Teoría de los archivos flotantes de 32 bits

Para grabaciones de rango dinámico ultra alto, el formato de 32 bits flotantes es un formato de grabación ideal. El beneficio principal de estos archivos es su capacidad para grabar señales que superan los 0 dBFS. De hecho, hay tanto margen de maniobra que, desde el punto de vista de la fidelidad, no importa dónde se configuren las ganancias durante la grabación. Los niveles de audio en el archivo WAV de coma flotante de 32 bits se pueden ajustar hacia arriba o hacia abajo después de la grabación con la mayoría de los principales programas DAW sin ruido ni distorsión adicionales. Para comprender los aspectos básicos de los archivos de 32 bits, siga leyendo. Este artículo analiza las diferencias entre los archivos de coma fija de 16 bits, de coma fija de 24 bits y de coma flotante de 32 bits.

Archivos de 16 bits

Los archivos WAV tradicionales de 16 bits almacenan muestras de audio sin comprimir, donde cada muestra está representada por un número binario de 16 dígitos (dígito binario = “bit”). Estos números son de “punto fijo”, porque son números enteros (sin punto decimal). Un número de 16 bits en formato binario representa números enteros de 0 a 65535 (216). 

Los valores numéricos representan un nivel de voltaje discreto correspondiente a la amplitud de la señal. 65535 representa la amplitud máxima (más fuerte) que puede tener la señal y los valores más bajos representan el nivel de ruido del archivo, donde el bit más bajo oscila entre 0 y 1. Dado que hay 65536 niveles, el ruido = (1/65536).

Poniendo este ruido en formato dB:

          dB de ruido = 20 x log (1/65536) = -96,3 dB 

El nivel máximo en formato dB:

          dB máx. = 20 x logaritmo (65536/65536) = 0 dB

El rango dinámico máximo que puede representar un archivo WAV de 16 bits es (0 dB – (-96,3 dB)) = 96,3 dB

Los archivos WAV de 16 bits, ya sea en una grabadora de audio digital o en un software DAW, indican que la señal más grande capturada es 0 dBFS, es decir, 0 dB en relación con la escala completa (del archivo). Por lo tanto, los archivos WAV de 16 bits pueden almacenar audio desde 0 dBFS hasta -96 dBFS. Cada muestra de audio consume 16 bits de espacio en un disco duro o memoria y, a una frecuencia de muestreo de 48 kHz, esto significa que se necesitan 16 x 48 000 = 768 000 bits por segundo para almacenar un archivo de 16 bits y 48 kHz de un solo canal. 

Archivos de 24 bits

Los archivos WAV de 24 bits (punto fijo) mejoran la resolución de amplitud de 16 bits al extender la palabra de 16 bits y agregar un 50 % más de bits para formar una palabra de 24 bits.

Con más números hay más niveles de voltaje discretos para dividir la señal de audio. Los 24 bits en notación binaria varían de 0 a 16.777.215 (2²⁴)

Al hacer el mismo cálculo con archivos de 24 bits para calcular el nivel de ruido y los niveles máximos, se obtiene lo siguiente:

• dB de ruido = 20 x log (1/16777216) = -144,5 dB
• dB máx. = 20 x logaritmo (16777216/16777216) = 0 dB

El rango dinámico de un archivo de 24 bits (punto fijo) es (0 dB – (-144,5 dB)) = 144,5 dB

Al igual que en el caso de los archivos de 16 bits, las grabadoras de audio y el software DAW denominan a la señal más grande de un archivo WAV de 24 bits 0 dBFS. Cada muestra de audio consume 24 bits de espacio de almacenamiento digital y, a una frecuencia de muestreo de 48 kHz, esto significa que se necesitan 24 x 48 000 = 1 152 000 bits por segundo para un archivo de un solo canal, de 24 bits y 48 kHz. Para un aumento del 50 % en el espacio de almacenamiento en comparación con los archivos de 16 bits, el rango dinámico capturado va de 96 dB a 144 dB, un aumento sustancial en el rendimiento. En la actualidad, los archivos WAV de 24 bits y 48 kHz son los archivos más utilizados en la comunidad de audio profesional.

Flotante de 32 bits

En comparación con los archivos de punto fijo (16 o 24 bits), los archivos de coma flotante de 32 bits almacenan números en un formato de coma flotante. Esto es fundamentalmente diferente al de coma fija, porque los números en estos archivos WAV se almacenan con “notación científica”, utilizando puntos decimales y exponentes (por ejemplo, “1,4563 x 10 6 “ en lugar de “1456300”). Esta diferencia es significativa porque se pueden representar números mucho más grandes y más pequeños en comparación con una representación de coma fija. El formato y la codificación de la palabra de 32 bits no son intuitivos; se ha optimizado para que las computadoras puedan realizar funciones matemáticas comunes en ella en lugar de para que sea legible para humanos. El primer bit indica un valor positivo o negativo, los siguientes 8 bits indican el exponente y los últimos 23 bits indican la mantisa. Hay más información disponible sobre este formato (llamado IEEE-754).

El número más grande que se puede representar es ~3,4 x 10³⁸ y el número más pequeño es ~1,2 x 10⁻³⁸ . Haciendo los cálculos:

• dB de ruido = 20 x log (1,2 x 10⁻³⁸ ) = -758 dB
• dB máx. = 20 x logaritmo (3,4 x 10³⁸ ) = 770 dB

El rango dinámico que se puede representar mediante un archivo de 32 bits (coma flotante) es de 1528 dB. Dado que la mayor diferencia en la presión sonora en la Tierra puede ser de unos 210 dB, desde una cámara anecoica hasta una onda de choque masiva, 1528 dB está muy por encima de lo que se necesitará para representar la amplitud del sonido acústico en un archivo de computadora. 

Existe otro aspecto de los archivos de 32 bits en coma flotante que no resulta evidente a primera vista. Los archivos grabados con coma flotante de 32 bits graban un sonido en el que 0 dBFS del archivo de 32 bits se alinea con 0 dBFS del archivo de 24 o 16 bits. Tenga en cuenta que, a diferencia de los archivos de 24 o 16 bits, el archivo de 32 bits llega hasta los +770 dBFS. Por lo tanto, en comparación con un archivo WAV de 24 bits, el archivo WAV de coma flotante de 32 bits tiene 770 dB más de margen dinámico.

Los programas DAW profesionales y modernos pueden leer archivos de 32 bits en coma flotante. Cuando un DAW lee por primera vez un archivo de 32 bits, las señales mayores de 0 dBFS pueden aparecer recortadas, ya que, de manera predeterminada, los archivos se leen con una ganancia de 0 dB aplicada. Al aplicar atenuación al archivo en el DAW, las señales mayores de 0 dBFS pueden reducirse a menos de 0 dBFS, sin distorsión, y usarse como cualquier archivo de 24 o 16 bits.

Para la grabación de 32 bits flotantes, la configuración exacta del ajuste y la ganancia del fader durante la grabación ya no es una preocupación, desde el punto de vista de la fidelidad. Los niveles grabados pueden parecer muy bajos o muy altos durante la grabación, pero se pueden escalar fácilmente después de la grabación mediante el software DAW sin ruido ni distorsión adicionales. Esto se puede ver con estos archivos de muestra . Esta es la misma fuente, una grabada con 24 bits fijos y la otra con 32 bits flotantes. Ambos archivos aparecen recortados cuando se leen inicialmente en el software DAW, pero la ganancia del archivo de 32 bits se puede escalar mediante el DAW.

Cada muestra de audio de los archivos de 32 bits de coma flotante consume 32 bits de espacio en el disco duro o en la memoria, y para una frecuencia de muestreo de 48 kHz, esto significa que se necesitan 32 x 48 000 = 1 536 000 bits por segundo para los archivos de 32 bits y 48 kHz. Por lo tanto, para un 33 % más de espacio de almacenamiento en comparación con los archivos de 24 bits, el rango dinámico capturado va desde 144 dB hasta, esencialmente, infinito (más de 1500 dB). Pero lo que es más importante, las señales de audio por encima de 0 dBFS se conservan en el archivo, lo que hace que el audio recortado sea cosa del pasado.

La grabación de archivos de audio de 32 bits en coma flotante, junto con la electrónica analógica y digital de alto rendimiento que puede aprovechar su enorme rango dinámico, ofrece a los diseñadores de sonido y mezcladores de sonido una nueva forma de grabar audio. Esto es especialmente útil para aplicaciones en las que se pueden capturar sonidos muy fuertes e inesperados sin el uso de limitadores. La desventaja de utilizar archivos de 32 bits en coma flotante es que los tamaños de archivo son mayores en comparación con los archivos de 24 bits.

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