Wei: Signal Generators

(Including AD9833, AD9834, AD9850, ADF4351)

緣由
最近在學習 SDR，會需要用到訊號產生器，市面上有的機型具有非常強的功能，但是通常也不便宜。在網路上找一下，發現這塊 AD9833 模組，它雖然比較偏向音頻的用途，但價錢非常便宜而且取得方便，所以就買了幾塊來試試，並且用 Python 寫了對應的 driver，可以跨平台適用在 PC (Windows / Linux，需使用 USB-SPI converter)、Raspberry Pi、ESP32 上面。

後來索性把市面上較常見的幾種 signal generator 模組 (AD9833, AD9834, AD9850, ADF4351) 的 python drivers 都寫一寫，GitHub repository 在這裡。

訊號產生器的種類與特點
我將訊號產生器大致區分為以下三個種類:

1. 獨立機台:

機種非常多 (例子)，功能會因為應用領域而有些微不同。特色為:

優點:

可以獨立使用，不需要依賴與耗用 PC 的資源。
由很多硬體元件所組成，運行效率高。
功能齊全完備。

缺點:

功能雖多但還是受到限制，擴充不易 (可能需要額外的費用)。
有的機型可以需依照廠商所定的 API / protocol 來與 PC介接溝通，但仍有學習門檻。
廠商所提供的 driver / API / utility 不一定能跨平台 (Windows / Linux)。
無法透過 MCU (例如 ESP32、Arduino) 來操作。
價位較高。

2. Signal generator in an USB dongle (例子):
優點:

體積小，便於攜帶。
仍含有專用的硬體元件，維持執行效率。
可由 PC 上的軟體控制，應用上較為彈性。

缺點:

通常較小型，功能有限。
仍需透過 PC控制，某種程度地占用 PC 的資源。
driver / utility 不見得能跨 OS (Windows / Linux)。
無法透過 ESP32、Arduino 使用。
不是非常便宜。

3. Arduino-like based signal generator (例子):

優點

可以獨立使用，不需要依賴與耗用 PC 的資源。
便宜。

缺點

不易與 PC 介接。
可以獨立使用，但較難與其他設備協同作業。
功能較有限。

網路上就有很多以 Arduino / ESP32 搭配 AD9833 模組的例子，這也是我原本所採取的模式，但是有以下的考量。

Device driver 的開發模式

就以 "使用 Arduino / ESP32 或其他控制器搭配 AD9833 來產生各種訊號" 這個目的來說，通常可以採用以下幾種開發模式:

1. 一般的開發模式:

在 PC 上編寫/編譯程式之後上傳到控制 AD9833 的裝置 (Arduino / ESP32)上，在程式中插入一些例如 "print" 的指令將執行狀況顯示出來，以作為 tracing / debugging 的依據；修正錯誤之後再次重複以上的步驟。

優點:

在真實的裝置中執行，其結果絕對真實。

缺點:

須根據要檢測的點，逐一插入相對的 "print" 指令，並且要重新編譯，費工費時。
無法設定中斷點，也就無法暫停程式的執行以檢視流程與狀態。
無法動態地修改變數值或改變程式流程，必須重新修改編譯才行，費工費時。
每次修改之後都需要重新編譯，並重新上傳到 MCU 上面，相當耗時。

跨平台的移植性較弱，為 Arduino 開發的程式不見得可以在 ESP32、Raspberry Pi、PC 上面執行。

2. 使用 JTAG based in-line debugger:

優點:

不再需要手工加入 "print" 指令。

可以設定中斷點暫停程式的執行以檢視流程與狀態。
可以動態地修改變數值或改變程式流程。

缺點:

操作與設定較複雜，學習門檻較高。

不是每種 MCU 都有支援。
不是每種語言都可搭配 in-line debugger 使用

需要 IDE 有支援。

跨平台的移植性較弱，為 Arduino 開發的程式不見得可以在 ESP32、Raspberry Pi、PC 上面執行。

目標

因為我比較常用 ESP32+ (Micro)Python，這邊就沒有考慮 Arduino。

這次實作想達到的目標如下:

建構必要的軟體，可以用 ESP32 / Raspberry Pi 來控制 AD9833 模組來產生訊號。
也可以使用 PC (Windows / Linux)來做控制 AD9833，這樣就可與 PC上的資源連接，例如將 PC 上的資料透過 AD9833 產生訊號發送出去。
可以控制一個或多個 AD9833 來做多種 modulation (BFSK、BPSK、QPSK、IQ、FM、PM、OOK、DTMF)。
開發出來的成果，可以跨 OS (Windows / Linux) 與硬體 (PC / Raspberry Pi / ESP32) 地用來控制 AD9833。
開發的過程中:

不需要反反覆覆的上傳程式到 MCU 上。
可以設定中斷點，也可以監看或改變變數的內容值，不需要使用 JTag，沒有學習門檻。

做法與特色

使用 Python

Python 某種程度地將 OS 與硬體平台抽象化，同一套 Python 程式很可能可以在 Windows / Linux，Raspberry / ESP32上面執行，只需要經過些微修改，甚至不需要修改就可以運行。

使用 Adapter 設計模式:

將不同平台上驅動 bus (SPI / I2C / GPIO)的方式包裹成統一介面的 adapters，同一套程式可以適用在不同的 OS (Windows / Linux) 與硬體 (PC / Raspberry Pi / ESP32) 上，僅須依據不同的環境選用不同的 adapter 即可，所需的調整微乎其微。

將 registers 元件化:

依照 AD9833 的規格書，將煩人的 register 讀寫透過元件來處理，只需要指定 欄位的名稱，不需要去計算左移、右移的位數，例如要控制 SLEEP1 的欄位，只需:

def _enable_internal_clock(self, value = True):
    self.control_register.elements['SLEEP1'].value = int(not bool(value))
    self._update_control_register()

可以隨時列出一個 register中各個欄位的值，例如:

ad.control_register.print()
<< Control >>    :  ('0x2000', '0b10000000000000')
[ D15 ]        :  0
[ D14 ]        :  0
[ B28 ]        :  1
[ HLB ]        :  0
[ FSELECT ]    :  0
[ PSELECT ]    :  0
[ PIN_SW ]     :  0
[ Reset ]      :  0
[ SLEEP1 ]     :  0
[ SLEEP12 ]    :  0
[ OPBITEN ]    :  0
[ SIGN_PIB ]   :  0
[ DIV2 ]       :  0
[ Reserved_2 ] :  0
[ Mode ]       :  0
[ Reserved_0 ] :  0

Registers 狀態的比較:

可以針對兩組不同的 registers 設定值做比較，並列出各個欄位的差異，這在 development 階段 debug 時候非常有用。

可以直接在 PC 上直接控制 AD9833 模組

使用 USB-SPI converter (例如 FT232H 或 FX2LP)，讓 PC 可以直接連接使用 SPI 介面的 AD9833。
透過 Bridges package，將 PC 假扮成 ESP32 / Raspberry Pi:

讓使用 USB-SPI converter 的 PC 具有和 ESP32 / Raspberry Pi 相同介面定義的 SPI功能，將 PC 假扮成 ESP32 / Raspberry Pi，所以開發出來的 Python 程式不需要修改，直接複製過去就可以在 PC / ESP32 / Raspberry Pi 上使用。
反過來說，網路上既有裝置的 Python driver，不論是為了 Raspberry Pi 或 ESP32 寫的，都很可能只需經過極少的調整，甚是不需要修改，就可以在 PC 上面使用，極大化地拓展裝置可用的資源與 PC可使用的裝置品項。

對開發上的影響:

在 PC 上開發程式並直接控制 AD9833 來測試，不需要反反覆覆地上傳程式到 ESP32 上。
利用 PC 上的開發環境優勢，例如先進的 IDE (如 PyCharm) 來開發程式，可以設定中斷點，隨時監看執行狀況並檢視變數值。

網路上既有的 Python device driver，只需經過極少的調整，就可以在 PC 上面使用，我們可以使用 PC 上 IDE 的 debug 功能，加速我們對 device 運作原理的了解，縮短開發時程。
可以透過 Jupyter Notebook 來測試與使用 AD9833，兼顧程式的發展與文件的累積。