Music Hub › Gidsen › Materiaal en studio › Een USB MIDI-keyboard aansluiten op een computer: de complete gids

Het MIDI-protocol: wat er echt door de kabel reist

MIDI staat voor Musical Instrument Digital Interface, digitale interface voor muziekinstrumenten. De meest voorkomende misvatting bij wie zich voor het eerst in het onderwerp verdiept, is denken dat een MIDI-kabel geluid vervoert: dat is nooit het geval. Een MIDI-stroom vervoert enkel korte digitale berichten, instructies, nooit audio. Een typisch MIDI-bericht past in twee tot drie bytes: een statusbyte, die het berichttype en het betrokken kanaal aangeeft, gevolgd door een of twee databytes.

Het meest voorkomende bericht is Note On, verstuurd zodra een toets wordt ingedrukt: het geeft aan welke toets, met een nummering van 0 tot 127 (128 mogelijke noten, waarbij noot 60 overeenkomt met de middelste C, vaak C3 of C4 genoemd afhankelijk van de octaafconventie van de software, want een universele standaard hiervoor bestaat niet), en met welke velocity, de aanslagkracht, ook gecodeerd van 0 tot 127. Die velocity stuurt doorgaans het volume en de klankkleur van het geluid dat het virtuele instrument of de synth bij ontvangst produceert. Het loslaten van de toets stuurt spiegelbeeldig een Note Off-bericht, of soms een Note On met velocity nul, een gelijkwaardige schrijfwijze die veel fabrikanten gebruiken.

Naast noten voorziet het protocol een hele familie Control Change-berichten (CC), die tijdens het spelen doorlopend een klankparameter sturen: elke CC draagt een controllernummer van 0 tot 127 en een waarde van 0 tot 127. Sommige nummers zijn genormaliseerd sinds de oorsprong van de specificatie, zoals CC 1 voor het modulatiewiel, CC 7 voor het kanaalvolume, of CC 64 voor het sustainpedaal (voorbij de helft van zijn slag geldt het pedaal als ingedrukt). Het Program Change-bericht wisselt op een gegeven kanaal van instrument of klank, opnieuw uit 128 mogelijke waarden, wat overeenkomt met het aantal klanken van de General MIDI-standaard. Twee minder zichtbare berichten vervolledigen het gereedschap: aftertouch (de druk die aangehouden wordt na de aanslag) en pitch bend, het toonhoogtewiel, dat een veel fijnere resolutie geniet dan gewone CC-berichten, 16 384 waarden in plaats van 128, voor vloeiende glissando's zonder sprongen.

Al deze berichten kunnen reizen op een van de 16 MIDI-kanalen van eenzelfde kabel, genummerd van 1 tot 16 voor de gebruiker maar van 0 tot 15 in de werkelijk verzonden bytes. Elk kanaal kan een ander instrument aansturen: een enkele kabel volstaat in theorie dus om zestien onafhankelijke instrumenten tegelijk te laten spelen, waarbij elk enkel luistert naar berichten met zijn eigen kanaalnummer.

Deze architectuur gaat terug tot 1981, toen de Amerikaanse ingenieur Dave Smith, oprichter van Sequential Circuits, en zijn collega Chet Wood aan de Audio Engineering Society een voorstel presenteerden voor een universele synthesizerinterface, na gesprekken met fabrikant Tom Oberheim en met Roland-oprichter Ikutaro Kakehashi. Het voorstel werd in 1982 verfijnd met inbreng van Roland, Korg, Yamaha en Kawai, en in januari 1983 publiek gedemonstreerd op de NAMM Show, waar een Sequential Circuits Prophet-600 voor het eerst via de kabel een Roland Jupiter-6 aanstuurde. De volledige specificatie, de MIDI 1.0 Detailed Specification, werd in augustus 1983 gepubliceerd door diezelfde groep fabrikanten; de International MIDI Association werd dezelfde maand opgericht om ze onder muzikanten te verspreiden. De organisatie die de standaard vandaag officieel beheert, de MIDI Manufacturers Association, ontstond twee jaar later, in 1985, na een bijeenkomst van alle geïnteresseerde bedrijven op de NAMM Show van de zomer van 1984; sinds 2016 runt ze bovendien een publieke online community onder de naam The MIDI Association. Opmerkelijk voor zo'n oude elektronische standaard: de basisstructuur van de MIDI 1.0-berichten is sinds 1983 nooit veranderd, ook al zijn de instrumenten die ze gebruiken overgegaan van de analoge synthesizer naar het virtuele instrument in een laptop.

USB MIDI class compliant: aansluiten zonder bijna iets te installeren

De term class compliant duidt een toestel aan dat een gestandaardiseerde klasse volgt die het besturingssysteem native herkent, zonder fabrikantspecifieke software nodig te hebben. Voor MIDI werd deze klasse in 1999 genormaliseerd door het USB Implementers Forum, met de eerste versie van de specificatie USB Device Class Definition for MIDI Devices, ontwikkeld in samenwerking met de MIDI Manufacturers Association en ondergebracht bij de USB Audioklasse. Concreet betekent dit dat elk modern besturingssysteem al het generieke stuurprogramma meelevert dat dit protocol begrijpt: Windows, macOS en Linux herkennen allemaal een class-compliant USB MIDI-keyboard zonder dat er iets gedownload moet worden.

De overgrote meerderheid van de vandaag verkochte MIDI-keyboards en -controllers volgt deze standaard. In de praktijk betekent dit dat de kabel aansluiten volstaat: de computer detecteert onmiddellijk een nieuw MIDI-toestel, zichtbaar in de systeeminstellingen en in de lijst met MIDI-ingangen van elke compatibele software, inclusief software die in een browser draait via de Web MIDI API.

Sommige keyboards, vooral oudere modellen van voor de brede verspreiding van deze standaard, of hoogwaardige controllers die verkocht worden met eigen editiesoftware om elke knop en elke pad fijn te personaliseren, vereisen toch nog een door de fabrikant geleverd stuurprogramma voor de eerste aansluiting. Dat stuurprogramma zorgt zelden voor de basis-MIDI-stroom, die al native ondersteund wordt, maar ontgrendelt eerder modelspecifieke geavanceerde functies: aangepaste mapping opgeslagen in het geheugen van het toestel, een grafische patch-editor, of soms een specifieke low-latencymodus voor audio bij modellen die keyboard en audio-interface in dezelfde behuizing combineren. De betrouwbaarste vuistregel blijft de productpagina of de site van de fabrikant te raadplegen voor aankoop: staat er nergens class compliant of plug and play vermeld, plan dan om het stuurprogramma vooraf van de site van de fabrikant te halen, voor je het toestel voor het eerst aansluit.

De fysieke aansluiting: USB-kabel, voeding en de oude DIN-poort

In de overgrote meerderheid van de gevallen volstaat vandaag een enkele USB-kabel: ze vervoert zowel de MIDI-data als de stroomvoorziening van het keyboard, wat bus power genoemd wordt. Een standaard USB 2.0-poort levert tot 500 mA, een USB 3.0-poort tot 900 mA: ruim voldoende voor een kleine controller met enkele octaven, maar soms krap voor een keyboard van 61 of 88 toetsen met ledverlichting per toets of gemotoriseerde faders. In dat geval levert de fabrikant vaak een Y-vormige USB-kabel die stroom trekt uit twee poorten tegelijk, of raadt hij aan het keyboard aan te sluiten op een gevoede USB-hub in plaats van rechtstreeks op een poort van de computer, anders kan het toestel vanzelf herstarten of bepaalde stroomhongerige functies weigeren.

Voor USB, en op heel wat ouder of hoogwaardiger studiomateriaal nog steeds, liep MIDI via een ronde 5-pins connector in het DIN-formaat. Een typisch toestel heeft drie poorten: IN ontvangt berichten, OUT stuurt de berichten die het toestel zelf genereert, en THRU geeft ongewijzigd een exacte kopie door van wat net binnenkwam via IN, waardoor meerdere synths in serie geschakeld kunnen worden zonder dat een van hen iets toevoegt aan of verliest uit de stroom. Elektrisch werkt DIN-MIDI als een stroomlus doorheen een optocoupler, een component die de twee verbonden toestellen elektrisch isoleert maar het signaal toch doorlaat, wat aardlussen en het bijhorende gebrom vermijdt, een veelvoorkomend probleem bij andere bekabelde verbindingen. De oorspronkelijke specificatie legt een maximale kabellengte van 15 meter vast, voorbij dewelke een lijnversterker nodig is om het signaal betrouwbaar te houden.

Die DIN-connector is niet verdwenen: heel wat externe audio-interfaces voor de thuisstudio dragen nog steeds een paar MIDI IN- en OUT-poorten in het DIN-formaat, precies om een oude synth of een keyboard zonder USB-poort te kunnen koppelen aan een moderne computer. In die opstelling speelt de audio-interface de rol van vertaler, ze zet het DIN-signaal om naar USB-data die de computer begrijpt. Een MIDI-keyboard via Bluetooth is een derde, recentere optie: het koppelt zoals elk ander draadloos toestel van het besturingssysteem, handig voor een lichte opstelling, ten koste van een iets minder voorspelbare latentie en verbindingsstabiliteit dan een bekabelde link.

Instellen aan systeemzijde en herkenning in een DAW

Zodra het keyboard aangesloten en herkend is, biedt elk besturingssysteem een paneel om dat te bevestigen. Op macOS toont de toepassing Audio MIDI-configuratie een venster MIDI Studio met een icoon per gedetecteerd toestel; onder Windows verschijnt het toestel in Apparaatbeheer en, nuttiger voor dagelijks gebruik, in de lijst met MIDI-ingangen van elke audiosoftware; onder Linux beheert het ALSA-subsysteem de MIDI-poorten, raadpleegbaar en verbindbaar met hulpmiddelen als aconnect of een eigen grafische interface.

In de muzieksoftware zelf, vaak DAW genoemd, voor Digital Audio Workstation, moet de fysieke MIDI-ingang doorgaans expliciet geactiveerd worden in de voorkeuren voor ze op een spoor gebruikt kan worden: sommige software detecteert en activeert elke nieuw aangesloten controller automatisch, andere vragen om een vakje manueel aan te vinken. Eenmaal de ingang actief is, moet ze bovendien nog toegewezen worden aan een specifiek instrumentspoor, ingesteld voor opname of gewoon om live te beluisteren, voor het indrukken van een toets ook echt een klank veroorzaakt.

Voorbij de fysieke poort bestaat het begrip virtuele MIDI-poort, een volledig softwarematige kabel die twee toepassingen op dezelfde computer verbindt, zonder enige hardware. macOS bouwt deze functie native in, onder de naam IAC Driver, voor Inter-Application Communication: in Audio MIDI-configuratie volstaat het Toestel is online aan te vinken en een of meer bussen toe te voegen zodat elke toepassing zich ermee kan verbinden, zowel om te versturen als te ontvangen. Windows biedt daarvoor van huis uit niets vergelijkbaars, wat het gratis hulpmiddel loopMIDI tot een de facto standaard heeft gemaakt om virtuele poorten aan te maken op dat systeem. Linux beschikt over een vergelijkbaar mechanisme rechtstreeks in zijn ALSA-sequencer. Een virtuele poort dient doorgaans om twee afzonderlijke programma's met elkaar te laten praten, bijvoorbeeld een notatieprogramma en een DAW, of een toepassing die in een browser draait en een ernaast geïnstalleerde softwaresynthesizer, precies zoals een fysieke kabel dat zou doen tussen twee gescheiden toestellen.

Een laatste punt onderscheidt MIDI hier duidelijk van audio: eenzelfde fysieke MIDI-stroom kan doorgaans door meerdere gelijktijdig geopende toepassingen op de computer gelezen worden, terwijl een audiostroom meestal voorbehouden blijft aan een enkele toepassing tegelijk, tenzij via speciale audiorouteersoftware geleid. Dat is precies wat toelaat om hetzelfde keyboard tegelijk een DAW en een klein webapp in een apart tabblad te laten voeden, zonder conflict en zonder ingewikkelde instelling.

Latentie: waarom MIDI zo goed als nooit de boosdoener is

Latentie is de waargenomen vertraging tussen het moment waarop een toets wordt ingedrukt en het moment waarop het geluid daadwerkelijk uit de speakers of de koptelefoon komt. Het is een van de onderwerpen die beginners in de thuisstudio het meest verontrusten, vaak onterecht: het MIDI-protocol zelf is zo goed als nooit de bron van een hoorbare vertraging.

Een klassieke seriële MIDI-verbinding werkt met een vaste snelheid van 31 250 bits per seconde, een cijfer dat sinds 1983 in de specificatie vastligt. Bij die snelheid heeft elke byte, omkaderd door een startbit en een stopbit, ongeveer 320 microseconden nodig om te verzenden; een Note On-bericht, dat in drie bytes past, doet er dus ongeveer een milliseconde over om de kabel volledig te doorkruisen, een vertraging ruim onder de drempel van zo'n 10 milliseconden waaronder het menselijk oor geen vertraging meer waarneemt. Over een USB-verbinding gaat de overdracht nog sneller, omdat de berichten meereizen in snelle USB-pakketten in plaats van over een aparte seriële lijn. In beide gevallen weegt het MIDI-protocol zelf nauwelijks door in de totale latentie die een muzikant echt voelt.

De echte flessenhals ligt bijna altijd aan de audiokant, nadat het MIDI-bericht het virtuele instrument al heeft geactiveerd. Om die trigger om te zetten in hoorbaar geluid, verwerkt de computer audio in kleine pakketten, buffers genoemd, waarvan de grootte in de audio-instellingen van de DAW of de audio-interface wordt ingesteld als aantal samples. De latentie die deze buffer introduceert, laat zich eenvoudig berekenen: ze is gelijk aan de buffergrootte gedeeld door de samplerate, maal duizend om het resultaat in milliseconden te krijgen, dan verdubbeld om de volledige heen-en-terugweg van ingang naar uitgang mee te rekenen. Een buffer van 128 samples bij 48 000 Hz geeft zo ongeveer 2,7 milliseconden in een richting, ruim 5 milliseconden heen en terug; een comfortabelere buffer van 512 of 1024 samples, vaak gekozen om rekenkracht te sparen tijdens het mixen, kan daarentegen 20 milliseconden overschrijden en duidelijk merkbaar worden aan het keyboard, met het onaangename gevoel dat het geluid achterloopt op de vingers.

De buffergrootte instellen blijft dus steeds een afweging: ze verlagen vermindert de latentie maar vraagt meer van de computer, met risico op klikken, kraken of audio-uitval als de processor het niet meer bijhoudt; ze verhogen verzekert de stabiliteit maar introduceert een merkbaardere vertraging. De doeltreffendste gewoonte is de buffer te verlagen tot de kleinste stabiele waarde tijdens het spelen of live opnemen, en ze nadien weer te verhogen voor mix- of exportfases, waar stabiliteit meer telt dan onmiddellijkheid. Een USB-kabel van slechte kwaliteit of een oude USB 1.1-poort op een verouderde computer kunnen af en toe een merkbare vertraging toevoegen, maar dat blijft de uitzondering op recente hardware.

Virtuele instrumenten: master keyboard, synth en workstation

Een USB MIDI-keyboard maakt op zichzelf absoluut geen geluid: het stuurt berichten, en het is een virtueel instrument, een plugin in het formaat VST, AU of AAX naargelang systeem en hostsoftware, dat die berichten binnen de DAW omzet in audio. Deze plugins bestrijken het volledige denkbare palet, van een gesamplede akoestische piano tot het meest experimentele synthetische klankbed, en precies die scheiding tussen het gebaar (het keyboard) en het geluid (de plugin) maakt MIDI zo flexibel: hetzelfde gebaar aan het keyboard kan een piano triggeren, dan een orgel, dan een strijkersklankbed, zonder ooit van hardware te wisselen.

Die scheiding verdeelt toestellen in twee grote families, vaak verward door beginners. Een master keyboard heeft helemaal geen interne klankmotor: het is een pure controller, ontworpen om MIDI-berichten zo getrouw mogelijk te versturen, doorgaans lichter, compacter en goedkoper dan een volledig instrument, maar volkomen stil zonder aangesloten computer of klankmodule. Een synthesizer daarentegen draagt zijn eigen klankopwekkende motor in zich, met oscillatoren, filters en versterkers, en kan dus zelfstandig geluid produceren, losgekoppeld van elke computer, terwijl hij meestal toch nog MIDI kan versturen en ontvangen om desnoods ook als controller te dienen. Een workstation duwt deze logica nog verder door een interne sequencer en vaak een veel grotere klankbibliotheek toe te voegen, genoeg om een volledig nummer te componeren zonder ooit een computer aan te raken.

De keuze tussen deze families hangt vooral af van het beoogde gebruik. Een master keyboard blijft de goedkoopste keuze voor wie al een pluginbibliotheek bezit en uitsluitend achter een computer werkt; een synth of workstation heeft veel meer zin voor wie ook wil spelen zonder ingeschakelde computer, tijdens een repetitie of op tournee, of gewoon een onafhankelijke back-upoplossing wil die niet afhangt van software. Diezelfde logica van een door MIDI aangestuurde plugin duikt trouwens ook op in lichtere hulpmiddelen, zoals virtuele instrumenten die rechtstreeks in een browser draaien via de Web MIDI API: de MIDI Studio van de Music Hub is daar een voorbeeld van, waar een via USB aangesloten fysiek keyboard rechtstreeks vooraf opgenomen studioklanken aanstuurt, zonder enige extra software te installeren.

Veelgemaakte fouten en hoe je ze diagnosticeert

Het meest voorkomende probleem blijft een keyboard dat door de computer of de software niet gedetecteerd wordt. Het eerste om te checken is de USB-kabel zelf: sommige goedkope kabels, vooral kabels die oorspronkelijk bedoeld waren om een telefoon op te laden, bevatten enkel de twee stroomdraden en geen datadraden, wat volstaat om het toestel te voeden maar elke MIDI-uitwisseling verhindert. Daarna komt de poort zelf: rechtstreeks aansluiten op een poort van de computer in plaats van op een ongevoede USB-hub elimineert een veelvoorkomende foutbron, vooral bij een stroomhongerig keyboard. Ziet het besturingssysteem het toestel wel in zijn MIDI-instellingen maar biedt de muzieksoftware het niet aan, dan helpt meestal de MIDI-voorkeuren van de software opnieuw te openen: veel DAW's scannen beschikbare toestellen enkel bij het opstarten, en negeren dus een nadien aangesloten keyboard tot de software herstart is of de toestellenlijst manueel ververst werd.

Het tweede klassieke probleem draagt een precieze naam: de vastzittende noot, of stuck note, een noot die eindeloos blijft klinken lang nadat de toets losgelaten werd. De meest voorkomende oorzaak is een Note Off-bericht dat onderweg verloren ging of nooit verstuurd werd, bijvoorbeeld omdat de weergave abrupt gestopt werd terwijl een sustainpedaal ingedrukt gehouden werd, of omdat een softwarefout een Note On doorliet zonder de bijhorende Note Off. Vrijwel elke DAW en elke synth biedt precies voor dit geval een panic- of all notes off-knop: die stuurt in werkelijkheid het gestandaardiseerde MIDI-bericht Control Change nummer 123 met waarde nul, op alle kanalen, wat elke lopende noot onmiddellijk stopt, waar ze ook vastzat.

Een derde bron van verwarring verdient verduidelijking: het verschil tussen MIDI thru en MIDI merge. Thru verdubbelt eenvoudigweg, ongewijzigd, alles wat op een ingang binnenkomt naar een of meer uitgangen, nuttig om meerdere synths in serie te schakelen; merge daarentegen combineert meerdere afzonderlijke MIDI-stromen tot een enkele, handig om bijvoorbeeld twee verschillende keyboards aan te sluiten op de enige ingang van een klankmodule. Toestellen per vergissing in een gesloten lus koppelen via thru, of softwarematige virtuele poorten onoplettend stapelen, kan hetzelfde soort vastzittende noot of dubbele berichten opnieuw veroorzaken, zelfs als de hardware perfect werkt.

Blijft de waargenomen latentie hinderlijk ondanks al deze controles, dan ligt de oorzaak bijna altijd bij de hierboven besproken audiobuffer, nooit bij de MIDI-kabel zelf. De enige echte uitzondering betreft MIDI via Bluetooth: de draadloze verbinding voegt van nature een extra verwerkingslaag toe ten opzichte van bekabelde USB, wat meestal onopgemerkt blijft bij ontspannen spelen maar hinderlijk kan worden bij veeleisende opnames, waar een rechtstreekse bekabelde verbinding de veiligste keuze blijft.

Verder gaan: faders, wielen en control surfaces mappen

Veel MIDI-keyboards en -controllers gaan ver voorbij een eenvoudige rij toetsen: ze dragen ook toewijsbare faders, wielen, knoppen en pads, die Control Change-berichten sturen in plaats van notenberichten. Elk van die fysieke bedieningselementen kan in theorie eender welke parameter in de DAW of in een plugin aansturen, van het volume van een spoor tot de afsnijfrequentie van een filter, op voorwaarde dat het aan de juiste softwareparameter gekoppeld is.

De meeste moderne DAW's vereenvoudigen deze koppeling met een functie die vaak MIDI Learn heet: rechtsklik op een parameter op het scherm, kies leren of koppelen, beweeg dan de gewenste fysieke fader of het wiel, en de software onthoudt automatisch het CC-nummer, zonder het te moeten opzoeken in een handleiding of een tabel.

Een trap hoger bestaat een familie protocollen die specifiek ontworpen zijn voor toegewijde mixing control surfaces, eerder dan voor een gewoon keyboard. Het HUI-protocol, in 1997 ontwikkeld door Mackie en Digidesign voor Pro Tools, werd in 2003 opgenomen in het Mackie Control Universal-protocol, dat de functies van Mackie Control, Logic Control en HUI samenbrengt in een enkele standaard die vandaag native ondersteund wordt door veel DAW's, waaronder Cubase, Ableton Live, Studio One, Reason en Ardour. Het verschil met eenvoudige manuele CC-mapping is fundamenteel: elke knop, elke fader en elk wiel van de control surface wordt automatisch verbonden met de juiste elementen op het scherm, zonder dat er iets manueel toegewezen moet worden, en sommige modellen motoriseren hun faders zelfs fysiek zodat ze vanzelf bewegen en de softwaretoestand in realtime weerspiegelen. Deze protocollen gaan zelfs voorbij de gebruikelijke MIDI-resolutie van 128 waarden, met een veel fijnere waardenreeks voor merkbaar preciezere instellingen met de hand.

Of je nu bij eenvoudige CC-mapping blijft of overstapt naar een volwaardige, toegewijde control surface: het onderliggende transport is sinds 1983 niet veranderd. Het zijn nog steeds MIDI-berichten, gewoon talrijker en beter georganiseerd, die het fysieke gebaar verbinden met wat op het scherm verschijnt.

Veelgemaakte fouten

Ontdek in de Music Hub

Meer gidsen