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u
スペクトラム・アナライザ入門
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!
1.スペクトラム・アナライザとは
u1-1 スペクトラム・アナライザの用途
1.スペクトラム・アナライザとは
u1-2 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?1.スペクトラム・アナライザとは
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.1-21.スペクトラム・アナライザとは
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 d Bm -80 d Bm -70 d Bm -60 d Bm -50 d Bm -40 d Bm -30 d Bm -20 d Bm M1[1] - 10. 49 dBm 100. 000000000 MHz C F 100.0 MHz Span 10.0 kHz *RBW VBW SWT 100 Hz 300 Hz 980ms Ref -10.0 dBm Att 10 dB 1AP Clrw M1 Date: 2 8.MAR.2006 2 0:41:45 Fig.1-3 オシロスコープ画面 Fig.1-4 スペクトラム・アナライザ1.スペクトラム・アナライザとは
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 dBm 100.000000000 MHz CF 100.0 MHz Span 10.0 kHz *RBW VBW SWT 100 Hz 300 Hz 980ms Ref -10.0 dBm Att 10 dB 1AP Clrw M1 Date: 28.MAR.2006 20:42:09 Fig.1-5 Fig.1-6Ref 10 dBm Att 35 dB * 1 RM CLRWR A Center 100 MHz 2 MHz/ Span 20 MHz RBW 500 kHz VBW 5 MHz SWT 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
1.スペクトラム・アナライザとは
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
100
MH
z
Fig.1-7 Fig.1-82.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 スペクトラム・アナライザ基本構成図2.スペクトラム・アナライザの構成
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 fLOf
IF= f
RF±
f
LO2.スペクトラム・アナライザの構成
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 LOSTART f LO STOPSWEEP
f LOSTART fLO STOPf LOSTART fLO STOP
V STOP V START V STOP V START
SWEEP SWEEP
Fig 2-33.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-1 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 RBW VBW SWT 3 MHz 10 MHz 5ms Ref 0.0 dBm Att 20 dB 1AP Clrw 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 CF 1.0 GHz Span 2.0 GHz RBW VBW SWT 3 MHz 10 MHz 5ms Ref 0.0 dBm Att 20 dB 1AP Clrw Date: 28.MAR.2006 20:51:46 Fig 3-1 Fig 3-23.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-1 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 RBW VBW SWT 300 kHz 1 MHz 2.5ms Ref 0.0 dBm Att 20 dB 1AP Clrw Date: 28.MAR.2006 20:52:243.スペクトラム・アナライザの基本機能
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/ * * RBW VBW SWT 3 MHz 10 MHz 5ms Ref 0.0 dBm Att 20 dB 1AP Clrw Date: 28.MAR.2006 20:53:15
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-2 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3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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.3-53.スペクトラム・アナライザの基本機能
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 d Bm -80 d Bm -70 d Bm -60 d Bm -50 d Bm -40 d Bm -30 d Bm C F 1 .0 G Hz S pan 1 0 .0 M Hz RBW VBW SW T 300 kHz 1 MHz 2.5ms Ref -2 0.0 dBm A t t 0 dB 1A P Clrw D a te : 2 8 .M A R . 20 0 6 20 : 5 4 :5 33.スペクトラム・アナライザの基本機能
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__________
(補足資料)
単位の変換
(rms)]
[mV
607
.
223
]
[
50
[mW]
1
2
=
×
=
=
=
Ω
から、
より
V
PR
V
R
V
P
0 [dBm]
→
1 [mW] @ 50 [Ω]
223,606.797.. [uV (rms)]
=
20 log A107 [dBuV]
316 [mV (peak)] 2 50 Ω系3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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。3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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)
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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
________
8.基準レベルを-20dBm に設定する
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
________
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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 _________ 14.基準レベルを-10dBm に設定する
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
最大入力レベル +30dBm 最大DC入力 0VDC
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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 3-83.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-3 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 3-103.スペクトラム・アナライザの基本機能
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 CF 100.0 MHz Span 100.0 kHz RBW VBW SWT 3 kHz 10 kHz 15ms Ref -20.0 dBm Att 0 dB 1AP Clrw 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 CF 100.0 MHz Span 100.0 kHz *RBW VBW SWT 1 kHz 3 kHz 100ms Ref -20.0 dBm Att 0 dB 1AP Clrw Date: 28.MAR.2006 21:09:30 Fig 3-11 Fig 3-123.スペクトラム・アナライザの基本機能
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。<–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 GHz 3 GHz to 5 GHz 5 GHz to 6 GHz preamplifier = on frequency 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 . 5 102 1 10 100 log 10 152 dBuV dBm Hz Hz Hz RBW dBm kHz RBW DANL ≈ − = × + − = 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
-1 10 dBm -1 00 dBm -9 0 d Bm -8 0 d Bm -7 0 d Bm -6 0 d Bm -5 0 d Bm -4 0 d Bm -3 0 d Bm C F 1 .0 G Hz S p a n 1 0 0 .0 kHz * * RBW VBW SW T 1 kHz 3 kHz 20ms R ef -2 0 .0 dBm Unc al A t t 0 dB 1A P Clrw D a t e : 2 8 . M A R . 2 0 0 6 2 1 : 1 6 : 5 9
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-4 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。3.スペクトラム・アナライザの基本機能
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
-1 10 dBm -1 00 dBm -9 0 d Bm -8 0 d Bm -7 0 d Bm -6 0 d Bm -5 0 d Bm -4 0 d Bm -3 0 d Bm C F 1 .0 G Hz S p a n 1 0 0 .0 kHz * * RBW VBW SW T 1 kHz 3 kHz 20ms R ef -2 0 .0 dBm Unc al A t t 0 dB 1A P Clrw D a t e : 2 8 . M A R . 2 0 0 6 2 1 : 1 6 : 5 9 Fig 3-13
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-5 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 3-143.スペクトラム・アナライザの基本機能
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 Select
3.
Positive Peak
4.
Negative Peak
5.
RMS
6.
Sample
7.Average
3.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-6 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 → 100KHz3.スペクトラム・アナライザの基本機能
u3-7 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 AVE4.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?)
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______________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?
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)
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