクトラムを見逃したり取りこぼしたりする確率はずっと小さくなります。とはいえ、この方法は測定の単純な重ね書きなので時間的な情報は得られません。例えば周波数が揺らぐ信号に対しては揺らぎの範囲にスペクトラムが拡がっている様に観測されます。




方法3 シグナルアナライザを使う

 

低価格のシグナルアナライザを使う賢い方法です

従来型スペクトラムアナライザをデジタル化しFFT(高速フーリエ変換)によってスペクトラムを得る「シグナルアナライザ」を使う方法です。シグナルアナライザは無線機の変調解析など数多く用いられていますが、ノイズや瞬時変動スペクトラムの捕捉・解析にも極めて有効です。具体的には、ダウンコンバージョンした信号をA/D変換して内部のロングメモリまたはストレージに取り込だ後、信号を読み出しFFTによって周波数領域に変換するものです。オシロスコープと異なり信号をダウンコンバージョンしてからA/D変換するので解析される周波数幅が限定されますが(幅:10~100 MHz程度、中心周波数はGHz領域まで可)、高分解能(14~16bit)なうえ長時間の信号取り込みが可能です。もちろん、取り込み時間内では捕捉率100%。そして信号取り込みの後に任意の時点に遡ったスペクトラムが得られるメリットがあります。同様に、取り込んだ信号をパワー対時間やスペクトログラムなど様々な形式表示可能です。さらに例えばRBWなど条件を種々変更してみることもできます。パワーの時間経過からはノイズの周期なども分かります。また、取り込み時間を短くすれば、取り込みからFFTまでの繰り返しが速くなるので刻々と変化するスペクトラムをリアルタイムで捉えることができます。




このように、シグナルアナライザは有効ですが、これまでは通信解析用のハイエンド・スペクトラムアナライザの一部機能として提供されており、比較的高価だったことなどから、瞬時変動スペクトラムの捕捉・解析には手が届きにくい一面がありました。ところが、最近になってシグナルアナライザ機能をローコストで実現できる製品(MS2830A)が登場し、状況は一変しています。シグナルアナライザで瞬時変動スペクトラムを簡単に捕捉・解析できる時代がやってきました。



方法4 リアルタイムスペアナを使う方法

 

リアルタイムスペアナを使う高度で高価な方法です

リアルタイムスペクトラムアナライザ(RSA)は、シグナルアナライザ同様にダウンコンバージョンした信号を短い時間範囲をで取り込んだ後、次の取り込みまでにFFTを完了させそれまでの結果に輝度や色などで時間情報を加えて重ね書きします。高い確率でスペクトラムの変動や突発的な変化を見い出すことができますが、ハードウエアによる高速処理を必要とするため、極めて高コスト(シグアナの数倍)な測定器になっています。また、基本的にリアルタイム・オンライン解析なので、シグナルアナライザのように後から条件を変えて解析してみる、ということはできません。







これまでの検討から、瞬時変動スペクトラムの捕捉にはシグナルアナライザ、とりわけMS2830Aの使用が最も賢い手段といえます。
MS2830Aなら、これまで見えなかったスペクトラムの挙動が見えるようになり、ノイズが見えない、変動スペクトラムが捕まらない、といった「困った」の解決を期待できます。




シグナルアナライザを使えばスペクトラムの挙動が丸見え
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 スペクトラムアナライザ/シグナルアナライザ MS2830Aについてさらに詳しく

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   「シグナルアナライザの原理」をダウンロードする

 

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