Musical Instrument Digital Interface (MIDI) Dokumentation zur Präsentation. Version 1.2

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1 Musical Instrument Digital Interface (MIDI) Dokumentation zur Präsentation Version 1.2 Michael Gerber (gbm8) November 2011

2 Inhalt WAS IST MIDI?... 3 GESCHICHTE... 3 FUNKTIONSWEISE... 4 UNTERSCHIEDE ZWISCHEN MIDI- UND DIGITALEN AUDIO-AUFZEICHNUNGEN... 4 EINSATZBEREICHE... 5 RECHNERSYSTEME... 5 MIDI-ANSCHLÜSSE... 6 TECHNIK... 7 HARDWARE... 7 MIDI-HARDWARE IM PC... 7 MIDI-PROTOKOLL... 7 MIDI-GERÄTE... 8 MASTERKEYBOARD... 8 MUSIKINSTRUMENTE-ADAPTER... 8 EXPANDER... 8 SYNTHESIZER BZW. KEYBOARD... 8 HARDWARE-SEQUENZER... 8 SOFTWARE-SEQUENZER... 9 MIDI-INTERFACE FÜR PC... 9 MIDI-INTERFACE FÜR USB ODER FIREWIRE... 9 MIDI ÜBER USB ODER FIREWIRE QUELLENANGABEN

3 Was ist MIDI? MIDI ist die Abkürzung für Musical Instrument Digital Interface, ein Datenübertragungs-Protokoll zum Zwecke der Übermittlung musikalischer Steuerinformationen zwischen elektronischen Instrumenten. Ein Beispiel, wie typische MIDI - Steuerinformationen aussehen könnten: Ein Pianist schlägt eine Taste auf dem Klavier an oder tritt auf ein Pedal. Diese Aktionen sind einzelne Steuerinformationen, die wiedergeben, wie der Pianist auf dem Instrument gespielt hat. MIDI wird verwendet, um diese Informationen elektronisch aufzuzeichnen und wiederzugeben. Wenn z.b. das mittlere C auf einem MIDI-Keyboard kräftig angeschlagen wird, zeigt MIDI die Tastennummer 60 und die Anschlagstärke mit einem Wert zwischen an. Auf diese Weise beschreibt MIDI die Steuerinformationen in digitaler Form. Abbildung 1: Pianistin Diese Informationen die MIDI-Daten können zwischen MIDI-kompatiblen Musikinstrumenten übertragen, oder zur späteren Wiedergabe in eine Datei gespeichert werden. Egal welches Instrument oder welcher Computer verwendet wird: Die MIDI-Daten reproduzieren das ursprüngliche Spiel jedes Mal genau gleich. (Beachte: der eigentliche Klang des Instruments unterscheidet sich z.b. kann der Klang eines akustischen Flügels voller klingen als der eines anderen Instruments (z.b. Gitarre, Trompete usw.) nur der eigentliche Spielablauf bleibt gleich.) Inzwischen nutzen neben elektronischen Instrumenten auch zahlreiche andere Geräte wie beispielsweise digitale Mischpulte und Mehrspuraufzeichnungsgeräte das MIDI-Protokoll, um darüber Steuerinformationen auszutauschen. Anstatt MIDI-Datenpakete zur Übertragung von Notenbefehlen zu nutzen, können die Daten hier beispielsweise zur Fernbedienung sämtlicher Mischpultfunktionen (Fader, Mute-Schalter, Panorama, etc.) oder zur Steuerung der Laufwerksfunktionen eines Recorders (Play, Stop, Vor-/Rückspulen) verwendet werden. Die in einer Datei gespeicherten MIDI-Daten lassen sich leicht verändern. Es ist zum Beispiel möglich, eine falsch gespielte Note zur Richtigen zu korrigieren, das Song-Tempo zu ändern, den Song in eine andere gewünschte Tonart zu transponieren usw. Diese Eigenschaft von MIDI ist sehr effektiv bei der Komposition eines Songs oder beim Üben eines Musikinstruments. Geschichte Ende der 70er Jahre sind elektronische, musikalische Geräte viel häufiger hergestellt geworden und wurden damit auch billiger. Viele Geräte von unterschiedlichen Herstellern waren generell nicht miteinander kompatibel und konnten so nicht miteinander kommunizieren. Verschiedene Interface-Modelle waren mit analogen Kontrollspannungen und analogen Clocks ausgestattet. Am Ende der 70er Jahre war Dave Smith dabei, einen polyphonischen, analogen Synthesizer, der später der Prophet 5 werden sollte, zu bauen. Frühere analoge Synthesizer waren in der Lage, nur eine Taste 3 Abbildung 2: Dave Smith

4 gleichzeitig zu spielen. Das Keyboard hatte nur einen einzigen analogen Spannungsausgang und dieser steuerte den Sound direkt, wie jeder Drehregler, Schalter oder anderer Steuerungsmechanismus des Instruments. Dave Smiths innovative Idee war, ein Instrument zu erfinden, welches fähig war, mehrere identische Töne ( Voices ) gleichzeitig an den Ausgang zu geben, sowie alle Steuerknöpfe und Tasten digital ansteuerbar zu machen. (Polyphonischer Synthesizer) Funktionsweise Das MIDI-Protokoll besteht aus Befehlen zur Steuerung der Klangerzeuger in elektronischen Instrumenten und Soundkarten. Solche Befehle sind beispielsweise Note-On (Tastenanschlag), Velocity (Anschlagsstärke) und Note-Off (Loslassen der Taste). So kann man über eine Tastatur ein anderes MIDI-Instrument spielen und dabei dessen Klänge hören. Die meisten MIDI-- Tastaturen haben selbst keine internen Klangerzeuger. Hierfür würde eine integrierte Soundkarte benötigt werden. Neben den musikalischen Befehlen können weiter Datenpakete zur Steuerung des Zielgerätes genutzt werden, so etwa Program-Change-Befehle zur Auswahl eines seiner meist vielen hundert Klangspektren. Viele Klangerzeuger wie Synthesizer, Expander und andere verstehen Befehle, mit denen ihre interne Klangerzeugung direkt beeinflusst werden kann, um so aus einer Reihe einfacher Grundschwingungsformen komplexe, individuelle Klänge zu erzeugen. Unterschiede zwischen MIDI- und digitalen Audio-Aufzeichnungen MIDI-Signale transportieren Abbildung 3: MIDI-Steuerdaten lediglich Steuerdaten, die einem elektronischen Klangerzeuger wie zum Beispiel einem Synthesizer, Sampler oder Drumcomputer mitteilen, welchen Ton er wie laut, wie lange und mit welchem seiner verfügbaren Sounds spielen soll (genau genommen gibt es keinen MIDI-Befehl für die Dauer eines Tones. Diese ergibt sich aus der Zeit zwischen den Note-On und Note-Off Befehlen.). Digitale Audiosignale hingegen sind ein kontinuierlicher binärer Datenstrom, entstanden durch die sehr schnelle Abtastung analoger Schwingungen einer Audioquelle (Mikrofon oder elektronisches Instrument). Digitale Audiodaten haben eine konstant hohe Datenrate und können nach erfolgter Digital-Analog-Wandlung über ein Lautsprechersystem hörbar gemacht werden. MIDI-Daten fallen meist nur in dem Moment an, in dem die Noten auf einem Keyboard gedrückt oder losgelassen werden. Daher entstehen bei MIDI Abbildung 4: Audioaufzeichnung ungleich kleinere Datenmengen als bei digitalisiertem Audio. Aufgezeichnete MIDI-Signale können des Weiteren im Nachhinein jederzeit an einen anderen gewünschten Klangerzeuger gesendet werden, da erst dieser den hörbaren Ton oder Klang formt. Ausserdem besteht die Möglichkeit, eingespielte MIDI-Daten im Nachhinein 4

5 beliebig zu bearbeiten, etwa falsche Töne auf die richtige Tonhöhe oder Abspielposition zu verschieben oder ihre Dynamik anzupassen. All diese Veränderungen der Originaleinspielung kosten im Vergleich zur Nachbearbeitung von digitalen Audioaufzeichnungen sehr wenig Rechenaufwand und sind mit allen heute verfügbaren Sequenzerprogrammen möglich. In der Entstehungszeit von MIDI war digitale Audioaufzeichnung noch extrem teuer und damit wenigen Produktionen vorbehalten. Somit eröffnete das technisch nicht sehr aufwändige MIDI mit seiner enormen Leistungsfähigkeit mittels Aufzeichnung reiner Steuersignale Anfang der 1980er Jahre einer breiten Masse von Musikschaffenden plötzlich neue Horizonte. Einsatzbereiche Das MIDI-Protokoll wurde ursprünglich zur gegenseitigen Steuerung von Synthesizern entwickelt, dann aber schnell für Sampler, Drumcomputer, Sound- und Audiokarten, Effektgeräte, sogenannte Controller und Computer, schliesslich auch zur Steuerung von Lichteffekten für Bühnen adaptiert. Seit einiger Zeit ist es möglich, mit speziellen Geräten aus den Sounds beliebiger Instrumente wie Gitarre, Saxophon oder Harfe MIDI-Daten zu erzeugen. Hierbei muss insbesondere die gespielte Tonhöhe ermittelt werden, und zwar auch dann, wenn z.b. bei einer Gitarre eine Saite gezogen oder bei der Harfe ein Umstimmer betätigt wird. Beim Spielen einer Gitarre, deren Töne in MIDI-Daten gewandelt wurden, erklingt aus dem angeschlossenen Klangerzeuger anstatt des Gitarrenklangs ein anderer gewünschter Sound. Der Gitarrist wird so zum Streicher, Pianisten oder Blechbläser, wobei die Besonderheiten in der Spielweise einer Gitarre in Verbindung mit dem eingestellten Zielsound bisweilen recht ungewöhnliche Effekte hervorrufen. Abbildung 5: E-Gitarre mit MIDI-Tonabnehmer Komposition, Arrangemenat und Notensatz wurden durch die Verbindung von MIDI-fähigem Keyboard und Computer erheblich vereinfacht. Variationen von Stimmen und Songabläufen sind sehr schnell realisierbar und bleiben immer änderbar. Diese Zeitersparnis ist unter anderem bei Studioproduktionen ein wichtiger Faktor. Der Komponist greift zwar auf das Hilfsmittel Computer zurück, arbeitet jedoch beim Einspielen der Musik immer noch primär an seiner gewohnten Klaviertastatur. Rechnersysteme Eine wichtige Rolle auf diesem Gebiet spielte der Commodore 64, auf dem insbesondere die deutschen Softwareautoren Gerhard Lengeling und Karl Steinberg ihre ersten Sequenzer programmierten, die für die Namen C-LAB, Emagic und Steinberg stehen. Der kommerzielle Durchbruch für MIDI als Plattform für professionelle Musikproduktion ist eng mit dem Atari ST verbunden, das dieser standardmässig eine MIDI-Schnittstelle Abbildung 6: Commodore 64 5

6 besitzt. Die Entwicklung wichtiger MIDI-Programme wie Cubase oder Notator, begann auf dem Atari ST. Die heute überwiegend verwendeten Sequenzerprogramme sind das Cubase von Steinberg, das mittlerweile vor allem auf Windows-Rechnern Verbreitung findet, sein Pendant Logic, das inzwischen von Apple aufgekauft wurde und seitdem nur noch auf der Plattform Apple Macintosh zu Hause ist. Steinberg wurde inzwischen von Yamaha aufgekauft. Daneben gibt es Rosegarden und MusE auf unixartigen Plattformen und einige weiter Lösungen wie Cakewalk, Sonar, Ableton Live, Fruity Loops, Renoise oder Reason. MIDI-Anschlüsse Es existieren drei verschiedene MIDI- Anschlüsse, MIDI-IN, MIDI-Out und MIDI-Thru. Diese Kombination wird umgangssprachlich auch MIDI-Trio genannt. MIDI-In wird von einem Gerät zum Empfang verwendet. MIDI- Out wird zum Senden verwendet. MIDI-Thru schickt am MIDI-In empfangene Signale unbearbeitet weiter. Diese Anschlüsse sind als fünfpolige DIN-Buchsen realisiert. MIDI arbeitet nach dem Master-Slave Prinzip. Will man mit einem Keyboard einen Abbildung 7: MIDI Anschlüsse & Kabel Synthesizer steuern, verbindet man die MIDI-Out-Buchse des Keyboards (Master) mit der MIDI-In- Buchse des Synthesizers (Slave). Sollen mit einem Keyboard zwei Soundmodule als Slave A und B angesteuert werden, verbindet man MIDI-Out des Masters mit dem MIDI-In des Slave A sowie die MIDI-Thru-Buchse des Slave A mit dem MIDI-In des Slave B. MIDI-Anschlüsse am PC Die standardmässigen DIN-Buchsen für MIDI sind zu gross, um direkt in die Rückplatte einer PC- Steckkarte eingebaut zu werden. Ältere PC-Soundkarten, ausgehend vom Soundblaster, haben einen Anschluss geprägt, bei dem sich Game Interface und MIDI-Interface eine 15-polige D-Sub- Buchse teilen und der heute immer noch in billigeren, nicht professionellen MIDI-Interfaces in PCs vertreten ist. Die Soundkarte braucht hierbei nur zwei digitale, serielle Leitungen ohne Datenflusskontroller zur Verfügung zu stellen. Bei dieser Art der Hardware-Implementierung ist ein Teil des MIDI-Interfaces in einen externen, oft separat zu erwerbenden Teil verlegt, der meistens in den dickeren Stecker eines Kabel vergossen ausgeführt ist. Motherboards, die Sound-, MIDI- und Game-Controller on-board haben, haben diese kombinierte Game-/MIDI- Anschlussbuchse übernommen. Dem entsprechen Sound-, Game- und MIDI-Chipsätze, die diese Funktionen teilweise oder ganz gemeinsam integrieren. 6

7 Technik Hardware MIDI ist eine unidirektionale Schnittstelle zur seriellen Datenübertragung ohne Datenflusskontrolle. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt Bit/s (exakt 32 µs pro Bit). Im Unterschied zu pegelgesteuerten Computerschnittstellen wird bei MIDI eine 0mA/5mA Stromschleife verwendet. Bei der MIDI-Steckverbindung werden die Pins 4 und 5 als Datenleitung benutzt. Dabei liegt gemäss dem Schaltungsvorschlag in der MIDI-Spezifikation Pin 4 über einen 220 Ohm Widerstand an +5V, Pin 5 wird ebenfalls über 220 Ohm gegen Masse geschaltet. Wird Pin 5 auf 0V (Masse) geschaltet und ist am anderen Ende ein MIDI- In-Port angeschlossen, fliesst der Strom über die Leitung. Dieser Zustand wird als logische 0 definiert. Wird Pin 5 nicht geschaltet (+5V) fliesst kein Strom über die Leitung, dieser Zustand ist als logische 1 definiert und auch der Ruhezustand. Durch den Optokoppler in der Empfangsleitung ergibt sich eine galvanische Trennung der einzelnen MIDI-Geräte untereinander, die Masseleitung (Pin 2 & Schirm) darf an der MIDI-In-Schnittstelle nicht angeschlossen sein, um Masseschleifen zu vermeiden. Abbildung 8: Schema eines MIDI-Trios im PC MIDI-Hardware im PC Um mit einem Computer über MIDI zu kommunizieren, muss ein Signal-Konverter zwischengeschaltet werden. Diesen nennt man MIDI-Interface. Jede Datenübertragungs- Schnittstelle des Computers kann mit einem geeigneten MIDI-Interface für die MIDI-Übertragung genutzt werden. MIDI-Protokoll Jeder MIDI-Befehl trägt neben seiner Befehlskennung und den Befehlsdaten auch eine Kanalnummer. Die Kanalnummer ist 4 Bit gross, es lassen sich dadurch 16 Kanäle ansteuern. Je nach Software sind die Kanäle 0-15 oder 1-16 durchnummeriert. Jeder Kanal steuert einen speziellen Klang (Instrument), in der MIDI-Sprache Programm genannt. MIDI ist ein serielles Protokoll und die Datenrate der MIDI-Schnittstelle ist für heutige Verhältnisse gering. Das hat Timingprobleme beim gleichzeitigen abspielen vieler Noten zur Folge. Schon das Anschlagen eines Akkords mit mehreren Noten kann zu hörbaren Verzögerungen führen, denn MIDI kann die Noten nie zeitgleich durch die Leitung schicken. Sondern nur nacheinander. Im professionellen Bereich werden daher Rechner mit mehreren MIDI-Schnittstellen verwendet, um hohe Datenmengen parallel an die verschiedenen Tonerzeuger schicken zu können. Doch bereits eine geringe Anzahl von gleichzeitig übertragenen Realtime-Controllern kann immer noch zur hörbaren Überlastung des MIDI-Interface führen. Trotz dieser Einschränkungen und des hohen Alters erfreut sich MIDI nach wie vor grosser Beliebtheit, da es weit verbreitet, gut standardisiert und sehr zuverlässig ist. Eine Fortentwicklung wäre aus Anwendersicht wünschenswert. 7

8 MIDI-Geräte Masterkeyboard Ein Masterkeyboard erzeugt Noteninformationen im MIDI-Format und dient ausschliesslich der Steuerung von Expandern, Software-Synthesizern oder zur Aufzeichnung der Tastenbewegung beim Einspielen von Musik. Es enthält keine eigene Klangerzeugung. Musikinstrumente-Adapter Für viele akustische Musikinstrumente existieren Tonabnehmer zur Erzeugung von MIDI-Signalen. Hierbei wird die akustische Schwingung durch ein Mikrofon aufgenommen und in eine MIDI-Tonhöhe umgerechnet. Expander Ein Expander ist ein externer Klangerzeuger ohne eigene Tastatur. Er empfängt Noten ausschliesslich per MIDI. Nur Parameter, die sich mit Knöpfen am Expander einstellen lassen, werden zurück übertragen und können aufgezeichnet werden. Expander existieren in Form von klassischen ROM-Klangerzeugern sowie Synthesizermodulen. Abbildung 9: Masterkeyboard von Novation Synthesizer bzw. Keyboard Abbildung 10: Synthesizer als Expander Synthesizer- und Keyboardgeräte sind eine Kombination aus Masterkeyboard und integriertem Klangerzeuger. Sie verfügen fast alle über eine MIDI-Schnittstelle, um Tasten- und Reglerbewegungen zu Aufzeichnungszwecken übertragen zu können. Statt am Gerät selbst zu spielen, kann so die komplette Musikinformation später wieder an den internen Klangerzeuger rückgespielt werden. Hardware-Sequenzer Der Sequenzer dient der Aufzeichnung der MIDI-Daten und dem Arrangement eines Musikstückes. MIDI-Sequenzer erlauben das Programmieren, die Aufzeichnung sowie die Widergabe von aufgezeichneten oder programmierten MIDI-Informationen (Notenwerte, Anschlagstärke sowie weiteren Steuerungsbefehlen wie z.b. Modulation). Für den Live-Einsatz erfreuen sich auch die in Keyboards oder Groove-Boxes integrierten Sequenzer grosser Beliebtheit. 8 Abbildung 11:Hardware-Sequenzer

9 Software-Sequenzer Abbildung 12: Screenshot eines Projektes in Ableton Live Softwaresequenzer sind Programme mit MIDI-Unterstützung. Sie haben im Bereich der Komposition grosse Bedeutung, da sie über die Standardfunktionen (Programmieren, Aufzeichnen, Abspielen) hinaus auch weitere Bearbeitungsmöglichkeiten in grafischer Form bieten (nachträgliches Editieren, Quantisierung usw.) und heutzutage nicht nur MIDI-, sondern auch Audiomaterial verarbeiten können. Diese Kombination aus Audio- und MIDI-Bearbeitung auf einem PC nennt man DAW (Digital Audio Workstation). MIDI-Interface für PC Hierbei handelte es sich ursprünglich um eine 8-Bit-ISA-Steckkarte des Herstellers Roland. Viele für MS-DOS-PCs erhältliche Computerspiele zwischen 1988 und 1995 unterstützten diese MIDI- Schnittstelle zur Ansteuerung von Klangerzeugern wie z.b. der internen Roland LAPC-I oder dem externen MT-32. MIDI-Interface für USB oder FireWire Da MIDI im Wesentlichen ein Datenprotokoll zur Steuerung von elektronischen Musikinstrumenten darstellt, ist es in diesem Zusammenhang prinzipiell unerheblich, über welche Hardware die Daten übertragen werden. Um eine kostengünstige, plattformübergreifende und vor allem schnelle Anbindung externer MIDI-Interfaces an den Rechner zu erreichen, verfügen heute viele MIDI-Adapter über einen USB- oder FIreWire-Anschluss, über den dieser die über die Out-Ports zu verteilenden Daten erhält. Diese Art vom MIDI-Interfaces stellt die im Vergleich zum PC-Gameport Abbildung 13: MIDI-Interface für USB deutlich zuverlässigere Variante zum Anschluss von MIDI-Geräten an den Rechner dar, da die 9

10 verwendeten Treiber von den Herstellern dieser verhältnismässig teuren Geräte zumeist auf Timinggenauigkeit hin optimiert werden. Für den professionellen Einsatz werden Interfaces mit vier bis acht einzeln adressierbaren Out-Ports verwendet, mit denen Timingprobleme deutlich vermindert werden können. MIDI über USB oder FireWire MIDI lässt sich über USB oder FireWire übertragen. Dabei kommen im Gegensatz zum MIDI- Interface für USB keine MIDI- Kabel mehr zum Einsatz. Diese Art von MIDI-Controller wird oft zum digitalen Auflegen, VJing oder steuern von Software- Sequenzern eingesetzt. Quellenangaben Abbildung 14: Traktor Kontrol S4 - MIDI über USB Bilder : Google Bilder 10