Делаем лучшую радиосистему для Neko
Рассказ, как мы собрали «AirPods для гитары» — радио‑модуль для передачи звука из гитары. Как так получилось, что он звучит лучше аналогов, и зачем он в Neko Engineering.
На фоне современных «как я навайбкодил high‑load биллинг за 57 минут», это статья‑динозавр про разработку из прошлого, но так уж вышло.
Каким получился передатчик — произведение искусства на площадке 5 х 2 см
Зачем это вообще нужно
В шинкансене на пути из Киото в Хиросиму, наконец, есть абсолютно взрывная возможность написать про эпик инжиниринг, или то, как мы делаем радиосистему для самого лучшего в мире устройства — Neko.
Небольшой дисклеймер. Всё описанное ниже сделано инженерами Neko. Я — продакт (хоть и с дипломом радиотехника), пересказывающий своими словами наши с ними беседы. Так что любые неточности могут присутствовать.
Как вы помните, Neko — это карманный мультитул гитариста, в котором есть всё, чтобы сделать любимую музыку в те короткие мгновения между возвращением с работы и сном.
Это Неко. А радиопередатчики — в тех маленьких штучках слева и справа. Один в гитару, второй в усилитель
И от айфона с запущенной музыкальной аппкой его отличает прежде всего наличие необходимой периферии — входов и выходов, в которые можно воткнуть гитару, наушники, петлю эффектов и вот это всё.
А от процессоров, где эти разъёмы есть, типа Neural DSP или Sonicake, или даже связки айфона со звуковой картой — возможность начать играть за 5 секунд, не разматывая провода и запуская многочисленные приложения.
Не разматывать провода — значит, что вместо традиционных разъёмов для проводного подключения (точнее, в дополнение к ним), нам нужна встроенная радиосистема для передачи звука из гитары в устройство, и из устройства в усилитель или пульт.
Вот так можно пользоваться Некой — подключил за секунду и полетели
И эта радиосистема должна работать реально офигенно. Если сделать радио плохо — Neko превращается в очередную игрушку.
Идеальное представление радиосистемы Neko — это провод с двумя джеками 6,3, только без самого провода. Как и провод, она должна быть всегда готова к игре. А джеки должны быть миниатюрны, чтобы не создавать лишних препятствий.
Чтобы Neko стала действительно "All you need is Neko", и заменила всё, включая провода, ей нужна радио-система с классным качеством, и очень простым использованием
И ощущения от игры тоже должны быть как от провода — чтобы подключать любой инструмент с активными или пассивными датчиками, хоть гитару, хоть бас.
Казалось бы, задача простая, все уже привыкли к AirPods, которые лежат себе в кармане и неплохо звучат. Давайте просто возьмём современные технологии и сделаем радио-провод?
Но есть некоторая специфика инструмента, которую нельзя игнорировать.
Специфика инструмента
Если обратиться к опыту гитаристов, и послушать, что они думают о беспроводных системах, можно узнать множество нецензурных слов, смысл которых сводится к основному:
радиосистемы жрут динамику,
не хватает хэдрума, звук зажат,
звук становится тонким, пластиковым,
усилитель отвечает не так, как надо.
Мой идеальный риг, но, к сожалению, играть на нём получается крайне редко — обычно играю на неподключенной
Мой собственный опыт игры на инструменте бескопромисно аналоговый — я включал гибсон проводом в ламповый маршал. Громкость отсраивалась по дрожи волос на ногах. Дилей добавлял звукорежиссёр на пульте, а ревер — исключительно в отражениях от стен зала.
С таким бэкграундом, я полностью разделяю мнение гитаристов о радиосистемах, озученное выше. И наше радио должно быть без этих недостатков — кароче, помните, давайте "просто сделаем провод, только без провода".
Оказалось, что такое ТЗ очень понятно для гитариста, но совершенно не годится для инженеров. Озвучив его, я встретил в их глазах недопонимание с некоторой долей волнения за моё ментальное здоровье.
Поэтому, чтобы объяснить команде, чего же мне хочется, пришлось пройти некоторый этап рисёрча и перевода ощущений в технические метрики — диапазон, неравномерность АЧХ и ФЧХ, амплитуду и скорость нарастания сигнала.
Переводим ощущения в ТЗ
Начали с изучения аппаратной части. Разобрали Fractal, реамп-бокс от AMT и ещё несколько устройств, чтобы понять, как у них устроены входные и выходные цепи, как работают с оцифровщиками.
Легендарный Fractal Axe FX, очень интересно было, как у них устроены входы и реамп-выходы
Изучили тирдауны (документы с описанием внутрянки) Lava Studio, Mooer GE1000 / GS1000, Universal Audio Dream, M-Wave Black Box. Это дало понимание best practice построения гитарных цепей — аналоговых и цифровых.
Tear down новейшей Lava Studio уже в интернете — ничего сейчас не утаить. Здесь интересно, как они сделали обработку звука, ну аналоговые схемы тоже
Дальше начали разбираться с радио. Для этого купили несколько радиосистем до $200, чтобы понять, что именно с ними не так, и как сделать Neko значительно лучше каждой из них.
Слева направо: дешёвая система 1, дешёвая система 2, подразобраная XVive A58, Nux C-5RC, разобранный Sennheiser XSW-D
Это:
Sennheiser XSW-D ($199)
Nux C-5RC ($189)
Xvive A58 ($149)
парочка noname систем с Temu и Ozon ($19-29)
Поехали реверсить схемы, у Нюкса оказалось 2 канала усиления
С каждого из разобранных устройств сняли принципиальные схемы нужных цепей, вдоль и поперёк их измерили и отслушали. Пока этим занимались, получилось связать ощущения с физикой и конкретными техническими характеристиками:
— Потеря динамики. Оказалось, что рабочий диапазон гитары — огромен, порядка 100 dB. Это отметил ещё Ken Schaffer, разрабатывая легендарную Schaffer–Vega diversity system, и добавляя туда компрессор-экспандер. То есть сигнал гитары может быть 100 mV, а могут быть вполне рабочие выбросы до нескольких вольт в пиках.
Исследования произвели довольно дотошно, снабдили их подробными описаниями результатов
Сложность оцифровки такого сигнала в том, что звук гитары должен максимально эффективно уместиться в диапазон оцифровки (например, 5V). А как его эффективно оцифровывать, если там значение отличаются в десятки раз.
Поэтому, в попытках найти компромисс диапазон либо поджимают, чтобы он точно уместился в эти 5V, либо приходится использовать только небольшую часть диапазона оцифровщика.
— Зажатый звук без хэдрума. Это ощущение похоже на то что выше, но с нюансом. Его можно испытать так — сначала поиграть в преамп с двуполярным питанем +/- 12 вольт (или ламповый с огромными амплитудами питания), а потом включиться в радиосистему с питанием 5 или даже 9 вольт. Появится то самое ощущение низкого потолка.
Все радиосистемы нещадно клипуют в пиках
И его объяснение не только в недостаточности амплитуды питания преампа, из-за которого выбросы высоких амплитуд в сигнале просто обрезаются, но и в неравномерности работы любого операционного усилителя возле нуля на однополярном или двуполярном, но низковольтном питании.
— Тонкий пластиковый звук. На этот ощущение действует целый набор факторов — от характеристик компонентов (яркий пример — проходные конденсаторы), до неравномерности ФЧХ на разных частотах. Они порождаются и аналоговой частью, и цифровой (кодек, физика и математика передачи данных).
Нестабильность амплитуды и частоты порождает тот самый странный пластиковый звук
— Непривычная реакция усилителя. После передачи цифровых данных, их надо восстановить и превратить обратно в аналоговый сигнал так, чтобы гитарный усилитель реагировал на него, как на сигнал из гитары.
Здесь огромную роль играет выходное сопротивление, потому что гитарный датчик влияет на усилитель весьма специфично. Датчики у всех гитар разные и сделать универсальное решение тяжело. Но мы попробуем.
TLDR исследования систем:
— дешёвые радиосистемы с Temu — скорее игрушка,
— все остальные с компромиссами и скорее полу-про. Sennheiser лучше, но тоже с вопросиками.
Чуть подробнее
Про каждую из систем. Было полезно разобраться, как вообще они устроены и как решают задачу.
1. Радиосистемы с Temu за $20
Это просто игрушка. С точки зрения использования по назначеню — мусор. Одна из систем сделана на чипе без документации, но который встречается в mp3 Bluetooth-передатчиках. На других маркировка выжжена.
Дешёвые девайсы с Temu показали очень плохие базовые результаты, не стали их сильно мучать
На тестовом стенде в обработанном сигнале постоянно плавала амплитуда и частота без явной зависимости. У систем задержки 15-25 мс (вместо заявленных 4 мс), отвратительные искажения. При амплитуде больше 400 mV начинаются клипы и ещё более отвратительные искажения.
В общем, плохо настолько и везде, что их подробное исследование лишено смысла.
2. NUX, Xvive A58 и Сенхи
У Сенхайзера всё лучше остальных — хорошие компоненты, дорогие АЦП (оцифровщик — аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь, оцифровщик наоборот), самая устойчивая связь с задержкой 4 мс. Радио реализовано на чипах от компании Dialog SC14241.
Тот самый чип Dialog, по некоторым данным End Of Life, сложнодоступный, но в самой лучшей радиосистеме из представленных
Минусы — всё так же поджимает звук, клипует, делает его немного пластиковым. Хуже всех по габаритам и массе — на борту тяжёлые аккумы, потому что электроники много, мощность высокая, это всё надо питать. Но оверолл это лучшее звучание из исследованных.
У него не типичная радио-часть — чипы Dialog SC14241. Они ставились на телефоны формата DECT, которые уже не производят (вы вообще про такие помните? UPD: хотя мне тут подсказывают, что в Европе он вполне себе жив). Сами чипы никто не поставляет, а компания их производившая (Dialog) была продана компании Renesas.
С Renesas работать как-то сложно, максимум что нам удалось накопать — это возможность прийти в один из дорогих дизайн-хаусов, которые могут приготовить решение на базе этих самых чипов Renesas. В общем, не наш путь. Но заложенные идеи интересные.
XVive и Nux похожи. Обе системы плюс-минус одного уровня, сделаны на 5.8 GHz передатчиках от тайваньского производителя.
Разобранный A58. Виден передатчик A5133, но непонятно, чем они кодируют звук — на чипе спилена маркировка
Обоим сильно не хватает амплитуды, нещадно клипуют на пиковых сигналах. Хотя в Nux используется параллельно два канала с разным усилением (х0.5 и х5 для гитар с разным уровнем сигнала), и устройство может выбрать более подходящий для гитары канал. Лучше чем ничего, но работает всё равно не супер.
Плывёт фаза, ФЧХ неравномерна — звук разъезжается, и при переключении колонки со входа трансивера на выход, сразу чувствуется эффект. Звучит, как будто звук прошёл через пластиковую игрушку.
Есть неравномерности в задержке (3.5 — 5 мс) и куча других косяков в звуке — например, Nux завышает верха и немного занижает общую громкость. В качестве гипотезы сделали фикс — покрутили громкость и сделали коррекцию тона, стало звучать идентично с исходным сигналом.
Есть цифровой фильтр, который должен отсекать всё что выше 20 кгц, но по факту эти частоты пролезают со сдвигом фазы и амплитудной модуляцией, и создают субтона, в том числе и на звуковой частоте.
Правильная фильтрация достигается активным фильтром (например, так сделано у фрактала). При добавлении такой штуки в Nux, должно начать работать лучше, но там проверять не стали.
Итого, лучше всех Сенхи, но они жручие и всё равно звук портят, есть ограничения по амплитуде.
Nux и XVive с натяжкой тянут на какой-то полу-про уровень. Неравномерности задержки, сильные ограничения по амплитуде, ограничения по нарастанию амплитуды, неравномерности в ФЧХ, сильные искажения сложных сигналов на средних частотах. Но зато отлично решают задачу — сделать радио доступным и массовым.
Благодаря этим изысканиям, мы идентифицировали проблемы, и то, как техника влияет на ощущения. А изучение тирдаунов профессиональных дорогих устройств дали кругозор, чтобы сделать идеальное решение для Неки.
Что мы сделали
Дальше буду аккуратен в выражениях на узкой тропинке между нашим собственным Neko NDA (Non-Disclosure Agreement — соглашение о неразглашении) и полезностью статьи, потому что мы нашли тот самый secret sauce, делающий Neko-джеки эталонными.
В слепом тесте по сравнению с ними в ящик стола отправляются все радиосистемы из заявленного списка.
В общем, параллельно с изучением устройств выше, мы собирали принципиальные схемы, SPICE-моделировали их поведение, и собирали PoC (Proof Of Concept) вариантов, чтобы проверить, как оно играет в железе.
Итераций было несколько, в каждой из них сначала выбрали наилучшие узлы, а потом заставили их работать вместе:
Проверили цифру и передатчики: 2,4 ГГц и на 5,8 ГГц, с разными алгоритмами передачи данных.
Попробовали аналоговые каскады с разным питанием, разные подходы к контролю усиления и динамики.
Выбранную комбинацию из передатчиков, оцифровщиков, микроконтроллеров, аналоговых схем и питания дотюнили инструментально и на слух, устанавливая разные компоненты.
На старте вообще не очень верилось, что задача решаема в таких габаритах
К чему в итоге пришли за несколько итераций:
— Передатчики всё-таки 5,8 GHz, а не 2,4. Первые PoC были собраны на Нордиках, потому что это удобно, доступно и работает. Но переехали на тайваньские 5,8 GHz — они работают в менее нагруженном диапазоне (будет лучше связь без доп веса аккумов). Скорость передачи данных выше (больше возможности для снижения задержек и их неравномерности). Ну и цена отличная.
— Hi-end схема питания и компоненты. Это очень важно, чтобы компоненты работали в ожидаемых режимах, и ничего не клиповало по входу. Все пассивные компоненты малошумящие, проходные плёночные конденсаторы, всё как в лучших домах.
— Управляемый коэффициент усиления. И хитрая схема управления им. Чтобы точнее корректировать диапазон входных напряжений, и работать хоть с пассивными синглами, хоть активными хамбакерами или басом.
Это третья или четвёртая итерация передатчика, разведённая так, чтобы легко было тюнить компоненты и тестировать по модулям
Финальный PoC мы собрали в большом размере, чтобы удобно поковырять и скорректировать на лету. И когда схема заиграла лучше сенхайзеров, мы посчитали, что дело в общем-то сделано.
Но, в лучших традициях продакт менеджера, я предложил ещё несколько функций, не относящихся к звуку, но улучшающих UX, чтобы пользоваться устройством было веселее:
канал для данных, по которому приёмник и передатчик будут синхронизироваться с тушкой и слать технические сигналы — остаток заряда, статус, режим работы, и т.д.
магнитные контакты для зарядки от тушки, и передачи данных для обновления прошивки, чтобы раз и всё подключилось и там само как-то настроилось, и не надо париться,
небольшой зуммер на каждом джеке, чтобы при его потере можно было нажать на тушке кнопку и найти его по характерному писку из-под дивана.
Это уже самая новая версия финального передатчика, вид сверху. Произведение искусства!
С финальной схемой и этими вводными мы приступили к разводке EVT (Engineering Validation Test) в прод-размер, который чууть-чуть превышает размер привычного нам всем джека 6,3 мм.
А это — он же снизу. Ну и да, конечно же, без BGA в таких размерах никуда
Ребята сделали шедевральную работу. Это просто произведение искусства, и радиосистема сама по себе уже — самостоятельный и исключительно крутой продукт:
по качеству звука она гораздо ближе к решениям за $1000+, а не $200,
по UX почти как провод, только без провода — воткнул и забыл, заряжается от тушки,
и есть One More Thing. То, ради чего Неко вообще делалось — продуктовые преимущества мульти-тула.
One More Thing
Neko устроено так — из джека-передатчика звук гитары идёт в тушку, там с ним может что-то происходить, и тушка пересылает его в джек-приёмник в усилитель или пульт. Минус такого решения — total задержка в 10-12 ms вместо 4 ms. Как будто усилитель играет в 3-4 метрах от вас. Дальше только плюсы.
Начинаются они с того, что тушка — ретранслятор с запасом мощности, и благодаря ней энергетические свойства системы лучше. В общем, маленькие джеки могут работать дольше и стабильнее.
Тушка может на лету корректировать звук — например, эквалайзером аккуратно вырезать неприятно звучащий горб у конкретной гитары. И по кнопке отключать эквалайзер и корректировать гейн, если подключаете другую свою гитару.
Вот так между входом и выходом системы легко добавить эквалайзер, и включать его только для Гибсона, а для второй гитары не включать. Ну и метроном и рекордер всегда тут же
В тушке всегда доступен тюнер, метроном и рекордер. Метроном можно пустить в пульт через выход на 3,5 джек, или прямо в комбик вместе с гитарным сигналом. И она может работать как полноценный процессор, если досталось играть в пульт.
Ну и вообще напихать между входом и выходом можно всё что угодно, включая автоаранжировщик и мультидорожечный рикордер, all you need is Neko же!
Рекордер может записать репетицию с микрофона, улучшить этот звук ML-моделькой, чтобы качество записи приблизить к про-микрофону, разделить сделанную запись на стемы и скорректировать отдельно барабаны, а преобразовать в MIDI и подложить синты, а записанный трек гитары зареампить через Neural Amp Modeler.
Вроде просто сходил на репетицию, а получил готовый препродакшен треков — дальше экспортируем в DAW, и допиливаем.
Заключение
Хотел написать, что проделанная командой работа уже меня сильно вдохновляет и вселяет уверенность в том, что у нас всё получится.
Но напишу проще — это просто вау! В Neko самая мощная и сумасшедшая команда рокеров, которая разваливает любую задачу под орех и делает вещи. Ребята — просто красавцы, и я кайфую каждую секунду, работая вместе над проектом.
Stay Heavy \m/
