Van Analoog naar Digitaal - MIDI

1983 was het jaar van de Yamaha DX7, de meest succesvolle synthesizer ooit. Het principe achter de DX7 was het door Prof.Dr.John Chowning aan de Stanford universiteit(USA) ontwikkelde ‘frequentie modulatie synthese’(1967-1973). Yamaha kocht de rechten op dit patent in 1974. Voor de komst van de microprocessor was FM-synthese alleen maar een theoretische mogelijkheid. Met de DX7 was FM-synthese een praktisch feit.

Fm-synthese is een digitale vorm van klankopwekking. Hiervoor bestonden alleen maar analoge vormen van klankopwekking als additieve klankopwekking en subtraktieve klankopwekking. Additief hadden we al sinds het hammond orgel. Het is het maken van klanken door het toevoegen van andere klanken. (to add = toevoegen), de drawbars van het hammondorgel is een heel goed voorbeeld. Subtraktief kennen we sinds Bob Moogs beroemde filterschakelingen die hij toepaste in zijn Moog Modular. Door een rijk aan harmonische klank door allerlei filters te sturen wordt steeds meer van de klank afgenomen totdat de gewenste klank overblijft.( to substract= afnemen).
FM synthese werkt met twee elkaar modulerende oscillatoren (operators), de carrier en de modulator. De verhouding in frequentie en amplitude tussen de carrier en de modulator bepalen de uiteindelijke klank die wordt opgewekt. Met deze methode is een enorme verscheidenheid (misschien wel oneindig?) aan klankkleuren te maken. Zowel harmonische klanken, geluiden als piano, strings, fluit als niet-harmonische klanken als drums, explosies enz.
Een andere vroege vorm van digitale klanksynthese is Phase distortion synthese vooral door CASIO toegepast.
Later kwam de wavetable synthese, een op sampling gebaseerde vorm van klankopwekking. Het idee achter wavetablesynthese is eenvoudig, waarom moeilijk doen om via ingewikkelde methodieken klankkleuren te imiteren terwijl het origineel voorhanden is? Bij wavetable synthese wordt een stukje opname gebruikt van het te imiteren instrument, zo een stukje opname wordt een sample genoemd, de techniek noemen we sampling. Door deze sample in een lus, in dit verband meestal loop genoemd, telkens weer af te spelen krijg je een doorgaande heel goed op het origineel, wat je wilde imiteren, gelijkende klank.
Veel vroege digitale muziekinstrumenten gebruikte de term PCM. PCM staat voor Puls Code Modulatie en is de algemene benaming van een in digitale codes vastgelegde klank. Wavetablesynthesis is een vorm van PCM, sampling ook maar ook het tegenwoordige digitalrecording en harddiskrecording is PCM. Tegenwoordig word de term PCM vaak gebruikt als aanduiding voor digitale klanken die niet op een of andere manier zijn gecomprimeerd om bestandsgrootte te beperken.
Dat het mogelijk was geluid vast te leggen in digitale codes, anders gezegd een geluid uitdrukken in een reeks van getallen, was al bekend sinds 1928. De Zweedse wiskundige Harry Nyquist (Februari 7, 1889 - April 4, 1976) toonde wiskundig aan dat je iedere klank in getallen kunt uitdrukken mits je maar minimaal 2 keer per periode een ‘sample’ neemt. Ons gehoor kan in het meest gunstige geval frequenties waarnemen tussen de 20 en de 20Khz en dus moet je een samplerate gebruiken (volgens Nystquist, let wel 1928…!) van minimaal 40khz. Nog steeds is 48Khz de standaard, meest gebruikelijke samplefrequentie voor digitaal geluid. Met de dynamiek van een geluid of geluidssysteem wordt bedoeld het verschil tussen de allerzachtste klank die je kunt maken en de allerhardste klank. Dynamiek wordt uitgedrukt in decibel. (db) Een geluid van 8db is zo zacht dat je het net aan kunt horen, 8db meer geeft een verdubbeling van het volume. Dus 16db is 2x zo hard als 8 db. En 96db is 2x zo hard als 88db enz. Anders dan in een analoog geluidssysteem is de dynamiek in een digitaalgeluidssysteem beperkt door het aantal waardes waarin je een volume kunt uitdrukken, het grootste getal waarmee zo een digitaalsysteem kan werken dus. Meest gebruikt is een woordbreedte van 16bits, een volume van een klank in zo een digitaal systeem kan een waarde hebben tussen de 0 en 65 536. Ieder bit extra geeft een verdubbeling van het aantal waardes en dus een verdubbeling van de dynamiek. Ieder bit geeft dus 8db dynamiek. De dynamiek van een 16bits systeem is 16x8= 128db. Analoge systemen halen dit vanwege allerlei mechanische beperkingen bij lange na niet. De introduktie van de compactdisc in 1978 door de gloeilampenmakers uit Eindhoven was de doorbraak voor digitaal geluid, 16Bits, 48Khz werd de ‘CD-kwaliteit’ standaard. Tegenwoordig zien we steeds meer 24/96 systemen. Woordbreedte van 24bits (24x8=192dB..!! dynamiek, en een samplefrequentie van 96Khz)

De synthese methode van nu en voor de nabije toekomst is physical modeling synthese. Physical modeling is een andere benadering van het probleem hoe op electronische manier een klank te maken. Niet meer wordt er gekeken naar de klank en hoe die op synthetische manier kan worden (na)gemaakt, nee, bij physical modeling wordt gekeken hoe een acoustische instrument deze klank maakt, populair gezegd wordt er binnen het programma een model gemaakt van een muziekinstrument waar vervolgens binnen het programma op wordt gespeeld.

Fm-synthese is nog steeds heel veel in gebruik, vooral omdat haast alle PC’s wel een FM-synthesizer op de geluidskaart hebben.

Niet alleen vanwege de digitale FM-synthese was de DX7 een mijlpaal in de ontwikkeling van electronische muziekinstrumenten. Ook vanwege MIDI. De DX7 was niet het eerste muziekinstrument met MIDI maar vanwege het enorme succes, meer dan 180.000 exemplaren geproduceerd, heeft het wel gezorgd voor een snelle verspreiding en introduktie ervan.
MIDI ontstond uit de wens om meerdere electronische muziekinstrumenten tegelijk te kunnen bespelen. Men wilde de klanken kunnen stapelen. De pioniers van MIDI waren het amerikaanse Sequencial Circuits en het Japanse Roland. In 1982 presenteerde Dave Smith van Sequential Circuits een voorstel voor een protocol om synthesizers met elkaar te kunnen laten communiceren. Hij noemde dit Universal Synthesizer Interface (USI). Roland pikte dit idee op, werkte het verder uit en noemde dit Musical Instrument Digital Interface(MIDI) of in het Nederlands: ‘numerieke verbinding voor muziekinstrumenten’. Op de NAMM-show van 1983 demonstreerde Roland en Sequencial circuits hun respectievelijke Jupiter-6 en Prophet-600 die met MIDI aan elkaar waren verbonden. In de zomer van dat zelfde jaar volgde dan de introduktie van de Yamaha DX7. De MMA (MIDI Manufacturers Association), JMSC (Japan MIDI Standards Committee), en de IMA (International MIDI Association) werden ook nog datzelfde jaar opgericht om de nieuwe standaard officieel te maken.
MIDI is vanaf de allereerste introductie tot nu een enorm succes en zal dat zeker nog lang blijven. Waarom? Omdat het zo simpel is. Het succes van MIDI zit in de eenvoud. Het technische verhaal er achter is eenvoudig, een simpel a-synchrone seriele verbinding met gewone in iedere electronica onderdelen-winkel te verkrijgen pluggen (DIN5) en snoertjes. In het instrument zit bij de Midioutput een klein versterkertje (MIDIbuffer) deze stuurt met een snelheid van 31250Baud (tegenwoordig zeggen we meestal bits per seconde) de enen en nullen van het digitale MIDIsignaal naar het ontvangende instrument. Daar zit in de MIDIinput een LED(light emiting diode) deze LED knippert op het signaal uit de MIDIoutput, het licht valt weer op een lichtgevoelig onderdeeltje die dit lichtsignaal weer omzet in een electrisch signaal.
De gegevens worden telkens als 1 byte (dat zijn 8 bits, dus 8 keer knipperen) plus een start en stopbit, om het begin en einde van ieder byte aan te geven, verstuurd.
Het protocol van MIDI is al niet veel ingewikkelder. Het beschrijft de opbouw van berichten.(messages). Deze berichten zijn onderverdeeld in kanaalafhankelijke berichten, dus berichten alleen voor instrumenten die op dit kanaal afgesteld zijn(channel messages), vergelijkbaar met een radio die je op een bepaald station afsteld. 16 van deze kanalen zijn er. En verder niet-kanaal afhankelijke berichten. Dit zijn vooral alle berichten die te maken hebben met de synchronisatie van ritmes(drumcomputer) en songs(sequencer). Ook zit er binnen het protocol een mogelijkheid om, indien gewenst, willekeurige data via de MIDI te kunnen overbrengen.(System exclusive)
Binnen 3 jaar na introduktie was haast ieder electronisch muziekinstrument van MIDI voorzien.

Links:
Meer info over klankopwekking bij Wikipedia >> of hier >>
Veel info over MIDI vindt je op Wikipedia >> of een meer technisch verhaal >>