Speed considerations for Spurious Level Measurements with Spectrum Analyzers

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1 スペクトラム アナライザに よるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 アプリケーションノート 製 品 : R&S FSU R&S FSV R&S FSW スプリアス 信 号 の 測 定 速 度 は 主 にスペ クトラム アナライザの 掃 引 速 度 によっ て 決 まります 従 来 の 掃 引 式 スペクトラ ム アナライザでスプリアス 放 射 制 限 が 厳 しい 場 合 測 定 には 数 時 間 を 要 し 場 合 によっては 1 日 かかってしまうことも あります このアプリケーションノート では 従 来 の 掃 引 式 スペクトラム アナ ライザと 広 帯 域 FFT 処 理 機 能 を 備 えた 最 新 式 のスペクトラム アナライザの 掃 引 速 度 の 違 いを 示 し 一 般 的 なスプリア ス 測 定 の 速 度 がいかに 向 上 するかという ことを 説 明 します アプリケーションノート Kay-Uwe Sander 2012 年 7 月 -1EF80_1J

2 目 次 目 次 1 はじめに 概 要 内 部 ノイズ フロア 検 波 器 の 影 響 アーキテクチャの 比 較 掃 引 式 スペクトラム アナライザのアーキテクチャ 広 帯 域 シグナル/スペクトラム アナライザ スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 掃 引 式 スペクトラム アナライザの 速 度 結 果 FFTベース スペクトラム アナライザの 速 度 結 果 まとめ オーダー 情 報 EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 2

3 はじめに 1 はじめに 被 試 験 体 のスプリアス 放 射 は 高 調 波 放 射 寄 生 放 射 相 互 変 調 成 分 周 波 数 変 換 成 分 などの 望 ましくない 影 響 によって 生 じます 低 レベルのスプリアス 放 射 の 測 定 は 送 信 機 において 最 も 時 間 のかかる 測 定 の 1 つですが これはノイズ フロアを 非 常 に 低 くしなければならないた めです スペクトラム アナライザのノイズ フロアを 抑 えるには 分 解 能 帯 域 幅 を 狭 くする 必 要 があります 帯 域 幅 を 狭 くすると 測 定 時 間 が 長 くなり 掃 引 速 度 も 低 下 します スペクト ラム アナライザのアーキテクチャは スプリアス 放 射 測 定 の 速 度 に 大 きく 影 響 します このアプリケーションノートでは 掃 引 式 スペクトラム アナライザ 方 式 と 広 帯 域 FFT ベー スの 最 新 式 シグナル/スペクトラム アナライザのアーキテクチャの 違 いを 比 較 し それが 掃 引 速 度 に 及 ぼす 影 響 について 述 べます 以 下 では まず 掃 引 速 度 の 理 論 的 背 景 について 説 明 し 次 いで 実 際 のスプリアス 測 定 結 果 を 示 します 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 3

4 概 要 2 概 要 一 般 的 なスプリアス 放 射 測 定 では 広 い 周 波 数 範 囲 にわたってノイズ フロアを 抑 えることが 求 められます ダイナミックレンジの 下 端 では スペクトラム アナライザの 内 部 ノイズ フ ロアが 最 も 重 要 な 制 限 要 因 となります 通 常 S/N 比 を 許 容 可 能 なレベルに 保 つには この 値 をスプリアス 放 射 の 制 限 値 より 10 db 低 くする 必 要 があります 内 部 ノイズ フロアはスペク トラム アナライザの 設 計 によって 決 まりますが 使 用 可 能 な 測 定 範 囲 は 選 択 した 分 解 能 帯 域 幅 と 使 用 する 検 波 器 によっても 制 限 されます 帯 域 幅 を 1/10 にすれば 測 定 のノイズ フロ アは 10 db 低 下 します ただし ノイズ フロアを 低 下 させると 測 定 時 間 が 大 幅 に 長 くなりま す したがって 全 体 としての 測 定 時 間 を 許 容 範 囲 にとどめるには スプリアス レベル 要 件 に 合 った 帯 域 幅 を 選 ぶことが 重 要 です 2.1 内 部 ノイズ フロア 一 般 的 なスプリアス 測 定 では 分 解 能 帯 域 幅 フィルタの 設 定 を 調 整 して スペクトラム アナ ライザのノイズ フロアを 試 験 要 件 より 低 くします スペクトラム アナライザの 内 部 ノイ ズ フロアは 指 定 された 分 解 能 帯 域 幅 (すなわち RBW 1 Hz)における 表 示 平 均 ノイズ レ ベル(Displayed Average Noise Level:DANL)として 仕 様 化 されます 高 性 能 スペクトラム アナライザにおける 標 準 的 な 値 は 1 Hz 帯 域 幅 で-155 dbm 程 度 です スプリアス 測 定 における ノイズ フロアは 必 要 帯 域 幅 によって 異 なり DANL を 基 に 決 定 することができます 分 解 能 帯 域 幅 が 試 験 要 件 に 定 められていない 場 合 は 与 えられた 最 大 ノイズ レベルから 適 切 な 分 解 能 帯 域 幅 を 計 算 することができます 分 解 能 帯 域 幅 に 合 わせたノイズ フロアの 補 正 には 次 の 式 を 使 用 します DANL (RBW) RBW / Hz DANL (1 Hz) 10 log 1 Hz (1) ここで DANL (RBW) DANL (1 Hz) RBW / Hz = 選 択 した RBW の 表 示 平 均 ノイズ レベル = 1 Hz 帯 域 幅 の 表 示 平 均 ノイズ レベル = 選 択 した 分 解 能 帯 域 幅 たとえば 1 khz の 分 解 能 帯 域 幅 では 表 示 平 均 ノイズ フロアを 30 db 補 正 する 必 要 がありま す 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 4

5 概 要 2.2 検 波 器 の 影 響 最 新 式 のスペクトラム アナライザは ラスタ スキャンを 使 用 して 液 晶 ディスプレイ 上 にス ペクトラムを 表 示 します 液 晶 ディスプレイは 周 波 数 軸 のピクセル 数 が 限 られています し たがってスプリアス 信 号 測 定 のように 広 い 周 波 数 範 囲 を 狭 い 分 解 能 帯 域 幅 (RBW よりも 広 い ピクセル 幅 )で 測 定 するときは 各 周 波 数 ポイントのレベル 情 報 を 使 用 可 能 な 表 示 ピクセル 数 まで 圧 縮 する 必 要 があります スペクトラム アナライザは 一 連 の 検 波 器 機 能 を 使 用 してこ の 作 業 を 行 いますが ピーク サンプル RMS といったタイプの 検 波 器 機 能 が 最 も 頻 繁 に 使 わ れます サンプル 検 波 器 は x 軸 上 のピクセル 1 個 につき 1 つのレベル 測 定 値 を 生 成 します 当 然 この 場 合 は 信 号 情 報 がすべて 失 われる 可 能 性 があり 1 個 のピクセルがカバーする 周 波 数 範 囲 に 比 べて RBW が 小 さい 場 合 は 特 にその 傾 向 が 強 くなります 一 般 的 に スペクトラム アナライザの ノイズ フロアの 記 述 にはサンプル 検 波 器 が 使 われます ほとんどのアナライザは 平 均 電 力 測 定 用 の RMS 検 波 を 備 えています RMS 検 波 器 の 場 合 高 いサンプリング レートでレベル エンベロープがサンプリングされ 平 均 電 力 の 計 算 には これらのサンプルがすべて 使 われます スプリアス 放 射 測 定 ( 特 にノイズに 似 た 信 号 や 広 帯 域 変 調 信 号 を 測 定 する 場 合 )では 平 均 電 力 を 測 定 することが 求 められま データシートに 示 さ れる 表 示 平 均 ノイズ フロアは ビデオ アベレージングまたはトレース アベレージングを 使 用 し サンプル 検 波 器 によって 測 定 されます DANL は トレースの 対 数 スケールとアベ レージング プロセスによって ノイズ 電 力 より 2.51 db 低 くなります したがって ノイズ 電 力 を 得 るには DANL を 2.51 db 補 正 する 必 要 があります レーダー 送 信 機 のようなパルス 化 されたシステムのスプリアス 放 射 測 定 は 一 般 的 にピーク 検 波 器 を 使 って 行 われます ピーク 検 波 器 の 利 点 は 信 号 が 失 われる 心 配 がなく 測 定 結 果 が 最 悪 値 であることです ピーク 検 波 器 はすべてのレベル 結 果 を 収 集 しますが スペクトラム ア ナライザは 1 つのピクセルの 周 波 数 範 囲 を 掃 引 し 各 ピクセルは そのピクセルがカバーする 周 波 数 範 囲 のピーク 結 果 を 示 します トレースの 周 波 数 分 解 能 は そのスパンを 掃 引 点 数 で 除 した 値 に 制 限 されます したがって 掃 引 点 数 を 増 やせば スプリアス 測 定 結 果 の 周 波 数 分 解 能 を 向 上 させることができます ピーク 検 波 器 による 測 定 のノイズ フロアは サンプル 検 波 器 または RMS 検 波 器 の 場 合 よりも はるかに 高 くなります これは 検 波 器 が 常 に 最 大 ピーク 値 を 取 り 込 むためです ノイズ フ ロアのピーク 値 は 各 ピクセルの 観 測 時 間 によって 異 なります スペクトラム アナライザの ノイズ フロアは 白 色 ガウス ノイズと 見 なすことができるので ピーク 電 力 と 平 均 電 力 の 差 に 関 する 最 悪 値 すなわちクレスト ファクタは 約 12 db です ノイズ フロアが 試 験 限 界 値 より 低 くなるように RBW を 設 定 するには この 値 を 考 慮 に 入 れる 必 要 があります スペクトラム アナライザのアーキテクチャとその 速 度 性 能 を 比 較 するには 比 較 可 能 な 条 件 を 用 いる 必 要 があります ノイズ レベルが RBW 値 や 検 波 器 に 依 存 する 際 の 原 則 は どのタイ プのスペクトラム アナライザでも 同 じなので 比 較 にあたってはこれを 無 視 することができ ます スペクトラム アナライザの DANL( 平 均 ノイズ レベル)は 非 常 に 重 要 な 検 討 対 象 の 1 つです 各 値 が 同 様 の 条 件 下 で 指 定 されていることを 検 証 するのは 重 要 なことですが 中 でも 帯 域 幅 はメーカーによって 異 なるので この 値 は 最 も 重 要 です 以 下 の 項 では 高 性 能 ス ペクトラム アナライザの 比 較 を 行 います ノイズ フロアに 関 しては どのアナライザも 非 常 によく 似 た RF フロントエンド アーキテクチャを 採 用 しているので ノイズ フロアも 広 い 周 波 数 範 囲 にわたってよく 似 たものとなっています 比 較 のため ここでは 試 験 限 界 値 のレベ ルが 低 いものと 仮 定 します 試 験 の 限 界 値 に 関 しては どちらのアナライザにおいても 同 様 の 分 解 能 帯 域 幅 を 選 択 することによって その 値 に 達 するまでに 十 分 な 余 裕 を 取 るものとします 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 5

6 アーキテクチャの 比 較 3 アーキテクチャの 比 較 前 の 項 では 分 解 能 帯 域 幅 と 使 用 検 波 器 に 対 するノイズ フロアの 依 存 性 について 述 べました 以 下 の 項 では 従 来 型 のスペクトラム アナライザと FFT ベースの 最 新 式 シグナル アナライ ザにおける 分 解 能 帯 域 幅 フィルタの 現 実 的 な 実 装 方 法 を 比 較 します スペクトラム アナライザの 掃 引 速 度 は 選 択 した 分 解 能 帯 域 幅 だけではなく このフィルタ の 実 装 方 法 選 択 した 周 波 数 スパン およびデータを 処 理 して 周 波 数 掃 引 を 行 うためのオーバ ヘッドにも 依 存 します ここでは 掃 引 式 スペクトラム アナライザで 実 現 できる 掃 引 速 度 と 最 新 式 の 広 帯 域 シグナル アナライザやスペクトラム アナライザで 実 現 できる 掃 引 速 度 の 主 な 差 が この 実 装 にあることを 明 らかにします 3.1 掃 引 式 スペクトラム アナライザのアーキテクチャ 下 のブロック 図 は 従 来 のアナログ スペクトラム アナライザの 基 本 概 念 を 示 したものです このブロック 図 に 含 まれているのは 掃 引 動 作 を 説 明 する 上 で 重 要 なコンポーネントだけで RF 変 換 段 の 完 全 な 図 が 示 されているわけではありません 図 1: 掃 引 式 アナログ スペクトラム アナライザの 簡 易 ブロック 図 この 図 は 基 本 的 に R&S FSU のよ うに 狭 帯 域 デジタル バックエンドを 備 えたスペクトラム アナライザにもあてはまる 掃 引 式 スペクトラム アナライザでは ミキサ 段 において 広 帯 域 入 力 周 波 数 範 囲 が 最 終 的 な IF 周 波 数 に 変 換 され ローカル 発 振 器 が 定 められた 周 波 数 範 囲 (=スパン)を 掃 引 し そのレベ ル 測 定 結 果 がディスプレイ 上 にプロットされます 周 波 数 スパン 全 体 にわたって 掃 引 を 行 うた めの 時 間 が 掃 引 時 間 です IF 信 号 処 理 では ガウス 形 状 に 近 いアナログ フィルタを 使 用 して 分 解 能 帯 域 幅 を 形 成 しますが これが 周 波 数 軸 に 密 に 並 んだ 信 号 を 分 離 識 別 する 能 力 を 決 定 します 分 解 能 帯 域 幅 は 周 波 数 分 解 能 とノイズ フロアを 決 定 するだけではなく 掃 引 速 度 を 制 限 する 主 要 因 でもあります RBW フィルタの 出 力 信 号 は 検 波 器 を 通 じてビデオ 帯 域 幅 に 処 理 されます ビデオ フィルタの 目 的 は トレースのノイズを 減 らすことです スプリアス 放 射 測 定 の 目 的 は 存 在 する 最 大 のピーク レベルを 測 定 することです この 場 合 通 常 ビ デオ フィルタは 分 解 能 帯 域 幅 フィルタと 等 しく 設 定 されるので 設 定 時 間 と 掃 引 時 間 には 影 響 しません すべての 周 波 数 でレベルを 正 しく 測 定 するには アナログ フィルタが 入 力 信 号 のレベル 変 化 に 追 随 できるだけの 十 分 な 時 間 が 必 要 です したがって 従 来 の 掃 引 式 アナロ グ アナライザの 場 合 掃 引 時 間 は 次 式 で 計 算 されます Span / Hz SWT k * (RBW / Hz) 2 (2) 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 6

7 アーキテクチャの 比 較 ここで SWT = 掃 引 時 間 ( 秒 ) Span / Hz = 周 波 数 スパン(Hz) RBW / Hz = 分 解 能 帯 域 幅 (Hz) k = 分 解 能 フィルタ セトリングのための 補 正 係 数 標 準 値 は 1~3 上 の 式 の 補 正 係 数 は 分 解 能 帯 域 幅 フィルタが 入 力 信 号 レベルに 達 するまでの 時 間 に 影 響 を 与 えるので 測 定 のレベル 精 度 にも 影 響 します ほとんどのアナログ スペクトラム アナライ ザでは 1%の 残 留 レベル 誤 差 が 許 容 されますが これは k=2.5 に 相 当 します R&S FSV や R&S FSW のような 完 全 デジタル 式 の IF セクションを 持 つ 最 新 式 スペクトラム アナライザは デジタル 実 装 された 掃 引 式 分 解 能 帯 域 幅 フィルタを 採 用 しています これらの アナライザでは IF フィルタのセトリングを 数 学 的 に 予 想 することによって 掃 引 時 間 が 短 縮 し ており フィルタのセトリング プロセスについて 一 定 量 のレベル 誤 差 が 許 容 されています フィルタの 挙 動 は 予 測 可 能 なので これらの 誤 差 はソフトウェアで 補 正 されます この 改 善 に よって k ファクタの 値 を 約 1 に 減 らしても 正 確 な 測 定 が 可 能 になっています 例 :1 GHz スパン 1 khz RBW: SWT (s) 9 10 Hz khz (2a) この 場 合 の 所 定 のスパンと 帯 域 幅 に 対 する 掃 引 時 間 は 1000 秒 です 他 の 範 囲 に 対 する 掃 引 時 間 も 同 様 に 計 算 することができます 掃 引 測 定 による 合 計 測 定 時 間 は 掃 引 時 間 だけで 構 成 されているわけではありません スペク トラム アナライザは すべての 掃 引 結 果 の 処 理 やトレースの 表 示 を 行 うほか リモート コ ントローラへデータを 送 ることもあります ただし 狭 帯 域 掃 引 測 定 の 場 合 その 追 加 処 理 に かかる 時 間 は 長 くなく 合 計 測 定 時 間 に 対 して 無 視 できる 程 度 に 止 まります 掃 引 式 スペクト ラム アナライザの 狭 帯 域 分 解 能 フィルタは 処 理 に 要 する 合 計 時 間 が 長 いため あまり 魅 力 的 な 方 法 とは 言 えません したがって スペクトラム アナライザでは 掃 引 速 度 を 向 上 させるた め 掃 引 方 式 による 測 定 からデジタル FFT ベースのソリューションに 置 き 換 えられています 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 7

8 アーキテクチャの 比 較 3.2 広 帯 域 シグナル/スペクトラム アナライザ 下 のブロック 図 は FFT ベースのシグナル/スペクトラム アナライザの 基 本 概 念 を 示 したもの です 掃 引 式 スペクトラム アナライザとの 違 いを 理 解 する 上 で 重 要 な 主 要 コンポーネントだ けが 示 されています Input Input Attenuator Mixer IF Gain Image Rej. Filter e.g. Rectangular Wideband digital IF processing ADC Local Oscillator Stepped Sweep Display 図 2:デジタル バックエンドを 持 つスペクトラム アナライザの 簡 易 ブロック 図 重 要 な 違 いは IF フィルタとその 後 の 信 号 処 理 です アナログ 式 のスペクトラム アナライザ では アナログ RBW フィルタと 狭 帯 域 デジタル RBW フィルタを 周 波 数 範 囲 全 体 にわたって 掃 引 しますが 最 新 式 のシグナル/スペクトラム アナライザは FFT を 行 って 分 解 能 帯 域 幅 フィ ルタを 実 装 します したがって これらのアナライザの IF セクションにある 他 のフィルタは 主 にイメージを 除 去 するため または A/D コンバータ 前 段 の 帯 域 外 信 号 を 制 限 するために 設 計 されています 通 常 広 帯 域 シグナル/スペクトラム アナライザには A/D コンバータの 前 段 に 2 個 から 3 個 のアナログ フィルタが 異 なる 帯 域 幅 で 実 装 されています デジタル 化 され た IF 信 号 は さらに FFT とその 後 の 検 波 器 およびビデオ フィルタによって 処 理 されます 周 波 数 スパン 全 域 にわたる 掃 引 は 線 形 掃 引 としては 行 われず ダウンコンバータ セクションに ある 発 振 器 の 離 散 周 波 数 設 定 における FFT セットに 置 き 換 えられます 注 :このアプリケーションノートのブロック 図 は 四 角 形 で 示 されたアナログ IF フィルタを 持 つ 広 帯 域 デジタル スペクトラム アナライザを 示 したものです もちろん これは 構 造 を 正 確 に 示 すものではありませんが ガウス 形 状 RBW フィルタとの 違 いを 図 示 しています 掃 引 レートに 及 ぼす 影 響 という 点 で 重 要 なのはフィルタ 形 状 ではなく フィルタ 帯 域 幅 であり そ の 帯 域 幅 に 基 づく 使 用 可 能 範 囲 です FFT 処 理 は 長 年 にわたり ごく 小 さい RBW フィルタ やスパンに 使 われてきました 最 新 式 のスペクトラム アナライザとその 広 帯 域 A/D コンバー タ アーキテクチャの 場 合 各 FFT の 周 波 数 範 囲 は 100 MHz 以 上 です これらの FFT ベースのスペクトラム アナライザの 掃 引 時 間 は 3 つの 主 要 部 分 からなってい ます - FFT で 使 用 するサンプルの 収 集 時 間 - FFT の 処 理 時 間 - ダウンコンバータの 周 波 数 ステップ FFT のサンプル 収 集 時 間 は 選 択 した 分 解 能 帯 域 幅 に 逆 比 例 します k AQT (s) RBW / Hz (3) 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 8

9 アーキテクチャの 比 較 ここで AQT (s) = FFT のサンプル 収 集 時 間 ( 秒 ) RBW / Hz = 分 解 能 帯 域 幅 (Hz) k = FFT 重 み 付 けフィルタの 補 正 係 数 標 準 値 は 2~4 上 の 式 の 補 正 係 数 k は FFT に 使 用 する 重 み 付 けフィルタに 依 存 しており 結 果 的 にフィルタの 設 計 に 依 存 しています 多 くのスペクトラム アナライザは レベル 精 度 を 上 げるためにフ ラットトップ フィルタを 使 用 しているので 係 数 は 2~4 を 採 用 しています 1 khz RBW の 場 合 収 集 時 間 は FFT に 対 して 4 ms 未 満 です 収 集 時 間 は RBW に 逆 比 例 します これは 掃 引 式 アナライザとの 主 な 違 いの 1 つで 掃 引 式 の 場 合 は RBW の 二 乗 に 逆 比 例 するので 帯 域 幅 が 狭 いことによる 影 響 がより 大 きくなります 信 号 の 収 集 が 終 了 すると FFT が 計 算 されます FFT のデータ 処 理 時 間 はアーキテクチャによって 異 なり 全 体 的 な 測 定 速 度 に 大 きく 影 響 しま す 合 計 測 定 時 間 にとって 重 要 なもう 1 つの 要 因 は 使 用 可 能 なキャプチャ 帯 域 幅 です この 帯 域 幅 はアナライザの 設 計 によって 決 まり 対 象 となる 周 波 数 範 囲 をカバーするための 周 波 数 ステップ 数 に 影 響 を 与 えます これは 周 波 数 範 囲 が 広 い 場 合 に 重 要 なことです キャプチャ 帯 域 幅 が 広 くなるほど 必 要 な 周 波 数 ステップの 数 は 少 なくなります 少 なくとも 3 つある 要 因 のうち その 値 を 正 確 に 知 ることのできるのは 1 つだけなので FFT ベースのスペクトラム アナライザの 合 計 掃 引 速 度 を 予 測 することは 困 難 です 速 度 に 影 響 す るこれら 3 つの 要 因 のうち 他 の 2 つのパラメータはアーキテクチャによって 異 なり ほとん どの 場 合 は 仕 様 化 されていません 次 の 項 では アナライザについての 理 解 を 深 めるために いくつかの 標 準 的 な 測 定 における 合 計 速 度 を 比 較 します 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 9

10 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 4 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 前 項 では 標 準 的 なスペクトラム アナライザ アーキテクチャの 違 いを 紹 介 し RBW フィル タが 掃 引 時 間 にどのような 影 響 を 及 ぼすのかを 説 明 しました この 項 では さまざまなアーキ テクチャの 測 定 器 を 使 用 して 得 たスプリアス 放 射 の 測 定 結 果 を 比 較 します スペクトラム ア ナライザ アーキテクチャの 比 較 においては 同 様 の 条 件 を 整 えることが 重 要 ですが 平 均 ノイ ズ レベルは 特 に 重 要 です これによって 同 じ 帯 域 幅 を 使 用 することが 可 能 になり さらに 各 種 アーキテクチャの 掃 引 速 度 を 直 接 比 較 することが 可 能 になります この 比 較 に 使 用 した 高 性 能 スペクトラム アナライザの RF フロントエンド アーキテクチャは 非 常 によく 似 ているた め ノイズ フロアもよく 似 たものとなっています DANL/dBm DANL Comparison R&S FSU vs FSW FSU26 1 khz FSW26 1 khz Frequency / MHz 図 3: 同 じ RBW 設 定 (1 khz)を 使 用 した 場 合 の R&S FSU( 掃 引 式 スペクトラム アナライザ)と R&S FSW(FFT 使 用 の 広 帯 域 デジタル バックエンド)におけるピーク ノイズ レベルの 比 較 R&S FSU と R&S FSW のノイズ フロアの 比 較 を 図 3 に 示 します 世 代 は 異 なりますが どち らのモデルも 高 性 能 のスペクトラム アナライザです R&S FSU は 基 本 的 に 掃 引 式 スペクトラ ム アナライザとして 設 計 されたもので デジタル 式 の 分 解 能 帯 域 幅 フィルタ(k=1)を 使 用 し ています さらに 30 khz までの 限 定 的 な 分 解 能 帯 域 幅 範 囲 で FFT 解 析 を 行 うことができます R&S FSW は 広 帯 域 シグナル アナライザとして 設 計 されており FFT フィルタリングによって 掃 引 時 間 を 短 縮 できる 場 合 は 自 動 的 に FFT フィルタリングを 選 択 します どちらのタイプも 26.5 GHz までの 周 波 数 範 囲 で 同 様 のノイズ フロアを 実 現 します したがって 速 度 比 較 の 際 に は 直 接 比 較 を 行 うことができるように 1 khz の 同 じ 分 解 能 帯 域 幅 を 選 択 します 掃 引 式 の 分 解 能 帯 域 幅 フィルタを 使 用 する 従 来 型 のスペクトラム アナライザの 場 合 は 掃 引 時 間 を 簡 単 に 計 算 することができます この 計 算 の 結 果 得 られる 掃 引 時 間 は 26,500 秒 です 通 常 は 最 大 掃 引 時 間 が 10,000 秒 に 制 限 されているので これはほとんどのスペクトラム アナラ イザの 能 力 を 超 える 値 です 掃 引 時 間 はスパンに 比 例 するので この 比 較 における 以 後 の 測 定 は 1 GHz スパンのセグメント 内 で 行 い 掃 引 時 間 について 得 られた 結 果 を GHz ごとに 示 します 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 10

11 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 4.1 掃 引 式 スペクトラム アナライザの 速 度 結 果 掃 引 式 スペクトラム アナライザの 速 度 性 能 は R&S FSU を 使 用 して 測 定 します ピーク ノ イズ フロアを 約 -110 dbm に 減 らすために 分 解 能 帯 域 幅 は 1 khz に 設 定 します ビデオ 帯 域 幅 は 分 解 能 帯 域 幅 と 等 しく 設 定 されるので 掃 引 速 度 には 影 響 しません 測 定 は 掃 引 時 間 を 許 容 範 囲 内 に 抑 えるために 10 MHz から 26 GHz まで 1 GHz スパンで 実 施 します 測 定 は 処 理 オーバヘッドやデータ 転 送 などを 含 む 実 際 の 合 計 測 定 時 間 を 見 るために リモート コント ローラから 制 御 します R&S FSU: Time per 1 GHz segment (Swept Mode) Time / s GHz 6 GHz 11 GHz 16 GHz 21 GHz 26 GHz Frequency segment 図 4:R&S FSU スペクトラム アナライザの 1 GHz スパンあたりの 合 計 測 定 時 間 (RBW = 1 khz) すでに 説 明 したように 周 波 数 掃 引 範 囲 の 1 GHz セグメントあたりの 合 計 測 定 時 間 は 約 1,000 秒 です 実 際 のスプリアス 測 定 には 非 常 に 長 い 時 間 がかかり 下 限 値 まで 測 定 を 行 わなければ ならない 場 合 測 定 時 間 は 特 に 長 くなります 平 均 掃 引 時 間 は 次 の 通 りです RBW 1 khz: 1000 s / GHz 10 GHz でのピーク ノイズ レベル:-100 dbm RBW 10 khz: 10 s / GHz 10 GHz でのピーク ノイズ レベル:-90 dbm ノイズ レベルと 掃 引 時 間 はこのアプリケーションノートの 最 初 に 示 した 計 算 規 則 に 従 うので 他 の 測 定 対 象 設 定 に 関 する 予 想 ノイズ レベルと 掃 引 時 間 を 計 算 することができます 厳 しい スプリアス 放 射 制 限 を 伴 う 測 定 を 従 来 の 掃 引 式 スペクトラム アナライザで 行 う 場 合 非 常 に 長 い 時 間 がかかることは 明 らかです 次 項 では より 迅 速 に 結 果 を 得 るための 改 善 の 可 能 性 について 示 します R&S FSU スペクトラ ム アナライザは FFT ベースの 分 解 能 帯 域 幅 フィルタを 使 用 して 同 じ 測 定 を 行 うことができ ます このアナライザを 使 用 すれば 信 号 収 集 プロセスと FFT フィルタ 処 理 を 従 来 の 掃 引 より もはるかに 高 速 に 行 うことができるので 10 khz 未 満 の 帯 域 幅 での 測 定 速 度 を 向 上 させること ができます 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 11

12 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 4.2 FFTベース スペクトラム アナライザの 速 度 結 果 R&S FSU と R&S FSW の 間 で FFT ベースのスペクトラム アナライザの 速 度 性 能 を 比 較 しま す 掃 引 式 アナライザによる 測 定 結 果 と 直 接 比 較 するために 分 解 能 帯 域 幅 は 1 khz に 設 定 し ます ビデオ 帯 域 幅 は 分 解 能 帯 域 幅 と 同 じに 設 定 されるので 掃 引 速 度 には 影 響 しません 測 定 は 10 MHz から 26 GHz まで 1 GHz スパンでセグメントごとに 実 施 します 測 定 は 実 際 の 合 計 測 定 時 間 を 見 るために リモート コントローラから 制 御 します FFT ベースの 測 定 の 場 合 は 処 理 オーバヘッドが 合 計 時 間 の 主 要 部 分 を 占 めるので これは 重 要 なことです 多 くのス ペクトラム アナライザがこの 処 理 時 間 の 予 測 値 を 表 示 しますが 誤 差 が 大 きく 速 度 比 較 に は 使 えません 図 5:FFT モードにおける R&S FSU の 掃 引 時 間 表 示 (スパン 1 GHz RBW 1 khz) 図 5 に 示 したスクリーン ショットは 1 つのセグメントに 対 する R&S FSU での 測 定 結 果 を 示 したものです スペクトラムの 測 定 結 果 の 上 にあるヘッダ 部 分 には AQT(=データ 収 集 時 間 ) 情 報 が 示 されています AQT 20 s というのは 入 力 信 号 のキャプチャに 要 する 合 計 時 間 を 示 しています これは 補 正 などを 加 えていない 生 の 測 定 時 間 に 直 接 関 係 しているので 重 要 な 情 報 であり 試 験 信 号 が 変 調 されたりパルス 化 されたりする 可 能 性 のあるケースでは 特 に 重 要 です これらの ケースでは それぞれの 周 波 数 ポイントで 信 号 をキャプチャする 際 に 十 分 な 時 間 をかけること が 重 要 です すべての 処 理 時 間 も 含 めた 合 計 掃 引 時 間 を AQT から 直 接 計 算 することはできま せん それは FFT の 処 理 時 間 が 合 計 測 定 時 間 の 大 きな 部 分 を 占 めるためです 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 12

13 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 R&S FSU 26: Time per 1 GHz segment (FFT Mode) Time / s GHz 6 GHz 11 GHz 16 GHz 21 GHz 26 GHz Frequency segment 図 6:R&S FSU スペクトラム アナライザの 1 GHz スパンあたりの 測 定 時 間 (RBW = 1 khz) 図 6 は R&S FSU を FFT モードで 使 用 して 行 ったスプリアス 放 射 測 定 の 結 果 を 示 したもので す 他 のすべての 設 定 は 掃 引 モードによる 測 定 の 設 定 と 同 じです R&S FSU は A/D コン バータ 前 段 にあるアナログ 分 解 能 帯 域 幅 フィルタを 使 用 し 限 られたキャプチャ 帯 域 幅 の 中 で FFT 処 理 を 実 行 します 帯 域 幅 能 力 が 限 られているので 数 多 くの FFT を 実 行 しなければならず これが 合 計 処 理 時 間 に 大 きく 影 響 する 結 果 となります スクリーン ショットに 示 すように この 測 定 のデータ 取 得 時 間 は 20 秒 で 10 MHz から 26 GHz までの FFT 掃 引 に 要 する 合 計 測 定 時 間 は 約 27 分 です これに 対 し 掃 引 式 の 分 解 能 帯 域 幅 フィルタを 使 用 して 測 定 を 行 うと 同 じ 設 定 で 7 時 間 以 上 かかるので 測 定 時 間 は 大 幅 に 短 縮 されています スパン 26 GHz RBW 1 khz 掃 引 フィルタ: 433 分 (1 GHz あたり 約 17 分 ) スパン 26 GHz RBW 1 khz FFT フィルタ: 23 分 (1 GHz あたり 約 1 分 ) 改 善 : 同 じ 測 定 器 で 15 倍 以 上 高 速 この 測 定 に 最 新 式 の 広 帯 域 シグナル スペクトラム アナライザを 使 用 すれば さらに 測 定 時 間 を 短 縮 できます R&S FSW は 広 いキャプチャ 帯 域 幅 で FFT を 実 行 するので 同 じスパンをカバーするために 必 要 とされる FFT の 数 が 以 前 より 少 なくて 済 みます R&S FSU の 最 大 キャプチャ 帯 域 幅 が 約 2 MHz であるのに 対 し R&S FSW は FFT による 1 回 のデータ 取 得 で 最 大 80 MHz の 帯 域 幅 を キャプチャします つまり キャプチャ 範 囲 が 広 いため FFT 処 理 の 回 数 が 少 なくて 済 み 実 行 する 周 波 数 ステップも 少 なくできることが 利 点 です 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 13

14 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 FFT キャプチャ 範 囲 が 広 いので 1 回 の FFT で 処 理 できるサンプルの 数 ははるかに 多 くなりま す R&S FSW には 分 解 能 フィルタ 信 号 処 理 の 時 間 を R&S FSU に 比 べて 大 幅 に 短 縮 するため に 高 速 コントローラが 組 み 込 まれています 図 7:FFT モードにおける R&S FSW の 掃 引 時 間 表 示 (スパン 1 GHz RBW 1 khz) 図 7 に 示 したスクリーン ショットは 1 GHz 掃 引 セグメントの 1 つに 対 する R&S FSW での 測 定 結 果 を 示 したものです この 周 波 数 範 囲 におけるすべての FFT に 対 する 合 計 データ 収 集 時 間 は 約 300 ミリ 秒 です(R&S FSU では 20 秒 ) これは 試 験 速 度 改 善 の 重 要 な 要 素 です 次 に 示 すプロットは 処 理 時 間 とコントローラへのデータ 転 送 時 間 を 含 む 掃 引 速 度 試 験 の 結 果 です 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 14

15 スプリアス 測 定 : 速 度 結 果 R&S FSW: Time per 1 GHz segment (FFT Mode) Time / s GHz 6 GHz 11 GHz 16 GHz 21 GHz 26 GHz Frequency segment 図 8:R&S FSW スペクトラム アナライザの 1 GHz スパンあたりの 合 計 測 定 時 間 (RBW = 1 khz) 図 8 は R&S FSW を FFT モードで 使 用 して 行 った 測 定 結 果 を 示 したものです 他 のすべての 設 定 は R&S FSU による 測 定 の 設 定 と 同 じです R&S FSW は A/D コンバータ 前 段 にあるワ イド チャネル フィルタを 使 用 し はるかに 広 いキャプチャ 帯 域 幅 で FFT 処 理 を 実 行 します この 測 定 におけるデータ 取 得 時 間 はスクリーン ショットに 示 すように 約 300 ミリ 秒 で 1 GHz スパンで 行 うそれぞれの FFT 掃 引 に 要 する 合 計 時 間 は 約 8 秒 です 18 GHz よりも 上 の 各 セグメントにおける 合 計 測 定 時 間 がわずかに 増 えるのは R&S FSW が 採 用 するダウンコンバー タの 概 念 によるものです 18 GHz を 超 える 周 波 数 では 初 段 のローカル 発 振 器 が 2 倍 されます ステップ 掃 引 とこの 2 倍 プロセスに 伴 い セットアップで 使 われている 1 GHz スパンを 実 現 するためには 追 加 的 な FFT 処 理 を 行 う 必 要 があります それぞれの FFT には 約 300 ミリ 秒 の データ 取 得 時 間 と 処 理 時 間 が 必 要 なので そのセグメントに 要 する 時 間 が 少 し 増 える 結 果 とな ります 26 GHz までの 全 周 波 数 範 囲 に 対 する 合 計 時 間 は わずか 3.5 分 です R&S FSU:スパン 26 GHz RBW 1 khz FFT フィルタ 27 分 (1 GHz あたり 60 秒 ) R&S FSW:スパン 26 GHz RBW 1 khz FFT フィルタ 3.5 分 (1 GHz あたり 8 秒 ) 改 善 : R&S FSW は R&S FSU より 約 8 倍 高 速 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 15

16 まとめ 5 まとめ 高 速 な 測 定 は 多 くのアプリケーションにとって 重 要 です 特 に リミット 値 が 非 常 に 低 いス プリアス 測 定 は 極 めて 時 間 のかかる 作 業 でした 最 新 式 の 広 帯 域 シグナル スペクトラム アナライザでは 低 レベル スプリアス 放 射 の 測 定 速 度 が 大 幅 に 向 上 しており 完 全 デジタル 式 の IF 処 理 と 高 速 フーリエ 変 換 (FFT) 解 析 の 組 み 合 わせによって IF 掃 引 のデジタル 実 装 と 比 較 して 速 度 が 大 幅 に 改 善 されています 特 に 広 いキャプチャ 帯 域 幅 と 強 力 な 信 号 処 理 機 能 を 兼 ね 備 えた R&S FSW のようなアーキテクチャを 利 用 すれば 測 定 時 間 を 大 幅 に 短 縮 するこ とができます R&S FSW は これまでのデジタル スペクトラム アナライザに 比 べて 速 度 が 大 幅 に 向 上 して おり RBW が 狭 いときには 100 倍 以 上 の 速 度 で 測 定 を 行 うことが 可 能 です 1EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 16

17 オーダー 情 報 6 オーダー 情 報 R&S FSU3 スペクトラム アナライザ 20 Hz~3.6 GHz R&S FSU8 スペクトラム アナライザ 20 Hz~8 GHz R&S FSU26 スペクトラム アナライザ 20 Hz~26.5 GHz R&S FSU43 スペクトラム アナライザ 20 Hz~43 GHz R&S FSU50 スペクトラム アナライザ 20 Hz~50 GHz R&S FSU67 スペクトラム アナライザ 20 Hz~67 GHz R&S FSV3 シグナル アナライザ 10 Hz~3.6 GHz R&S FSV7 シグナル アナライザ 10 Hz~7 GHz R&S FSV13 シグナル アナライザ 10 Hz~13.6 GHz R&S FSV30 シグナル アナライザ 10 Hz~30 GHz R&S FSV40 シグナル アナライザ 10 Hz~40 GHz R&S FSW8 シグナル スペクトラム アナライザ 2 Hz~8 GHz R&S FSW13 シグナル スペクトラム アナライザ 2 Hz~13.6 GHz R&S FSW26 シグナル スペクトラム アナライザ 2 Hz~26.5 GHz EF80-1J ローデ シュワルツ スペクトラム アナライザによるスプリアス レベル 測 定 速 度 に 関 する 検 討 事 項 17

18 ローデ シュワルツについて ローデ シュワルツ グループ( 本 社 :ドイツ ミュンヘン)は エレクトロニクス 分 野 に 特 化 し 電 子 計 測 放 送 無 線 通 信 の 監 視 探 知 お よび 高 品 質 な 通 信 システムなどで 世 界 をリード しています 75 年 以 上 前 に 創 業 し 世 界 70 カ 国 以 上 で 販 売 と 保 守 修 理 を 展 開 している 会 社 です ローデ シュワルツ ジャパン 株 式 会 社 本 社 / 東 京 オフィス 東 京 都 新 宿 区 西 新 宿 住 友 不 動 産 西 新 宿 ビル 27 階 TEL: /1287 FAX: /1285 神 奈 川 オフィス 神 奈 川 県 横 浜 市 港 北 区 新 横 浜 Attend on Tower 16 階 TEL: ( 代 ) FAX: 大 阪 オフィス 大 阪 府 吹 田 市 江 坂 町 TEK 第 2 ビル 8 階 TEL: ( 代 ) FAX: サービスセンター 埼 玉 県 さいたま 市 浦 和 区 針 ヶ 谷 さくら 浦 和 ビル 4 階 TEL: FAX: [email protected] このアプリケーションノートと 付 属 のプログラ ムは ローデ シュワルツのウェブサイトのダ ウンロード エリアに 記 載 されている 諸 条 件 に 従 ってのみ 使 用 することができます 掲 載 されている 記 事 図 表 などの 無 断 転 載 を 禁 止 します おことわりなしに 掲 載 内 容 の 一 部 を 変 更 させて いただくことがあります あらかじめご 了 承 く ださい ローデ シュワルツ ジャパン 株 式 会 社 東 京 都 新 宿 区 西 新 宿 住 友 不 動 産 西 新 宿 ビル 27 階 TEL: /1287 FAX: /1285