Update: Jan. 30, 2017

パソコンベースのスペアナ・トラジェネ
Signal Hound社 USB-SA44B, USB-TG44A
試用インプレッション


パソコンベースで使用するスペクトラムアナライザ・トラッキングジェネレータユニットを購入しました。
低価格でありながら「低いノイズレベル、高い分解能のRBW、そして測定精度の良さ」にとても満足ています。
本ユニットの情報がWeb上に少ないようなので、ここでその試用感を報告します。


　

本ユニットは、Signal Hound社から提供されるコントロールソフトウェア "Spike" によってUSBケーブルで制御されます。
スペアナ・トラジェネの機能のほとんどの部分をパソコン側のソフトウェアによるDSPによって処理されるため、パソコンのリソースがかなり必要なようで、PCUは最低でもインテルのデュアルコア i3、メモリーは4GB以上 （推奨8GB）、OSはWindows7 (32ﾋﾞｯﾄ or 64ﾋﾞｯﾄ)以降、となっていますので、本ユニットを購入される場合はパソコン側の性能の確認も必要です。(USBポートは、Ver2.0で大丈夫です)

Spike はもともとサードパーティーから提供されていたものを、Signal Hound社がライセンス契約して公式アプリケーションとしてリリースしているもののようです。
なおWindows XP用には、以前使われていたレガシーソフトウェアがSignal Hound社のWebサイトからダウンロードできますが、何故か私のパソコン環境では 「.NET Framework が最新では無い」みたいなエラーが出てセットアップできませんでした。(もちろん.NET Framework は最新版をインストールしているのですが。。。原因不明です)

　Spike の画面


本ユニットをパソコンに接続する前にSpikeのインストーラーの指示に従ってSpikeをインストールし、さらにUSBドライバーもインストールします。
いずれも本ユニットに付属されているCDに収められていますが、Signal Hound社のWebサイトから最新版をダウンロードした方が良いでしょう。
(現時点でのSpikeの最新バージョンはVer3.1.5 です。　またマニュアル類もダウンロードして使用しますが、英語版しかありません。)

また、本ユニットの電源はパソコンからのUSBバスパワーで動作しますので、電源の配線は不要です。(あとに記載していますが、これが落とし穴となってチョッと苦労しました)

トラジェネとして使用する場合は、スペアナユニットUSB-SA44BとトラジェネユニットUSB-TG44Aを付属のBNCケーブルでSync IN-OUT同士を接続して使用します。

　BNCケーブルでSync IN-OUT間を接続(青いケーブル)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　黒いケーブルはUSBケーブル(パソコンへ接続)

本ユニットのザックリした仕様は、

USB-SA44B 測定周波数範囲：1Hz～4.4GHz 　RBW：0.3Hz～250kHz
USB-TG44A 出力周波数範囲：10Hz～4.4GHz 最小周波数ステップ10Hz 出力レベル：-10dBm～-30dBm 出力レベル設定ステップ：1dB

なお、USB-TG44Aを単体でSGとして使用する場合、"TGStandalone.exe"という簡単なアプリも提供されています。
このアプリを使用した場合の出力レベルの可変範囲は -7dBm～-40dBmとなり、Spikeを使用した場合よりも少し可変範囲が広がるようです。

　TGStandalone.exe の画面

スペアナユニットUSB-SA44Bには直流を印可出来ません。(max±0.2V)
また、最大入力レベルも+20dBmです。 (この値は内蔵アッテネータが15dBのときなので安全をみて+5dBmまでとしておいた方が良いと思います)
ということで直流をカットするためのDCブロックと20dBのアッテネータ、それとSMA→BNC変換コネクタも同時に購入しました。(中華製のようです)

　Input max 0V DC / +20dBm

DC Block, Attenuator and SMA(m) to BNC(f) Adapter

ここで本ユニットをパソコンに接続するにあたり、一つ注意が必要です。
当初、スペアナユニットUSB-SA44BをUSBケーブルでパソコンへ接続してスペアナが正常に動作することを確認しました。
次いで、トラジェネユニットUSB-TG44AもUSBケーブルでパソコンへ接続してトラジェネとしての動作確認をしようとしたところ、どういうわけか数秒から１分くらいで以下のような警告が出てSpikeが動作を停止してしまいました。
スペアナユニットUSB-SA44Bだけなら安定に動作するのですが、トラジェネユニットUSB-TG44Aも動作を始めるとエラーが出てスペアナ、トラジェネとも動作を停止してしまいます。

この原因究明には結構手こずってしまいました。
USBドライバーやSpikeを再インストールしてみたり、ウイルスバスターの動作を止めてみたり、Signal HoundのWebサイトのフォーラムで過去に同様の事例が上がっていないか確認してみたり、と週末土日の２日間を費やしていろいろやってみた結果、ようやくパソコンのUSBポートのバスパワー不足(減電圧)ということが判明しました。
ノートパソコンではバスパワー不足ということも考えられますが、私のパソコンはデスクトップ型でコントロールパネルの「電源オプション」の設定も「高パフォーマンス」にしているのでバスパワーは大丈夫だろうと勝手に思い込んでいたのが間違いでした。
解決策としては、下図のようなACアダプター付のUSBセルフパワーハブを購入して、このUSB ハブ経由で本ユニットを接続すると安定に動作するようになりました。
USB2.0といってもパソコンによっては規格の500mAが流せないものもあるということのようです。
私は念のため、USB3.0対応（900mA max）のUSBハブを購入しました。(USB3.0対応のUSBハブでも、本ユニットのようなUSB2.0の機器が接続されたときは500mA maxです。)

　USBセルフパワーHUB

スペアナユニットUSB-SA44Bを実際に使用してみたところ、そのノイズレベルの低さはなかなかのもので、結構気を良くしています。Hi
以下に自作DDS SG からの20MHz -10dBm の信号の測定結果を示します。（ノイズフロア -115dBm以下)

スペアナユニットUSB-SA44Bは通常のスペアナでは考えられない高分解能(RBW）の設定が可能です。(SDRベースのスペアナならではの利点)
以下はRBWを0.3Hzにした時の観測波形です。

RBW 0.3Hzの波形 (スパン10Hz）

信号レベルと周波数の測定精度も結構正確です。
下図は、レベルと周波数を校正した-20dBm 10MHz の信号を測定したものです。（信号の校正には手持ちのオシロと周波数カウンターを使用)

周波数、信号レベルとも精度良く測れています。
なお、昔のアナログスペアナの頃は、なるべく画面の上の方（リファレンスレベルに近い部分）で測定する方がログアンプの直線性の良い部分が使用できて測定精度が上がりましたが、スペアナユニットUSB-SA44Bの場合、リファレンスレベルにひっつくように測定する必要は無くて、上図のように測定する信号のレベルをリファレンスレベルより10dB～20dB低くなるように設定することが推奨されています。

次にトラジェネ(USB-SA44B + USB-TG44A) で測定した7.157MHz ６素子クリスタルフィルターの測定結果を示します。

　USB-SA44B+USB-TG44Aの測定結果

本ユニットを購入した先のRadio Dream 2号店のWebサイトの製品説明にはクリスタルフィルターのような狭帯域の物の測定は上手く出来ない可能性があると記載されていますが、ご覧のように全く問題なく測定できてしまいました。

同じフィルターをTGESで測定したときの結果を示します。

　TGESの測定結果

TGESはノイズフロアが高くてスカートの裾野がチャンと測定できていないことが判ります。
ただ、Spikeにはカーソルを表示する機能が無いので-6dBバンド幅などを測定するのが少し面倒で、上の写真ではデルタマーカーを使ってバンド幅を測定しています。
この点、TGESはカーソル表示機能があるのでバンド幅の測定などには大変便利です。

また、トラジェネユニットUSB-TG44A は単体でSGとしても使用可能です。
動作のさせ方としてはSpikeの"Manual Tracking Controls" 機能を使う方法と、先に紹介した"TGStandalone.exe"を使用する方法があります。
TGStandalone.exe は、簡単な実行ファイルだけのアプリでexeファイルをクリックするだけで動作しますが、周波数や出力レベルを数値でいちいち入力する必要があるので使い勝手はよくありません。
Spikeの"Manual Tracking Controls" 機能を使う場合は、周波数や出力レベルの可変ステップの設定が出来るので、UP/DOWNボタンをクリックするだけで周波数や出力レベルを連続的に可変できて便利です。

ただ、USB-TG44Aは、28MHzを超えると急に波形が矩形波のようになるので、SGとしての使用はあまりお勧めは出来ませんが、その点を理解して使用するむきには出力レベルや周波数も結構正確なので便利だと思います。
(波形歪については周波数の上昇とともに徐々に歪が低減され、80MHzくらいになるとかなり正弦波に戻ります。)

　USB-TG44A　27MHz出力

　USB-TG44A　28MHz出力 (波形が急に矩形波になる)

　USB-TG44A　80MHz出力 (歪が低減)


USB-TG44A は出力レベルが-10dBmまでしか出せませんので、ＳＧとして使用する場合、チョッと力不足な感じなのでゲイン２０dB程度のアンプを作ってみることにしました。
アンプには、秋月で売っている SGA-4586 という広帯域のアンプICを使用してみました。回路図を示します。

　SGA-4586 を使用した広帯域アンプ



Stanford Microdevices社 SGA-4586の仕様書より引用



コンデンサはチップ部品を使用しましたが、その他の部品はディスクリート部品です。
コイル0.22uHは、抵抗型のマイクロインダクターを使用しました。
電源からの回り込みをキャンセルするために電源ラインにトロイダルコアFT50-77でコモンモードチョークを入れています。(5ターン巻いています)
とりあえず、ユニバーサル基板上に組んで、インピーダンスを安定化するために (ショートしないようビニールテープで養生してから) 銅箔テープで基板全体をグルグル巻にしました。
早速、トラジェネユニットUSB-TG44Aで周波数特性を確認してみたところ、こんな作り方でもゲインの暴れも無く、500MHz程度までゲイン20dB以上で動作してくれています。
これで+10dBm まで出力することが可能になりましたので、ＳＧとしての使用にもとりあえずＯＫです。

　ユニバーサル基板上に組んだ広帯域アンプ

　インピーダンスを安定にするため、銅箔テープでグルグル巻にした

　製作した広帯域アンプの周波数特性




内部スプリアスについて
あるWebサイトでUSB-SA44Bの内部スプリアスのことが報告されています。
私も最初、このWebサイトの記事が気になって本ユニットの購入を躊躇していたのですが、実際使ってみると上手くスプリアスがキャンセルされるようにソフトウェアが作られており、実使用上では問題無いことが判りました。

下記は、くだんのWebサイトのとおり、10.7MHz近傍の信号を入力してワイドスパンで観測したときの波形です。
確かにスパン全域に凄いノイズのようなものが観測されます。

10.728570MHzを入力したとき

この現象は、スペアナユニットUSB-SA44BのIFに10.7MHzと2.9MHzが使用されており、IFに近い信号が入ったときにそのスプリアスを表示してしまうため、と説明されています。

また、この現象は入力する信号の周波数が10.7MHzから200kHz程度離調すると発生しなくなります。

10.9MHzを入力したとき(立っているスペクトルは自作DDS SGの高調波)

次にくだんのWebサイトの記事どおり、SGから10.728570MHzを入力して、盛大にスプリアスが表示されている状態でSGの２倍の高調波を観測したときの波形を示します。
このとき、Spikeは自動的にRBWを3kHzに設定してくれますが、これをWebサイトの記事どおり RBW 50kHzにマニュアルで設定します。

RBW をマニュアルで50kHzとしたとき

Webサイトの記事どおりの変な波形が観測されてしまいました。


次にSpikeの自動設定のとおり、RBWを3kHzに戻すと

RBW AUTO設定(3kHz）

RBW AUTO 設定の場合には、見事に内部スプリアスがキャンセルされて正常な観測が出来ています。

このように原理上、内部スプリアスの問題を確かに、はらんでいるのは事実ですが、それをソフトウェアで上手にキャンセル出来るように作られているので、ソフトウェアのAUTO機能に任せておけば実際の使用上では問題にならないと思います。

またこの現象がIF 2.9MHz近傍の周波数でも発生するかどうか試してみましたが、2.9MHzでは確認できませんでした。

ということで、内部スプリアスの問題は、ことさら気にする必要は無いように思います。


以上、まだ使用期間が短い中での私なりのインプレッションを書かせて頂きました。
廉価で(といっても２０万円以上の出費とはなりますが。。) これだけの性能が得られて、しかも保証が１年付きますので、同程度の出費をしてジャン測を買うよりは良かったかな！、と私は大変気にいっています。
本ユニットの購入を検討されている方の参考となれば幸いです。