스펙트럼 분석기란?
스펙트럼 분석기는 전기 계측기 중 하나입니다.. 스펙트럼 분석기 화면에서는 주파수를 성분으로 분포시켜 가로축에 주파수, 세로축에 진폭을 표시합니다.
고주파용과 저주파용이 존재하며, 각각 용도가 다릅니다. 주로 고주파용은 전파의 고주파 신호의 ‘주파수 성분의 분포 표시’, ‘AC 전원의 성분 분석’을 하고 있으며, 저주파용은 ‘노이즈 분석’ 등에 사용되고 있습니다.
정전기나 과전력 신호 등으로 인해 부정확한 결과가 나올 수 있으므로 사용방법과 조건을 잘 확인한 후 사용하는 것이 좋습니다.
스펙트럼 분석기의 사용 용도
고주파의 스펙트럼 분석기는 ‘무선기’, ‘송신기’, ‘수신기 검사’, ‘측정’, ‘설계’, ‘수리’, ‘송신파’, ‘스프리스 측정’ 등에 사용되고 있습니다. 각종 설정 항목이 중요하므로 용도에 따라 적절한 값을 입력해야 합니다.
저주파수용은 소형으로 휴대할 수 있는 제품도 있으며, 현장 시험에서 ‘전계 강도 측정’, ‘주파수 특정’, ‘소음 측정’, ‘기계 진단’, ‘구조 해석’, ‘진동 시험’ 등 폭넓게 사용되고 있습니다. 가까운 예로, 무선랜 설치 작업에도 활용되고 있습니다.
스펙트럼 분석기는 종종 오실로스코프와 비교하여 설명되기도 합니다. 일반적으로 오실로스코프는 낮은 주파수 대역의 시간축을 관찰하는 경우가 많기 때문에 신호를 주파수로 포착하여 관찰할 수 있는 스펙트럼 분석기와 함께 사용됩니다. 하지만 오실로스코프와 스펙트럼 분석기는 서로 다른 각도에서 신호를 관찰하고 있고, 잘하는 영역이 다르기 때문에 필요한 정보를 고려하여 사용해야 합니다.
스펙트럼 분석기의 원리
대부분의 스펙트럼 분석기는 슈퍼 헤테로다인 방식입니다. 헤테로다인은 신호 처리 기술을 의미하며, 수신된 전파에 다른 주파수를 섞거나 결합하여 발생하는 주파수 차이를 파동으로 변환하여 생성되는 신호 주파수를 말합니다.
일반적으로 슈퍼헤테로다인은 수신된 신호를 원래의 반송파보다 처리하기 쉬운 고정된 중간주파수(IF)로 변환하는 수신방식을 말합니다. 하지만 슈퍼헤테로다인은 수신기를 지칭하는 경우도 있으며, 수신 방식을 채택한 수신기를 통틀어 슈퍼헤테로다인이라고 부르기도 합니다. 아날로그 시대부터 있는 방식이며, 라디오나 수신기와 같은 구조입니다.
슈퍼 헤테로다인 동조 스위프 방식에서는 입력 신호를 감쇠기와 저역 통과 필터로 제한하면서 통과시킵니다. 그리고 믹서와 국부 발진기(로컬 오실레이터)가 입력 신호를 주파수 변환합니다. 그리고 밴드패스 필터에 의해 설정된 주파수 분해능으로 대역제한된 주파수를 스윕하여 측정합니다. 원하는 주파수 범위만 측정할 수 있기 때문에 노이즈 레벨을 낮출 수 있습니다.
최근에는 FFT 방식이 개발되어 인기를 끌고 있습니다. 입력 신호가 주파수 변환되는 부분까지는 슈퍼헤테로다인 동조 스윕 방식과 동일합니다. 대역 통과 필터의 출력을 AD 컨버터로 디지털 신호로 변환한 후 고속 푸리에 변환으로 주파수를 표시하는 경우도 있습니다. 측정까지의 시간을 단축할 수 있기 때문에 스펙트럼이 단시간에 변화하는 경우의 측정에 적합합니다.
스펙트럼 분석기의 응용 분야
스펙트럼 분석기에는 크게 두 가지 종류가 있습니다. 먼저, 오디오 신호를 취급하는 것을 들 수 있습니다. 둘째, 전파의 강도를 시각화하는 유형이 있습니다.
스펙트럼 분석기는 입력된 신호를 주파수 성분으로 분해하여 각각의 신호 강도를 그래프로 표시하는 계측기입니다. 측정 신호를 애플리케이션의 디지털 분석을 통해 연산 처리를 합니다.
오디오 신호를 다루는 것은 수십~22kHz 정도의 음성 신호를 PC의 사운드 보드에 입력합니다. 그리고 ‘FFT 연산’과 ‘그래프 표시’를 통해 어떤 주파수 신호가 강하게 나오는지 어플리케이션으로 시각화하여 확인할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 방의 음향 확인이나 악기 튜닝 등을 할 수 있습니다.
전파 강도용 계측기에 부속된 어플리케이션은 Wi-Fi 신호의 검출 및 강도 확인을 위한 시각화 도구로 사용되며, Wi-Fi 장치 등에서 수신한 신호를 연산 처리하여 ‘2.4GHz 대역’, ‘5GHz 대역’의 신호 강도를 그래프로 표시할 수 있습니다.
스펙트럼 분석기 가격
오디오 신호용 스펙트럼 분석기는 PC의 사운드 보드로 대체할 수 있기 때문에 몇 천 엔으로 구입할 수 있습니다.
사실상 Wi-Fi 신호의 가시화만을 목적으로 하는 스펙트럼 분석기라면 스마트폰이나 PC의 Wi-Fi 수신기로도 구현이 가능하기 때문에 추가 구매 비용의 절감을 기대할 수 있습니다.
10GHz까지 측정할 수 있는 전자기기 전파 분석용 스펙트럼 분석기의 경우 200만~1000만 원이 시세입니다.
스펙트럼 분석기의 통과 대역폭(RBW)
스펙트럼 분석기에서 관찰하고자 하는 신호 성분만을 검출하고 불필요한 노이즈를 제거하기 위해 중요한 것이 RBW(Resolution Band Width: 해상도 대역폭) 설정입니다.
필요한 신호에 대해 기준이 되는 알려진 주파수의 신호를 믹싱하면 중간 주파수라는 신호가 생성됩니다. 이 중간 주파수의 통과 대역을 좁히면 불필요한 신호를 제거할 수 있기 때문에 관찰하고자 하는 신호만 추출할 수 있습니다.
이때 좁히는 통과 대역에 따라 신호의 해상도가 결정되기 때문에 ‘RBW’라고 부릅니다.
RBM을 좁게 설정하면 측정에 시간이 걸리지만 정확도를 높일 수 있고, RBM을 넓게 설정하면 측정하는 시간이 단축됩니다. 하지만 노이즈가 포함되기 때문에 분해능은 떨어집니다.