Система цифровой обработки информационного сигнала

При размерах пьезоэлемента 10 – 60 мм в диаметре и 0,2 – 1,5 мм по толщине порядок прилагаемого давления равный 0,05 - 1 Па соответствует выходному напряжению в диапазоне от 50 мВ до 1В.

 

2.3 Исследование  формата передачи данных MIDI

 

MIDI (от английского Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт цифровой звукозаписи на формат обмена данными между электронными музыкальными инструментами.

Задача MIDI - управлять работой музыкального устройства не с его панели или клавиатуры, а на расстоянии (по MIDI-кабелю) — с другого устройства. Для этого второе устройство передает первому последовательность управляющих команд, которые называются MIDI-сообщениями, а перечень команд – MIDI протоколами.

MIDI — это протокол связи между  устройством управления, генерирующим  команды, и подчиненным устройством, выполняющим эти команды. Если сузить это определение, то можно сказать что MIDI позволяет исполнителю нажать клавишу на одном инструменте, а получить при этом звук другого или даже нескольких. Любые воздействия исполнителя на органы управления (нажатие клавиш, педалей, изменение положений регуляторов и т. п.) могут быть преобразованы в команды, которые можно передать по MIDI-кабелю на другие инструменты. Эти инструменты, получая команды, обрабатывают их так же, как и при воздействии на их собственные органы управления.

 На самом деле протокол MIDI не конкретизирует состав взаимодействующих устройств и не требует наличия живого исполнителя. Суть протокола в том, что в некой системе, состоящей из нескольких устройств, одно устройство (мастер) генерирует команды управления, а все другие устройства (подчиненные) выполняют эти команды. Если подчиненные устройства являются источниками звука (синтезаторы, звуковые модули, семплеры, драм-машины, одним словом, тон-генераторы), то они управляются командами, связанными со звукообразованием: например, "взять ноту До первой октавы" или "переключить тембр на номер 5". Если подчиненные устройства выполняют другие функции, например, обработку аудиосигнала, то и команды для них будут несколько иными. Как бы там ни было, прибор, получает команды управления через свой MIDI-вход (MIDI In).

 В качестве мастер-устройства  может выступать любой прибор, имеющий MIDI-выход (MIDI Out) и способный  посылать на этот выход команды  управления. Мастер-устройства можно  разделить на два типа: устройства, на которые непосредственно воздействует исполнитель (например, синтезатор) и устройства, которые генерируют управляющие команды автоматически (без участия исполнителя), на основе ранее введенных данных. Типичным примером устройства последнего типа является секвенсор.

 Секвенсор - магнитофон, который записывает, но не звук, а команды управления, и не на ленту, а в память компьютера (это может быть и встроенный компьютер синтезатора). Секвенсор позволяет записать действия исполнителя (включая динамику исполнения, стиль и т. п.), а затем воспроизвести их в первозданном виде, точно так же, как если бы исполнитель снова сел за инструмент и сыграл то же самое. Кроме того, в секвенсоре можно редактировать записанную информацию способами, невыполнимыми на магнитофоне: транспонировать партии или отдельные ноты, изменять ритмическую позицию событий или тембр, которым синтезатор будет воспроизводить партию.

 Протокол MIDI разрабатывался для  управления синтезаторами, а в  них, как известно, самый главный  орган управления — клавиатура. Неудивительно поэтому, что разработчики MIDI для описания действий исполнителя выбрали принцип клавишного инструмента.

MIDI является выраженным клавишно-ориентированным  протоколом. Это не означает, что  управлять тон-генератором можно  только с клавиатуры — существуют множество других способов ввода, например, электронные пэды и целые ударные установки, гитарные или духовые контроллеры (о них мы поговорим отдельно и более подробно). Однако, какое бы средство ввода не использовалось, сообщения от него преобразуются в клавишно-ориентированные.

Приемы звукоизвлечения, нехарактерные для клавишного инструмента, могут быть лишь сымитированы средствами MIDI с той или иной степенью достоверности.

 

Коммутация MIDI

 Как же соединяются устройства  в MIDI? Представим себя на месте разработчиков. У нас есть два синтезатора, и мы хотим, чтобы при нажатии клавиши на одном из них второй синтезатор сыграл ту же ноту, но своим звуком. Очевидно, для этого нужно сделать на первом синтезаторе выходной MIDI-разъем, а на втором — входной MIDI-разъем и соединить инструменты MIDI-кабелем. Первый синтезатор при нажатии клавиши должен генерировать сообщение о взятии ноты и посылать его на свой выход, а второй синтезатор — получать это сообщение через вход и воспроизводить звук. Пример приведен на рисунке 2.3.

               

Рисунок 2.3 – Пример простейшего подключения MIDI

 

 В прошлом для одновременного  извлечения нескольких звуков  нужно было бы встраивать в  инструмент несколько входов, по  одному на каждый голос полифонии. Но MIDI — протокол цифровой, и высота нот кодируется цифрами, а не напряжением. Цифры передаются по MIDI кабелю в виде очень коротких импульсов. Разработчики могли сделать параллельный интерфейс, то есть передавать эти импульсы по нескольким проводам одновременно. Тогда MIDI-кабель мог бы состоять, например, из восьми или шестнадцати проводов, а инструмент получал бы все ноты аккорда одновременно. Но в силу разных причин (о которых поговорим далее подробно) было решено сделать интерфейс последовательным. В этом случае для MIDI-кабеля нужно всего два провода в экране-оплетке.

Последовательный интерфейс означает то, что импульсы по MIDI-кабелю передаются один за другим, подобно отряду муравьев, шагающих колонной по одному. Так что в каждый момент времени приемника достигает только один импульс. Значит, передать одновременно несколько сообщений через один MIDI-разъем невозможно. При игре аккордов ноты каждого аккорда будут передаваться последовательно. Фактически, вместо аккордов синтезатор-приемник будет исполнять только очень-очень плотное арпеджио. По одному MIDI-кабелю одновременная передача нескольких сообщений невозможна [2.2].

Этот факт служит одним из главных аргументов в устах людей, критикующих протокол. На слух запаздывание каждой последующей ноты аккорда неуловимо (так как составляет менее половины миллисекунды), да и к тому же в реальной жизни ни один исполнитель не сыграет аккорд, абсолютно одновременно взяв все его ноты. Однако это не многих успокаивает — все-таки гораздо лучше иметь точную во времени систему.

Позже разработчиками интерфейса было предложено передавать данные по шестнадцати логическим каналам. Слово "логический" означает то, что все каналы существуют в виде абстракции и передаются по одному MIDI-кабелю. Просто каждое сообщение, например, о взятии ноты, снабжается дополнительным числом - номером канала, на котором звучит нота. В этом коренное отличие MIDI от аналоговой звуковой коммутации, где, например, партия рояля идет с магнитофона на микшер по отдельному кабелю, который можно потрогать руками. В MIDI по одному кабелю могут передаваться одновременно партии всего симфонического оркестра.  Понятно, что при последовательной передаче в каждый момент времени приемника будет достигать сообщение только для одного канала. Так что абсолютной ритмической согласованности в игре, например, бочки и бас-гитары при передаче данных по одному MIDI-кабелю добиться нельзя.

 Каждый тон-генератор может  быть настроен на прием сообщений  по одному или нескольким MIDI-каналам. Данные тех каналов, по которым  прием не идет, просто игнорируются. В нашем примере пусть первый синтезатор играет на MIDI-канале 3, второй настроен на прием по каналу 4, третий — по каналу 8 и последний — по каналу 10. Тогда для переключения тембров нужно переключать каналы, по которым передает информацию первый синтезатор: включили на канал 3 — звучит его же флейта, на канал 8 — бас с третьего синтезатора, на канал 10 — барабаны с последнего. Но тогда клавиатуры на втором, третьем и четвертом синтезаторах вообще не нужны. Это соображение привело к широкому распространению звуковых модулей — синтезаторов без клавиатуры. С другой стороны, первый синтезатор может вообще не производить звук, а только служить центром управления для всех остальных. Это соображение привело к появлению MIDI-клавиатур — устройств, которые звуков не содержат, а служат для управления другими синтезаторами или звуковыми модулями.

 Если первый синтезатор позволяет  разделить клавиатуру на две  зоны, то можно назначить зону  для левой руки на передачу  по каналу 8, а для правой — по каналу 4. Тогда мы сможем одновременно исполнять партии баса и рояля. При этом на первом синтезаторе потребуется только один MIDI-выход.

Возможности живого исполнения нескольких партий одновременно ограничены, поэтому чаще всего партии записываются в секвенсор по очереди. Причем записать партии можно на простом и неказистом по звучанию инструменте — ведь записывается не звук, а только действия исполнителя (можно даже настучать партию на MIDI-клавиатуре без подзвучки). А для сведения одолжить пару качественных синтезаторов или звуковых модулей.

По MIDI-кабелю (в отличие, скажем, от телефонного) информация передается всегда в одном направлении. Поэтому каждый MIDI-разъем используется только для одной цели в зависимости от его вида.  

 В качестве разъема для MIDI стандартным является разъем типа DIN-5 представленный на рисунке 2.4.

 

Рисунок 2.4 – Разъем типа DIP-5

 

Контакт 2 - земля, контакты 4 и 5 - сигнальные, контакты 1 и 3 - не используются. Этот традиционный разъем сейчас начинает занимать разъем USB, который является все более удобным и распространенным для подобных целей.

 

 MIDI - как протокол реального времени

 Это означает, что вся система  работает по принципу "получил  — выполнил". Исполнитель нажимает  клавишу, клавиатура генерирует  сообщение "взять ноту" и передает его на вход тон-генератора. Тон-генератор немедленно воспроизводит ноту. Таким образом, никакие параметры, связанные с моментами выполнения команд, в сообщениях не передаются. Моментом выполнения считается момент получения команды. Поэтому сообщения вроде "сыграть ноту через две секунды" в MIDI отсутствуют. Как это ни странно, сообщение "сыграть ноту длительностью две секунды" в системе реального времени также невозможно.

 Представьте: как только исполнитель  нажимает клавишу, тон-генератору посылается команда "взять ноту", и он должен немедленно начать воспроизведение. Какой длительности будет нота, тон-генератор не знает и не может знать. Здесь все зависит от исполнителя — нота будет звучать до тех пор, пока тот не отпустит клавишу, и в тон-генератор не поступит команда "снять ноту". Вот теперь можно сказать — нота звучала полторы секунды. В MIDI все параметры, связанные со временем протекания того или иного процесса, ведут себя аналогично. Например, темп задается не каким-нибудь сообщением "120 ударов в минуту", а самими сообщениями о взятии ноты, приходящими от устройства управления в соответствующем темпе.

 Таким образом, задача тон-генератора  в MIDI существенно упрощается: не  нужно отслеживать время чего-либо, нужно только сразу реагировать на команды. Отсюда — одна из самых распространенных проблем MIDI, так называемые зависшие ноты. Если в тон-генератор пришло сообщение "взять ноту", а сообщение "снять ноту" по каким-либо причинам не пришло (например, из-за обрыва кабеля), нота будет звучать вечно. Ну, или до тех пор, пока не перезапустить тон-генератор.

 В общем, получается, что временем  звучания нот, темпом, и другими  временнЫми моментами управляет  сам исполнитель. Если мы хотим  записать действия исполнителя, нужно каждое MIDI-сообщение, поступившее в секвенсор, снабдить меткой времени. Примерно так: сообщение "взять ноту" поступило на первый тик. Записываем его в память вместе с меткой 1. Сообщение "снять ноту" поступило на двадцать первый тик, записываем его с меткой 21. Если секвенсор отсчитывал двадцать тиков в секунду, то, очевидно, длина записанной ноты — одна секунда. При воспроизведении секвенсор начинает снова отсчитывать тики. Подошел первый тик, в тон-генератор отправилось сообщение о взятии ноты, подошел 21-й тик — о снятии ноты. Таким образом, мы записали, а затем воспроизвели действия исполнителя.

 Кроме того, секвенсор позволяет  те же действия запрограммировать, то есть записать в память  без необходимости живого исполнения. Такое программирование в свое  время дало жизнь множеству стилей электронной музыки и в корне изменило творческий процесс, но это — предмет отдельного разговора.

 

 Компоненты MIDI

Очевидно, для того, чтобы одно устройство реагировало на управляющие воздействия с другого, нужно стандартизировать две вещи: язык общения устройств и физический способ их соединения. Для того, чтобы сообщения можно было сохранять, а впоследствии воспроизводить, нужен также стандартный формат их хранения. Протокол MIDI состоит из трех частей: спецификации формата данных, аппаратной спецификации интерфейса и спецификации формата хранения данных.

 

2.4 Оценка целесообразности широкого применения системы

 

Одна из наиболее развитых областей применения цифровых технологий лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработка звука и изображений, включающей процесс аналого - цифрового преобразования (АЦП), анализа, преобразования, сжатия или кодировки сигнала.

Темой настоящего диплома является применение электронных и компьютерных технологий в области музыкальных ударных инструментов. На сегодняшний день компьютерные технологии прочно вошли в музыкальную индустрию, практически любой музыкальный стиль так или иначе содержит в себе элементы, созданные на базе компьютерных технологий, поэтому важно и  необходимо разрабатывать и внедрять новые технологические решения и усовершенствовать существующие.  Подобные системы актуальны и в сегменте ударных инструментов, как  среди профессиональных барабанщиков, так и среди любителей. Выбранная тема помогает показать, на что способны современные электронные технологии в музыкальной сфере культуры.