В телекоммуникациях и вычислительной технике битрейт ( битрейт или переменная R ) — это количество битов , которые передаются или обрабатываются за единицу времени. [1]
Скорость передачи данных выражается в единицах бит в секунду (символ: бит/с ), часто в сочетании с префиксом SI , например, кило (1 кбит/с = 1000 бит/с), мега (1 Мбит/с = 1000 кбит). /с), гига (1 Гбит/с = 1000 Мбит/с) или тера (1 Тбит/с = 1000 Гбит/с). [2] Нестандартная аббревиатура бит/с часто используется для замены стандартного символа бит/с, так что, например, 1 Мбит/с используется для обозначения одного миллиона бит в секунду.
В большинстве вычислительных и цифровых коммуникационных сред один байт в секунду (обозначение: B/s ) соответствует 8 бит/с.
При количественной оценке больших или малых скоростей передачи данных используются префиксы SI (также известные как метрические префиксы или десятичные префиксы), например: [3]
Двоичные префиксы иногда используются для скорости передачи данных. [4] [5] Международный стандарт ( IEC 80000-13 ) определяет различные сокращения для двоичных и десятичных префиксов (SI) (например, 1 КиБ /с = 1024 Б/с = 8192 бит/с и 1 МиБ /с = 1024 КиБ/с).
В системах цифровой связи общий битрейт физического уровня , [6] необработанный битрейт , [7] скорость передачи данных , [8] общая скорость передачи данных [9] или скорость некодированной передачи [7] (иногда записывается как переменная R b [ 6] [7] или f b [10] ) — общее количество физически передаваемых битов в секунду по каналу связи, включая полезные данные, а также служебные данные протокола.
В случае последовательной связи общая скорость передачи данных связана со временем передачи битов следующим образом:
Общая скорость передачи данных связана со скоростью передачи символов или скоростью модуляции, которая выражается в бодах или символах в секунду. Однако общая скорость передачи данных и значение в бодах равны только тогда, когда на символ имеется только два уровня, обозначающие 0 и 1, что означает, что каждый символ системы передачи данных несет ровно один бит данных; например, это не относится к современным системам модуляции, используемым в модемах и оборудовании локальных сетей. [11]
Для большинства линейных кодов и методов модуляции :
Более конкретно, линейный код (или схема передачи в основной полосе частот ), представляющий данные с использованием амплитудно-импульсной модуляции с разными уровнями напряжения, может передавать биты за импульс. Метод цифровой модуляции (или схема передачи в полосе пропускания) с использованием разных символов, например амплитуд, фаз или частот, может передавать биты на символ. Это приводит к:
Исключением из вышеизложенного являются некоторые самосинхронизирующиеся линейные коды, например манчестерское кодирование и кодирование с возвратом к нулю (RTZ), где каждый бит представлен двумя импульсами (состояниями сигнала), что приводит к:
Теоретическая верхняя граница скорости передачи символов в бодах, символах/с или импульсах/с для определенной спектральной полосы пропускания в герцах определяется законом Найквиста :
На практике эта верхняя граница может быть достигнута только для схем линейного кодирования и для так называемой рудиментарной цифровой модуляции боковой полосы. Большинство других цифровых схем с модуляцией несущей, например ASK , PSK , QAM и OFDM , можно охарактеризовать как модуляцию с двойной боковой полосой , что приводит к следующему соотношению:
В случае параллельной связи общая скорость передачи данных определяется выражением
где n — количество параллельных каналов, Mi — количество символов или уровней модуляции в i -м канале , а T i — время длительности символа , выраженное в секундах, для i -го канала.
Чистая скорость передачи данных физического уровня , [12] скорость передачи информации , [6] скорость передачи полезных данных , [13] скорость полезной нагрузки , [14] чистая скорость передачи данных , [9] скорость кодированной передачи , [7] эффективная скорость передачи данных [7] или скорость передачи данных (неформальный язык) цифрового канала связи — это пропускная способность, исключающая служебные данные протокола физического уровня, например, биты кадрирования мультиплексирования с временным разделением (TDM) , избыточные коды прямого исправления ошибок (FEC), обучающие символы эквалайзера и другое кодирование канала . Коды, исправляющие ошибки, особенно распространены в системах беспроводной связи, стандартах широкополосных модемов и современных высокоскоростных локальных сетях на основе медных проводов. Чистая скорость передачи данных физического уровня — это скорость передачи данных, измеренная в контрольной точке интерфейса между уровнем канала передачи данных и физическим уровнем, и, следовательно, может включать в себя служебные данные канала передачи данных и более высокого уровня.
В модемах и беспроводных системах часто применяется адаптация канала (автоматическая адаптация скорости передачи данных и схемы модуляции и/или кодирования ошибок к качеству сигнала). В этом контексте термин «пиковая скорость передачи данных» обозначает чистую скорость передачи данных в самом быстром и наименее надежном режиме передачи, используемом, например, когда расстояние между отправителем и передатчиком очень короткое. [15] Некоторые операционные системы и сетевое оборудование могут определять « скорость соединения » [16] (неформальный язык) технологии доступа к сети или устройства связи, подразумевая текущую чистую скорость передачи данных. Термин « линейная скорость» в некоторых учебниках определяется как общая скорость передачи данных, [14] в других — как чистая скорость передачи данных.
На соотношение между общей скоростью передачи данных и чистой скоростью передачи данных влияет скорость кода FEC согласно следующему.
Скорость соединения технологии, которая включает прямое исправление ошибок, обычно относится к чистой скорости передачи данных физического уровня в соответствии с приведенным выше определением.
Например, чистый битрейт (и, следовательно, «скорость соединения») беспроводной сети IEEE 802.11a составляет чистый битрейт от 6 до 54 Мбит/с, а общий битрейт составляет от 12 до 72 Мбит/с включительно. кодов, исправляющих ошибки.
Чистая скорость передачи данных интерфейса базовой скорости ISDN2 (2 B-канала + 1 D-канал) 64+64+16 = 144 кбит/с также относится к скорости передачи данных полезной нагрузки, тогда как скорость передачи сигналов по каналу D составляет 16 кбит/с. .
Чистая скорость передачи данных стандарта физического уровня Ethernet 100BASE-TX составляет 100 Мбит/с, а общая скорость передачи данных составляет 125 Мбит/с благодаря кодированию 4B5B (четыре бита на пять бит). В этом случае общая скорость передачи данных равна скорости передачи символов или скорости импульсов 125 Мбод, что обусловлено линейным кодом NRZI .
В технологиях связи без прямого исправления ошибок и других служебных данных протокола физического уровня нет различия между общей скоростью передачи данных и чистой скоростью передачи данных физического уровня. Например, чистая, а также общая скорость передачи данных Ethernet 10BASE-T составляет 10 Мбит/с. Из-за линейного кода Манчестера каждый бит представлен двумя импульсами, в результате чего частота импульсов составляет 20 мегабод.
«Скорость соединения» модема голосового диапазона V.92 обычно относится к общей скорости передачи данных, поскольку дополнительного кода исправления ошибок нет. Это может быть до 56 000 бит/с в нисходящем направлении и 48 000 бит/с в восходящем направлении . Более низкая скорость передачи данных может быть выбрана на этапе установления соединения из-за адаптивной модуляции – более медленные, но более надежные схемы модуляции выбираются в случае плохого отношения сигнал/шум . Из-за сжатия данных фактическая скорость передачи данных или пропускная способность (см. ниже) могут быть выше.
Пропускная способность канала , также известная как пропускная способность Шеннона , представляет собой теоретическую верхнюю границу максимальной чистой скорости передачи данных, исключая кодирование с прямым исправлением ошибок, которая возможна без битовых ошибок для определенного физического аналогового канала связи между узлами .
Пропускная способность канала пропорциональна аналоговой полосе пропускания в герцах. Эта пропорциональность называется законом Хартли . Следовательно, чистую скорость передачи данных иногда называют пропускной способностью цифровой полосы пропускания в бит/с.
Термин «пропускная способность» , по сути, то же самое, что и потребление цифровой полосы пропускания , обозначает достигнутую среднюю полезную скорость передачи данных в компьютерной сети по логическому или физическому каналу связи или через сетевой узел, обычно измеряемую в контрольной точке над уровнем канала передачи данных. Это означает, что пропускная способность часто исключает накладные расходы протокола канального уровня. На пропускную способность влияет нагрузка трафика от рассматриваемого источника данных, а также от других источников, использующих одни и те же сетевые ресурсы. См. также измерение пропускной способности сети .
Goodput или скорость передачи данных относится к достигнутой средней чистой скорости передачи данных, которая доставляется на прикладной уровень , исключая все служебные данные протокола, повторные передачи пакетов данных и т. д. Например, в случае передачи файлов Goodput соответствует достигнутому файлу. Скорость передачи . Скорость передачи файлов в бит/с можно рассчитать как размер файла (в байтах), разделенный на время передачи файла (в секундах) и умноженный на восемь.
Например, на хорошую пропускную способность или скорость передачи данных модема голосового диапазона V.92 влияют протоколы физического уровня модема и уровня канала передачи данных. Иногда она выше скорости передачи данных физического уровня из-за сжатия данных V.44 , а иногда ниже из-за битовых ошибок и автоматических повторных передач запроса на повтор.
Если сетевое оборудование или протоколы не обеспечивают сжатие данных, то имеем следующее соотношение:
для определенного пути связи.
Это примеры чистых скоростей передачи данных физического уровня в предлагаемых стандартных интерфейсах и устройствах связи:
В цифровом мультимедиа битрейт представляет собой количество информации или деталей, сохраняемых за единицу времени записи. Битрейт зависит от нескольких факторов:
Обычно выбор делается в отношении вышеупомянутых факторов, чтобы достичь желаемого компромисса между минимизацией битрейта и максимизацией качества материала при его воспроизведении.
Если для аудио- или визуальных данных используется сжатие данных с потерями , будут введены отличия от исходного сигнала; если сжатие существенное или данные с потерями распаковываются и повторно сжимаются, это может стать заметным в виде артефактов сжатия . Влияют ли они на воспринимаемое качество, и если да, то насколько, зависит от схемы сжатия, мощности кодера, характеристик входных данных, восприятия слушателя, знакомства слушателя с артефактами, а также среды прослушивания или просмотра.
Битрейт в этом разделе примерно равен минимуму , который среднестатистический слушатель в типичной среде прослушивания или просмотра при использовании наилучшего доступного сжатия воспримет как не значительно хуже, чем эталонный стандарт:
В цифровом мультимедиа скорость передачи данных означает количество битов, используемых в секунду для представления непрерывного носителя, такого как аудио или видео, после исходного кодирования (сжатия данных). Битрейт кодирования мультимедийного файла — это его размер в байтах , разделенный на время воспроизведения записи (в секундах), умноженный на восемь.
Для потоковой передачи мультимедиа в реальном времени скорость кодирования — это хорошая производительность , необходимая для предотвращения прерываний:
Термин «средний битрейт» используется в случае схем кодирования источника мультимедиа с переменным битрейтом . В этом контексте пиковая скорость передачи данных — это максимальное количество битов, необходимое для любого краткосрочного блока сжатых данных. [17]
Теоретической нижней границей скорости передачи данных для сжатия данных без потерь является скорость исходной информации , также известная как скорость энтропии .
CD-DA , стандартный аудио компакт-диск, имеет скорость передачи данных 44,1 кГц/16, что означает, что аудиоданные отбирались 44 100 раз в секунду и с разрядностью 16. CD-DA также является стереофоническим , используя левый и правый канал , поэтому объем аудиоданных в секунду вдвое больше, чем в моно, где используется только один канал.
Битрейт аудиоданных PCM можно рассчитать по следующей формуле:
Например, битрейт записи CD-DA (частота дискретизации 44,1 кГц, 16 бит на выборку и два канала) можно рассчитать следующим образом:
Совокупный размер длины аудиоданных PCM (исключая заголовок файла или другие метаданные ) можно рассчитать по следующей формуле:
Совокупный размер в байтах можно найти, разделив размер файла в битах на количество бит в байте, которое равно восьми:
Следовательно, для 80 минут (4800 секунд) данных CD-DA требуется 846 720 000 байт памяти:
Аудиоформат MP3 обеспечивает сжатие данных с потерями . Качество звука улучшается с увеличением битрейта:
По техническим причинам (протоколы аппаратного/программного обеспечения, накладные расходы, схемы кодирования и т. д.) фактическая скорость передачи данных, используемая некоторыми сравниваемыми устройствами, может быть значительно выше, чем указано выше. Например, телефонные цепи, использующие компандирование по закону µlaw или A-law (импульсно-кодовая модуляция), дают скорость 64 кбит/с.