Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является последовательным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс, разработанный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники. В настоящее время интерфейс MIDI имеют и дорогие синтезаторы, и дешевые музыкальные клавиатуры, пригодные в качестве устройств ввода компьютера. Сообщения MIDI широко используются и для передачи музыкальных записей (на дисках и по сети), а также как выходной аудиоинтерфейс для игр и прочих «звучащих» приложений. Описание музыкальных фрагментов в формате MIDI очень компактно: минута MIDI (файлы с расширением.MID) может занимать менее 10 Кбайт, в то время как минута оцифрованного звука (файлы с расширением.WAV) с качеством аудио-CD занимает около 10 Мбайт. Однако формат MIDI позволяет воспроизводить лишь звуки, на которые способен синтезатор на исполняющей стороне, в то время, как цифровое аудио воспроизводит любые звуки. В отличие от оцифрованного звука при воспроизведении данных MIDI пользователь может независимо изменять тональность (транспонировать музыкальный текст) и темп исполнения, причем без искажения тембра и характера звучания инструментов. Современные процессоры и методы обработки сигналов позволяют транспонировать оцифрованный звук даже в реальном времени, но все-таки с рядом ограничений.

В физическом интерфейсе применяется токовая петля 5 мА (возможно, до 10 мА) с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи. Логическому нулю соответствует наличие тока, логической единице и отключению — отсутствие тока (в «классической» токовой петле телекоммуникаций — наоборот).

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-In, MIDI-Out и MIDI-Thru (рис. 12.4).

Входной порт MIDI-In представляет собой вход интерфейса «токовая петля», гальванически развязанного от приемника оптроном с быстродействием не хуже 2 мкс. Устройство отслеживает информационный поток на этом входе и реагирует на адресованные ему команды и данные.

Выходной порт MIDI-Out представляет собой выход источника тока, гальванически связанного со схемой устройства. Ограничительные резисторы предохраняют выходные цепи от повреждения при замыкании на землю или источник 5 В. На выход подается информационный поток от данного устройства. При специальной настройке устройства в этом потоке может содержаться и трансли­рованный входной поток, но это нетипично.

Транзитный порт MIDI-Thru служит только для ретрансляции входного потока, по электрическим свойствам он аналогичен выходному. Его наличие не является обязательным для всех устройств.

In

VIDI 1 Контроллер

(Секвенсор)

MIDI

Out

1 голосовые

Звук. модуль

16 управляющие

Thru синхронизирующие

In

MIDI 2

Thru In

MIDI 3

Рис. 12.4. Соединение интерфейсов MIDI

Поток данных MIDI исходит от MIDI-контроллера или от секвенсора. MIDI-контроллер представляет собой устройство, на котором играют как на музыкальном инструменте (чаще всего это клавиатура). MIDI-контроллер формирует поток сообщений, отражающий события исполнения (нажатие и отпускание клавиш) в реальном времени. MIDI-секвепсор (sequencer) — устройство, позволяющее перехватывать, хранить и редактировать (включая комбинирование, наложение и генерацию) поток MIDI-сообщений и воспроизводить его в заданном темпе. Исходящий поток MIDI-контроллера или секвенсора поступает на его разъем MIDI-Out. Для использования в качестве секвенсора компьютер должен иметь порт MIDI и соответствующее прикладное ПО, а также иметь производительность, достаточную для работы в реальном времени. Секвенсоры оперируют треками — строками нот, исполняемыми параллель­но. Трек примерно соответствует партии (или ее части) одного инструмента. Та­кое представление естественно для композиторов и обеспечивает богатые воз­можности по редактированию. Программный секвенсор может сохранять парти­туры как в своем собственном (ни с кем не совместимым), так и в стандартизо­ванном формате. Для синтезаторов с аналоговым управлением интерфейс MIDI непосредствен­но не подходит. Для их подключения существуют специальные микроконтрол­леры с ЦАП, формирующие управляющее напряжение (линейное или экспонен­циальное) и разрешающий сигнал на основе потока сообщений MIDI, адресо­ванных к выбранному каналу. Встроенное программное обеспечение такого кон­троллера может реализовать все команды, связанные с изменением частоты тона: вибрато, глиссандо, портаменто и т. п.

Наиболее распространенные MIDI-контроллеры представляют собой 4-6-ок-тавные клавиатуры с полноразмерными (как у рояля) или уменьшенными кла­вишами. Каждая клавиша имеет датчик нажатия: простейший дискретный (кно­почный), фиксирующий лишь факт нажатия-отпускания, или же динамичес­кий, измеряющий скорость (силу удара) и передающий это значение в каче­стве параметра сообщения. Простейшие клавиатуры имеют подпружиненные клавиши, более качественные «взвешенные» клавиатуры для исполнителя по ощущениям близки к настоящим рояльным. Клавиатура может иметь датчик давления на клавишу после удара, «колеса» (wheels) для управления строем канала, а также подачи сообщений управления контроллерами (например, глу­бины модуляции). К клавиатуре могут подключаться педаль удержания нот (sustain), органы включения различных эффектов, переключения номера кана­ла. На клавиатуре может быть установлен и небольшой дисплей или отдель­ные индикаторы режима работы.

Интерфейс MIDI в значительной степени ориентирован на клавишные музы­кальные инструменты. Однако даже самая хорошая «взвешенная» клавиатура с датчиками скорости и давления не позволяет передать всех нюансов исполне­ния, например, духовых или струнных (щипковых или смычковых) инструмен­тов. В настоящее время существуют MIDI-контроллеры с интерфейсами, отлич­ными от клавишных. Существуют MIDI-контроллеры в виде гитар, где датчики определяют место прижима струн и силу удара (щипка). Есть и MIDI-контрол­леры с «духовым интерфейсом» — датчики устанавливаются на клапанах, а спе­циальный мундштук измеряет расход проходящего воздуха. Существуют также и преобразователи аналогового сигнала в поток MIDI-инструкций. Они имеют АЦП, оцифровывающий входной сигнал, снятый микрофоном с реального инст­румента, и внутренний сигнальный процессор. Для гитар выпускаются специ­альные звукосниматели, сопряженные с сигнальными процессорами. Задача раз­ложения звука на голосовые (не спектральные!) составляющие достаточно сложна и легче решается для одноголосных инструментов. Если преобразователь исполь­зовать как устройство ввода для секвенсора, то ошибки преобразования можно исправлять средствами редактирования музыкального текста в секвенсоре.

Самым примитивным MIDI-контроллером может являться обыкновенная ком­пьютерная клавиатура — она способна генерировать сообщения по фактам на­жатия и отпускания клавиш. Ценным свойством клавиатуры является способ­ность реагирования на одновременные нажатия-отпускания клавиш, в том числе и во время удержания нескольких клавиш нажатыми. Конечно, она не воспри­нимает динамику удара и расположение клавиш отнюдь не фортепьянное, но при отсутствии настоящей клавиатуры поиграть можно (даже аккордами). Воз­можность ввода MIDI-команд с клавиатуры имеется во многих программах, ра­ботающих с MIDI-синтезатором.

Поток сообщений MIDI проигрывается в компьютере с помощью синтезато­ров, аппаратных или программных. Чисто аппаратная реализация MIDI выпол­няется на звуковых картах с собственным процессором. Этот процессор интер­претирует каждое сообщение MIDI в команды управления синтезатором (FM или WT). Простые карты имеют только сами синтезаторы, а управление ими для интерпретации сообщений MIDI осуществляет программный драйвер кар­ты, исполняемый центральным процессором. Современные процессоры способ­ны поддерживать чисто программную интерпретацию MIDI (Soft MIDI), выпол­няя и собственно синтез звука в цифровой форме. Правда, при этом занимаются ресурсы (процессорное время и память).

Конечным приемником потока MIDI-сообщений является звуковой модуль (sound module) — синтезатор, формирующий аудиосигнал на основе приходящих к нему команд. Применительно к PC синтезатор может входить в состав звуковой карты, а может быть и внешним.

Каждому звуковому модулю назначается свой номер логического канала (MIDI Channel) в диапазоне 1-16.

Наличие порта MIDI-Thru позволяет соединять устройства в цепочки и более сложные структуры. Возможные варианты топологии должны подчиняться главному правилу: вход MIDI-In одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-Out или MIDI-Thru другого устройства. При планировании MIDI-сети не­обходимо руководствоваться знаниями информационных потоков и связей уст­ройств. Управляющие устройства — клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспро­изведения), источники синхронизации — должны находиться, естественно, пе­ред управляемыми. Возможно применение и специальных устройств-мультиплек­соров, позволяющих логически коммутировать множество входных потоков в один выходной.

Сообщения MIDI разделяются на канальные (Channel Messages) и систем­ные (System Messages).

Канальные сообщения подразделяются на голосовые и управляющие (Channel Mode Messages). Голосовые сообщения несут основную исполнительную инфор­мацию. Исполнение ноты начинается по приему сообщения Note On, которое содержит номер ноты и скорость нажатия клавиши. Это сообщение инициирует фазы атаки, спада и удержания (см. рис. 11.3). Скорость нажатия задает уровень (громкость) исполнения, качественные синтезаторы в зависимости от скорости могут корректировать и характер исполнения (спектр, форму огибающей, выби­рать нужный образец). Нота снимается (отрабатывается фаза затухания) по при­ему с ее же номером сообщения Note Off (или Note On с нулевой скоростью). Голосовые сообщения управляют и характером исполнения (громкость, вибрато, смещение строя и т. п.). Каждому параметру синтезатора соответствует номер контроллера (в данном контексте — номер управляемого параметра), с помощью которого можно им управлять. Эти контроллеры не следует путать с MIDI-контроллерами — устройствами, с помощью которых исполнитель генерирует MIDI-сообщения. Управляющие сообщения определяют, как именно звуковой модуль должен отрабатывать голосовые сообщения.

Системные сообщения служат для синхронизации с видеооборудованием и ленточными записывающими устройствами, выбора произведения и позиции воспроизведения, настройки аналоговых синтезаторов. Сообщения реального времени образуют систему синхронизации MIDI Sync, используемую секвенсо­рами, ритм-машинами и другими тактируемыми устройствами MIDI. Есть и спе­циальные сообщения для обмена различными данными, например для загрузки патчей.

Для обеспечения совместимости различных звуковых модулей был принят стандарт General MIDI (GM). Он определяет минимальные требования к моду­лям и оставляет место для расширений, среди которых широко распространены стандарты GS и XG. Стандарт GM поддерживают все звуковые карты, «понима­ющие» MIDI. Расширение GS поддерживается довольно большим числом про­изводителей; XG поддерживают лишь синтезаторы (и звуковые карты) фирм Yamaha и Korg. Для унификации методов хранения и передачи информации MIDI были приняты и стандарты на форматы файлов.

Хранение и передача данных MIDI имеют свою специфику. Когда источни­ком сообщений MIDI является MIDI-контроллер и генерируемый им поток ис­полняется сразу в реальном времени, никакой маркировки сообщений обычно не требуется. Для хранения данных MIDI в виде файлов требуются специаль­ные меры для отметки времени.

При сопряжении устройств MIDI с «инородными» устройствами (видеосис­темы, аудиорекордеры) возникает задача их синхронизации. В MIDI использу­ется система MIDI Sync с однобайтными сообщениями SRT. Кроме этой систе­мы в музыкальных инструментах применяется и аппаратная синхронизация Sync24, известная под названием «DIN Sync», однако, несмотря на однотипность разъемов, никакой совместимости интерфейсов MIDT и Sync24 нет. Выделить из потока MIDI- сообщения SRT может несложный микроконтроллер (или же ап­паратная логика).

В мультимедийных приложениях возникает необходимость синхронизации MIDI-звука с движущимся видеоизображением. Существует несколько систем синхронизации SMPTE, принятых организацией Society of Motion Picture; Television Engineers (Общество инженеров движущихся изображений и телеви­дения).

Для передачи данных счетчиков SMPTE по интерфейсу MIDI разработана система синхронизации МТС (MIDI Time Code). Она является мостом, соединя­ющим систему синхронизации MIDI, построенную на отметках долей тактов (beat), с данными в форматах SMPTE. Отметим, что синхронизация MIDI Sync является темпозависимой — частота посылки синхросообщений пропорциональна темпу исполнения, который может меняться. Система SMPTE, а следовательно, и МТС привязана к абсолютному времени — ее частота сообщений определяет­ся только частотой кадров.

.

Направление потоков MIDI задается программно (в среде Windows через Панель управления, значок Multimedia, вкладка MIDI). В простейшем варианте все сообщения MIDI можно посылать на одно из присутствующих в системе уст­ройств, которые включают аппаратные (FM, WT и иные) синтезаторы установ­ленных звуковых карт, их порты, к которым подключены дочерние карты, внеш­ние порты MIDI, а также программные синтезаторы. Более сложную конфигура­цию можно задать, указав для каждого из 16 каналов MIDI свой синтезатор (порт назначения).

Внешний порт MIDI (с сигналами ТТЛ) обычно выводится на разъем джой­стика, установленный на звуковой карте (или системной плате с интегрирован­ным звуком), и для связи с внешними устройствами (с разъемами DIN и токо­вым интерфейсом) используются специальные переходники (см. п. 11.2.4). Про­граммно порт обычно совместим с UART MPU-401 (см. п. 11.2.5). На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемый для СОМ-порта, конфигурированием через CMOS Setup может быть переведен в режим MIDI-порта.

В последнее время в аудиотехнике намечается тенденция к использованию шины USB, которая пригодна как для обмена данными в традиционном виде.так и для изохронной передачи (с равномерной скоростью поступления данных) аудиоданных в цифровом виде. Интерфейс MIDI имеет ограничение на число каналов (16), и его невысокая скорость передачи ограничивает полифонические возможности (большое число нот в аккорде не может звучать строго одновре­менно). В то же время производительности современных PC хватает на то, что­бы справляться и с более мощными потоками данных. Для подключения уст­ройств MIDI к компьютеру через USB фирма Roland выпускает 64-канальный процессорный блок S-MPU64, который кроме шины USB имеет 4 входных и 4 выходных порта MIDI. Программное обеспечение допускает объединение до 4 блоков на одной шине USB, что увеличивает число каналов до 256.

Дата добавления: 2013-12-13