Keysight Technologies スペクトラム・アナライザ測定を成功させる 8つのヒント Application Note スペクトラム・アナライザスペクトラム・アナライザはオシロスデジタルテクノロジーが実用になり始めたスペクトラム・アナライザの測定では、入コープと同様に、信号の観測に使用するころ、このテクノロジーは図2に示すよう力信号の歪みをなくし、アプリケーション基本測定器です。図1に示すようにオシにビデオ信号をデジタイズするために用い固有の測定に合わせてスペクトラム・アナロスコープがタイムドメインの観測をすられました。その後、デジタルテクノロライザを適切に設定し、仕様を最大限に活るのに対し、スペクトラム・アナライザジーの進歩とともに、スペクトラム・アナ用するために測定手順を最適化する必要がは周波数ドメインの観測をします。ライザはデジタル信号処理（DSP）を取りあります。これらの手順の詳細については込んで進化してきました。点線のボックスヒントの中で説明します。図2は、掃引同調型スーパーへテロダイで示すように最終IFフィルターの後にDSP ン・スペクトラム・アナライザの簡単なを置くことにより、複雑化する信号フォーブロック図です。スーパーへテロダインマットの測定が可能になりました。DSPにでは、オーディオ周波数よりも上の周波より、ダイナミックレンジの拡大、掃引速数に変換します。アナライザは、入力信度の向上、確度の向上が実現されました。号を最初にアッテネータに通してミキサーにおける振幅を制限し、次にローパスフィルターに通して不要な周波数を除去します。入力フィルターを通過した信号は、掃引発生器で制御される局部発振器（LO）の信号とミキシングされます。 LOの周波数が変化すると、ミキサーの出力信号（元の2つの信号、その和、差、それらの高調波を含む）は、分解能帯域幅フィルター（IFフィルター）でフィル周波数ドメイン測定タイムドメイン測定ターされ、対数スケールで増幅または圧縮されます。次に、IFフィルターを通過図1. 測定ドメインする信号のパワーレベルが検波器により測定され、そのDC電圧がディスプレイの垂直軸に表示されます。このようにして掃引発生器がその周波数レンジを掃引することにより、トレースが画面に描か入力アッテネータプリセレクターまたは入力フィルターミキサー分解能帯域幅フィルターデジタル・シグナル・プロセッサ IF利得ログアンプ包絡線検波器れます。このトレースが、選択した周波数レンジでの入力信号のスペクトラム分布を表します。ビデオフィルター局部発振器 A/D 掃引発生器ディスプレイ図2. スーパーヘテロダイン・スペクトラム・アナライザのブロック図 2 ヒント1. 最適な分解能帯域幅（RBW）の選択分解能帯域幅（RBW）の設定は、スペクトただし、最も狭いRBWが常に最善といラム成分の分離、適切なノイズフロアの設うわけではありません。変調された信号定、信号の復調が目的の場合に考慮する必の場合、信号の側波帯が含まれるように要があります。 RBWを設定することが重要です。そうしないと、測定結果がきわめて不正確にな条件の厳しいスペクトラム測定を行う場ります。合、スペクトラム・アナライザの確度、速度、ダイナミックレンジが重要です。ほとまた、狭いRBW設定の重大な欠点は、掃んどの場合、これらのパラメータのどれか引速度です。同じスパンに対する掃引速を重視すると、他のパラメータに悪影響が度は、RBW設定が広いほど高速になりあります。このトレードオフにはしばしばます。図4と5に、サンプル検波を用い RBW設定が関連します。た200 MHzのスパンに対する10 kHzと 3 kHzのRBWによる掃引時間の比較を示狭いRBWを使用する利点の1つは、低レしています。ベル信号を測定する際に明らかとなりま図5. 3 kHz RBWでの掃引時間は84.73 s どの測定パラメータの最適化が最も重要かがわかっている場合、RBWの選択に伴う基本的なトレードオフを理解することす。狭いRBWを使用すると、スペクトラが大切です。しかし、測定パラメータのム・アナライザの表示平均ノイズレベルトレードオフが避けられない場合のため（DANL）が下がり、ダイナミックレンジに、今日のスペクトラム・アナライザにが広がって、スペクトラム・アナライザは、トレードオフを緩和したり除去したの感度が向上します。図3では、RBWをりする方法が用意されています。デジタ 100 kHzから10 kHzに変更することにより、−95 dBmの信号が適切に分解されてル信号処理を利用することにより、狭い RBWを使用した場合でも、正確な測定をいます。実行しながら掃引速度を上げることができます。図4. 10 kHz RBWでの掃引時間は7.626 s 図3. 100 kHz RBWと10 kHz RBWの測定の表示 3 ヒント2. 測定確度の改善測定する前に、振幅と周波数の測定確度を今日のスペクトラム・アナライザでは、アより正確な周波数測定の方法は、スペクト上げるためにいくつかの手法があることをンテナ、ケーブルなどの機器に対する補正ラム・アナライザの周波数カウンターを使知っておく必要があります。値を個別に保存しておけるので、設定を変用することです。これにより、スパンなど更してもそのたびに校正を実行する必要はの、周波数の不確かさの原因の多くが取り自己校正ルーチンは誤差係数（振幅変化とありません。除かれます。周波数カウンターは、IF信号分解能帯域幅の関係など）を作成し、アナのゼロ交差をカウントし、変換の残りの部ライザは後でそれを使って測定データを補分にある局部発振器の周波数オフセットに正します。これにより、振幅測定の確度がよりそのカウントを補正します。向上し、測定中に設定をより柔軟に変更できるようになります。測定の全不確かさを求めるには、スペクトラム・アナライザのさまざまな不確かさの校正済みのアナライザに被試験デバイス要素を加算します。RFアッテネータの設（DUT）を接続すると、信号伝送回路により定、分解能帯域幅、基準レベルなどを変更信号が劣化したり、変化するおそれがありせずに済めば、その変更に伴うすべての不ます。これは図6のようにして除去する必確かさが除去され、測定の全不確かさが低要があります。このための方法として、ア減されます。これは、アナライザについてナライザの振幅補正機能と信号源、パワー理解することの重要性を示す例です。例えメータを使用します。図7は、DUTの信号を減衰させる伝送回路の周波数応答です。図7. 元の信号ラム・アナライザでは、RBWを変更して不要な効果を除去するには、測定範囲内のも誤差は加算されませんが、それ以外のア周波数ポイントで信号伝送回路の減衰を測ナライザでは誤差が加算されます。定します。振幅補正は周波数と振幅が対になったリストから各ポイントを直線的に結んで補正「波形」を作成し、それに従って入力信号を補正します。図8では、信号伝送回路の不要な減衰と利得が測定値から除去され、より正確な振幅測定が得られています。図8. 補正された信号スペクトラム・アナライザ DUT 信号伝送回路・ケーブル・アダプター・ノイズ基準面の移動図6. テストセットアップ 4 ば、IFをデジタル処理する高性能スペクトヒント3. 低レベル信号の測定の際の感度の最適化スペクトラム・アナライザの低レベル信号ミキサー出力では、アナライザのディスプ感度を最大にするには、低雑音／高利得のの測定能力は、スペクトラム・アナライザレイで信号のピークを一定のポイントに保プリアンプを使用する必要があります。増の内部で発生するノイズにより制限されまつために、増幅器が減衰した信号を増幅し幅器の利得が十分高い場合（プリアンプをす。この低レベル信号に対する感度は、アます。そこで入力信号の増幅に加えて、ア接続すると、アナライザに表示されるノイナライザの設定に影響されます。ナライザ内に存在するノイズも同時に増幅ズは最低10 dB増加します）、プリアンプされます。このため、スペクトラム・アナとアナライザの組み合わせた場合のノイズライザのDANLも増加します。フロアは、増幅器の雑音指数により決まり例えば図9に示す50 MHzの信号は、アナます。ライザのノイズフロアにより覆い隠されています。低レベル信号を測定するには、入その後、再増幅された信号はRBWフィル力アッテネータを最小にしたり、分解能帯ターを通ります。RBWフィルターの帯域信号キャリアーが特定の振幅と周波数の域幅（RBW）フィルターを狭めたり、プリ幅を狭めることにより、アナライザの包絡「マスク」の範囲内に入ることを確認するアンプを使用したりして、スペクトラム・線検波器に到達するノイズエネルギーが減ために、被試験デバイスのスプリアス信号アナライザの感度を上げる必要がありま少し、アナライザのDANLが低下します。の測定が必要になる場合があります。今日のスペクトラム・アナライザはリミットラす。これらの手法は、表示平均ノイズレベル（DANL）を実効的に下げることにより、図10は、DANLを段階的に下げていった結低レベル信号の測定を可能にします。イン機能を備え、トレースデータをある周果を示しています。一番上のトレースは、波数（または時間）における振幅と比較で分解能帯域幅を最小化し、パワーアベレーきます。信号がリミットラインの境界内ジングを使用した場合で、信号がノイズフに入る場合、PASS MARGINまたはPASS ロアより上に現れています。その下のト LIMIT（キーサイトのアナライザの場合）とレースは、減衰を最小化した場合です。3 いう表示が現れます。信号がリミットラ番目のトレースは、対数パワーアベレージインの外に出た場合、図11のようにFAIL ングを使用することにより、ノイズフロア MARGINまたはFAIL LIMITという表示がをさらに2.5 dB下げた場合で、きわめて高画面に現れ、スプリアス信号の存在を示しい感度が必要な測定に適しています。ます。図9. ノイズにより隠された信号入力アッテネータの値を大きくすると、入力ミキサーでの信号レベルが下がります。スペクトラム・アナライザのノイズは入力アッテネータの後で発生するので、アッテネータ設定はS/N比に影響します。利得を入力アッテネータと連動させて減衰の変化を補正した場合、実際の信号は画面上では変化しません。これに対して、表示ノイズレベルは、入力アッテネータの設定の変更に伴うS/N比の変化を反映して、IF利得と図10. 分解能帯域幅、入力アッテネータを最小化し、対数パワーアベレージングを使用した後の信号図11. リミットラインを使ったスプリアス信号の検出ともに変化します。したがって、DANLを下げるには、入力アッテネータの値を小さくする必要があります。 5 ヒント4. 歪み測定の際のダイナミックレンジの最適化信号を測定する際に生じる問題の1つは、イズレベル（DANL）により決まります。こ加するからです。しかし、歪みは基本波大きな基本波トーン信号と、小さな歪み成れらの仕様から、内部で発生する歪み／ノと歪み成分の差により決まるため、変化分とを区別する能力です。信号と歪み、信イズとミキサーレベルとの関係のグラフをは1 dBだけです。同様に、3次歪みの傾き号とノイズ、信号と位相雑音を区別できる作成できます。は2です。ミキサーレベルが1 dB変化する最大範囲のことを、スペクトラム・アナライザのダイナミックレンジと呼びます。ごとに、3次成分は3 dB変化しますが、相図12は、 −40 dBmのミキサーレベルで対的には2 dBの変化になるからです。2次の −75 dBcの2次高調波歪みポイント、 /3次ダイナミックレンジを最大にするにスペクトラム・アナライザで信号と歪みを −30 dBmのミキサーレベルでの−85 dBc は、2次/3次歪みがノイズフロアと等しく測定する際のダイナミックレンジは、ミキの3次歪みポイント、10 kHz RBWでのなるレベルにミキサーを設定します。このサーレベルにより決まります。ダイナミッ −110 dBmのノイズフロアをプロットしミキサーレベルはグラフからわかります。クレンジを最適化するためのミキサーレンたものです。2次高調波歪みの線の傾きは 1です。理由は、ミキサーでの基本波のレベルが1 dB上がるごとに、SHDは2 dB増ジは、スペクトラム・アナライザの2次高調波歪み、3次相互変調歪み、表示平均ノ TOI 0 –10 –20 2次 3次 –30 –40 –50 ノ (dBc) イズ（ 10 –60 kH zB W ） –70 最大の2次ダイナミックレンジ –80 –90 –100 –60 最大の3次ダイナミックレンジ最適ミキサーレベル –50 –40 –30 –20 ミキサーレベル（dBm）図12. ダイナミックレンジと歪み／ノイズとの関係 Fig 6-02.eps 6 –10 0 +10 SHI ヒント4. 歪み測定の際のダイナミックレンジの最適化（続き）ダイナミックレンジを増やすには、分解能 –30 2次帯域幅を狭める必要があります。図13に示 3次すように、RBW設定を10 kHzから1 kHz に下げると、ダイナミックレンジが増加し –40 ます。増加量は、2次歪みについては5 dB、 3次歪みについては6 dB以上です。 (dBc) 最後に、相互変調歪みのダイナミックレン –50 ジは、スペクトラム・アナライザの位相雑ノイズ（ 10 ズ（音により影響される場合があります。これ kH zB –60 ノイ W 1k Hz は、各スペクトラム成分（テストトーンと –70 歪み成分）の周波数間隔が、テストトーン） BW ） 2次ダイナミックレンジの改善の間隔に等しいからです。例えば、テスト –80 トーンの間隔が10 kHzの場合、1 kHzの分 3次解能帯域幅を使用すると、図に示すノイズダイナミックレンジの改善曲線が得られます。10 kHzオフセットで –90 の位相雑音が80 dBcの場合、この測定のダイナミックレンジの限界は、図14に示す88 dBの最大ダイナミックレンジではな –60 –50 –40 く、80 dBとなります。 –30 –20 –10 0 +10 ミキサーレベル（dBm）図13. 分解能帯域幅の減少によるダイナミックレンジの改善 (dBc) –60 –70 –80 位相雑音（10 kHzオフセット）位相雑音によるダイナミックレンジの減少 –90 –100 –110 –60 –50 –40 –30 –20 –10 0 +10 ミキサーレベル（dBm）図14. 位相雑音による3次相互変調テストの制限 7 ヒント5. 内部歪み成分の特定高レベルの入力信号はスペクトラム・アナライザの内部で歪み成分を発生させ、入力信号の本当の歪み測定を阻害することがあります。デュアルトレースとアナライザの RFアッテネータを使用すると、アナライザ内部で発生した歪みが測定に影響するかどうかを判定できます。初めに、入力信号レベルからアッテネータの設定値を引いた結果が約−30 dBmになるように入力アッテネータを設定します。内部歪み成分を識別するには、入力信号の 2次高調波に同調して、入力アッテネータを0 dBmに設定します。次に、画面データをトレースBに保存し、アクティブトレースとしてトレースAを選択し、Δマーカーをアクティブにします。これによりスペクトラム・アナライザは、保存したデータをトレースBに、測定データをトレースAに表示します。また、Δマーカーは、2つのトレース間の振幅と周波数の差を示しています。最後にRF減衰を10 dB増加させて、トレースAの応答とトレースBの応答とを比較します。 8 図15. 内部で発生した歪み成分図16. 外部で発生した歪み成分図15のように2つの応答に差があれば、入図16では、信号のレベルに変化がないの力信号のレベルが高いために、アナライザで、内部で発生した歪みは測定に影響しまのミキサーで内部歪み成分が発生していません。表示された歪みは、入力信号に存在す。このような場合、減衰量を増加させるするものです。必要があります。ヒント6. 過渡信号測定時の測定速度の最適化高速掃引は、過渡信号を捕捉したり、テス時間と感度のバランスを取るために、スペの速度の違いがはっきりするのは、低レベト時間を最小にするために必要になりまクトラム・アナライザに内蔵されているル信号を測定するために狭いRBWフィルす。高速掃引のためにスペクトラム・アナ高速フーリエ変換（FFT）を使用する方法がターを使用している場合です。20 MHzスライザの性能を最適化するには、掃引時間あります。FFTを使用することにより、アパン、1 kHz RBWの場合、下の図18に示を決定するパラメータを適切に変更する必ナライザはスパン全体を1つの測定サイクすように、FFTモードでの掃引時間が2.2 s 要があります。ルで捕捉できます。FFT解析を使用する場であるのに対し、掃引モードでの掃引時間合、掃引時間はRBW設定ではなく周波数は24.11 sです。スパンとRBWが非常に広掃引同調スーパーヘテロダイン・スペクトスパンにより決まります。したがって、スい場合には、掃引モードの方が高速になりラム・アナライザの掃引時間は、スパンをパンが狭い場合、FFTモードの方が掃引ます。分解能帯域幅（RBW）の2乗で割った値で近モードよりも掃引時間が短くなります。こ似されます。このため、掃引時間はRBW 設定に大きく影響されます。RBWフィルターの帯域幅が狭いほど、掃引時間は長くなります。すなわち、掃引時間と感度の間にはトレードオフがあります。図17に示すように、RBWが10倍変化すると、感度は約10 dB向上します。図17. RBWが10倍変化すると感度は約10 dB低下図18. FFTモードと掃引モードの掃引時間の比較 9 ヒント7. 最良のディスプレイ検波モードの選択今日のスペクトラム・アナライザは、信号負ピーク検波モードでは、各バケットの最アベレージ検波は、各バケットの平均パをIFで、またはビデオフィルターの後でデ低パワーレベルが表示されます。このモーワー、電圧、または対数パワー（ビデオ）をジタイズします。デジタイズしたデータのドは、AM/FM復調、およびランダムノイ表示します。パワーアベレージングは真のどれを表示するかは、ADCの後ろにあるズとインパルスノイズとの見分けに適して平均パワーを計算するもので、複雑な信号ディスプレイ検波器により決まります。こいます。負ピーク検波の場合、見かけ上ののパワー測定に最適です。電圧アベレージれは、データが複数のバケットに分割され、ノイズフロアは下がりますが、アナライザングは、バケットインターバルの間に測定各バケットからどのデータを表示するかのの感度が改善されることはありません。正された包絡線信号のリニア電圧データの平選択がディスプレイ検波モードにより決ま弦波信号のバケットに対する各検波モード均を取ります。これはEMIテストに多く用るからです。による表示の比較を図20に示します。いられ、AM信号や、レーダー /TDMAトランスミッターなどのパルス変調信号の立高性能スペクトラム・アナライザには、ち上がり／立ち下がり動作のモニターにもバケット番号図21に示すノーマル検波という検波モー適しています。対数パワー（ビデオ）アベドも装備されています。このサンプリンレージングは、バケットインターバルのグ・モードは、データ・ポイントをノイズ間に測定された包絡線信号の対数振幅値または信号として動的に分類します。これ（dB）を平均します。対数パワーアベレー 1 2 3 4 5 6 7 8 図19. サンプル・バケットによりランダム・ノイズはピーク検波よりジングは正弦波信号に適していて、特に信も良く表示され、またサンプル検波におけ号がノイズに近い場合に威力を発揮しまる信号の見逃しも防止できます。す。これは、ノイズが実際のレベルよりも 2.5 dB低く表示され、スペクトラム（正弦図20に、正ピーク、負ピーク、サンプル波）成分のS/N比が改善されるからです。の各検波モードを示します。ピーク検波モードは、各バケットの最大レベルを検出するもので、正弦波の解析には適していますが、ノイズに過剰に応答する傾向があります。これは最も高速な検波モードです。 1つのバケット正ピークサンプル検波モードでは、パワーに関係なく、各バケットの中央のポイントが表示さサンプルれます。サンプル検波はノイズ測定に適していて、ノイズの真のランダム性を正確に表示できます。しかし狭い分解能帯域幅による連続波（CW）の測定では不正確となり、各バケットで同じポイントにならない負ピーク図20. メモリに保存されるトレースポイントは検波タイプのアルゴリズムに基づきます。信号は見落とされます。図21. ノーマル検波は、信号が単調増加または単調減少する場合の、バケットの最大値を表示します。 10 ヒント8. バースト信号の測定：タイム・ゲーティッド・スペクトラム解析スペクトラム・アナライザを使用したバータイムゲーティッド測定では、アナライザ今日の高性能スペクトラム・アナライザでスト信号（パルス）の解析は、非常に困難なはバーストの開始を検出して、分解能フィ使用できるタイムゲーティングの方法にものとなります。これは、パルスに載ってルターがパルスの立ち上がり時間に応答しは、他にゲーティッドビデオ、ゲーティッいる情報だけでなく、パルスの形状（パルた後に、測定を開始し、バーストが終了ドLO、ゲーティッドFFTがあります。ゲースエンベロープ）の周波数成分もアナライする前に解析を停止します。これにより、ティッドLOは、パルスド信号部分で局部ザに表示されるからです。パルスエンベ図24に示すように、パルスにより伝送さ発振器を掃引することにより、信号の各発ロープの高速な立上がり／立下がり時間かれる情報だけが解析されます。また図24 生毎に複数のトレースポイントを記録しまらは、不要な周波数成分が発生し、元の信の例では、このパルスには、変調が含まれす。これに対して、ゲーティッドFFTは、号の周波数成分に加算されます。このよていることが明確になります。デジタイズされたバースト信号のFFTを行うな不要な周波数成分は、最悪の場合、目うことにより、パルススペクトラムの影響的の信号を覆い隠してしまうことがありを除去します。どちらの方法も、速度の向ます。上に効果があります。例えば図22は、バースト信号の周波数成分を示したものです。ここでは、EDGE波形の変調はパルスのスペクトラムによりほ入力アッテネータプリセレクターまたは入力フィルターミキサー分解能帯域幅フィルターデジタル・シグナル・プロセッサ IF利得ログアンプ包絡線検波器ゲートぼ完全に覆い隠されています。ビデオフィルター局部発振器 A/D ランプ発生器ディスプレイ図23. ゲーティッドビデオ・タイムゲーティングを使用したスペクトラム・アナライザのブロック図図22. タイムゲーティングなしのスペクトラムタイム・ゲーティッド・スペクトラム解析を使用すると、パルス自体のエンベロープの影響を受けることなく、パルスの内容を解析できます。タイムゲーティングを実現する方法の1つは、図23に示すように、スペクトラム・アナライザのビデオ経路にゲート（スイッチ）を配置する方法です。このようなタイムゲーティングの方法をゲーティッドビデオと呼びます。図24. タイムゲーティングを行った信号 11 12 | Keysight | スペクトラム・アナライザ測定を成功させる8つのヒント – Application Note myKeysight www.keysight.co.jp/find/mykeysight ご使用製品の管理に必要な情報を即座に手に入れることができます。 www.axiestandard.org AXIe（AdvancedTCA® Extensions for Instrumentation and Test）は、 AdvancedTCA® を汎用テストおよび半導体テスト向けに拡張したオープン規格です。Keysight は、AXIe コンソーシアムの設立メンバーです。 www.lxistandard.org LXI は、ウェブへのアクセスを可能にするイーサネットベースのテストシステム用インタフェースです。Keysight は、LXI コンソーシアムの設立メンバーです。 www.pxisa.org PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）モジュラー測定システムは、PC ベースの堅牢な高性能測定／自動化システムを実現します。 www.keysight.com/go/quality Keysight Electronic Measurement Group DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System 契約販売店 www.keysight.co.jp/find/channelpartners キーサイト契約販売店からもご購入頂けます。お気軽にお問い合わせください。この資料は、以前のApplication Note 1286-1です。 www.keysight.co.jp/find/xseries www.keysight.co.jp/find/psa www.keysight.co.jp/find/esa キーサイト・テクノロジー合同会社本社〒192-8550 東京都八王子市高倉町9-1 受付時間 9：00-18：00（土・日・祭日を除く） TEL 0120-421-345 (042-656-7832) FAX 0120-421-678 (042-656-7840) Email [email protected] www.keysight.co.jp © Keysight Technologies, 1998 - 2015 Published in Japan, May 13, 2015 5965-7009J 0000-00DEP www.keysight.co.jp