スペクトルで見るGPS信号

スペクトルアナライザーにGPSを映すとどう見えるか — 「山」ではなく「雑音に沈んだ台形」

スペクトラム表示 — 周波数ごとのパワー

見る信号:

信号の強さ通常

雑音床を表示信号の内訳を色分け掃引アニメーション

横軸＝周波数、縦軸＝パワー[dBm]。実機のスペアナは白い掃引線が左から右へ走り、その軌跡が波形になります。数値は教材用の目安です。

スペアナで見たGPSの「見どころ」

信号は雑音に埋もれている

地表のGPSは約−130dBmで、熱雑音床（−111dBm前後）より約20dB下。ふつうに見ると雑音と区別がつきません。dBのページの通り。

とがった山ではなく「なだらかな台形」

拡散符号（BPSK）のスペクトルは sinc² 形。C/Aコードは主ローブ幅約2MHzのなだらかな盛り上がりで、FM放送のような鋭いピークにはなりません。

幅の違う信号が重なっている

L1には狭いC/A（±1MHz）と、その下に広いP(Y)（±10MHz）が同じ中心周波数で重なる。台形の中に、より幅広い裾が同居して見えます。

見るには工夫が要る

そのままでは雑音に沈むので、実務では長時間の平均化や、受信機の相関後（処理利得）で初めて「盛り上がり」が確認できます。

GPS信号のスペクトル諸元（目安）

信号	中心周波数	変調/符号レート	主ローブ幅	スペクトルの形
L1 C/A	1575.42 MHz	BPSK 1.023 Mcps	±1.023 MHz	sinc²（なだらか）
L1 P(Y)	1575.42 MHz	BPSK 10.23 Mcps	±10.23 MHz	幅広いsinc²
L1C (新)	1575.42 MHz	BOC(1,1)	中心が凹み左右に山	2つのこぶ
L5	1176.45 MHz	BPSK 10.23 Mcps	±10.23 MHz	広帯域sinc²
（参考）FM放送	76〜95 MHz	FM	±100 kHz程度	鋭いピーク

符号レートが速いほどスペクトルは横に広がります（信号の構造・周波数帯マップ参照）。L1CのBOC変調は中心を避けて左右にパワーを寄せる「2こぶ」形で、既存C/Aと同じ周波数に共存できます。

なぜ拡散信号は sinc² の形になるのか

スペクトル（周波数ごとのパワー分布）は、時間波形をフーリエ変換したものです。GPSのC/Aコードは幅 Tc ≈ 0.98μs の四角いチップの列（BPSK）。1個の四角いパルスのフーリエ変換は sinc 関数（sin(x)/x）で、パワーはその2乗の sinc² になります。

その主ローブ（中央の盛り上がり）の幅は「チップレートの2倍」= 約2MHz。信号の構造で見た「チップが速いほど帯域が広い」が、スペクトル上では「台形の裾が横に広がる」として現れます。鋭いピークにならないのは、情報を1つの周波数に集中させず、わざと広い帯域にばらまいている（スペクトラム拡散）からです。

「雑音に埋もれた信号」をどう可視化するか

単発の掃引ではGPSは雑音に完全に隠れています。実際に盛り上がりを見るには:

① 長時間の平均化（トレース平均・RBWを狭く）: ランダムな雑音は平均すると平らになり、常に同じ形の信号成分だけがうっすら浮かびます。それでも数dBの微妙な盛り上がりです。

② 相関後に見る: 受信機のように既知のPRNコードを掛けて逆拡散すると、広く薄かった信号が中心周波数に「畳み込まれて」鋭いピークに戻ります。これが処理利得（約43dB）で、擬似距離のページの相関ピークがまさにこれです。

つまり「スペアナで生を見る」と「受信機で相関して見る」はまったく違う絵になります。前者は台形の気配、後者は鋭いピーク。

妨害・干渉もスペアナに映る

スペアナはGNSSの健康診断にも使われます。近くにジャマーがあれば、GNSS帯に不自然に強い山（連続波妨害なら鋭いピーク、掃引妨害なら動く山）が見えます。本来ほぼ平らな雑音床に「何か強いものが乗っている」と気づけるわけです。空港や基準局の監視では、こうしたスペクトル監視で干渉を早期発見しています。