スペクトラムアナライザとは？用途や使い方、オシロスコープとの違い
スペクトラムアナライザは、無線通信やオーディオ機器、さらには電磁波の解析を必要とするあらゆる分野で使用される測定機器です。信号の周波数成分を可視化し、異常やノイズの発生源を特定することで、通信品質や機器の性能を正確に評価できます。
本記事では、スペクトラムアナライザの基本的な役割や仕組みを初心者向けに解説します。また、異なる種類のスペクトラムアナライザについても紹介し、さらに通信機器やEMC（電磁両立性）テストにおける具体的な活用事例についても解説します。
本記事を読むことで、スペクトラムアナライザの基礎が理解でき、さまざまな測定業務に役立つ知識が身に付くでしょう。
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目次
１．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、電気信号や電磁波の周波数成分を分析し、信号の強度や周波数の分布を可視化する測定機器です。
無線通信やオーディオ技術、EMC（電磁両立性）テストなど幅広い分野で使用され、特に信号の異常検出やトラブルシューティングに効果を発揮します。例えば通信の分野では、無線機器や送信機の性能評価、干渉の有無の確認などに欠かせないツールです。
まず始めに、スペクトラムアナライザの役割と仕組みや動作原理、スペクトラムアナライザと類似の測定機器であるオシロスコープとの違いについて解説します。
（1）スペクトラムアナライザの基本的な役割
スペクトラムアナライザの基本的な役割は、周波数スペクトルを表示し、どの周波数帯域で信号が強く、どこに問題があるのかを把握することです。
具体的には無線通信の品質を保証するために、送信機やアンテナから発信される信号が適切な周波数で送られているか、外部からの干渉がないかを確認するのに使用されます。例えば、5GやWi-Fiネットワークの運用で信号の強弱を測定し、エラーの発生原因や不具合を見つけることが可能です。
またオーディオ機器の開発においても、音声信号のノイズやひずみの検出に役立ちます。
このようにスペクトラムアナライザは、異常な周波数のピークや信号の欠落を検出することで、特性改善のための設計へのフィードバックなどに活用されます。
（2）スペクトラムアナライザの仕組みと動作原理
スペクトラムアナライザの基本は、入力信号を周波数ごとに分解して、その周波数ごとの強度を表示することです。
スペクトラムアナライザの基本的な仕組みは、受信した信号をダウンコンバートして低周波数領域に変換し、そこから周波数ごとの強度を解析することです。その際フィルタやアンプが使用され、ノイズや不要な信号を除去することで精度を向上させます。
スペクトラムアナライザ内部では、まずアナログ信号を周波数の成分ごとに分割してそれぞれの周波数成分の強度を測定します。測定結果は縦軸が信号の強度（dB単位）、横軸が周波数（Hz単位）のグラフとして表示され、この視覚的な表現により、信号の特定周波数帯域での強弱や、異常な信号を迅速に検出可能です。
また近年のデジタル技術の進化により、デジタルスペクトラムアナライザではフィルタリングやノイズ除去が自動で行われ、解析の精度が飛躍的に向上しています。
（3）スペクトラムアナライザとオシロスコープの違い
スペクトラムアナライザとオシロスコープの違いは、オシロスコープは主に時間領域での変化を追跡するのに対し、スペクトラムアナライザは周波数領域に焦点を当てた解析が行える点です。
スペクトラムアナライザとオシロスコープは、どちらも信号の解析を行う測定機器ですが、以下のように異なる目的に使用されます。
| オシロスコープ | ・時間軸上での信号の振幅を表示し、波形の形状や変化を観察する ・例えば、直流電圧の変動やパルス波形のタイミングを確認するために使われる |
| スペクトラムアナライザ | 周波数領域での信号強度を表示し、特定の周波数帯域での信号の特性や異常を確認する |
両者を組み合わせて使用することで、信号の全体像をより正確に把握することが可能です。
また、スペクトラムアナライザについては、以下の動画も参考にしてください。
引用：【初心者必見】スペアナ完全攻略！（200分でスペクトラムアナライザの使い方をマスター！）
２．スペクトラムアナライザの種類と特徴
スペクトラムアナライザは、信号の周波数成分を測定して信号の特性を評価するために使用され、主に以下の種類が存在します。
| ・アナログスペクトラムアナライザ ・デジタルスペクトラムアナライザ ・リアルタイムスペクトラムアナライザ |
ここでは、それぞれの特徴やメリット、デメリットについて解説します。
（1）アナログスペクトラムアナライザ
アナログスペクトラムアナライザは、信号をアナログ的に処理して周波数成分を測定するタイプです。
古くから使われてきた方式で、入力信号をそのままアナログフィルタで処理し、周波数ごとに分解して表示します。
スーパーヘテロダイン型の技術が使用されることが多く、信号を中間周波数に変換してから解析する方式で、広い周波数帯域にわたる測定が可能です。
アナログスペクトラムアナライザは、低い周波数の信号や、リアルタイム性が求められる環境での測定に使用されます。また、過去のシステムや機器のメンテナンスにも適しています。特に無線通信や放送機器のアナログ信号解析に最適です。
| メリット | デメリット |
| ・広い周波数帯域に対応可能（スーパーヘテロダイン型のメリット） ・リアルタイムでスムーズな信号表示が可能 ・シンプルな設計で耐久性が高い |
・アナログ処理のため、精度や解析能力はデジタル型より劣ることがある ・複雑な信号解析やデータの保存・再解析が難しい ・サイズが大きく、機器も重くなることが多い |
（2）デジタルスペクトラムアナライザ
デジタルスペクトラムアナライザは、入力信号をデジタル化して解析するタイプで、FFT（高速フーリエ変換）型の技術を使用して信号の周波数成分を解析します。
高精度な測定や複雑な信号の詳細な解析が可能で、デジタル処理により、リアルタイム解析やデータの保存も可能です。
デジタル通信やオーディオ機器、携帯電話の通信テストなど、デジタル信号を詳細に解析する必要がある場面で使用されます。特にリアルタイムでの解析や保存データの詳細分析が求められるケースで活躍します。
| メリット | デメリット |
| ・FFT（高速フーリエ変換）型による高精度なリアルタイム解析が可能 ・データの保存や後からの詳細な解析ができる ・複雑な信号も正確に解析可能で、幅広い測定機能が搭載されている |
・デジタル化の過程で遅延が発生する可能性があり、リアルタイム性ではアナログ型に劣ることがある ・高機能であるため、コストが高くなることが多い ・高度な設定や操作が必要になることがあり、専門知識が必要な場合がある |
（3）リアルタイムスペクトラムアナライザの特徴
リアルタイムスペクトラムアナライザは、信号の瞬間的な変動や過渡現象をリアルタイムで捉えることができるスペクトラムアナライザです。
非常に高速なデジタル信号処理を行い、FFT（高速フーリエ変換）型技術を使用して、信号の全周波数成分をリアルタイムで解析可能です。これにより、瞬間的な信号変動や異常を逃さずに検出できます。
無線通信システムの干渉解析、5G通信のモニタリング、信号の瞬時変化が問題となる環境で利用されます。例えば無線通信のリアルタイム監視や、突発的な異常信号の検出に最適です。
| メリット | デメリット |
| ・瞬間的な信号変動や突発的な信号異常をリアルタイムで捉えられる ・広い周波数帯域を同時にモニタリング可能 ・信号の異常や干渉をリアルタイムで検出し、すぐに対応できる |
・高速な解析が必要なため、コストが高くなることが多い ・大量のデータをリアルタイムで処理するため、機器のメモリや計算能力に制約がある ・リアルタイムでの監視が主で、長時間のデータ記録や保存機能は他のスペクトラムアナライザに比べて劣ることがある |
３．スペクトラムアナライザの主な用途
スペクトラムアナライザはさまざまな分野で使用され、特に通信機器や電子機器の評価に重要な測定機器です。
無線通信の品質チェックやEMC（電磁両立性）テストに加えて、オーディオ機器の音質評価にも利用されます。
特に高精度な信号解析が必要な場面では、スペクトラムアナライザの活用が欠かせません。
（1）通信機器の評価
無線通信が主流となっている現在、通信機器がどれだけ正確で効率的に、そして安定して動作するかが重要視されており、その中でスペクトラムアナライザは、通信機器の評価において重要な測定機器の1つとなっています。
スペクトラムアナライザを使用することで、通信機器のパフォーマンスを正確に評価し、設計や開発、さらには保守作業にも役立てることができます。
（2）EMC（電磁両立性）テスト
EMC（電磁両立性）テストでは、製品が他の機器に電磁的な干渉を与えないか、また外部の電磁波によって誤動作しないかを確認する必要があります。
スペクトラムアナライザは、電磁波の発生源やその強度、周波数帯域を詳細に測定可能であり、その結果国際的な規格に適合した製品の開発が可能となって品質の高い製品を市場に提供できるようになります。
（3）オーディオ機器の性能評価
スペクトラムアナライザは、オーディオ機器の開発や品質管理でも広く利用されており、スピーカーやマイクロフォンなどの音響機器の周波数特性を正確に測定し、ノイズやひずみを解析することで音質の向上に貢献しています。
特に高音域や低音域での性能評価が重要となるオーディオ機器において、スペクトラムアナライザを使用することで、周波数ごとの音の特性を可視化して最適なチューニングを行うことができます。
４．スペクトラムアナライザの使い方
スペクトラムアナライザを正確に使用するためには、測定準備や設定方法、実際の測定手順、そして結果の見方を正しく理解する必要があります。
測定対象の信号源を正しく接続し、周波数範囲や帯域幅を適切に設定することで、正確な結果を得ることが可能です。また、測定結果の正しい解釈とノイズの影響を考慮することも重要なポイントです。
（1）測定準備と設定方法
まず、測定対象となる機器や回路をスペクトラムアナライザに接続します。この際、適切なケーブルやプローブを使用して接続不良やノイズが発生しないよう注意が必要です。
次に、スペクトラムアナライザの周波数範囲や帯域幅、解析モードを設定します。測定対象の周波数帯域に応じて、適切な設定を行うことが正確な測定結果を得るための鍵です。
必要に応じてノイズの影響を最小限に抑えるため、フィルタリングやゲイン調整などを行いましょう。
（2）実際の測定手順
測定が開始されると、スペクトラムアナライザの画面に周波数スペクトルが表示されるので、信号の強弱や異常なピークを確認します。
複数の信号が重なり合う場合には、フィルタリング機能を使用して特定の周波数帯域に焦点を当てる必要があります。
また測定中はノイズや干渉が発生していないかを随時確認しながら進めることが重要です。
（3）結果の見方と注意点
スペクトラムアナライザの測定結果は、縦軸が信号の周波数ごとの強度（dB単位）、横軸が周波数（Hz単位）のグラフとして表示されます。
測定結果については、干渉やトラブルの原因となる可能性があるため、異常なピークや信号欠落の有無を確認します。
また測定環境の影響を受けやすいため、外部ノイズが少ない環境で測定を行うことが推奨され、さらに測定結果を解析して記録する際には、データの誤差や不確定要素を考慮に入れることも重要です。
５．スペクトラムアナライザの活用事例
スペクトラムアナライザは、5G通信の導入やIoTデバイスの開発、自動車産業での電磁波測定など、さまざまな分野で活用されています。
5GやIoTの進化に伴って、より精密な信号解析が求められる中、スペクトラムアナライザの重要性はますます高まっており、特に自動車産業においては、電磁波環境の適正化を図るための不可欠なツールとして広く使われています。
（1）5G通信の導入におけるスペクトラムアナライザの役割
5G通信は、これまでの通信規格に比べてはるかに高い周波数帯域を使用しているため、信号の強度や品質を正確に測定する必要があります。
スペクトラムアナライザは、この高周波数帯での信号の正確な評価に不可欠なツールです。特に基地局の設置や運用において信号の干渉や劣化を防ぐため、スペクトラムアナライザを用いてリアルタイムでの監視が行われており、5G通信が高品質で安定した状態で提供されることを確保しています。
（2）IoTデバイス開発でのスペクトラムアナライザ活用
IoT（Internet of Things）デバイスの開発では、無線通信が不可欠です。
多くの場合、IoTデバイス間の通信は狭い周波数帯域で行われるため、外部の干渉やノイズの影響を受けやすくなります。
スペクトラムアナライザを使用することで、IoTデバイスが正しく通信できているか、外部からの干渉がないかを確認して通信品質を保証することで安定した通信環境を実現し、IoTデバイスの信頼性を向上させています。
（3）自動車産業における電磁波測定の事例
自動車産業では、車両内部や周囲で発生する電磁波の影響を評価するためにスペクトラムアナライザが使用されます。
特に自動運転技術や車載通信システムが普及する中で、電磁波が他の電子機器に与える影響を正確に測定し、安全性と信頼性を確保することが重要です。
スペクトラムアナライザを使用することで、車両が発する不要な電磁波を検出し、設計の改善を行うことが可能です。また、車載レーダーや通信システムが外部の影響を受けずに正確に動作するかを確認するためにも活用されています。
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