MIDI

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MIDI (Musical Instruments Digital Interface) ist ein Protokoll zum Übertragen von Steuerbefehlen zwischen elektronischen Musikinstrumenten wie Keyboards, Synthesizern, Samplern etc. und auch dem PC.

Das Protokoll ist von der verwendeteten physikalischen Verbindung abhängig. In der ursprünglichen Version werden die Daten seriell mit 31250 Baud über eine Stromschleife mit 5 mA übertragen. Zur Vermeidung von Masseschleifen ist die Empfängerseite durch einen Hochgeschwindigkeits-Optokoppler (z.B. H11L1, 6N138) galvanisch vom Sender getrennt. Das Protokoll kann damit von allen gängigen UARTs generiert werden.

Hardware

Die Hardware-Spezifikation ist frei verfügbar[1]; die eigentliche MIDI-Spezifikation inzwischen auch[2].

Stecker

MIDI benutzt fünfpolige DIN-Stecker, bei denen allerdings nur drei Pins belegt sind. Pins 4 und 5 übertragen das Signal, als Hin- und Rückleitung der Stromschleife; Pin 2 dient nur zur Abschirmung des Kabels.

Beschaltung

Sender

Im Ruhezustand ist Pin 5 beim Sender offen, was als logisch "1" gilt; zur Erzeugung einer logischen "0" muss er Pin 5 auf Masse schalten:

MIDI-Sender.svg

Die Widerstände begrenzen den Strom, sowohl für den normalen Betrieb, als auch im Falle eines Kurzschlusses (in diesem Fall muss R2 gut 100 mA vertragen - bei o.g. Dimensionierung etwa 75mA/250mW). Wenn nur eine 5V-Spannungsversorgung zur Verfügung steht, müssen R1 und R2 durch jeweils 220 Ω ersetzt werden.

Wenn der TXD-Pin des Mikrocontrollers nicht als Open-Drain konfiguriert werden kann, müssen die I/O-Spannung des Mikrocontrollers und die Versorgungsspannung an R2 übereinstimmen. Wenn der TXD-Pin die gut 5 mA Strom nicht verträgt, muss das Signal durch einen Puffer (z.B. 74AHC1G07 oder -125) zwischen TXD und R1 verstärkt werden.

Empfänger

Der Empfänger muss den Strom, der zwischen Pins 4 und 5 fließt, auswerten. Zur Vermeidung eine Masseschleife darf Pin 2 nicht direkt mit der Masse des Empfängers verbunden werden:

MIDI-Empfänger.svg

VCC ist 3,3 V oder 5 V, R1 dient zur Strombegrenzung, D1 schützt die LED des Optokopplers vor einer zu hohen Rückwärtsspannung.

Andere häufig verwendete Optokoppler sind 6N137 oder 6N138, die allerdings eine Versorgungsspannung von 5 V voraussetzen:

MIDI-Empfänger-6N137.svg MIDI-Empfänger-6N138.svg

Zur Verbesserung der EMI/EMC-Eigenschaften kann es notwendig sein, zusätzliche Kondensatoren und Filter einzusetzen.[1]

Probleme

Auflösung

MIDI wurde ursprünglich im Jahre 1982 von der Firma Roland eingeführt und ist aus heutiger Sicht veraltet. Das damals definierte Protokoll wurde für Einzelstimmengeräte erdacht und gestattet lediglich das Senden von 7-Bit-breiten Controllerwerten auf vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten, wodurch Lautstärke und Stimmformung nur sehr grob eingestellt- und nicht ohne hörbare Stufen verändert ("gefaded") werden können.

Um dem abzuhelfen, werden die empfangenen Controllerwerte im Endgerät meistens geglättet. Für einige wenige Controller wurden zudem Erweiterungen auf 14 Bits eingeführt.[3]

Geschwindigkeit

Was die Übertragungsgeschwindigkeit anbetrifft, sind die ca. 30 kHz der physikalischen Schnittstelle aber nach wie vor nicht geeignet, um viele Kanäle zu bedienen und mehrere gleichzeitige Ereignisse, wie z.B. einen beidhändigen Akkordanschlag angemessen zu beschreiben:

Ein MIDI-Ergeinis benötigt mindestens 2 Bytes, wodurch 8 Finger auch ohne irgendwelche zusätzlichen Controllerwerte bereits 16 MIDI-Bytes erzeugen, was zu einer ungewollten Latenz von 6 ms für den letzen Wert gegenüber dem ersten führt. Mit kombinierten Controllerwerten zur Einstellung der Stimme inklusive "NOTE ON", "VELOCITY", "TUNING" etc, sind bei 10 Fingern bis zu 80 MIDI-Bytes zu übertragen, was etwa 30ms entspräche.

Durch die verschieden langen Nachrichten kann es daher zu unmusikalischem, unvorhersehbaren Jitter kommen. Komplexere Lautstärkemdulationen mit quasianalogen MIDI-Gebern, wie bei der MIDI-Gitarre und MIDI-Flöte ("breath controller") sind damit im Zusammenhang mit realer MIDI-Hardware nur sehr eingeschränkt und nur alleine verwendbar.

Ein solcher Controller kann typisch etwa 500 Nachrichten in der Sekunde senden und damit das Anblasen einer Flöte in den ersten 50 ms mit etwa 16 Stützstellen auflösen.

Latenz

Auch das USB-Protokoll, welches immer häufiger zur Anwendung kommt, bietet zwar eine mehr als ausreichende Bandbreite, jedoch wird dies von nur wenigen Klangerzeugern unterstützt. Lediglich Softwaresampler und andere PC-basierte Systeme wie SW-Synthesizer sind damit zu steuern. Hierbei wirkt sich aber die PC-typische Latenz des Betriebssystems sehr negativ aus. Ein tatsächlicher Echtzeitbetrieb ist mit keinem derzeit auf dem Markt verfügbaren Gerät möglich.

Erweiterungen

Statt des MIDI-Transports über die klassische serielle Verbindung, sind heute höhere Bandbreiten möglich, z.B. durch MIDI über USB oder Ethernet. Transportmethoden wie Parallelport (EPP) oder S/PDIF wurden ebenfalls realisiert, konnten sich aber aufgrund mangelnder Kompatibilität nicht durchsetzen bzw sind technisch überholt oder werden nur in Nischen oder Sonderanwendungen verwendet. Bei Geräten, die normalerweise nicht live eingesetzt werden, sondern an einen PC angeschlossen werden, hat sich MIDI über die USB-Schnittstelle durchgesetzt.

MIDI über USB

USB erlaubt höhere Bandbreiten, bei SuperSpeed bis zu 5 GBit/s. Die meisten derzeitigen MIDI-Geräte arbeiten aber noch mit Full Speed (12 MBit/s) oder High Speed (480 MBit/s). In der Praxis ist die Geschwindigkeit durch den Mikrocontroller und dessen Software im Endgerät sowie der PC-Infrastruktur begrenzt; üblich sind ca. 100 kBit/s.

Das USB-MIDI-Protokoll[4] ist mit dem 'normalen' USB-Serial-Protokoll (CDC) nicht kompatibel; deshalb ist es nicht möglich, USB-seriell-Konverter-Chips unverändert und ohne zusätzliche Treiber für MIDI zu verwenden.

MIDI über FireWire

Von Yamaha und anderen Herstellern wurde 1999 das sogenannte Music-LAN definiert, welches auf FireWire basiert und vergleichsweise hohe Bandbreiten zugelassen hätte. Einige Teile des Protokolls wurden veröffenlicht und standardisiert[5], vollständige Interoperabilität ist damit aber nicht möglich.

Da keine Möglichkeit zum Aushandeln einer höheren Geschwindigkeit definiert ist, ist die Bandbreite auf die normalen 3125 Bytes/s begrenzt[6].

MIDI über Ethernet/WLAN: RTP-MIDI

Das Real-time Transport Protocol, das auf normalen UDP-Paketen basiert, hat auch die Möglichkeit, MIDI zu übertragen[7][8].

MIDI über Ethernet: AVB

IEEE-1722 (Audio/Video Bridging) definiert ein Protokoll zur Übertragung von Multimedia-Information. Dabei ist es notwendig, dass alle beteiligten Netzwerk-Karten und Switches/Router AVB in Hardware unterstützen.

AVB verwendet die gleichen Datenformate wie FireWire und hat die gleichen Einschränkungen.

Serial wire MIDI

Mit Aufkommen der PCs gab es mehrere Versuche, die COM-Schnittstelle für schnellere MIDI-Kommunikation zu nutzen. Mitte der 90er waren PC-UARTs mit typisch 115k verfügbar. Diese wurden von Anwendern mittels proprietärer Software genutzt oder von Herstellern in einzelne Geräte integriert. Sehr bekannt sind die z.T. heute noch existierenden "TO HOST" Interfaces, die meist über MINI-DIN-Stecker erreichbar waren. Die Kommunikation erfolgte über einen eigenen Treiber.

Parallel-Port-MIDI

Ein Abkömmling des seriellen MIDIs sind Parallelportanwendungen, die aber nur bei einzelnen Geräten üblich waren. Oft wurden Mehrfach-MIDI-Controller mit einem Parallelport-Anschluss versehen, um die Datenrate für gleich mehrere MIDI-Geräte (in der Regel 8, seltener 16) bereitstellen zu können. Die ersten Geräte von M-Audio, MIDI-MAN und MOTU arbeiten auf diese Weise. Obwohl die Bandbreite praktisch verzehnfacht wurde, blieb es nur bei der Nutzung zwischen PCs und herstellerspezifischen Geräten. Die Protokolle sind meist nicht kompatibel.

MIDI over S/PDIF

Von unterschiedlichen Seiten wurde probiert, die limitierte Entfernung von MIDI-Verbindungen (meist 5m und weniger) durch Übersetzung auf alternative Protokolle zu vergrößern und die Verbindung auch störstabiler zu bekommen. Unter anderem wurde MIDI 2000 vorgeschlagen, welches das MIDI-Protokoll erweitert und in einen Stereo-S/PDIF-Datenstrom übersetzt und damit die Bandbreite praktisch um den Faktor 100 anhebt. Zum damaligen Zeitpunkt um die Jahrtausendwende waren bereits etliche Studiogeräte und Klangerzeuger mit S/PDIF ausgerüstet - auch Soundkarten mit S/PDIF-Ausgang waren verfügbar. Es blieb jedoch letztlich bei proprietären Applikationen, da sich von der PC-Seite her, USB 1.0 begann, durchzusetzen. Lediglich eine Firma weltweit bietet mit dem Gerät ES-4 einen S/PDIF-basierten MIDI-Übertragungsweg an.

MIDI over Audio

Um die limitierte Bandbreite bei MIDI zu überwinden, wurde schon in den 80ern vorgeschlagen, den MIDI-Datenstrom über Audiokanäle zu senden, um die dort vorhandene Infrastruktur für das Senden und Speichern zu nutzen. Da die MIDI-Bandbreite jedoch wegen der ca. 30kHz rund 100kHz beträgt, müssten 4 Audiokanäle belegt werden, was zum damaligen Zeitpunkt wegen der kaum verbreiteten 4-Kanal / bzw. Surround-Technik nicht für die Breite Masse der Nutzer einsetzbar war. Vereinzelt gelang es, ähnlich wie bei der Datasette im Computerbereich eine Speicherung vorzunehmen, indem eine erhöhte Bandbreite des Signals zusammen mit einer Kompression benutzt wurde. Später wurde Ähnliches mit den 48kHz-Digital-DAT-Recordern probiert, konnte sich aber nicht durchsetzen, weil die meisten Musiker noch analog aufzeichneten.

Sonstige

Für Sonderapplikationen gibt es eine Spezifikation für das Senden von MIDI über AES3 oder MADI.

MIDI HD

Seit 2005 berät sich das MIDI-Komitee über einen offiziellen Nachfolger der MIDI-Spezifikation[9].

Siehe auch

Artikel auf Mikrocontroller

Beiträge auf Mikrocontroller

Referenzen

  1. 1,0 1,1 MIDI DIN Electrical Specification
  2. The Complete MIDI 1.0 Detailed Specification
  3. Control Change Messages
  4. USB MIDI Devices 1.0 (PDF)
  5. Consumer audio/video equipment - Digital interface - Part 6: Audio and music data transmission protocol
  6. MIDI Media Adaptation Layer for IEEE-1394 (PDF)
  7. About RTP-MIDI
  8. RFC 6295: RTP Payload Format for MIDI
  9. MIDI Manufacturers Investigate HD Protocol

externe Links ins Web