スペクトラムアナライザとは
スペクトラムアナライザは電気計測器の一つです。通称「スペアナ」と呼ばれています。スペクトラムアナライザの画面では、周波数を成分として分布することで横軸に周波数、縦軸に振幅を表示します。
高周波用と低周波用が存在しており、それぞれで用途が異なっています。主に高周波用は、電波の高周波信号の「周波数成分の分布の表示」「AC電源の成分の分析」を行なっており、低周波用では「ノイズの分析」などに使用されています。
静電気や過大電力信号等で不正確な結果になる場合もありますので、使用方法や条件をよく確認してから使用することをお勧めします。
スペクトラムアナライザの使用用途
高周波のスペクトラムアナライザは「無線機」「送信機」「受信機の検査」「測定」「設計」「修理」「送信波」「スプリアスの測定」などに使用されています。各種の設定項目が重要なので、用途に応じて適切な値を入力する必要があります。
低周波用では、小型で持ち運べる製品もあり、フィールド試験で「電界強度の測定」「周波数特定」「騒音測定」「機械の診断」「構造解析」「振動試験」と幅広く使用されています。 身近な例としては、ワイヤレスランの設置作業にも利用されます。
スペクトラムアナライザは、オシロスコープと比較して説明されることがあります。一般に、オシロスコープは、低い周波数帯の時間軸を観察することが多いため、信号を周波数で捉えて観察することが可能なスペクトラムアナライザと共に使用されます。しかし、オシロスコープとスペクトラムアナライザは、信号を違う角度から観測しており、得意な領域が異なるため、必要な情報を検討して使用する必要があります。
スペクトラムアナライザの原理
多くのスペクトラムアナライザは、スーパーヘテロダイン方式です。ヘテロダインとは、信号の処理技術のことを表しており、受信した電波にその他の周波数を混ぜたり、組み合わせることで発生する周波数の差を波に変換して生まれる信号周波数のことを指しています。
一般的にはスーパーヘテロダインは、受信した信号を元の搬送波よりも処理しやすい固定の中間周波数(IF)に変換する受信方式のことを指しています。しかし、スーパーヘテロダインは、受信機のことを呼称している場合もあり、受信方式を採用している受信機のことをまとめてスーパーヘテロダインと呼ぶこともあります。アナログ時代からある方式で、ラジオや受信機と同じ仕組みです。
スーパーヘテロダイン同調掃引方式では、入力信号をアッテネータとローパスフィルターで制限されながら通過します。さらに、ミキサと局部発振器（ローカルオシレータ）が入力信号を周波数変換します。そして、バンドパスフィルターによって設定された周波数分解能で帯域制限された周波数を掃引して測定していきます。狙った周波数範囲のみを測定可能なため、ノイズレベルを下げることができます。
近年では、FFT方式が開発されたことで人気が出てきています。入力信号が周波数変換されるところまではスーパーヘテロダイン同調掃引方式と同じです。バンドパスフィルターの出力をADコンバータでデジタル信号に変換してから高速フーリエ変換で周波数を表示する場合もあります。計測するまでの時間を短縮することが出来るため、スペクトラムが短時間で変化する場合の測定に向いています。
スペクトラムアナライザのアプリケーション
スペクトラムアナライザには大きく分けて2つの種類があります。まず、オーディオ信号を取り扱うものが挙げられます。次に、電波の強度を可視化するタイプが挙げられます。
スペクトラムアナライザは、入力された信号を周波数成分に分解することで、それぞれのシグナル強度をグラフ化するための計測器です。測定信号をアプリケーションのデジタル解析により演算処理を行います。
オーディオ信号を取り扱うものは、数十～22kHz程度の音声信号をパソコンのサウンドボードに入力します。そして「FFT演算」「グラフ表示」を行うことで、どの周波数信号が強く出ているかをアプリケーションで可視化して確認することが出来ます。これらの過程を経て部屋の音響確認や楽器のチューニングなどが行えます。
電波強度用の計測器に付属するアプリケーションは、Wi-Fi信号の検出や強度の確認のために可視化ツールとして使用されています。Wi-FIデバイスなどで受信した信号を演算処理することで「2.4GHz帯」「5GHz帯」の信号強度をグラフ化することができます。
スペクトラムアナライザの価格
オーディオ信号用のスペクトラムアナライザは、パソコンのサウンドボードで代用できるため、数千円で購入することができます。
実質的にWi-Fi信号の可視化だけが目的のスペクトラムアナライザであれば、スマホやパソコンのWi-Fi受信機で実現が可能なため、追加の購入費用の削減が見込めます。
10GHzまで計測できるような電子機器の電波解析用スペクトラムアナライザの場合は、200万円から1000万円が相場になります。
スペクトラムアナライザの通過帯域幅（RBW）
スペクトラムアナライザで観測したい信号成分だけを検出して不要なノイズを除去するために重要なのがRBW（Resolution Band Width：分解能帯域幅）の設定です。
必要な信号に対して、基準となる既知の周波数の信号をミキシングすると、中間周波数と呼ばれる信号が生成されます。この中間周波数の通過帯域を絞り込むことで不要な信号を除去することが出来るため、観測したい信号だけを取り出すようにします。
このときに絞り込む通過域によって信号の分解能が決まることから「RBW」と呼ばれています。
RBMを狭くした場合は、計測に時間を伴いますが、精度を上げることが出来ます。RBMを広くした場合には、計測する時間が短縮されます。しかし、ノイズが含有されるため、分解能は低下します。
参考文献
http://www.micronix-jp.com/note/application/fundamentals_of_speana_1.html
https://jp.rs-online.com/web/generalDisplay.html?id=ideas-and-advice/spectrum-analyzer-guide
https://www.jstage.jst.go.jp/article/lsj/39/8/39_627/_pdf
https://www.techeyesonline.com/tech-column/detail/Reference-SpectrumAnalyzer-01/?page=2
https://dl.cdn-anritsu.com/ja-jp/test-measurement/files/Application-Notes/Application-Note/MS269xA_MS2830A_JF4100.pdf