MSA500技術資料1(和文)

技 術 資 料 シグナルアナライザMSA500 シリーズ リアルタイム 方 式 の 基 礎 知 識 1

リアルタイム 方 式 とは MSA500 シリーズは 掃 引 方 式 とリアルタイム 方 式 の2 方 式 を 搭 載 しています 掃 引 方 式 は 従 来 のスペクトラムアナライザの 方 式 です 掃 引 方 式 時 間 軸 波 形 RBW フィルタが 移 動 移 動 速 度 = 掃 引 時 間 スペクトル 波 形 1 個 の RBW フィルタが 指 定 された 掃 引 範 囲 を 移 動 して スペクトルを 表 示 RBW フィルタが 移 動 する 速 度 は 掃 引 時 間 で 設 定 周 波 数 スペクトルが 掃 引 中 に 変 化 していて RBW フィルタがある 位 置 に 来 た 時 そのスペクトルが 無 ければ 上 図 の 赤 い 点 線 のようにスペクトルは 観 測 されません 従 って 基 本 的 には 掃 引 方 式 が 扱 う 信 号 は スペクトルが 時 間 で 変 化 しない 信 号 これを 定 常 信 号 と 言 います 時 間 と 共 に 変 化 する 信 号 は 非 定 常 信 号 です 代 表 例 は 変 調 信 号 です 2

リアルタイム 方 式 時 間 軸 波 形 1024 個 のフィルタ スペクトル 波 形 沢 山 のフィルタ(MSA500 では 1024 個 )が 並 列 に 置 かれています 従 って ある 時 間 内 の 信 号 は 同 時 にスペクトル に 波 形 に 変 換 されます リアルタイムと 言 われる 所 以 周 波 数 分 解 能 に 等 しいフィルタが 並 列 に 並 べられているため ある 時 間 内 の 信 号 は 同 時 処 理 スペクトルが 時 間 的 に 変 化 しても 取 りこぼしが 出 ません 変 調 信 号 等 の 非 定 常 信 号 でも 扱 うことができます FFT ビンと 言 う 3

高 速 フーリエ 変 換 FFT とは リアルタイム 方 式 では フーリエ 変 換 (Fourier Transform)を 用 いて 時 間 軸 信 号 から 周 波 数 軸 信 号 へ 変 換 します 時 間 軸 信 号 f(t) 周 波 数 軸 信 号 F(ω) 変 換 式 F(ω)= f(t)ε -j ωt dt ω=2πf(f: 周 波 数 ) - 高 速 フーリエ 変 換 FFT(Fast Fourier Transform)とは 上 式 の 演 算 のアルゴリズム を 工 夫 することにより 高 速 化 したものを 言 います 窓 関 数 上 式 では - から までの 積 分 となっていますが 現 実 にはある 時 間 で 切 り 取 られた 信 号 を 扱 います T (1 フレーム) 不 連 続 点 フーリエ 変 換 では この T 秒 間 切 り 取 った 信 号 が 繰 り 返 されるものとして 演 算 されます すると 上 図 のように 不 連 続 点 が 出 てきます この 不 連 続 点 により 下 図 のようにスプリアスが 発 生 します これをサイドローブ サイドローブと 言 います メインローブ ( 所 望 スペクトル) サイドローブ 0 1/T 2/T 3/T 4/T 5/T 周 波 数 4

勿 論 このサイドローブは 邪 魔 です このサイドローブを 除 去 するために 窓 関 数 (Window ( function unction)を 使 います 不 連 続 点 をなくすには 切 り 取 った 波 形 の 前 後 で 下 図 のようにゼロになっていればよい 訳 です 窓 関 数 窓 関 数 は 使 用 目 的 に 応 じ いろいろな 種 類 のものがあります ハニング ハミング カイザー ベッセル MSA500 では 4 項 ブラックマン ハリスを 使 用 しています 汎 用 性 に 優 れている 特 長 サイドローブ 除 去 が 95dB 程 度 ある メインローブの 幅 も 2 ビン 弱 と 適 度 である 0dB -20-40 -60-80 メインローブ サイドローブ -100-120 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 Frequency FFT ビン 5

スペクトルの 形 状 掃 引 方 式 では スペクトルの 形 状 を 下 図 のように 定 義 します RBW( 分 解 能 帯 域 幅 ) 掃 引 モードでは 300Hz~3MHz 3MHz まで 設 定 できます シェープファクタ( 選 択 度 ) 3dB:60dB(RBW:BW60) 掃 引 モードでは RBW に 依 らず 1:4.5 RBW -3dB BW60-60dB リアルタイム 方 式 では RBW 設 定 は 行 いません 前 頁 の 4 項 ブラックマン ハリス 窓 関 数 のスペクトル 図 に 示 したように どのスパンでもスペクトル 形 状 は 同 じで 下 図 のようになります 約 2 ビン 実 波 形 -3dB -60dB 約 8 ビン ビンとは 周 波 数 分 解 能 を 表 しており どのスパンでも 602 ビン(1024 ビンの 一 部 )で 構 成 されています 3dB 幅 =(2/602) (スパン) また シェープファクタ=1:4(2 ビン:8 ビン) 上 の 画 面 写 真 に 示 したように 画 面 上 では どのスパンでも 同 一 形 状 となります スパン Δf( f(1 ビン) 3dB 幅 (2 ( ビン) 20MHz 33.22kHz 66.2kHz 10MHz 16.61kHz 33.2kHz 5MHz 8.31kHz 16.6kHz 2MHz 3.32kHz 6.6kHz 1MHz 1.66kHz 3.3kHz 500kHz 831Hz 1.66kHz 200kHz 332Hz 662Hz 100kHz 166Hz 332Hz 50kHz 83.1Hz 166Hz 20kHz 33.2Hz 66Hz 6

リアルタイム 方 式 と 掃 引 方 式 の 特 長 リアルタイム 方 式 掃 引 方 式 長 所 1 突 発 信 号 やバースト 信 号 あるいはノイズ ノイズの 様 な 非 定 常 信 号 のスペクトル 解 析 を 行 うことができます 2パワー 対 時 間, 周 波 数 対 時 間, 位 相 対 時 間,IQ 対 時 間, Q 対 I のタイムドメイン 解 析 ができます 3トリガ 機 能 が 充 実 しているので 希 に 発 生 するスペク トルでも 確 実 に 観 測 することができます 長 所 1 周 波 数 スパンが 広 いので 広 い 周 波 数 レンジを 一 挙 に 観 測 することができます 2トラッキングジェネレータ 機 能 があります 3EMI 測 定 機 能 があります 4 従 来 のスペクトラムアナライザの 方 式 であるため 使 い 慣 れており アプリケーションも 豊 富 です 4 掃 引 モードのオーバーライト 機 能 に 比 べ スペクト ルの 抜 けの 確 率 が 格 段 に 低 くなっています 特 に 200kHz より 狭 いスパンでは 抜 けは 生 じません 5スペクトログラム 解 析 により スペクトルの 周 波 数 とパワーの 時 間 的 変 化 を 観 測 することができます 6I と Q データに 分 離 しているため 位 相 変 調 波 など の 複 雑 な 信 号 の 変 調 解 析 を 行 うことができます 7 全 画 面 ±0.5ppm±1ドットの 高 い 周 波 数 精 度 です 短 所 1 非 定 常 信 号 を 観 測 することが 難 しく Max ホールド 機 能 を 使 用 することにより 観 測 することができる 場 合 でも 測 定 に 時 間 がかかります 2タイムドメインでの 解 析 は ゼロスパン のみです 3 変 調 解 析 ができません 4 画 面 上 の 周 波 数 精 度 はリアルタイムモードに 比 べ 劣 ります 短 所 1 周 波 数 スパンが 最 大 でも 20MHz と 狭 いです 最 大 スパン 20MHz 掃 引 方 式 の 最 大 スパンは 3.3GHz@MSA538/538TG/538E 8.5GHz@MSA558/558E と 非 常 に 広 いですが リアルタ イム 方 式 での 最 大 スパンは 20MHz です これは 3RD IF 周 波 数 と AD 変 換 器 のサンプリングレートで 決 まります 但 し 無 線 通 信 系 特 に 変 調 解 析 ではほとんどのシステムで 許 容 帯 域 幅 が 20MHz 以 下 ですので 問 題 ないと 思 います 20MHz 中 心 周 波 数 を 設 定 すれば 任 意 の 周 波 数 帯 へ 移 動 できる 中 心 周 波 数 7

I Qとは 何 ですか 次 頁 の 全 体 ブロック 図 を 参 照 して 下 さい 下 図 は その 中 の 3RD IF から IQ 変 換 までを 示 しています IQ 変 換 3RD IF AD 変 換 器 90 度 17MHz シフト Vi Vq 17MHz +f(t) Vq Q A(t) 複 素 数 への 変 換 φ(t) (I+jQ) Vi I A(t) cos {2π(17MHz+f(t)) t+φ(t)} 振 幅 変 調 成 分 周 波 数 変 調 成 分 位 相 変 調 成 分 複 素 数 へ 変 換 すると 信 号 処 理 に 大 変 便 利 利 点 1 信 号 処 理 で 掛 け 算 をしますが その 時 イメージが 発 生 しません 実 数 での 掛 け 算 (fa fb) 複 素 数 での 掛 け 算 (fa fb) 結 果 :fa +fb とfA -fb(イメージ) 結 果 :fa +fb 2 次 頁 で 述 べるように 簡 単 な 計 算 で 時 間 解 析 ができます パワー 対 時 間 周 波 数 対 時 間 位 相 対 時 間 I,Q 対 時 間 Q 対 I 3 入 力 信 号 が 変 調 波 であれば I と Q データから EVM やコンスタレーションを 求 められる 豆 知 識 I In-phase( 同 相 ) Q Quadrature( 直 交 位 相 ) 8

リアルタイム 方 式 はこんな 事 も 得 意 1 時 間 解 析 リアルタイムモードでは アナログ 信 号 である 3RD IF が AD 変 換 器 でデジタル 化 され その 後 I Q 分 離 されてい ますのでいろいろな 時 間 解 析 ができます サンプリング 周 波 数 fs=34mhz ( 指 定 スパン/20MHz) Vi RF 3RD IF IQ IQ 時 間 INPUT RF 回 路 AD 変 換 器 変 換 メモリ 解 析 Vq 1 パワー 対 時 間 解 析 パワー=(Vi 2 +Vq 2 )/50 バースト 的 に 現 れ デジタル 的 に 変 調 された ASK 変 調 波 などを 測 定 できます ETC の ASK 変 調 波 3 周 波 数 対 時 間 周 波 数 =(φn-φn-1)/360ts FM 変 調 された 信 号 を 観 測 できます φn: 現 時 点 での 位 相 φn-1:1 つ 前 のサンプルの 位 相 FM 変 調 波 TS:サンプリングレート(1/fs) 2 位 相 対 時 間 位 相 =tan -1 (Vq/Vi) QPSK 変 調 波 の 位 相 が 時 間 的 にどのように 変 化 し ているか 観 測 できます QPSK 位 相 波 形 9

4 I,Q 対 時 間 縦 軸 :Vi 及 び Vq 横 軸 : 時 間 QPSK など 位 相 変 調 の I と Q の 時 間 波 形 を 直 接 観 測 できます Vi と Vq の 2 波 形 表 示 です QPSK の I,Q 波 形 5 Q 対 I 縦 軸 :Vq 横 軸 :Vi デジタル 位 相 変 調 の 初 期 位 相 補 正 なし かつ 周 波 数 補 正 なしの 生 のコンスタレーション 波 形 を 観 測 できます BPSK のコンスタレーション 2 スペクトログラム 解 析 スペクトログラムは 周 波 数 の 時 間 的 変 化 を X-Y 軸 で パワーの 時 間 的 変 化 を X-Z 軸 で 観 測 することができます Z 軸 の 大 きさは 色 で 表 示 されます 掃 引 方 式 は 元 来 定 常 信 号 を 扱 う 方 式 で すから スペクトルの 時 間 的 変 化 とい う 概 念 がありません 従 って スペクト ログラム 解 析 はできませんでした 応 用 ZigBee の 周 波 数 ホッピング 波 形 の 観 測 ホッピングした 周 波 数 の 安 定 までの 時 間 とパワーの 安 定 までの 時 間 を 観 測 することができます 10

3 オーバーライト 解 析 オーバーライトは 1フレーム 毎 のスペクト ル 波 形 を 重 ね 書 きして 表 示 する 機 能 です 毎 秒 720 画 面 の 速 度 でスペクトル 波 形 を 連 続 的 に 蓄 積 することができます 発 生 頻 度 は 色 で 表 示 されます 掃 引 方 式 のオーバーライトとの 違 い 掃 引 方 式 では 蓄 積 速 度 が 非 常 に 遅 い 例 えば 掃 引 速 度 100ms の 時 の 蓄 積 速 度 は 毎 秒 5 画 面 応 用 希 に 出 る 不 要 スペクトルの 観 測 通 信 系 を 乱 す 不 要 スペクトル(スプリアス)が 希 に 現 れる ことがあります リアルタイムモードでもスパンが 広 い 場 合 は 抜 けが 生 じますが 蓄 積 時 間 を 長 く 設 定 することによ り スプリアスを 捉 える 確 率 が 上 がります 4 変 調 解 析 MSA500 シリーズは I Q 分 離 されたデータを 使 って 変 調 解 析 を 行 うことができます 16K フレーム IQ メモリ MSA500 シリーズは 16K フレーム(64M バイト)の 大 容 量 IQ メモリを 内 蔵 USB インタフェース IQ メモリから USB インタフェースを 介 して PC へ 19ms/フレーム で 高 速 転 送 PC 転 送 された IQ データを PC 内 にストア 変 調 解 析 ソフト EVM 測 定 やコンスタレーション 表 示 などの 変 調 解 析 変 調 解 析 ソフトはユーザ 側 で 作 成 する 必 要 があります 11

トリガという 概 念 掃 引 方 式 では 基 本 的 にトリガという 概 念 がありません 定 常 信 号 を 扱 うことが 根 底 にあるからです しかし リアルタイム 方 式 では 時 間 軸 で 捉 えた 信 号 に 対 して FFT 処 理 を 行 っています つまり 捉 えたい 所 で トリガをかけることができます バースト 的 に 発 生 する 変 調 波 などの 非 定 常 信 号 の 測 定 には 最 適 です この 部 分 を 測 定 したい ここでトリガをかける 波 形 の 捕 捉 範 囲 はトリガ は トリガ プリトリガ プリトリガ スパン スパンで 決 まる IF レベルトリガ 点 プリトリガ 25% 25% 1フレーム 捕 捉 範 囲 スパン 1MHz 602.4µs 1 トリガ 1 チャネルパワートリガ スパン 内 を 5 チャネルに 分 割 (CH1~CH5)し その 中 の 指 定 されたチャネルの 全 パワーの 瞬 時 値 がトリガ 設 定 値 を 横 切 る 時 トリガが 発 生 します 立 上 り/ 立 下 りのスロープ 設 定 もできます バースト 信 号 を 捉 える 時 に 便 利 です 12

2 パワートリガ 表 示 画 面 内 の 全 パワーの 瞬 時 値 がトリガ 設 定 値 を 横 切 る 時 トリガが 発 生 します 立 上 り/ 立 下 りのスロープ 設 定 もできます 3 IF レベルトリガ トリガ 点 IF 信 号 (17MHz で 変 調 されている)のレベルがトリガ 設 定 値 を 横 切 る 時 トリガ が 発 生 します 立 上 り/ 立 下 りのスロープ 設 定 はできません 17MHz 4 外 部 トリガ EXT TRIG コネクタに 入 力 された 外 部 信 号 でトリガが 発 生 します 入 力 電 圧 範 囲 は 1~10Vp-p 周 波 数 範 囲 は DC~5MHz です 立 上 り/ 立 下 りのスロープ 設 定 もできます 2 プリトリガ プリトリガの 設 定 により トリガ 点 以 前 の 信 号 を 解 析 することができます プリトリガが 0%のときはトリガ 点 以 後 の 信 号 50%のときはトリガ 点 以 前 が 半 分 以 後 が 半 分 の 信 号 100%のときはすべてトリガ 点 以 前 の 信 号 が 解 析 されます 25%ステップで 5 ポジションを 設 定 することができます 100% 50% 0% トリガ 点 3 スパン フレーム 時 間 は スパンで 決 まります スパン サンプリングレート フレーム 時 間 20MHz 34MHz 30.12µs 10MHz 17MHz 60.24µs 5MHz 8.5MHz 120.5µs 2MHz 3.4MHz 301.2µs 1MHz 1.7MHz 602.4µs 500kHz 850kHz 1.205ms 200kHz 340kHz 3.012ms 100kHz 170kHz 6.024ms 50kHz 85kHz 12.05ms 20kHz 34kHz 30.12ms 13

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