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5. El Sistema MIDI Los modelos de síntesis de sonido, simulan los mecanismos de generación interna del sonido o bien los efectos sonoros que producen. En este sentido, podemos decir que una vez analizadas las técnicas de síntesis tenemos a nuestra disposición, los martillos, cuerdas, tablas armónica… en definitiva todos los elementos que intervienen en la creación del sonido Sin embargo existe aún otro elemento que separa al pianista de toda la mecánica del instrumento y que a la vez la hace transparente, ofreciéndole un interfaz que solo refleje las cuestiones relevantes para la interpretación artística. Estamos hablando del teclado. Este elemento que no se ha tenido en cuenta hasta ahora a la hora de sintetizar el instrumento, cobra ahora singular importancia como medio de comunicación entre el instrumentista y los mecanismos internos de creación sonora. En un piano electrónico, esta función la realiza el sistema MIDI. Independientemente de la técnica de síntesis utilizada, es necesario un protocolo de comunicación para que los parámetros musicales (frecuencia del tono, duración, dinámica…) sean introducidos en el sintetizador de una forma que permita la ejecución pianística en tiempo real. Dejando a un lado consideraciones de técnica pianística, como la ineludible influencia del tacto y dureza de tecla así como del sistema contrapesado del mecanismo de la acción interno al piano y de otras cuestiones relacionadas con la dinámica muscular en la ejecución, el sistema MIDI se presenta un modo eficaz de comunicación entre el pianista y el instrumento y es especialmente adecuado para simular el modelo de ejecución pianística pudiendo presentar un interfaz físico que recuerda en muchos aspectos el teclado de un piano real.

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5.1. Aspectos básicos El protocolo de Interfaz Digital para Instrumentos Musicales o MIDI, ha sido ampliamente aceptado y utilizado por músicos y compositores desde su concepción en 1982. El protocolo MIDI proporciona un medio estandarizado y eficiente de convertir información sobre una interpretación pianística en datos electrónicos. La información MIDI se transmite en mensajes MIDI, un conjunto de instrucciones que informa al sintetizador que tipo de sonido debe generar. Este sintetizador generará el sonido pianístico mediante uno de los métodos de síntesis mencionados anteriormente (síntesis FM, liberación de muestras…). Por tanto, el protocolo MIDI es transparente al medio físico de generación del sonido, simplemente transporta los parámetros necesarios para generar dicho sonido. El flujo de datos MIDI es un flujo de bits unidireccional y asíncrono a 31.25 Kbps. Con 10 bits transmitidos por byte (un bit de comienzo, 8 bits de datos y un bit de parada). El interfaz en un instrumento MIDI incluye generalmente tres conectores MIDI diferentes denominados IN, OUT y THRU. El flujo de datos MIDI es originado por un controlador MIDI que es el teclado del piano electrónico y es enviado en tiempo real al sintetizador mediante el conector MIDI OUT. El sintetizador o generador de sonido recibe los mensajes MIDI a través de su conector MIDI IN, y responde a estos mensajes reproduciendo los sonidos correspondientes. En la figura, se muestra un sistema MIDI simple, consistente en un controlador de teclado MIDI y un módulo de sonido MIDI. En los pianos electrónicos comerciales, el instrumento incluye el controlador de teclado y el módulo de sonido MIDI en la misma unidad. En estas unidades, existe por tanto un enlace interno entre el teclado y el módulo de sonido. Muchos modelos permiten habilitar o deshabilitar este enlace configurando la función “control local” del instrumento.

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Figura. 5.1. Un sistema MIDI simple El canal físico MIDI se divide en 16 canales lógicos mediante la inclusión de un parámetro número de canal de 4 bits en el mensaje MIDI. Un instrumento electrónico de teclado puede generalmente transmitir en cualquiera de estos 16 canales MIDI. Un módulo de sonido externo puede configurarse para recibir en un canal MIDI específico.

La información recibida en el conector MIDI IN de un dispositivo MIDI es repetida en los conectores MIDI THRU. Por tanto, pueden encadenarse varios módulos de sonido conectando la salida THRU de un dispositivo en el conector IN del siguiente dispositivo.

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5.2. Mensajes MIDI Un mensaje MIDI está compuesto de un byte de estado seguido generalmente de uno o dos bytes de datos. Existen varios tipos de mensajes MIDI. Al más alto nivel, los mensajes MIDI son clasificados en Mensajes de Canal y Mensajes de Sistema. Los Mensajes de Canal son aquellos que solicitan un canal específico y por tanto el número de canal está incluido en el byte de estado. Los Mensajes de Sistema no hacen referencia a ningún canal específico. Los Mensajes de canal pueden ser además clasificados en Mensajes de Canal de Voz o Mensajes de Modo. Los Mensajes de Canal de Voz contienen los datos de la interpretación pianística y comprenden la mayoría del tráfico en un flujo de datos MIDI típico. Los Mensajes de Modo afectan al modo en que el generador de sonidos responderá a los Mensajes de Voz de Canal. Mensajes de Voz de Canal Los mensajes de Voz de Canal son usados para enviar información sobre la interpretación musical. Los mensajes en esta categoría son Note On, Note Off, Polyphonic Key Pressure, Channel Pressure, Pitch Bend Change, Program Change y Control Change. Note On/ Note Off/ Velocity En los sistemas MIDI, la activación de una nota particular y su liberación son considerados como dos eventos diferentes. Cuando una tecla es presionada en un piano electrónico MIDI, el teclado envía un mensaje Note On o Nota activada por el puerto de salida MIDI OUT. El teclado estará configurado para transmitir en alguno de los 16 canales lógicos MIDI que estará indicado en el byte de estado para el mensaje de Note ON. A este byte de estado le siguen otros dos bytes de datos, que especifican el número de tecla (qué tecla ha sido pulsada) y la velocidad (velocidad con que la tecla fue pulsada). El parámetro Key Number o Número de Tecla es utilizado por el generador de sonido para discriminar la nota que debe ser reproducida, mientras que el parámetro Velocity o Velocidad es normalmente usado para controlar la amplitud de la nota (teniendo en cuenta las variaciones espectrales del timbre con la dinámica en los pianos de gama media y alta). Cuando la tecla es liberada, el teclado envía un mensaje Note Off que SÍNTESIS DIGITAL DE INSTRUMENTOS MUSICALES SÍNTESIS DIGITAL DE PIANOS ELECTRÓNICOS

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también incluye dos bytes de datos para el número de tecla y la velocidad con que la tecla fue liberada. Este último parámetro es normalmente ignorado para sonidos pianísticos aunque puede ser no trivial para síntesis de otro tipo de instrumentos musicales. Program Change El mensaje de Program Change o Cambio de Programa es usado para especificar el tipo de instrumento que debería ser usado para reproducir sonidos en un canal dado. Este mensaje necesita solo un byte de datos que especifican el nuevo número de canal. Se utiliza en pianos electrónicos que permiten reproducir distintos tipos de sonidos pianísticos así como distintos instrumentos de teclado (clavicémbalo, órgano…) Control Change Los mensajes de Control Change o cambio de control son usados para controlar una amplia gama de funciones del generador de sonido, Como el resto de los mensajes de canal, solo afectan al número de canal indicado en el byte de estados. En estos mensajes, el byte de estado es seguido por un byte de datos indicando el número de controlador y un segundo byte que especifica el valor de control. El número de controlador identifica que función del generador de sonido será controlado por el mensaje. Bank Select El número de controlador cero, se define como el selector de banco. Esta función es usada en algunos sintetizadores, junto con el mensaje MIDI de cambio de programa para aumentar el número de diferentes sonidos que pueden ser seleccionados (puesto que dicho mensaje permite seleccionar solamente entre 128 números de programa posibles).

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Mensajes de modo de Canal Los mensajes de modo de canal (números de controlador MIDI 121 a 127) afectan al modo en que el generador de sonido responde a los datos MIDI. El número de controlador 121 se usa para resetear todos los controladores. El número 122 se usa para habilitar o deshabilitar el control local (pudiendo desconectar el teclado del generador de sonido). Los números de controlador del 124 al 127 son usados para seleccionar entre los modos de operación: Omni Mode On/Off y Mono/Poly Mode. Con el Omni Mode activado, el sintetizador responde a los datos MIDI entrantes en todos los canales, cuando está desactivado, solo responde al canal especificado en el parámetro número de canal. Cuando el modo Poly esta seleccionado, los mensajes de Note On o Nota Activa son reproducidos polifónicamente, lo que significa, que cuando se reciben múltiples mensajes Note On, a cada nota se le asigna su propia voz. El resultado es que múltiples notas pueden ser tocadas al mismo tiempo. Si se selecciona el modo Mono, se asigna una sola voz a un canal concreto, de modo que no pueden tocarse acordes, solo melodías lineales. Los pianos comerciales traen ajustados por defecto el modo de operación Omni On y Poly.

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Mensajes de Sistema Los mensajes de sistema se clasifican en mensajes comunes, mensajes en tiempo real, o mensajes exclusivos. Los mensajes comunes de sistema están pensados para todos los receptores en el sistema. Los mensajes en tiempo real son utilizados para sincronización entre componentes MIDI que requieran sincronismo. Los mensajes exclusivos de sistema incluyen un código de identificación (ID) del fabricante y son usados para transferir bytes de datos en el formato especificado por el fabricante correspondiente. Mensajes comunes de Sistema Los mensajes comunes actualmente definidos incluyen MTC Quarter Frame, Song Select, Song Position Pointer, Tune Request, y End Of Exclusive”. MTC Quarter Frame El mensaje MTC Quarter Frame es parte del código MIDI de información temporal, usado para sincronización del equipo MIDI con otros dispositivos como cintas de audio o video. Song Select El mensaje Song Select se utiliza en secuenciadores MIDI que pueden almacenar y reproducir un cierto número de canciones. Suele utilizarse en pianos comerciales para almacenar canciones de muestra, que puedan reproducirse con el fin de demostrar las cualidades tímbricas del instrumento. Song Position Pointer El mensaje Song Position Pointer se utiliza para configurar el secuenciador de forma que reproduzca la canción a partir de un instante distinto del inicial. El desfase se indica en número de ciclos de reloj MIDI y por tanto solo puede ser usado con equipamiento que posea sincronismo MIDI, es decir, capaz de reconocer Mensajes MIDI de Tiempo Real. Tune Request El mensaje Tune Request se utiliza para configurar la frecuencia de los osciladores de un sintetizador analógico. No se utiliza con sintetizadores digitales.

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EOX El mensaje EOX se utiliza como flag de fin de mensaje, para los mensajes exclusivos del sistema. Mensajes de Sistema en tiempo real Los mensajes MIDI System Real Time son usados para sincronizar todos los dispositivos MIDI que dependan de una señal de reloj. La mayoría de estos mensajes son normalmente ignorados por instrumentos de teclado y sintetizadores. Para asegurar un sincronismo correcto, estos mensajes tienen prioridad sobre otros, y pueden ocurrir en cualquier lugar en un flujo de datos (p.ej., entre un byte de estado un byte de datos de algún otro mensaje MIDI) Los mensajes en tiempo real son Timing Clock, Start, Continue, Stop, Active Sensing y System Reset. Timing Clock El mensaje Timing Clock es el reloj maestro que establece el tempo de la reproducción de una secuencia. Este mensaje se envía 24 veces por cuarto de nota. Start, Continue y Stop Los mensajes Start, Continue y Stop son usados para controlar la reproducción de la secuencia. Active Sensing El Mensaje Active Sensing se utiliza para eliminar “notas atrapadas” que pueden ocurrir si un cable MIDI es desconectado durante la reproducción de una secuencia MIDI. Sin este mensaje, si se interrumpe la conexión, algunas notas podrían reproducirse indefinidamente si se recibiera un mensaje de Note On pero nunca se recibiera el correspondiente mensaje de Note Off. System Reset El mensaje System Reset, se utiliza para resetear e inicializar cualquier dispositivo que reciba el mensaje. Generalmente, este mensaje no es enviado automáticamente, sino que debe ser iniciado manualmente por el usuario.

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Mensajes exclusivos de sistema Los mensajes exclusivos de sistema pueden ser utilizados para enviar datos como parámetros de ajusto, o datos de muestra entre dispositivos MIDI. Los fabricantes de equipos MIDI definen su propio formato para estos mensajes. Organismos como la MMA o el JMSC garantizan el identificador único para un fabricante, ID que es incluido como parte del mensaje. Dicha ID es seguida por un número indeterminado de bytes de datos y la transmisión finaliza con un mensaje EOX. Los fabricantes están obligados a publicar los detalles del formato de los mensajes exclusivos del sistema, y otros fabricantes pueden utilizar libremente estos formatos, a condición de que no alteren o utilicen el formato en un modo que entren en conflicto con las especificaciones del fabricante original. Ciertos números de ID se reservan para protocolos especiales. Entre estos, se encuentra el Standard MIDI Simple Dump que es un formato definido en la especificación MIDI para la transmisión de datos entre dispositivos MIDI .

Estado de Ejecución Dado que los datos MIDI se transmiten en serie, es posible que los eventos musicales que originalmente ocurrían al mismo tiempo y deben insertarse en el flujo de datos MIDI, no sean reproducidos exactamente en el mismo tiempo. Con una tasa de transmisión de 31.25 Kbps y 10 bits transmitidos por cada byte de datos MIDI, un mensaje de “Note On” o de “Note Off” de 3 bytes tardaría alrededor de 1 ms en transmitirse, lo cual es suficientemente rápido para que los eventos se perciban como simultáneos. Sin embargo, para un número mayor de acontecimientos simultáneos, pudiera ocurrir que los retrasos introducidos por la serialización de esta información llegaran a ser apreciables. Para reducir la cantidad de datos transmitidos en el flujo MIDI, se emplea una técnica denominada Running Status o Estado de Ejecución.

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Esta técnica tiene en cuenta el siguiente hecho: es muy probable que en una cadena de mensajes consecutivos, la mayoría sean del mismo tipo. Por ejemplo, cuando se toca un acorde, 10 mensajes sucesivos de “Note On” se generan, seguidos de 10 mensajes sucesivos de “Note Off”. Cuando se utiliza el Running Status, un byte de estado es enviado por cada mensaje, solo cuando el mensaje no es del mismo tipo que el último mensaje enviado en el canal. Es decir, el byte de estado para mensajes subsiguientes del mismo tipo son omitidos (solo los bytes de datos son enviados) La efectividad de esta técnica puede acentuarse enviando mensajes Note On con una velocidad cero en lugar de mensajes Note Off. En ese caso, las cadenas contendrían solamente mensajes Note On de los cuales sólo se enviaría el byte de estado para el primero de ellos.

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5.3. Secuenciadores MIDI y Archivos MIDI En un piano electrónico, los mensajes MIDI son recibidos y procesados en un sintetizador MIDI en tiempo real. Cuando el sintetizador recibe un mensaje MIDI de Note on, reproduce el sonido adecuado, y cuando recibe el correspondiente mensaje Note Off, finaliza la reproducción. Si la fuente del flujo MIDI es el teclado, entonces este flujo de datos se genera en tiempo real, y no hay necesidad de enviar información de sincronismo. Sin embargo, la mayoría de pianos comerciales ofrecen la posibilidad de grabar interpretaciones propias para reproducirlas posteriormente. Esto significa, que los datos MIDI deben ser almacenados en un fichero para poder editarse y reproducirse posteriormente por el secuenciador y, por tanto, es necesario algún tipo de información cronológica para los mensajes con el fin de reproducirlos en el orden adecuado. El estándar MIDI proporciona un método para manejar este tipo de datos y un formato de archivo estandarizado que permite no solo la reproducción posterior, sino también la presentación multimedia en software especializado así como la extracción de la partitura de una interpretación grabada. La especificación para los ficheros MIDI estándar define tres formatos. El Formato 0 almacena toda la secuencia de datos MIDI en una pista única. El Formato 1 almacena la secuencia en una colección de pistas. El Formato 2 puede almacenar varios patrones independientes. Este último formato no se utiliza generalmente con secuenciadores MIDI para aplicaciones musicales. Los secuenciadotes MIDI más sofisticados manejan tanto el Formato 0 como el 1. Los ficheros MIDI 0 suelen ser más pequeños, y por consiguiente reducen el tamaño en memoria y pueden ser transmitidos en un menor ancho de banda. Sin embargo, los ficheros MIDI 1 pueden ser visualizados y editados de forma más directa y por consiguiente son preferidos para la edición de partituras.

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Aspectos básicos del sintetizador Polifonía El término polifonía de un generador de sonido se refiere a la habilidad de reproducir más de una nota al mismo tiempo. La polifonía se especifica generalmente mediante el número de notas o voces. Inicialmente, la mayoría de los sintetizadores eran monofónicos, lo que significa que podían reproducir únicamente una nota a la vez. Los módulos actuales suele oscilar entre 16, 24 o 32 notas de polifonía. Sonidos Los diferentes sonidos que un sintetizador puede generar son llamados patches, programs o más genéricamente timbre. Los sintetizadores programables pueden asignar números de programa a cada sonido. Por ejemplo, el módulo de sonido de un piano comercial podría usar el patch número 1 para sonidos de piano, el número 2 para clavicémbalo, el número 3 para órgano… La asociación de cada número de programa o “match” a cada sonido es a menudo denominada patch map A través de MIDI, un mensaje de cambio de programa, puede utilizarse para indicar el cambio de sonido usado a un dispositivo recibiendo en un canal concreto Modo Multitímbrico Se entiende por sintetizador, o generador de sonido multitímbrico, aquel capaz de producir dos o más sonidos de diferentes instrumentos simultáneamente. En los pianos comerciales, existe la posibilidad de separar el teclado en dos áreas, cada una de las cuales toca un instrumento concreto (p.ej un bajo acústico en la región inferior y un sonido de piano en la región superior). La polifonía de un sintetizador multitímbrico se asigna dinámicamente entre los diferentes timbres usados.

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5.4. Sistema General Midi(GM) Al comienzo de cualquier secuencia MIDI, normalmente se envía un mensaje de cambio de programa en cada canal usado en la secuencia para configurar el sonido del instrumento apropiado para cada parte. El mensaje de cambio de programa informa al sintetizador sobre el número de patch para cada canal. Para que se reproduzcan los sonidos deseados, el match map o asignación de números de match a sonidos debe ser la misma en emisor y en receptor. Anteriormente al desarrollo del sistema general MIDI, no existía un estándar para la relación entre números de match y sonidos específicos. Por consiguiente, una secuencia MIDI podría producir sonidos de diferentes instrumentos al reproducirse en diferentes generadores. La especificación general MIDI (GM) define un conjunto general de capacidades para instrumentos MIDI típicos. El GM incluye la definición de un patch map. Los canales 1-9 y 11-16 están reservados para instrumentos cromáticos, mientras que el canal 10 se utiliza para instrumentos de percusión. Para sonidos de instrumentos en los canales 1-9 y 11-16 el parámetro número del mensaje Note On se utiliza para determinar la altura del sonido. Para sonidos en el canal 10, este parámetro se utiliza para seleccionar el sonido del instrumento de percusión a reproducir. El GM especifica los sonidos usando los números de programa del 1 al 128. El mensaje de cambio de programa usa por tanto un 8 bits, lo que proporciona un rango del 0 al 127, lo que significa que para seleccionar el sonido número 10, tendremos que especificar el número de programa 9. El GM especifica que instrumento o sonido corresponde con cada número de programa, pero no especifica como son generados dichos sonidos, ya que MIDI es sólo un protocolo de comunicación, no un método de síntesis.

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