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スペクトルアナライザは、入力信号の振幅を、測定器の全周波数範囲内で周波数に対して測定します。主な用途は、既知および未知の信号のスペクトルのパワーを測定することです。[ 1 ]最も一般的なスペクトルアナライザが測定する入力信号は電気信号ですが、適切なトランスデューサを使用することで、音響圧力波や光波などの他の信号のスペクトル構成も考慮することができます。モノクロメーターなどの直接光学技術を使用して測定を行う光スペクトルアナライザなど、他の種類の信号用のスペクトルアナライザも存在します。
電気信号のスペクトルを解析することで、時間領域の波形では容易に検出できない、信号の主周波数、電力、歪み、高調波、帯域幅、その他のスペクトル成分を観測することができます。これらのパラメータは、無線送信機などの電子機器の特性評価に役立ちます。
スペクトラムアナライザのディスプレイでは、縦軸に振幅、横軸に周波数が表示されます。一見すると、スペクトラムアナライザはオシロスコープのように見えます。オシロスコープは縦軸に振幅、横軸に時間を表示するからです。実際、一部の実験機器はオシロスコープとしてもスペクトラムアナライザとしても機能します。
スペクトル分析は、1600年代後半にアイザック・ニュートンによって初めて使用されました。彼は王立協会への手紙の中で、光学プリズムを使用して白色光を構成色に分離する方法を説明しました。[ 2 ]
1947年のアトランティックシティ国際無線通信会議[ 3 ]は、勧告第4号で、個々の放射が実際に占める帯域幅を測定する実用的な方法の確立を求め、とりわけスペクトルアナライザの開発につながった。この作業は、CCIR研究グループ1が研究プログラム第40号「実際の通信における放射スペクトルの測定方法」[ 4 ]の下で実施した。定期的な結果は、主にベルギー当局の主導の下、ジュネーブ（1951年）[ 5 ]、ロンドン（1953年）[ 6 ]、ワルシャワ（1956年）[ 7 ]の総会で発表され、その設計（「スペクトロスコープシステムMarique」 - Jean Marique）が現代のスペクトルアナライザの基準となった[ 7 ]。スペクトルアナライザー「spectroscope système Marique」は、 1958年にブリュッセルで開催されたExpo 58で発表され、ベルギーではAteliers de Constructions Électriques de Charleroi ( ACEC )によって販売された。
スペクトル分析は、レーダーの導入により第二次世界大戦中に最大の進歩を遂げました。米国のマサチューセッツ工科大学放射線研究所などの科学者や技術者は、スペクトル分析を使用してレーダー送信機と受信機のさまざまな側面を測定しました。[ 8 ] [ 9 ]米国では、ヒューレット・パッカード社が1965年にスペクトルアナライザの商用販売を開始しました。[ 10 ]これらの最初のスペクトルアナライザは、レーダー測定、送信機チューニング、 FM偏差測定、RF干渉測定、スペクトル監視、アンテナ測定などの用途で使用されるスイープチューニング機器でした。 [ 11 ] [ 8 ] 1965年に高速フーリエ変換（FFT）が発見された後、最初のFFTベースのアナライザが1967年に導入されました。[ 12 ]
現在、アナライザにはスイープ同調型スペクトラムアナライザ、ベクトル信号アナライザ、リアルタイムスペクトラムアナライザの3つの基本的なタイプがあります。[ 11 ]
スペクトルアナライザの種類は、信号のスペクトルを取得する方法によって区別されます。スペクトルアナライザには、スイープチューニング方式と高速フーリエ変換（FFT）方式があります。
スペクトラムアナライザは、卓上型、ポータブル型、ハンドヘルド型、ネットワーク接続型の4つの形状に分類される傾向がある。
このフォームファクタは、スペクトラムアナライザを交流電源に接続できるアプリケーション、つまり一般的には実験室環境や生産/製造エリアでの使用に適しています。ベンチトップ型スペクトラムアナライザは、従来、ポータブル型やハンドヘルド型よりも優れた性能と仕様を提供してきました。ベンチトップ型スペクトラムアナライザは通常、プロセッサによって発生する熱を放散するために複数のファン（および関連する通気口）を備えています。その構造上、ベンチトップ型スペクトラムアナライザの重量は通常30 ポンド (14 kg)以上です。一部のベンチトップ型スペクトラムアナライザにはオプションのバッテリーパックが用意されており、交流電源から離れた場所でも使用できます。このタイプのアナライザは、「ポータブル」スペクトラムアナライザと呼ばれることがよくあります。
この形状は、スペクトラムアナライザを屋外に持ち出して測定を行う必要がある場合や、使用中に携帯する必要がある場合など、あらゆる用途に適しています。携帯型スペクトラムアナライザの利便性を高める要素としては、以下のようなものがあります。
この形状は、スペクトラムアナライザが非常に軽量かつ小型である必要があるあらゆる用途に適しています。ハンドヘルド型アナライザは通常、大型システムに比べて機能が限られています。実用的なハンドヘルド型スペクトラムアナライザに必要な特性には、以下のようなものがあります。
このフォームファクタにはディスプレイは含まれておらず、これらのデバイスは、地理的に分散した新しいタイプのスペクトル監視および分析アプリケーションを可能にするように設計されています。重要な特徴は、アナライザをネットワークに接続し、ネットワークを介してこれらのデバイスを監視できることです。多くのスペクトルアナライザは制御用のイーサネットポートを備えていますが、通常、効率的なデータ転送メカニズムがなく、このような分散型で展開するには大きすぎたり高価すぎたりします。このようなデバイスの主なアプリケーションには、無線信号が禁止されているセキュリティ施設向けのRF侵入検知システムなどがあります。また、携帯電話事業者は、ライセンスされたスペクトル帯域の干渉をリモートで監視するために、このようなアナライザを使用しています。このようなデバイスの分散型特性により、送信機の地理的位置特定、動的スペクトルアクセスのためのスペクトル監視、その他多くのアプリケーションが可能になります。
こうしたデバイスの主な特徴は以下のとおりです。
上記で説明したタイプのように、スイープ同調型スペクトラムアナライザは、電圧制御発振器を周波数範囲にわたってスイープすることにより、入力信号スペクトルの一部をバンドパスフィルタの中心周波数にダウンコンバートし、計測器の全周波数範囲を考慮することを可能にします。
バンドパスフィルタの帯域幅は分解能帯域幅を決定し、これは計測器が検出可能な最小帯域幅と関連しています。右側のアニメーションで示されているように、帯域幅が小さいほどスペクトル分解能が高くなります。ただし、表示が対象となる全周波数範囲をどれだけ速く更新できるかと周波数分解能の間にはトレードオフがあり、これは近接する周波数成分を区別する上で重要です。スイープチューニング方式の場合、スイープ時間に関する次の関係が役立ちます。
STはスイープ時間（秒）、kは比例定数、Spanは検討対象の周波数範囲（ヘルツ）、RBWは分解能帯域幅（ヘルツ）です。[ 13 ] ただし、スイープ速度が速すぎると、表示される振幅が低下し、表示される周波数がずれます。[ 14 ]
また、このアニメーションにはアップコンバートされたスペクトルとダウンコンバートされたスペクトルの両方が含まれていますが、これは周波数ミキサーが和周波数と差周波数の両方を生成するためです。局部発振器のフィードスルーは、ミキサー内のIF信号経路からの分離が不完全であることに起因します。
非常に微弱な信号の場合、プリアンプが使用されますが、高調波歪みや相互変調歪みによって、元の信号には存在しなかった新たな周波数成分が生成される場合があります。
FFTベースのスペクトルアナライザでは、周波数分解能はは、波形が測定されフーリエ変換される時間Tの逆数である。
デジタルスペクトラムアナライザでフーリエ変換解析を行う場合、入力信号をサンプリング周波数でサンプリングする必要がある。これは、ナイキスト限界のため、信号の帯域幅の少なくとも2倍である。[ 15 ]フーリエ変換を行うと、ゼロからすべての周波数を含むスペクトルが得られる。これは、フーリエ変換に必要なアナログ-デジタル変換器と処理能力にかなりの負荷をかける可能性があり、FFTベースのスペクトラムアナライザは周波数範囲が制限される。
FFTベースのアナライザは狭帯域しか考慮できないため、広帯域と狭帯域の両方を考慮するには、スイープ解析とFFT解析を組み合わせる手法が有効です。この手法により、スイープ時間を短縮できます。
この方法は、まず信号をダウンコンバートし、次に中間周波数をデジタル化し、スーパーヘテロダイン方式またはFFT技術を用いてスペクトルを取得することによって可能となる。
中間周波数をデジタル化する利点の1つは、デジタルフィルタを使用できることです。デジタルフィルタは、ほぼ完璧な形状係数やフィルタの安定化時間の改善など、アナログフィルタに比べて多くの利点があります。また、狭いスパンを考慮する場合、FFTを使用することで、表示スペクトルを歪ませることなく掃引時間を長くすることができます。
リアルタイムスペクトラムアナライザは、最大帯域幅（しばしば「リアルタイム帯域幅」と呼ばれる）までは、ブラインドタイムを持ちません。アナライザは、入力RFスペクトルを時間領域でサンプリングし、FFT処理を用いて周波数領域に変換します。FFTは並列処理され、ギャップレスかつオーバーラップ処理されるため、計算されたRFスペクトルにギャップは発生せず、情報が欠落することもありません。
ある意味では、ベクトル信号アナライザ機能を備えたスペクトラムアナライザはすべてリアルタイムアナライザと言えます。ナイキスト標本化定理を満たすのに十分な速さでデータをサンプリングし、後で処理するためにデータをメモリに保存します。ただし、この種のアナライザは、メモリに保存できるデータ量／キャプチャ時間の範囲内でのみリアルタイムであり、処理時間中にスペクトルや結果に欠落が生じる可能性があります。
情報の歪みを最小限に抑えることは、すべてのスペクトラムアナライザにおいて重要です。FFT処理では、サイドローブの生成を減らすことで出力スペクトルを改善するためにウィンドウ処理技術が適用されます。ウィンドウ処理の効果により、あるFFTと次のFFTの境界で捕捉される信号のレベルが低下することもあります。このため、リアルタイムスペクトラムアナライザではFFTがオーバーラップされます。オーバーラップ率は約80%です。1024ポイントFFT処理を使用するアナライザでは、前のFFT処理から約819サンプルが再利用されます。[ 16 ]
これはアナライザのサンプリングレートとFFTレートに関係しています。また、リアルタイムスペクトラムアナライザにとって、高いレベル精度を実現することも重要です。
例：リアルタイム帯域幅が40 MHzのアナライザ（リアルタイムで処理できる最大 RF スパン）の場合、約50 Msample/秒（複素数）が必要です。スペクトラムアナライザが250 000 FFT/秒を生成する場合、FFT 計算は4 μs ごとに実行されます。1024ポイントのFFT の場合、フルスペクトルは1024 × (1/50 × 10 6 ) で、約20 μs ごとに生成されます。 これにより、オーバーラップ率も 80% (20 μs − 4 μs) / 20 μs = 80% となります。
リアルタイムスペクトラムアナライザは、ユーザーが周波数スペクトルをより詳細に調べるための、より多くの情報を提供できます。通常のスイープスペクトラムアナライザでは、例えば最大ピーク値や最小ピーク値が表示されますが、リアルタイムスペクトラムアナライザでは、特定の期間にわたって計算されたすべてのFFTをプロットし、信号の出現頻度を示すカラーコードを追加できます。例えば、この画像は、通常のスイープスペクトラムビューとリアルタイムスペクトラムアナライザの「パーシステンス」ビューでスペクトルを表示する方法の違いを示しています。
リアルタイムスペクトラムアナライザは、他の信号の背後に隠れた信号も検出できます。これは、情報が漏れることなく、ユーザーに表示されるのがFFT計算の結果であるためです。右図にその例を示します。
一般的なスペクトラムアナライザには、開始周波数、停止周波数、中心周波数を設定するオプションがあります。スペクトラムアナライザの表示画面上で、停止周波数と開始周波数の中間の周波数は中心周波数と呼ばれます。これは、表示画面の周波数軸の中央にある周波数です。スパンは、開始周波数と停止周波数の間の範囲を指定します。これらの2つのパラメータにより、測定対象のスペクトルの視認性を向上させるために、測定器の周波数範囲内で表示を調整できます。
動作のセクションで説明したように、分解能帯域幅フィルタまたはRBWフィルタは、IFパスのバンドパスフィルタです。これは、検出器（電力測定デバイス）の前のRFチェーンの帯域幅です。 [ 17 ] これは、RFノイズフロアと、アナライザによって2つの別々のピークに分解できる2つの信号がどれだけ近いかを決定します。[ 17 ] このフィルタの帯域幅を調整することで、周波数成分が近接している信号の識別が可能になり、同時に測定ノイズフロアも変化します。RBWフィルタの帯域幅を小さくすると、測定ノイズフロアは小さくなり、その逆もまた同様です。これは、RBWフィルタの帯域幅が大きいほど、エンベロープ検出器に通過する周波数成分が多くなるため、RBWが大きいほど測定ノイズフロアが高くなるためです。
ビデオ帯域幅フィルタ（VBWフィルタ）は、エンベロープ検出器の直後にあるローパスフィルタです。これは、検出器後の信号チェーンの帯域幅です。平均化またはピーク検出とは、デバイスのデジタルストレージ部分がサンプルを記録する方法を指します。これは、タイムステップごとに複数のサンプルを取得し、サンプルの平均値または最大値のいずれか1つのサンプルのみを保存します。[ 17 ] ビデオ帯域幅は、2つの異なる電力レベルを識別する能力を決定します。[ 17 ] これは、VBWが狭いほど検出器出力のノイズが除去されるためです。[ 17 ]このフィルタは、エンベロープからノイズを除去することで表示を「滑らかにする」ために使用されます。RBWと同様に、VBWがRBWより小さい場合、VBWは表示のスイープ時間に影響します。VBWがRBWより小さい場合、スイープ時間に関する次の関係が役立ちます。
ここで、t sweepはスイープ時間、kは無次元比例定数、f 2 − f 1はスイープの周波数範囲、RBW は解像度帯域幅、VBW はビデオ帯域幅です。[ 18 ]
デジタル表示の登場に伴い、最新のスペクトラムアナライザの中には、 VBWフィルタ後のスペクトル振幅をサンプリングするためにアナログ-デジタル変換器を使用するものもある。表示には離散的な点数があるため、測定される周波数範囲もデジタル化される。検出器は、適切な信号電力をディスプレイ上の適切な周波数点に正確にマッピングするために使用される。検出器には一般的に、サンプル検出器、ピーク検出器、平均検出器の3種類がある。
表示平均ノイズレベル(DANL) は、その名の通り、アナライザに表示される平均ノイズレベルです。これは、特定の分解能帯域幅 (例: -120 dBm @1 kHz RBW) で表示される場合と、1 Hz に正規化されたもの (通常は dBm/Hz 単位) (例: -150 dBm(Hz)) があります。これは、スペクトラムアナライザの感度とも呼ばれます。平均ノイズレベルに等しい信号レベルが入力されると、3 dB が表示されます。スペクトラムアナライザの感度を上げるには、ノイズ指数が低いプリアンプをスペクトラムアナライザの入力に接続することができます。[ 19 ]
スペクトラムアナライザは、入力スペクトルと出力スペクトルを比較することで、あらゆる種類の無線周波数（RF）回路の周波数応答、ノイズ、歪み特性を測定するために広く使用されています。例えば、RFミキサーでは、スペクトラムアナライザを使用して3次相互変調積と変換損失のレベルを検出します。RF発振器では、スペクトラムアナライザを使用してさまざまな高調波のレベルを検出します。
電気通信分野では、スペクトラムアナライザは占有帯域幅の特定や干渉源の追跡に使用されます。例えば、セルプランナーは、この機器を使用してGSM周波数帯およびUMTS周波数帯における干渉源を特定します。
EMC試験において、スペクトラムアナライザは基本的な事前適合性試験に使用されますが、本格的な試験や認証には使用できません。その代わりに、EMIレシーバーが使用されます。
スペクトラムアナライザは、無線送信機が放射の純度に関する規定規格に従って動作しているかどうかを判断するために使用されます。意図した通信周波数以外の周波数の出力信号は、ディスプレイ上に縦線（ピップ）として表示されます。スペクトラムアナライザは、デジタル信号またはアナログ信号の帯域幅を直接観測することによっても使用されます。
スペクトラムアナライザインターフェースは、無線受信機またはパーソナルコンピュータに接続して、特定の周波数帯域における電磁信号を視覚的に検出・分析するための装置です。これはパノラマ受信と呼ばれ、Wi-Fiや無線ルーターなどの無線ネットワーク機器への干渉源の周波数を特定するために使用されます。
スペクトルアナライザは、RFシールドの評価にも使用できます。RFシールドは、磁気共鳴画像診断装置の設置場所において特に重要です。なぜなら、迷走RF電界はMR画像にアーチファクトを引き起こすからです。[ 20 ]
スペクトル分析は、音声周波数において音声信号の高調波を分析するために使用できます。典型的なアプリケーションは、公称正弦波信号の歪みを測定することです。非常に低歪みの正弦波を被試験機器への入力として使用し、スペクトルアナライザは、追加された歪み成分を含む出力を調べ、基本波の各高調波における歪み率を決定します。このようなアナライザは、かつて「波形アナライザ」と呼ばれていました。分析は、適切な性能を持つサウンドカード[21]と適切なソフトウェアを備えた汎用デジタルコンピュータで実行できます。低歪みの正弦波を使用する代わりに、入力を出力から減算し、減衰および位相補正することで、追加された歪みとノイズのみを取得し、それを分析できます。[ 22 ]
別の手法である全高調波歪み測定では、ノッチフィルタで基本波を打ち消し、残りの信号全体（全高調波歪みとノイズの合計）を測定します。この方法では、アナライザのように高調波ごとの詳細な情報は得られません。
スペクトラムアナライザーは、オーディオエンジニアが自身の作業を評価するためにも使用されます。これらの用途では、スペクトラムアナライザーは波形を表示するのではなく、人間の聴覚範囲全体にわたる周波数帯域の音量レベルを表示します。ライブサウンドの現場では、エンジニアはスペクトラムアナライザーを使用してフィードバックの原因を特定できます。
光スペクトルアナライザは、反射または屈折の技術を用いて光の波長を分離します。電気光学検出器を用いて光の強度を測定し、その結果は通常、無線周波数スペクトルアナライザや音声周波数スペクトルアナライザと同様の方法で画面に表示されます。
光スペクトルアナライザへの入力は、機器の筐体にある開口部、光ファイバー、または光ファイバーケーブルを接続できる光コネクタを介して行うことができる。
波長を分離するためのさまざまな技術が存在する。1つの方法は、例えばチェルニー・ターナー型のような分光器を使用し、出力スリットに光検出器を配置する方法である。分光器内の回折格子が移動すると、検出器によって異なる周波数（色）のバンドが「検出」され、得られた信号がディスプレイにプロットされる。より精密な測定（光スペクトルでMHzまで）は、アナログまたはデジタル制御エレクトロニクスを備えた走査型ファブリ・ペロー干渉計で行うことができる。これは、 2つの高反射ミラー間の距離を変化させる圧電モーターへの電圧ランプを使用して、光共振器の共振周波数を掃引する。共振器に埋め込まれた高感度フォトダイオードは強度信号を提供し、この信号はランプ電圧に対してプロットされ、光パワースペクトルの視覚的表現が生成される。[ 23 ]
光スペクトルアナライザの周波数応答は、用途に応じて800～1600nm（近赤外線）など比較的限定される傾向があるが、（やや）広い帯域幅を持つ汎用機器も存在する。
振動スペクトルアナライザは、さまざまな構成周波数における振動振幅を分析することを可能にします。これにより、特定の周波数で発生する振動を特定し、追跡することができます。特定の機械の問題は特定の周波数で振動を発生させるため、機械の故障を検出または診断することができます。振動スペクトルアナライザは、加速度計、速度変換器、近接センサーなど、さまざまな種類のセンサーからの信号を使用します。機械の状態監視における振動スペクトルアナライザの使用により、ローターの不均衡、シャフトのミスアライメント、機械的な緩み、ベアリングの欠陥など、機械の故障を検出および特定することができます。振動解析は、構造物の共振を特定したり、モード解析を実行したりするために構造物にも使用できます。
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