EHN a datové rozhraní MIDI

Prostředky Datové Komunikace
Úloha 8A
EHN a datové rozhraní MIDI
Ondřej Zub
([email protected])
29. listopadu 2004
zadání
1. Sestavte pracoviště podle obrázku 1. Pro tři zadané rejstříky (zvukové barvy) se pokuste pomocí osciloskopu odhadnout časový průběh jednotlivých signálů. Volte vždy
tóny stejného základního kmitočtu. Časový průběh uložte na disketu. Pomocí vhodného
programového vybavení zjistěte spektra jednotlivých signálů. Ověřte charakter spektra
spektrálním analyzátorem; hodnoty opět uložte na disketu. Porovnejte spektra těchto
signálů (ve všech případech) a výsledek komentujte pro následující případy:
(a) předpokládaná spektra (jsou-li k dispozici)
(b) spektra získaná na základě výpočtu z časových průběhů
(c) spektra získaná orientačním měřením spektrálním analyzátorem
2. Na pracovišti podle obrázku 1 vyberte jeden z dříve zvolených rejstříků. Proveďte porovnávací měření shodná s předchozím bodem, ale pro stejný tón téhož rejstříku v dalších
třech oktávách. Proveďte diskusi vlivu výšky tónu na charakter spektra a důsledků z
toho vyplývajících pro konstrukci EHN.
schema zapojení (obr. 1)
použité přístroje
syntezátor Kurzweil K2000, digitální osciloskop a spektrální analyzátor, mixer, zesilovač, reproduktory.
Obrázek 1: schema zapojení měřené úlohy
teoretický rozbor
Cílem komunikačního rozhraní MIDI je umožnit paralelní připojení několika elektronických
hudebních nástrojů1 k osobnímu počítači dále tato data zpracovat. Dalším zpracováním máme
na mysli editaci skladby, její převod do notového zápisu, či jen její automatizované přehrání.
Hned v úvodu by bylo dobrá zdůraznit, že přenášená data nejsou vlastním audiosignálem,
ale pouze jeho popisem – stisk či puštění klávesy, zvolený hudební rejstřík. . .
Z pohledu hardware se datové MIDI rozhraní skládá ze tří pětipinových DIN konektorů –
IN, OUT, THRU. Jak již z názvů vyplývá, konektor IN slouží ke vstupu dat do zařízení, na
konektor OUT jsou posílána data generovaná samotným zařízením a na konektor THRU jsou
kopírována data přicházející na vstup zařízení.
Vlastní MIDI sběrnice je 5 mA proudová smyčka, kde logické nule odpovídá protékající
proud. Je použit asynchronní datový přenos s modulační rychlostí 31,25 kBd. Vlastní rámec
se skládá z jednoho rozběhového prvku, osmi datových bitů a dvou prvků závěrných. Nepoužívá
se žádný datový bit. Další rozbor MIDI protokolu je nad rámec tohoto teoretického úvodu.
Zrekapitulujme tedy jaké informace jsou přenášeny: výška tónu (c 2 , d3 , gis1 . . . ), dynamika
tónu (forte, piano. . . ), charakter tónu (staccatu, legato. . . ), číslo rejstříku (klavír, trubka,
kytara – závisí na implementaci výrobce EHN) a další.
postup měření
Pro tři různé rejstříky byl na osciloskopu zobrazen časový průběh tónu c 1 . Současně bylo
zobrazeno orientační spektrum měřeného tónu. Informace o časovém průběhu a spektru byla
zaznamenána na disketu a analyzována pomocí software Matlab 6.1. Naměřená orientační
spektra a spektra získaná rychlou Fourierovou transformací z časového průběhu jsou zachycena
na obrázku 2.
V dalším kroku byl zvolen jeden z rejstříků (v našem případě 1. rejstřík) a byly zachyceny
časové průběhy a orientační spektra pro tři další oktávy. Naměřená a vypočtená spektra jsou
zobrazena na obrázku 3.
závěr
Ze spekter měřených signálů lze odvodit několik závěrů.
Věnujme se nejdříve případu, kdy byla zjišťována spektra stejného tónu pro několik rejstříků.
Je patrné, že ve všech spektrech jsou obsaženy shodné frekvence – jednotlivé harmonické složky.
1
dále jen EHN
c1 − 1. rejstrik
400
300
200
100
0
0
500
1000
1500
c1 − 2. rejstrik
2000
2500
3000
0
500
1000
1500
c1 − 3. rejstrik
2000
2500
3000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
400
300
200
100
0
400
300
200
100
0
Obrázek 2: spektra třech zvolených rejstříků (červeně – spektra získaná ze spektrálního analyzátoru, modře – spektra získaná výpočtem z časového průběhu)
c1
350
c2
150
300
250
100
200
150
50
100
50
0
0
1000
2000
3000
male c
600
0
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
1000
1000
2000
3000
0
2000
3000
2000
3000
velke C
600
500
0
0
0
1000
Obrázek 3: spektra tónu shodného rejstříku v různých oktávách (červeně – spektra získaná ze
spektrálního analyzátoru, modře – spektra získaná výpočtem z časového průběhu)
Odlišné je však jejich zastoupení ve spektru. A právě zastoupení jednotlivých frekvenčních složek ovlivňuje výslednou barvu tónu.
Mnohem zajímavější fakta však byla zjištěna při měření spekter stejného rejstříku v několika oktávách. Jak známo, o oktávu vyšší tón má dvojnásobnou základní frekvenci. Avšak
neplatí, že by všechny harmonické složky byly prostým dvojnásobkem vyšších harmonických
tónu o oktávu nižšího. Spektra o oktávu posunutých tónů se mohou ne nevýznamně lišit. Pro
konstrukci EHN tak vyplývá jeden podstatný důsledek. Pro jeden rejstřík nelze zadefinovat
spektrum jediného tónu, z něhož by se poté násobením a dělením frekvencí harmonických složek ve známých poměrech získávaly tóny ostatní. Je tedy nutné definovat spektra několika tónů
různé výšky, ze kterých jsou pak dopočítávány tóny nejbližší. Je-li to možné je samozřejmě
nejvhodnější zadefinovat pro každý rejstřík frekvenční charakteristiky všech dostupných tónů.
V zadání nezmíněným bodem měření byla ještě syntetizace některého z měřených tónů na
analogovém syntezátoru K-station. Musím konstatovat, že syntéza tónu, který by se alespoň
vzdáleně podobal některému z naměřených, se nezdařila. Pochopení ovládání a zejména získání
jisté „zručnostiÿ ovládání by zabralo několik dní, ne-li týdnů. Během části doby vyhrazené pro
cvičení tak prakticky nebylo možné dosáhnout ani částečně uspokojivého výsledku.