数字音频技术6章

数字音频技术第6章电子乐器数字接口(MIDI)第6章电子乐器数字接口(MIDI)§6.1概述§6.2MIDI乐音合成器原理6.2.1频率调制(FM)合成法6.2.2波形表合成法§6.3MIDI系统中的设备配置6.3.1MIDI消息输入设备6.3.2音序器6.3.3音源§6.4MIDI系统连接6.4.1MIDI端口6.4.2连接方式6.4.3MIDI的通道6.4.4MIDI系统连接实例§6.5常见的MIDI应用软件§6.6小结§6.7习题§6.1概述电子乐器数字接口（MIDI）——MusicalInstrumentDigitalInterface，是直接通过计算机来创作音乐的技术。MIDl是用于在电子乐器(即MIDI设备)之间、电子乐器与计算机之间交换乐音信息的一种标准协议。由于MIDI技术也是利用计算机来处理信息并产生乐音的一种技术，故它与数字音频技术是两种非常容易被混淆的技术。1.MIDI的发展20世纪80年代，电子乐器渐渐流行起来。电子乐器的主要代表是电子合成器。它把键盘与音源组合在一起．按动键盘上的各个键，通过由多个振荡器组成酌音源可以模拟出多种乐器的音色。电子合成器一诞生就在音乐界产生了极大的影响，不久以后，人们又发明了许多专用的电子乐器，比如电子钢琴、电子鼓等，而且还探索把多个电子乐器组合起来的方法。1983年8月，合成器的主要制造商包括SequentialCircuits、Yamaha、Roland、Korg和Kawai共同制定了MIDI1.0技术规范，使不同制造厂商生产的电子乐器之间的相互连接成为可能。MIDI1.0技术规范规定了信号的I／O接口、连接乐器的特定电缆、MIDI消息的基本模式等。2.数字音频与MIDI的区别：（1）数据信息的记录不同与数字音频不同，MIDI的数据信息不是声音信息的数字化记录。MIDI数据主要是电子合成器上键盘按键状况的数字化记录，主要包括按了哪一个健、音高、力度多大、持续时间多长、键释放等控制信息。（2）产生声音不同MIDI的这些数字信息不能通过D／A变换直接转换成声音，只能通过MIDI设备的音源来读取MIDI消息，然后根据这些控制信息去控制发声电路，最后转换成声音输出。数字音频和MIDI技术在产生声音上的不同之处图6-1数字音频技术的处理流程图6-2MIDI技术的处理流程（3）MIDI技术比数字音频技术更灵活。从灵活性角度看，在数字音频系统中可通过改变录、放速度来改变声音的音调和语速，可通过剪辑来改变录音内容的顺序，可通过改变混响来改变声音所处的环境效果，但是对于录音的内容，数字音频技术的作用有限。比如，它不可能把录音中的钢琴声变为小提琴的音色。MIDI技术则不同，它非常适于音乐作品的创作过程。一个熟练的键盘手，可以通过多轨录音的手法，把代表各种乐器的键盘信息送到计算机中，可以任意指定某一音轨为某种乐器的声音，可以任意地修改已输入的信息，改变音色、节奏、和弦……，从而达到预期的音响效果。3.MlDI技术的缺点对MIDI音源设备的依赖性是MlDI技术的一项缺点。因为MIDI消息必须通过音源设备才能发出声音，但是不同音源的音色是完全不同的，所以相同的MIDI文件在不同的音源设备上播放，其效果可能完全不一样。由于这个原因，MIDI技术的发展受到一定的限制，习惯上认为MIDI音乐或电子音乐只能作为游戏软件之类低档产品的配乐。随着数字音频技术的发展，促进了MIDI设备的不断改进，特别是随着个人计算机的普及，一种特殊的MIDI设备——声卡逐渐成为计算机的基本配置。在声卡中的合成器由于采用了采样回放技术，其生成的音乐音色效果比以前有了很大的进步，人们越来越难以分辨一段音乐中哪些是产生于乐器的录音，哪些是产生于声卡的合成声音。这样，MIDI技术对音源设备的依赖性也就大大减弱了。4.常用专业术语(1)MIDI消息(message)或指令乐谱的一种记录格式，相当于乐谱语言。(2)MIDI文件存储MIDI消息的标准文件格式。MIDI文件中包含音符、定时和多达16个通道、256个音轨的演奏定义。文件包括每个通道的演奏音符信息：键、通道号、音长、音量和力度(击键时，键达到最低位置的速度)。(3)通道MIDI可为16个通道(channel)提供数据。每个通道访问一个独立的逻辑合成器。(4)音序器音序器是为MIDI作曲而设计的计算机程序或电子装置。音序器能够用来记录、播放、编辑MIDI事件。大多数音序器能输入、输出MTDI文件。常用专业术语-1(5)乐音合成器乐音合成器是利用数字信号处理器或其他芯片来产生乐音或声音的电子装置。数字信号处理器产生并修改波形，然后通过声音产生器和扬声器发出特定的声音.(6)乐器合成器能产生特定声音。不同的合成器，乐器音色号不同，声音质量也不同，如多个数字乐器都能合成钢琴的声音，不同乐器使用的音色号不同，它们输出的声音有差异。(7)复音复音(polyphony)是指合成器同时演奏若干音符时发出的声音。它着重于同时演奏的最多音符数。如一个能以6个复音合成4种乐器声音的合成器，可同时演奏分布于4种乐器的6个音符。它可能是钢琴和弦的4个音符、1个长笛音符、1个小提琴音符。常用专业术语-2(8)音色音色取决于声音的频谱结构。在非正式的用法中，它指的是与特定乐器相关的特定声音，如低音提琴、钢琴、小提琴的声音均有各自的音色。(9)多音色多音色(timbre)指同时演奏几种不同乐器时发出的声音。它着重于同时演奏的乐器数。(10)音轨音轨(track)是一种用通道把MIDI数据分隔成单独组、并行组的文本概念。0号格式的MIDI文件把这些音轨合并成一个。不同编号格式的MIDI文件维持不同的音轨。常用专业术语-3(11)合成音色映射器合成音色映射器是一种软件，为了适应MicrosoftMIDI合成音色，分配表规定合成音色编号。软件要为特定的合成器重新分配乐器合成音色编号．多媒体Windows的映射器可将乐器的合成音映射到任意MIDI装置上。(12)通道映射通道映射把发送装置的MIDI通道号变换成适当的接收装置的通道号。例如编排在10号通道的鼓乐，对于仅接收6号通道的鼓来说，就被映射成6号通道。§6.2乐器合成原理产生MIDI乐音的方法很多，现在用得较多的方法有两种：频率调制(FrequencyModulation，FM)合成法;乐音样本合成法，也称为波形表(wavetable)合成法.6.2.1频率调制(FM)合成法乐音合成器的先驱RobertMoog采用模拟电子器件生成了复杂的乐音。20世纪80年代初，美国斯坦福大学的一名叫JohnChowning的研究生发明了一种产生乐音的新方法——教字式频率调制合成法，简称为FM合成法。他把几种乐音的波形用数字来表达，并且用数字计算机而不是用模拟电子器件把它们组合起来，通过数／模转换器(DAC)来生成乐音。斯坦福大学得到了发明专利，并把专利权授给Yamaha公司，公司把该技术做在集成电路芯片里，成了世界市场上的热门产品。FM合成法的发明使合成乐音工业发生了一次革命。图6-3FM乐音合成器的工作原理频率调制(FM)合成法FM合成器由5个基本模块组成：数字载波器、调制器、声音包络发生器、数字运算器和数/模转换器.数字载波器用了3个参数：音调、音量和各种波形;调制器用了6个参数：频率、调制深度、波形的类型、反馈量、颤音(vibrato)和音效(effect);乐器声音除了有它自己的波形参数外，还有它自己的比较典型的声音包络线。声音包络发生器用来调制声音的电平，这个过程也称为幅度调制，并且作为数字式音量控制旋钮，它的4个参数写成ADSR，这条包络线也称为音量升降维持释放(AttackDecaySustainRelease，ADSR)包络线。频率调制(FM)合成法在乐音合成器中，数字载波波形和调制波形有很多种，不同型号的FM合成器所选用的波形也不同。图6-4是YamahaOPL-Ⅲ数字式FM合成器采用的波形。图6-4乐音合成器的波形频率调制(FM)合成法各种不同乐音的产生是通过组合各种波形和各种波形参数并采用各种不同的方法实现的。用什么样的波形作为数字载波波形、用什么样的波形作为调制波形、用什么样的波形参数去组合才能产生所希望的乐音，这就是FM合成器的算法要解决的问题。通过改变图6-3中所示参数，可生成不同的乐音，例如：1)改变数字载波频率可以改变乐音的音调。改变它的幅度可以改变它的音量。2)改变波形的类型，如用正弦波、半正弦波或其他波形，会影响基本音调的完整性。3)快速改变调制波形的频率(即音调周期)可以改变颤音的特性.4)改变反馈量，就会改变正常的音调，产生刺耳的声音.5)选择的算法不同，载波器和调制器的相互作用也不同，生成的音色也不同。频率调制(FM)合成法在多媒体计算机中，图6-3中的13个声音参数和算法共14个控制参数以字节的形式存储在声卡的ROM中。播放某种乐音时，计算机就发送一个信号，这个信号被转换成ROM的地址，从该地址中取出的数据就是用于产生乐音的数据。FM合成器利用这些数据产生的乐音是否真实，它的真实程度有多高，取决于可用的波形源的数目、算法和波形的类型。使用FM合成法来产生各种逼真的乐音是相当困难的，有些乐音几乎不能产生，因此很自然地就转向乐音样本合成法。乐音样本合成法是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，播放时改变播放速度，从而改变音调周期，生成各种音阶的音符。乐音样本的采集相对比较直观。音乐家在真实乐器上演奏不同的音符，选择采样频率为44.1kHz、16bit量化的乐音样本，这相当于CD-DA的质量，把不同音符的真实声音记录下来，就完成了乐音样本的采集。6.2.2波形表合成法波形表合成法“波形表”合成法是当今使用最广泛的一种乐音合成技术。波形表可形象地理解为把声音波形排成波的一个表格，这些波形实际上就是真实乐器的声音样本。例如，钢琴声音样本就是把真实钢琴的声音录制下来存储成波形文件，如果需要演奏“钢琴”音色，合成芯片就会把这些样本播放出来。由于这些样本本来就是真实乐器录制成的，所以效果也非常逼真。一个MIDI设备通常包含多种乐器的声音，而一个乐器又往往需要多个样本，所以把这些样本排列起来形成一个表格以方便调用。这就称之为波形表，简称为波表。波形表合成法在实际中，常听说“软波表”和“硬波表”早期，计算机的整体性能(特别是CPU速度)还不够高，波表技术只能够通过专门的DSP芯片来完成。这些专门的DSP芯片就构成了那些专业硬件设备，如音源、合成器等。当计算机进入奔腾时代后，其处理速度已足够快，可实时处理波表数据，这种靠CPU来运算的波表技术——“软波表”，最著名的就是Wingroove。除此之外的都称作“硬波表”(无论是在声卡上还是在专用设备上).当个人计算机迈入奔腾Ⅱ时代以后，涌现出许许多多的软波表，连专业的MIDI硬件厂商也开发出同类的软波表，其中最出名的就是YAMAHA和ROLAND公司的软波表。由于这两个厂家都是业界非常出名的生产专业合成器和音源的厂商，所以他们出品的软波表也有相当的专业素质。波形表合成法的主要技术指标包括：(1)最大复音数复音(polyphony)——合成器同时演奏若干音符时发出的声音。它着重于同时演奏的音符数。最大复音数直接由计算机的处理能力来决定，以现在电脑的速度处理速度来说，32甚至是64复音数是没有多大问题的，这对于普通的MIDI文件来说也是足够了。(2)波形容量即所有波形样本的总容量大小。显然，波形容量越大，所容纳的波形样本就越多，所模仿的乐器音色也就越真实。通常，软波表的波形容量大都是4～8MB。(3]波形的采样质量即录制样本所采用的数字录音格式。一般的专业设备，其采样质量都是16比特、44.1kHz(或者48kHz)，即相当于普通CD的质量。6.3MIDI系统中的设备配置MI