FFTと周波数ドメイン解析 第3回「ノイズ解析への応用」

電子機器の性能や安定性に大きく関わるのが「ノイズ」です。ノイズは目視や時間軸の波形では捉えにくいこともあり、FFTを用いた周波数ドメインでの解析が非常に有効です。今回は、FFT機能を活用したノイズ解析の基本と、現場での具体的な応用例について紹介します。

ノイズ解析が重要な理由

■ ノイズは信号品質を劣化させ、誤動作や通信エラーの原因となる
■ 低周波から高周波まで、様々な周波数帯域にノイズが存在する
■ 外部要因（電源、モーター、無線機器）や内部回路からもノイズは発生するため、設計段階での可視化が不可欠
■ 時間ドメインでは埋もれて見えないノイズ成分も、周波数ドメインではピークとして現れる

FFTでできるノイズの分類

■ 低周波ノイズ（電源由来の50/60Hz成分、リップル）
■ 高周波ノイズ（スイッチングノイズ、EMI源）
■ 広帯域ノイズ（ランダムな高周波成分を含む）
■ スプリアス（本来不要な特定周波数成分）や高調波（基準信号の整数倍成分）など

実際の測定手順とポイント

■ オシロスコープのFFT機能を使い、対象波形に対してリアルタイムで周波数分布を確認
■ 特定のノイズ周波数が存在するか、信号のスペクトルに異常なピークがないかを観察
■ ノイズ源を特定するためには、システムの電源ON/OFF、外部接続の着脱、信号経路の切替などの比較が有効
■ ノイズが時間変動する場合は、ピークホールドや平均化機能を併用すると全体傾向を把握しやすくなる

ノイズ対策につながる活用法

■ ノイズ周波数に対して適切なフィルタを設計・適用する
■ ケースや配線のシールド効果の確認（FFTでノイズレベルの差を見る）
■ 電源ラインに入る不要成分の確認（スイッチング電源のノイズ評価など）
■ デジタル回路のクロストークやEMC対策にもFFTが活用できる

解析時の注意点

■ 使用するプローブやケーブルもノイズを拾う可能性があるため、測定系の整備が重要
■ 測定対象と機器のGNDが正しく接続されていないと、誤ったノイズ成分が観測されることがある
■ FFT解析は帯域や分解能に制限があるため、信号の選定や設定値の調整が必要
■ ノイズ成分が小さすぎると、オシロスコープのノイズフロアに埋もれてしまうことがある

まとめ

FFTを活用したノイズ解析は、回路設計・評価・トラブルシューティングにおいて非常に重要な手法です。周波数ドメインでノイズを「見える化」することで、問題の早期発見と対策に直結します。次回は「スプリアスや高調波の測定テクニック」について紹介します。

■ 「FFTと周波数ドメイン解析」シリーズ（全5回）

• 第1回：時間ドメイン vs 周波数ドメインとは
• 第2回：FFT表示の基本操作とスケーリング
• 第3回：ノイズ解析への応用
• 第4回：オーディオ信号や電源リップルの解析
• 第5回：帯域幅と分解能の関係