Сегодня стартуют продажи Яндекс Станции 2 — нашего новейшего устройства, которое станет центральным элементом в умном доме с Алисой. Мы полностью переосмыслили и внутренний, и внешний дизайн, добавили световой экран на верхней панели и постарались учесть опыт предыдущего поколения во множестве незаметных с первого взгляда компонентов.
Я хочу поделиться нашей внутренней кухней в формате, который уже стал традиционным для хабрастатей о новых Станциях. Это снова будут несколько историй про разные аспекты hardware-разработки: поговорим об исследованиях формы комнаты микрофонами, распространении света в прозрачном материале, а ещё о генеративных анимациях и неожиданной пользе от ПЛИС.
История про звук
Мы изначально проектировали Станцию 2 как устройство меньшего размера, чем первая Станция. При этом к моменту старта проектирования уже был запущен наш акустический флагман — Станция Макс, и конкурировать с ним по звуку в устройстве меньшего размера было практически невозможно. Тогда мы решили сделать звук другим — не направленным на человека, а равномерно распределённым по комнате (так называемый «звук 360 градусов»). Кроме того, мы стремились добиться баланса между всеми частотами — чтобы пользователи могли часто слушать голосовые композиции (и, например, подкасты) в параллель с любыми другими делами, не раздражаясь из-за слишком сильных «низов».
Режим «360 градусов» уже применяется в наших маленьких колонках. В Станции Мини он достигается за счёт динамика, направленного вниз — с дальнейшим рассеиванием звука в стороны. Но Станция 2 должна была быть устройством с заметно более мощным и качественным звуком, чем Мини. Самые первые эксперименты показали, что смотрящий вниз динамик не обеспечивает требуемого качества.
Кроме того, мы хотели сохранить фирменную черту наших старших колонок — стереозвук.
В результате многих экспериментов и проверки самых разных звуковых схем мы пришли к той, которая показана на иллюстрации: два широкополосных динамика смотрят вперёд и назад, а справа и слева их поддерживают пассивные излучатели, отвечающие за «хвост» низких частот.
Главное достоинство этой схемы: колонку можно крутить как угодно. Можно поставить динамиками вперёд-назад — или вправо-влево, что несколько усилит стереоэффект. Но здесь же кроется и проблема: мало кто ставит колонку в середине комнаты, в реальных помещениях один из динамиков — а в плохом случае и оба — могут оказаться близко к стене. Тогда из-за сильных переотражений звук будет портиться. Два года назад мы бы сдались и выбрали более безопасную звуковую схему, но в разгар акустического проектирования Станции 2 у нас появились первые обнадёживающие результаты экспериментов в области Room Correction (что это такое и как влияет на звук — расскажу в следующей истории). Поэтому мы решили рискнуть.
С динамиками пришлось повозиться — они нужны были широкополосные, с максимально хорошей амплитудно-частотной характеристикой, но при этом весьма компактные. К тому же обнаружилась особенность: при такой компоновке нужно следить за положением центра тяжести устройства. Чем он выше, тем менее устойчивой становится колонка. Поэтому в динамиках используются магниты специальной формы, дополнительно утяжелённые, чтобы обеспечить устойчивость. И да, динамики у нас традиционно заказные — на открытом рынке такие найти невозможно.
Неожиданный плюс симметричной компоновки оказался в том, что звук на высокой громкости не провоцирует лишних вибраций корпуса. Последние негативно сказываются на всём, в том числе на качестве распознавания голоса Алисой, потому что вместе с корпусом вибрируют и мембраны микрофонов.
История про Room Correction
В отзывах к первой Станции и Станции Макс пользователи нередко писали нам, что «басов слишком много». Даже в инструментальных треках и в музыке с оркестром низкие частоты порой преобладали. Но мы обратили внимание, что отчасти такое восприятие связано с тем, где именно находится колонка. Небольшое исследование показало: у заметного числа людей Станция стоит на полке в нише, а у кого-то — на полу в самом углу комнаты. Стены и перегородки в непосредственной близости создают акустические ограничения, и чаще всего соотношение частот меняется именно в сторону большего количества басов.
Проблему, казалось бы, решает эквалайзер, который мы запустили в декабре прошлого года. Но эквалайзер — функция скорее для меломанов, чем для всех пользователей. Хотелось, чтобы Станция «из коробки» играла приятно для человеческого уха (даже если её поставили в шкаф).
С одной стороны, на рынке есть решения, позволяющие адаптировать акустическую систему под конкретную комнату. С другой, обычно речь идёт о системах из нескольких колонок, а качество звука оптимизируется для слушателя, находящегося в конкретной точке — условно, на диване в середине комнаты.
Чтобы автоматически менять настройки в зависимости от окружения, требуется возможность что-то понять про это окружение. У колонки нет лидара, как у беспилотного автомобиля: она не может установить форму объектов вокруг. Зато у неё есть микрофоны.
С помощью микрофонов Станции 2 мы записали воспроизводимые ей звуки в эталонной акустической камере. Когда колонка воспроизводит эти же звуки в реальном окружении у пользователя, она оценивает разницу между тем, что слышит, и эталоном. Тем самым она может примерно понять, как окружение искажает проигрываемые звуки. Предположим, громкость каких-нибудь частот оказалась громче эталонной на 2-3 децибела. Тогда Станция сделает звук на этих частотах тише.
Сначала мы пробовали регулировать таким образом звук на всех частотах. Потратили много недель на тесты, но в итоге поняли: восприятие «верхов» зависит от расположения не только колонки, но и самого слушателя. Узнавать, где относительно Станции находится человек, мы пока не научились, а кроме того, слушателей бывает несколько. Зато басы, а также часть средних частот действительно эффективно подстраиваются под комнату.
История про дизайн
Придумать дизайн нового поколения устройства — непростая задача. Важно, чтобы пользователи, знакомые с предыдущими Яндекс Станциями, видели принадлежность к этому семейству и в новой колонке. С другой стороны, нужно привнести и что-то новое.
Для начала мы решили выяснить, какие внешние свойства люди сильнее всего ассоциируют со Станциями. Оказалось, что это:
- Простые формы — проще, чем, скажем, у Amazon Echo.
- Свечение — светодиоды вокруг регулятора громкости на первой Станции, светящийся логотип Алисы на Станции Мини и так далее.
- Ткань корпуса.
Все три признака было важно сохранить. Станция 2 — второе после Яндекс Модуля устройство, выполненное в соответствии с нашим новым дизайн-языком, который мы планируем использовать и в будущем. Главная свойство этого языка — двуобъёмность: есть основная часть, отвечающая за функцию (она в данном случае покрыта тканью, функцией здесь выступает звук), а есть верхняя, отвечающая за эмоцию. Если вы посмотрите на Модуль и на адаптер питания от Станции 2, то увидите такую же двуобъёмность и такие же формы.
Отдельной задачей стал подбор ткани. Мы хотели совершить шаг вперёд — сделать так, чтобы Станция воспринималась как предмет интерьера, хорошо смотрелась в большинстве окружений. После экспериментов с разными тканями мы поняли, что лучше всего эту задачу решает полотно меланж. Вам могут быть знакомы такие ткани, они часто используются в одежде и мягкой мебели:
Меланж подразумевает, что нить сплетается из волокон разных цветов и уже из этой нити производится сам материал. Мы добавляем 30% серой нити, так получается «антрацитовый» тёмный цвет с более светлыми вкраплениями:
Но среди первых Станций люди часто выбирали светло-серый вариант. В новой колонке такая же расцветка плохо смотрелась бы вместе с чёрной верхней панелью. Мы вышли из положения, придумав «песочную» вариацию. Синий «кобальт», в свою очередь, — это почти тот же чёрный, только поинтереснее: люди часто ищут нечто подобное.
История про верхнюю панель
Идея свечения, которую я перечислял выше в числе основных свойств Яндекс Станций, здесь доведена практически до абсолюта. Мы решили делать именно светодиодный экран как один из самых технически пригодных для нашей цели: осветить верхнюю панель от края до края. На этом пути нас поджидало множество сложностей, только часть из которых мы представляли заранее.
Концепция рассеивания света встречается в устройствах для пользователей, хотя и не очень часто. Обычно над источниками света размещают одну или несколько линз. Мы провели эксперименты с разными типами светодиодов, их числом и взаимным расположением — стало ясно, что нам понадобится явно больше 50 диодов. С таким количеством пользоваться линзами было нецелесообразно, устройство получилось бы слишком дорогим. Требовалось разработать такую панель, которая бы сама по себе красиво рассеивала свет.
На фото — два одинаковых по свойствам материала, но разной толщины
Мы начали пробовать: выкладывать полупрозрачные фрагменты пластика поверх платы со светодиодами. Важно было, чтобы один диод не засвечивал всю панель, но и не смотрелся слишком акцентировано, как яркая точка. Хотелось чего-то среднего: чтобы свет плавно перетекал между диодами. Причём картинка должна была быть хорошо заметна и на солнце. Глянцевые поверхности сильнее бликуют, матовые могут влиять на насыщенность. Даже техпроцесс, по которому выполняется матирование, играет свою роль.
Дополнительная сложность состояла в том, что на панели требовалось разместить центральный блок, «остров» с сенсорными кнопками и микрофонами. Мы рассматривали вариант с освещением всей панели, в том числе сквозь печатную плату острова: её предполагалось сделать либо из прозрачной плёнки, либо из обычного стеклотекстолита — тонкого до полупрозрачности. Увы, не всё может быть прозрачным: мы попробовали, но в свете от диодов виднелись дорожки, микросхемы и резисторы с конденсаторами. Поэтому мы всё-таки выделили специальное место под остров. Его размер постарались подобрать так, чтобы пользователи не ошибались, нажимая на кнопки, и не попадали пальцами по микрофонам. Кстати, если провести по всем трём кнопкам свайпом, включится следующий или предыдущий трек.
Наличие центрального блока накладывало ограничения: появились дополнительные светодиоды в логотипе Алисы, свет от которых как раз должен был быть более точечным, чем у остальных. В одном из прототипов мы перегнули палку — в лого явно проступали яркие точки. А в другом свет от диодов вокруг проникал в отверстия микрофонов: их невозможно полностью изолировать.
В финальном варианте компоненты острова скрыты под непрозрачной центральной частью плёнки, лежащей поверх всей верхней панели. Рассеивание света внутри пластика (если быть точным — поликарбоната) достигается за счёт добавления специального рассеивающего агента, состав которого почти такой же секретный, как у Кока-колы. Торцы верхней панели видны с боков — свет доходит и до них тоже, поэтому даже если колонка стоит выше уровня глаз, она всё равно подскажет визуально, какое действие сейчас выполняется. Подсветку обеспечивают 84 светодиода — именно на таком количестве мы в итоге остановились.
Создание светящегося верха стало одним из самых длительных этапов разработки Станции 2. Так вышло ещё и потому, что производство настолько сложных «бутербродов» с IML-плёнкой достаточно большой площади — нетривиальная задача. Мы нашли только одну компанию в Китае, которая смогла сделать панели нужного качества.
История про генеративные анимации
Экран, устройство которого я описал выше, не позволяет демонстрировать никакие конкретные объекты или показатели. Казалось бы, 84 светодиодов достаточно, но на самом деле это примерно соответствует разрешению 7x12 точек без учёта острова — меньше, чем в первых телефонах с цветными экранами. Для сравнения, дисплей Nokia 3310 имеет разрешение 84х48, итого 4032 пикселя.
Но как при помощи 84 диодов показывать интересные анимации во время проигрывания музыки? Решение родилось в результате тесного взаимодействия разработчика и дизайнера с техническим бэкграундом. Мы представляем аудиодорожку в виде последовательности сырых данных, обрезаем в них выбросы, сглаживаем. В каждый момент времени рендерер видит фрейм с набором данных, распределённых по частотам и их количеству (условно, на высоких громкость такая-то, на средних — такая-то, на низких — такая-то). Дальше мы раздаём данные по всем светодиодам: определяем, какая группа диодов за какие частоты отвечает. Если «низов» много, соответствующие диоды мигают более интенсивно, и так далее.
Однако в таком режиме анимации выглядели слишком просто. Поэтому мы придумали математически модифицировать данные. От каждой точки мы строим так называемое манхэттенское расстояние, и горит уже не один светодиод, а подобие окружности вокруг него из нескольких диодов. И наконец, мы немного рандомизируем границы этой фигуры. Получаются пятна неопределённой формы, которые непрырывно «перетекают» друг в друга — картинка видоизменяется по мере воспроизведения трека.
Я рассказал, как отрисовываются образы на верхней панели. А как выбираются цвета для них? Наш дизайнер нарисовал большую градиентную карту — со сложным, многоцветным и нелинейным градиентом. В каждый момент времени набор цветов для светодиодов берётся из определённого фрагмента этой карты, затем из соседнего, взятого со сдвигом, и так далее. Поэтому образы по ходу анимации плавно меняют не только форму, но и цвет. Даже для одного и того же музыкального трека каждый раз генерируются уникальные сочетания.
История про чипагеддон и ПЛИС
В хабрастатье к выходу новой Станции Мини я рассказывал про чипагеддон — возникший из-за пандемии дефицит железа. Тот опыт подготовил нас к тому, что и с компонентами для Станции 2 всё будет непросто.
Сильнее всего чипагеддон повлиял на доступность трёх узлов — Type-C-контроллера, STM32 (об этом ниже) и усилителя. Последний пришлось менять по ходу разработки: изначально мы проектировали колонку под другую модель. Оказалось, что усилителей класса D с цифровым входом и встроенными функциями обработки сигнала — всего лишь несколько артикулов на всём рынке и их настройка сильно отличается от одного производителя к другому. Так что нам пришлось примерно два месяца доводить уровень звука на новом усилителе до заданных требований.
В наших предыдущих колонках контроллером светодиодов служил стандартный STM32, и первые версии Станции 2 не были исключением. Но в начале прошлого года STMicroelectronics перестала поставлять эти контроллеры на рынок миллионными партиями, как раньше. Снижение объёмов производства спровоцировало цепную реакцию: многие компании стали закупать остатки STM32 впрок. В результате чипы не просто подорожали, а вообще исчезли с рынка. В тот момент были доступны китайские аналоги с нужными нам характеристиками (объёмом памяти и частотой). Но их было мало, стоили они примерно в 2,5 раза дороже знакомых нам чипов STM и снабжались не настолько детальной документацией. Мы приценивались и к отечественным микроконтроллерам: они оказались ещё дороже, плюс возникли сомнения в возможностях производства сотен тысяч чипов в нужные (сжатые) сроки.
Тогда один из наших дистрибьюторов предложил более доступную ПЛИС (программируемую логическую интегральную схему) в качестве замены STM32. Мощные схемы такого типа применяют для сложных вычислений и быстрой обработки — например, для преобразования Фурье или перекодирования видеосигналов. Простые ПЛИС, в свою очередь, вполне используются для управления несложными устройствами. Нас убедило ещё и то, что дистрибьютор был готов быстро подготовить MVP такого решения, а мы тем временем успели бы наработать экспертизу в не совсем знакомой области. Дело в том, что работать с ПЛИС — не то же самое, что с STM32. Да, и там и там ты пишешь код в IDE, но программирование ПЛИС строится по совсем другой логике.
ПЛИС на плате Станции 2
Задачу управления светодиодами мы уже решали в Станции Макс: там было 400 одноцветных диодов; здесь — 84 четырёхцветных (RGBW), итого 336 каналов. Но мы вспомнили, что ПЛИС — это про параллельную обработку, и решили воспользоваться полученными возможностями. STM32 управлял четырьмя сотнями диодов через микросхемы сдвиговых регистров, включённые последовательно в один 400-битный регистр. А ПЛИС параллельно управляет семью цепочками по 48 бит (плюс одна цепочка покороче, для светодиодов логотипа). Это позволило увеличить частоту кадров до нескольких сотен в секунду — а значит, улучшить плавность анимации.
Но светодиоды — это несложно, даже с учётом буфера кадров и 256 уровней яркости для каждого канала. Гораздо труднее оказалось строить тач-управление.
В STM32 есть встроенный контроллер тач-интерфейса, в ПЛИС — нет. Казалось бы, отдельных тач-микросхем существует множество, их делает масса производителей, но чипагеддон всё это перечеркнул. Нужных микросхем нет на рынке — последняя партия из нескольких сотен тысяч, которую нам удалось закупить, пригодится для производства Станции Мини.
Поэтому мы стали строить контроллер сенсорных клавиш на ПЛИС. Достаточно соединить тач-зону с двумя ножками ПЛИС и с одним конденсатором. Но из-за конструктива Станции 2 дорожки от самой интегральной схемы до клавиш пришлось вести по всей плате, через разъёмы и по гибкому шлейфу — а вокруг множество шумных сигналов управления светодиодами. Первая прошивка с тач-функциональностью работала хорошо — пока не включили анимацию. В этот момент посыпались ложные срабатывания: система думала, что клавиша нажата, даже когда к колонке никто не прикасался.
Пришлось собирать сырые данные с датчиков, анализировать их и строить цифровые фильтры, заодно подбирая параметры для снижения шумов. Затем обнаружили, что средний уровень сигнала от тач-зоны медленно меняется со временем, поэтому порог срабатывания нужно делать адаптивным. Но и это был не конец. Выяснилось, что качество сигнала зависит от конкретной микросхемы. Условно, 17 из 20 колонок в тестовой партии работали надёжно, а на трёх мы наблюдали ложные срабатывания. Подкрутили параметры фильтрации — три «плохих» починились, зато сломались четыре «хороших».
Этот эффект оказался связан с тем, что каждая микросхема обладает индивидуальными задержками в каждой ячейке, то есть скорость прохождения сигнала слегка отличается. Речь идёт о наносекундах — даже такие различия сказывались. В конце концов нам удалось переписать алгоритм измерения так, чтобы разница между микросхемами ни на что не влияла. Но к этому времени мы уже успели добавить в прошивку ПЛИС специальный «измеритель качества тач-сигнала» и ввести его в процедуру тестирования на производстве. Теперь мы для каждого экземпляра Станции убеждаемся, что все элементы сенсорного управления работают штатно.
История про Zigbee
Раньше управление устройствами умного дома с помощью Алисы происходило только через облака. Запрос «включи лампочку» отправлялся в облако умного дома Яндекса, затем — в облако производителя лампочки. Лишь оно подавало сигнал лампочке о включении — и так с большинством девайсов. Эта схема неустойчива и хрупка, что приводило и приводит к задержкам в исполнении команд.
Современный стандарт Zigbee позволяет отправлять команды локально, от колонки — лампочке. Это возможно, когда и там и там есть Zigbee-чип. Такие чипы способны работать от аккумулятора по несколько лет — в десятки раз больше, чем Wi-Fi-модули. Правда, и объём данных, которые можно переслать, у Zigbee гораздо скромнее, но для управления умным домом этого хватает. Кроме того, Zigbee-сеть является mesh-сетью в том смысле, что устройства с постоянным питанием (например, розетки) могут выступать ретрансляторами и автоматически расширять зону покрытия сети. Тогда новые девайсы будут выбирать ближайший к себе ретранслятор для подключения, а если он выйдет из строя — быстро перестраиваться под изменившуюся топологию.
Где-то внутри корпуса нужно было найти место под Zigbee-модуль. В итоге мы разместили его на одной плате со светодиодами верхней панели, прямо под сенсорными кнопками — именно в этой точке достигалось максимальное расстояние от всех металлических компонентов, которые могли ухудшить параметры антенны.
Колонка по-прежнему обращается в облако для распознавания голоса, но для нас появление Zigbee — шаг в сторону полностью локального умного дома.
Предрелизная версия платы со светодиодами и модулем Zigbee
История про полноценный Type-C
В конце отвечаем на самый популярный комментарий Хабра к постам о предыдущих колонках! В чём была сложность с реализацией порта Type-C в Станциях первого поколения? В том, что когда пользователи видят Type-C, они рассчитывают, что запитать устройство можно от любого адаптера, например, из комплекта к мобильному телефону. Возникает задача: понять, подходит ли нам подключенный адаптер. Для этого придумали протокол USB Power Delivery (PD).
Чтобы протокол работал полноценно, нужны два специальных чипа — и в адаптере, и устройстве. Адаптер с помощью чипа сообщает, какое напряжение и какую силу тока он способен обеспечивать. Устройство в ответ «рассказывает», каковы его потребности в напряжении и токе, и соединение происходит с теми параметрами, которые подходят обеим сторонам.
Когда мы разрабатывали систему питания Станции 2, то впервые смогли договориться о подходящих по цене PD-контроллерах и для адаптера, и для устройства. Блок питания специально проектировался под эту колонку, у него ровно те параметры, которые необходимы, но он адаптирован именно для воспроизведения музыки — способен кратковременно отдавать ток заметно выше номинального. И, конечно, от него можно заряжать любые другие устройства, поддерживающие PD.
Но основная сложность не в том, чтобы разработать подходящий адаптер, а в том, чтобы как-то обрабатывать ситуации, когда в блоке питания либо нет PD-чипа, либо есть, но он не способен обеспечить достаточную мощность. Мы в этом месте приняли волевое решение — позволить Станции загрузиться и на невысокой громкости сообщить пользователю, что нужно использовать более подходящий адаптер. Если же блок питания поддерживает PD-профиль [15В 3А], то колонка будет полностью работоспособной.
Это не все истории. Под тканью корпуса скрывается апериодическая решётка, которая защищает динамики от физического воздействия — все отверстия в ней имеют уникальную форму. Почему мы выбрали такое решение и как доказывали его влияние на звук, расскажет мой коллега в отдельной статье на Хабре. Станция 2 — одно из самых технологически сложных устройств Яндекса. В процессе разработки мы столкнулись с множеством вызовов и, надеемся, смогли сделать колонку, которая понравится пользователям.
Автор: Леонид Клюев
