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Grundprinzip

Der MIDI-Standard wurde bereits in den 80er Jahren als Format zum Datenaustausch zwischen digitalen Geräten entwickelt. Dabei war es wichtig, einen Standard zu haben, der unabhängig vom Hersteller des Gerätes für die Audioproduktion verwendet werden kann. Dieser Wunsch entstand aus der Tatsache, dass alle in den späten 70ern und frühen 80er Jahren auf den Markt befindlichen Synthesizer ihre eigenen Schnittstellen und Steuerungsalgorithmen hatten. Um die Inkompatibilität der verschiedenen Herstellerprodukte zu lösen, wurde eine standardisierte Schnittstelle entwickelt, um die Synthesizer jedes beliebigen Herstellers miteinander verbinden und einfache Steuersignale austauschen zu können.

MIDI - Hardware und Software

Der MIDI Standard besteht im Prinzip aus zwei Teilen – der erste, physische Teil ist die MIDI-Hardware, das sind die standardisierten MIDI-Kabel, MIDI-Buchsen und die weiter unten näher erläuterten MIDI-Interfaces.
Die zweite Komponente ist die Software, d.h. die Sprache des MIDI-Standards. Diese „Sprache“ besteht aus einem genormten Code, ähnlich dem ASCII-Code, der zur Übertragung bestimmter Informationen dient. In einem späteren Kapitel werden die wichtigsten Befehle dieser Sprache genauer erklärt.

MIDI ist nicht Audio

MIDI überträgt keine Audiosignale, sondern Steuersignale und Parameter zur Steuerung von elektronischen Klangerzeugern. Einfach ausgedrückt, dient MIDI der indirekten Übertragung bzw. Aufzeichnung von Schallsignalen, die mit elektronischen Instrumenten erzeugt werden. Ein möglicher Grund, wieso MIDI immer als Audio-Schnittstelle missinterpretiert wurde, lag wohl in der unsäglichen Verwendung der MIDI-Buchsen in HIFI-Geräten und Stereoanlagen als Ein- und Ausgangsbuchsen.

Der Online MIDI Guide (www.midiguide.de) klärt die Hauptirrtümer im Zusammenhang mit MIDI und fasst zusammen:

- MIDI überträgt nur Daten zum Steuern eines Klangerzeugers, aber MIDI hat keinen Sound.
- MIDI ist nicht AUDIO.
- MIDI klingt nicht.
- MIDI steuert.


Was muss aufgezeichnet werden?

Wird nun beispielsweise ein Synthesizer über ein MIDI-Keyboard gespielt, müssen verschiedene Informationen übertragen werden. Wann wird eine Taste angeschlagen? Mit welchem Druck wird sie angeschlagen, d.h. welche Lautstärke hat der erzeugte Ton? Wie lange wird die Taste gehalten?

Wichtig für die Definition des MIDI-Standards war auch die Anforderung, mehrere Geräte miteinander verbinden und diese über MIDI steuern zu können.

Technische Daten von MIDI

Der MIDI-Standard ist ein serielles Übertragungsprotokoll, d.h. die Daten werden nacheinander übertragen. Die maximale Übertragungsrate beträgt 31.250 Bits pro Sekunde. Diese relativ geringe Rate kann bei der Verarbeitung der Daten und bei komplexeren Arrangements zu Timing-Problemen führen, stellt aber sicher, dass MIDI-Signale problemlos über Internet übertragen werden können.

Der übertragbare Wertebereich reicht von 0 bis 127. Dieser Bereich reicht aus, um die meisten akustischen Ereignisse zu übertragen. Für bestimmte musikalische Anwendungen sind diese 128 Stufen jedoch zu gering, beispielsweise um die dynamische Bandbreite vieler Musikstücke zu erfassen.

MIDI erlaubt die gleichzeitige Übertragung auf 16 Kanälen, um simultan mehrere Klangfarben abbilden zu können. Werden für spezielle Anwendungen mehrere Kanäle benötigt, müssen mehrere MIDI-Schnittstellen angeschlossen werden.

MIDI verwendet 5-polige DIN-Steckverbinder, die Kabel bestehen aus zwei DIN 5-Pol-Steckern, bei denen die zwei äußeren Pins nicht belegt sind und die Abschirmung auf dem mittleren Steckkontakt liegt. Das Kabel selbst ist ähnlich den Mikrofonkabeln ein zweiadriges Kabel mit gemeinsamer Abschirmung. Ein MIDI-Kabel sollte nicht länger als 15 Meter sein.

Verbindung von MIDI Geräten

Einer der größten Vorzüge von MIDI ist die Möglichkeit, verschiedene midifähige Audiogeräte und Hardware miteinander zu verbinden bzw. zu steuern.
Diese Verbindung erfolgt über 5-polige MIDI Stecker (vgl. Audio Kabel und Steckverbindungen). In herkömmlicher Computerhardware ist die MIDI-Schnittstelle im Joystick Port integriert. Zur Verwendung dieser Schnittstelle benötigt man die passenden Adapterkabel.

Im (semi)professionellen Audioeinsatz kommt spezielle MIDI-Hardware zum Einsatz, die meist über mehrere MIDI Ports verfügt. Stellvertretend seien hier zwei Geräte genannt:

1. Emagic MT4 – eine preisgünstige MIDI-Hardware über den USB-Port für kleine digitale Studios mit 2 MIDI In Ports und 4 MIDI Out Ports.
2. Emagic MT8 – Eine professionelle MIDI-Hardware im 19 Zoll-Format zur optimalen Integration in die Tonstudiohardware. Dieses Gerät verfügt über 8 Ein- und Ausgänge.


Abb.: MIDI-Interface Emagic MT4

Abb.: MIDI-Interface Emagic AMT8 (Quelle: http://www.emagic.de)


Grundsätzlich verfügen MIDI-Geräte über mindestens zwei Anschlüsse – dem MIDI In Port und dem MIDI Out Port.
Der MIDI Out Port des Steuergerätes (z.B. Masterkeyboard) wird mit dem MIDI In Ports des zu steuernden Instruments (z.B. Synthesizer) verbunden.


Abb.: Die Verbindung eines Synthesizers mit einem Masterkeyboard über MIDI

Das Setup der Abbildung erlaubt die Ansteuerung eines Synthesizers über das MIDI-Protokoll, d.h. der Synthesizer kann somit "gespielt" werden. Man könnte natürlich das Keyboard direkt an den In-Port des Synthesizers verbinden, der Vorteil des MIDI-Interfaces ist, dass damit etwa mehrere MIDI-fähige Geräte angesteuert werden können bzw. so die externe Hardware in eine digitale Umgebung (wie etwa Logic Audio) eingebunden werden kann. Je nach Spurauswahl werden entweder der externe Synthesizer oder VST-Instrumente über das Masterkeyboard bedient.

Meist sollen die Geräte aber nicht nur empfangen, sondern auch senden können. Deshalb verbindet man in der Regel auch noch in umgekehrter Reihenfolge die MIDI In und MIDI Out Ports.

Um nun aber mehr als zwei Geräte via MIDI miteinander verbinden zu können, kommt der MIDI Thru Port zur Verwendung. Diese Verbindung leitet die MIDI In Signale ohne Veränderung durch und macht sie für weitere angeschlossene Geräte verwertbar.


Abb.: MIDI Thru Port einer Jomox Xbase 09

Theoretisch könnten beliebig viele Geräte in solch einer MIDI-Kette miteinander verbunden werden, aber in der Praxis ist hier Vorsicht geboten, da es zu ungünstigen und problematischen Timing-Verzögerungen kommt. Eine praktische Regel lautet, dass man nicht mehr als 4 Geräte in dieser Form miteinander verbindet und jene Instrumente, für die ein exaktes Timing am Wichtigsten ist, am Anfang der MIDI-Kette hängen sollte. Das exakte Timing eines Drumcomputers ist z.B. wesentlich wichtiger als bei Synthesizer, die für Hintergrundflächen sorgen.

Für die Anwendung in einem Tonstudio ist die Kettenschaltung nicht empfehlenswert. Anstelle dieser ist eine sogenannte Sternschaltung praktikabler. Dazu verwendet man oben beschriebene MIDI-Interfaces bzw. in größeren Studios zur Verbindung vieler MIDI-Geräte sog. Patch Bays. Die folgende Abbildung zeigt schematisch die drei Möglichkeiten von MIDI Verbindungen, wobei die zweite und dritte Variante die im Studiobetrieb eingesetzten sind.

Kettenverbindung MIDI Patch Bay MIDI Sternverbindung

Abb.: Verbindung von MIDI Geräten – Unterschiedliche Varianten

MIDI Modes

Mit Hilfe der MIDI Betriebsarten (Modes) kann bestimmt werden, wie ein MIDI fähiges Instrument auf die ankommenden MIDI Daten reagieren soll. Die verschiedenen Instrumente eines MIDI-Systems verarbeiten die ankommenden Daten auf unterschiedliche Weise.

Die Abbildung zeigt die zur Verfügung stehenden Modi.

Die MIDI Modes
OMNI-Mode OMNI ON POLY
Es wird auf allen MIDI-Kanälen empfangen. Geräte, die in diesem Status arbeiten, sind nur schwer in einen MIDI-Workaround zu integrieren, da sie die einzelnen MIDI-Kanäle nicht unterscheiden können und demnach alles spielen, was sie empfangen. Dieser Modus war eher bei frühen Geräten anzutreffen, wie z.B. dem Roland Jupiter 6.
POLY-Mode OMNI OFF POLY
Es wird auf einem ausgewählten MIDI-Kanal empfangen. Z.B. der Roland Alpha Juno 1/2 oder der Yamaha DX-7.
MONO-Mode OMNI OFF MONO
Es wird auf mehren Kanälen empfangen, wobei jedem Kanal nur eine Note zugeordnet werden kann (Monophon).
MULTI-Mode OMNI OFF Erweitert
Es wird auf mehreren MIDI-Kanälen polyphon gleichzeitig empfangen. Beinahe alle neuen modernen Instrumente arbeiten im Multi-Mode.

Tabelle: MIDI Betriebsarten


OMNI ON / OMNI OFF

In der OMNI ON Betriebsart werden die Befehle alle 16 Kanäle in gleicher Weise empfangen und ausgeführt. Es gibt hier keine Möglichkeit der Kanalwahl.
Bei OMNI OFF wird nur das ausgeführt, was auf einem vorher festgelegten Kanal gesendet wird. Alle anderen MIDI Daten werden nicht berücksichtigt.

POLY / MONO

Im MONO Mode erfolgt die Ausführung des Note-on-Befehls nur, wenn der vorhergehende Klang durch einen Note-off-Befehl beendet wurde. Das Instrument kann somit nur einstimmig betrieben werden.

MIDI Befehle

In MIDI Befehlen wird nun festgelegt, was an Information übertragen und gesteuert wird. Im Allgemeinen unterteilt man zwischen Kanal-Daten und System-Daten. Erstere sind Befehle, welche die einzelnen MIDI Kanäle betreffen. Zu den System-Daten zählen alle Befehle, die für das gesamte MIDI-System von Bedeutung sind.
System-Daten werden in Echtzeitdaten, allgemeine Daten und systemexterne (SysEx.) Daten unterteilt.

SysEx.Daten erlauben herstellerspezifische Spezifikationen der MIDI-Norm, was speziell für Effektgeräte und Synthesizer von Wichtigkeit ist. Sie geben den Herstellern gewisse Freiheiten, um spezielle Anforderungen zur MIDI-Steuerung ihrer Hardware zu gewährleisten.

Note-On / Note-Off Der Note-On Befehl erlaubt das Auslösen bestimmter Klangereignisse. Note-Off beendet sinngemäß Klangereignisse. In diesem Zusammenhang wichtige Kenngrößen sind Tonhöhe und Velocity. Grundsätzlich bestimmt die Notennummer die Tonhöhe und der Velocity-Wert die Lautstärke mit der ein Klangereignis wiedergegeben werden soll.
Z.B. hat der Kammerton aI 440 Hz die Notennummer 69 zugeordnet. Verwirrung stiften Unterschiede in der Notenbezeichnung im deutschsprachigen und amerikanischen Raum. Während der erwähnte Kammerton in der üblichen MIDI-Bezeichnung A3 lautet, wird er in der amerikanischen Schreibweise mit A4 bezeichnet.
Aftertouch Wird auf einem angeschlagenen Keyboard nachträglich der Druck verändert, werden über MIDI so genannte Aftertouch Daten gesendet. Auf diese Weise kann die Klangfarbe des Tones geändert werden. Hierbei muss zwischen polyphonen Aftertouch (Key Pressure) und monophonen Aftertouch (Channel Pressure) unterschieden werden. Bei der ersten Variante werden die Daten für jede Taste ermittelt, während in der zweiten Form die Daten für die gesamte Tastatur ermittelt werden.

Key-Pressure-Befehle können meist nur höher preisige Masterkeyboards senden, während die meisten MIDI-Keyboards Channel-Pressure-Daten senden bzw. empfangen können.

Pitch Bend Dieser Befehl ermöglicht die gleitende Veränderung der Tonhöhe. Die meisten MIDI-Keyboards verfügen über spezielle Pitch-Bend-Räder für diese Zwecke.
Control Change Control Change ist ein wichtiger Befehl in der MIDI Bearbeitung. Er erlaubt die Steuerung verschiedener Parameter, wie z.B. Lautstärke eines Klangerzeugers, Lage des Klangs im Stereo- bzw. Surround-Panorama. Dabei gibt es fix festgelegte Steuerparameter, z.B. steuert Controllernummer 10 das Stereo-Panorama, Nummer 7 die Lautstärke. Die meisten Controller können vom Sounddesigner jedoch selbst bestimmt werden.
Program Change Mit diesem Befehl ist es möglich, zwischen verschiedenen Klang- bzw. Effektprogrammen eines MIDI-Gerätes zu wechseln. Dieser Befehl sendet keine Effektdaten oder dgl., sondern nur eine Umschaltinformation für das Programm.

Tabelle: Die wichtigsten MIDI-Befehle

General MIDI (GM)

Der MIDI Standard kann nicht nur zur Steuerung verschiedener Geräte oder Audiosoftware verwendet werden, sondern wird auch als Format für festgelegte Klänge für die Komposition eingesetzt.
Bei General MIDI handelt sich um die Zusammenfassung bzw. feste Zuordnung von 128 Klangfarben zu den 128 MIDI Programmnummern. Der Vorteil vom General MIDI Standard besteht darin, dass die aufgezeichneten MIDI Daten auf unterschiedlichen Klangerzeugern zumindest sehr ähnlich klingen. Das ist ein Vorzug der indirekten Schallaufzeichnung mittels MIDI.

Das Problem bei General MIDI ist, dass außer dem Namen der Klangfarbe die Klänge nicht weiter definiert sind. Die Qualität des Wiedergegebenen hängt sehr stark vom verwendeten Klangerzeuger ab. Die GM-Sounds klingen in der Regel sehr unnatürlich und kaum für ernst zunehmende Audioproduktion verwendbar.

Hörbeispiel: Programmnummer 2 Bright Acoustic Piano

Ein weiterer Nachteil ist die Beschränkung auf 128 Klänge, da moderne elektronische Instrumente ein Vielfaches davon erzeugen können. Außerdem ist die Verwendung von neuen, selbst generierten Soundmaterialien für die Komposition gewünscht. Das ist beim GM-Standard nicht möglich.

Die Tabelle zeigt die General MIDI Zuordnung und die General MIDI Drumset Zuordnung im Überblick

Tabelle: General MIDI Zuordnung Tabelle: General MIDI Drumset Zuordnung
Nummer Name
Piano
1 ( 0) Acoustic Grand Piano
2 ( 1) Bright Acoustic Piano
3 ( 2) Electric Grand Piano
4 ( 3) Honky-tonk
5 ( 4) Electric Piano 1
6 ( 5) Electric Piano 2
7 ( 6) Harpsichord
8 ( 7) Clavi
Chromatic Percussion
9 ( 8) Celesta
10 ( 9) Glockenspiel
11 ( 10) Music Box
12 ( 11) Vibraphone
13 ( 12) Marimba
14 ( 13) Xylophone
15 ( 14) Tubular Bells
16 ( 15) Dulcimer
Organ (Orgel)
17 ( 16) Drawbar Organ
18 ( 17) Percussive Organ
19 ( 18) Rock Organ
20 ( 19) Church Organ
21 ( 20) Reed Organ
22 ( 21) Accordion
23 ( 22) Harmonica
24 ( 23) Tango Accordion
Guitar (Gitarre)
25 ( 24) Nylon Guitar
26 ( 25) Steel Guitar
27 ( 26) Jazz Guitar
28 ( 27) clean Guitar
29 ( 28) muted Guitar
30 ( 29) Overdriven Guitar
31 ( 30) Distortion Guitar
32 ( 31) Guitar harmonics
Bass
33 ( 32) Acoustic Bass?
34 ( 33) Fingered Bass
35 ( 34) Picked Bass
36 ( 35) Fretless Bass
37 ( 36) Slap Bass 1
38 ( 37) Slap Bass 2
39 ( 38) Synth Bass 1
40 ( 39) Synth Bass 2
Strings (Streicher)
41 ( 40) Violin
42 ( 41) Viola
43 ( 42) Cello
44 ( 43) Contrabass
45 ( 44) Tremolo Strings
46 ( 45) Pizzicato Strings
47 ( 46) Orchestral Harp
48 ( 47) Timpani (Pauke)
Ensemble
49 ( 48) String Ensemble 1
50 ( 49) String Ensemble 2
51 ( 50) SynthString 1
52 ( 51) SynthString 2
53 ( 52) Choir Aahs
54 ( 53) Voice Oohs
55 ( 54) Synth Voice
56 ( 55) Orchestra Hit
Brass
57 ( 56) Trumpet
58 ( 57) Trombone
59 ( 58) Tuba
60 ( 59) Muted Trumpet
61 ( 60) French Horn
62 ( 61) Brass Section (Bläsersatz)
63 ( 62) SynthBrass 1
64 ( 63) SynthBrass 2
Reed (Holzbläser)
65 ( 64) Soprano Sax?
66 ( 65) Alto Sax
67 ( 66) Tenor Sax
68 ( 67) Baritone Sax
69 ( 68) Oboe
70 ( 69) English Horn
71 ( 70) Bassoon
72 ( 71) Clarinet
Pipe (Flöten)
73 ( 72) Piccolo?
74 ( 73) Flute
75 ( 74) Recorder
76 ( 75) Pan Flute
77 ( 76) Blown Bottle
78 ( 77) Shakuhachi
79 ( 78) Whistle
80 ( 79) Ocarina

Synth Lead

81 ( 80) Square (Rechteck)
82 ( 81) Sawtooth (Sägezahn)
83 ( 82) Calliop
84 ( 83) Chiff
85 ( 84) Charang
86 ( 85) Voice
87 ( 86) Fifths
88 ( 87) Bass + Lead
Synth Pad
89 ( 88) New Age?
90 ( 89) Warm
91 ( 90) Polysynth
92 ( 91) Choir
93 ( 92) Bowed
94 ( 93) Metallic
95 ( 94) Halo
96 ( 95) Sweep
Synth Effects
97 ( 96) Rain
98 ( 97) Soundtrack
99 ( 98) Crystal
100 ( 99) Atmosphere
101 (100) Brightness
102 (101) Goblins
103 (102) Echoes
104 (103) Sci-Fi
Percussion
105 (104) Sitar Ethnik
106 (105) Banjo
107 (106) Shamisen
108 (107) Koto
109 (108) Kalimba
110 (109) Bag Pipe
111 (110) Fiddle
112 (111) Shanai
Percussive
113 (112) Tinkle Bell
114 (113) Agogo
115 (114) Steel Drums
116 (115) Woodblock
117 (116) Taiko Drum
118 (117) Melodic Tom
119 (118) Synth Drum
120 (119) Reverse Cymbal
Sound Effects
121 (120) Guitar Fret. Noise
122 (121) Breath Noise
123 (122) Seashore
124 (123) Bird Tweet
125 (124) Telephone Ring
126 (125) Helicopter
127 (126) Applause
128 (127) Gun Shot
Nummer Note Klang
35 B0 Acoustic Bass Drum
36 C1 Bass Drum 1 (BD)
37 C#1 Side Stick
38 D1 Acoustic Snare (SD)
39 D#1 HandClap
40 E1 Electric Snare
41 F1 Low Floor Tom
42 F#1 Closed Hi Hat (HH)
43 G High Floor Tom
44 G#1 HandPedal Hi
45 A1 Low Tom
46 A#1 Open Hi Hat (OH)
47 B1 Low Mid Tom
48 C2 High Mid Tom
49 C#2 Crash Cymbal
50 D2 High Tom
51 D#2 Ride Cymbal
52 E2 Chines Cymbal
53 F2 Ride Bell
54 F#2 Tambourine
55 G2 Splash Cymbal
56 G#2 Cowbell
57 A2 Crash Cymbal 2
58 A#2 Vibraslap
59 B2 Ride Cymbal 2
60 C3 High Bongo
61 C#3 Low Bongo
62 D3 Mute High Conga
63 D#3 Hand Clap
64 E3 Open High Conga
65 F3 Low Conga
66 F#3 High Timbale
67 G3 Low Timbale
68 G#3 High Agogo
69 A3 Low Agogo
70 A#3 Maracas
71 B3 Short Whistle
72 C4 Long Whistle
73 C#4 Short Guiro
74 D4 Long Guiro
75 D#4 Claves
76 E4 High Wood Block
77 F4 Low Wood Block
78 F#4 Mute Cuica
79 G4 Open Cuica
80 G#4 Mute Triangle
81 A4 Open Triangle