MIDI技术规范解析

1.MIDI标准

MIDI标准实际上是一种程序变换标准。如果各音源生产厂家的程序变换值与音源中相对应的音色程序相同的话，那么MIDI音乐制作与音乐交流就十分方便；反之，如果各音源生产厂家的程序变换值与音源中相对应的音色序号不一样，那么就会给MIDI音乐交流带来极大的不便。例如：甲厂生产的音源第1号音色为PIANO（钢琴），而乙厂生产的音源第1号音色是VIOLIN（小提琴），那么当我们用媒体播放机播放上述两家生产厂制作的音源时，虽然使用的都是1号音色，但听到的声音与原制作的音乐完全不一样，这样会使音乐的流通带来极大的障碍。为解决这一问题，提出了程序变换与音源中的音色序号的对应标准，即MIDI标准，这一标准同时还对音色排列以外的许多方面做出了规定。

（1）GM标准（General MIDI）。GM标准是对原始MIDI协议和规格的补充，它首先对电子乐器中的乐器或音色分类和排列进行了规定。1992年公布的GM标准根据乐器构造及发音原理进行了分类，如键盘乐器组、弦乐器组、铜管乐器组、木管乐器组、打击乐器组等，并对程序变换信息与音源音色序列的对应做了明确规定。此外，GM标准还规定了所有的打击乐器一律使用第10通道。对不同的打击乐器的音色与对应的音符或在键盘上的位置也做出了明确的规定。

（2）XG标准（Extend General MIDI）。XG是YAMAHA公司在GM标准的基础上，针对其自身产品的特点和发展制定的一种扩展的MPC（计算机音乐）音乐标准。XG标准在四个方面对GM标准进行了扩充。

1）音色数量。从128种（GM标准）扩展到至少包含480种音色（XG标准），并可以任意扩充，采用库号选择体系（Bank Select System）。

2）音色编辑功能。GM标准允许对主音量、弯音轮、表情踏板、延音踏板等演奏信号进行响应，但不能处理类似古典音乐中的细微表情变化。

XG标准加入了亮度、调和度、触键和离键速度等规定的音色编辑参数，使音色的亮度等更加具体。

3）数字效果功能。GM标准没有音响效果的规定，因而无法适应专业MPC音乐制作。XG标准提供效果处理方法，使音乐制作者对音乐风格的把握发挥出积极作用。如混响控制、失真效果、合唱效果和特殊音效等。

4）外部音频输入。大部分XG音源都带有数字效果处理器（DSP），外部音源混入时经过加工，实现与音源音色的融合。

用计算机进行MIDI音乐制作时，程序的标准化可以解决MIDI音乐交换中的音色调用问题，然而，音频卡（俗称声卡）的质量也会直接影响到音乐播放的音色。与传统音乐相比，MIDI的音色只是尽量模仿传统乐器的音色，目前还无法做到100%的还原。

2.MIDI接口

MIDI规定合成器、音序器、微机和鼓乐等电子乐器装置都能通过一个标准接口连接。每个符合MIDI规范的电子乐器装置应包含一个接收器或一个发送器，或两者都有。

接收器由通用异步收发送器（UART）及必要的硬件组成，接收或发送MIDI格式的信息，执行MIDI命令。发送器生成MIDI信息后，按UART和总线驱动器格式进行MIDI信息传输。

（1）MIDI端口的种类。MIDI设备应具有一个或多个下列功能端口：

1）MIDI In输入口：接收MIDI格式的数据信息。

2）MIDI Out输出口：发送某电子乐器生成的原始MIDI信息。

3）MIDI Thru直通口：把输入口收到数据信息直接传输到其他MIDI设备。

MIDI传输电缆由屏蔽双绞线及连接电缆两端的DIN五针插座组成；屏蔽双绞线电缆的最大长度为15m。双绞线的一根线缆作为传输数据信号，另一根线为直流供电，屏蔽线的屏蔽网作为公共地线，与DIN五针插座的2脚连接。图3-15是MIDI设备的互联方式，图3-16是MIDI接口电路图。电路图表明，DIN五针插座只用了“2”“4”“5”三个接点，“1”和“3”两个接点不用。接收器装有光耦合器，接通状态（on）时，电流小于5mA，上升和衰减时间小于2μs。对于多于3件乐器的链形连接，必须使用高速光耦合器，避免上升/衰减时间的积累误差，影响脉冲宽度。

图3-15 MIDI设备的互联方式

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图3-16 MIDI接口电路图

（2）MIDI端口的硬件数据。端口的数据传输速率为31.25kbit/s（±1%），工作方式为异步。每个串行字节为10bit，其中有1位开始位，8位MIDI信息数据（D0～D7）和1位停止位。脉冲周期为320μs。

3.MIDI应用系统

MIDI应用系统可分为由MIDI设备组成的系统和由MPC（计算机音乐）设备组成的系统。

1）MIDI设备组成的MIDI应用系统。MIDI信息数据通常由乐器键盘和MIDI音序器组成的MIDI控制器产生，因此MIDI控制器通常就成为一种电子乐器设备，如电子琴键盘、踏板、电吉他和电子吹管等，如图3-17所示。

MIDI控制器中乐器键盘的功能是把触键动作变成MIDI信息，然后发送到MIDI音序控制器。MIDI音序器是一个捕捉、存储、编辑、组合和重奏MIDI信息的装置。在播放时，把演奏转换成实时的MIDI信息数据流，并通过该装置的MIDI Out连接端口输出。

图3-17 常见的MIDI控制器典型外形

a）电子琴键盘 b）踏板 c）电吉他 d）电子吹管

MIDI数据流接收设备是由MIDI声音发生器或MIDI声音模块组成的一种MIDI音乐播放器。图3-18是两种典型的MIDI系统。图3-18a是一个简单的MIDI系统，在它的键盘控制器内部既包含MIDI控制器，又包含MIDI声音模块，并已有内部连接（通过开关随时可以拆分连接）。图3-18b是由MIDI设备组成的复杂系统，这个系统音序器的MIDI Out输出接口连接有多个MIDI声音模块，用户可用这个系统来创作多种不同乐声组成的一个乐曲，这是因为每次在键盘上独奏的乐曲都由音序记录下来，然后音序器通过几个声音模块在不同的MIDI通道上一起播放。这些声音模块也可以做在一起构成一种多音色声音模块，可同时接收和播放多种声音。

图3-18 典型的MIDI系统

a）简单的MIDI系统 b）复杂的MIDI系统

2）由MPC设备组成的MIDI系统。图3-19是建立在PC平台上的MIDI系统。该系统使用的声音模块是多音色模块，它能同时播放多种乐器的声音和一次能播放多种音符（多音调）。

图3-19 MPC构建的MIDI系统

PC平台使用内置MIDI接口卡，进行MIDI信息流的发送和接收。不仅是键盘音乐信息，其他各种信息，如多媒体演示程序、教学或游戏软件等应用程序信息也可通过PC总线发送到MIDI接口卡，再由该卡把信息转换成MIDI信息，然后送至多音色模块，同时播放出许多不同的音乐。使用安装在PC上的高级MIDI音序器软件，用户可直接把MIDI键盘控制器的输出连接到MIDI接口卡的输入接口端，这样便可实现音乐创作功能，修改创作十分快捷方便。

如果把MIDI接口卡与MIDI多音色声音模块组合在一块PC插卡上，就称为合成器，使用更为方便。

应用程序是MPC应用系统的灵魂。由于近年来MPC的系统性能迅速提高，数字MIDI应用程序能够实现的功能越来越多。现在很多人用功能强大的软音序器和软合成器取代硬件音序器和硬件音源。这些功能强大的MIDI应用软件的出现，大大降低了设备成本，使计算机作曲已经不再是专业人士的特权。