Скорость передачи данных

Скорость передачи информации, выраженная в битах в секунду

В телекоммуникациях и вычислениях битрейт ( битрейт или как переменная R ) — это количество бит , 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 СИ, таким как 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 bps часто используется для замены стандартного символа bit/s, 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: Б/с ) соответствует 8 бит/с.

Префиксы

При количественной оценке больших или малых скоростей передачи данных используются префиксы СИ (также известные как метрические префиксы или десятичные префиксы), например: ^[3]

Иногда для обозначения скорости передачи данных используются двоичные префиксы . ^{[4] [5]} Международный стандарт ( IEC 80000-13 ) определяет различные символы для двоичных и десятичных (СИ) префиксов (например, 1 КиБ /с = 1024 Б/с = 8192 бит/с и 1 МиБ /с = 1024 КиБ/с).

В передаче данных

Общая скорость передачи данных

В цифровых системах связи общий битрейт физического уровня , ^[6] необработанный битрейт , ^[7] скорость передачи данных , ^[8] общая скорость передачи данных ^[9] или некодированная скорость передачи ^[7] (иногда обозначается как переменная R _b ^{[6] [7]} или f _b ^[10] ) — это общее количество физически переданных бит в секунду по каналу связи, включая полезные данные, а также накладные расходы протокола.

В случае последовательной связи общая скорость передачи данных связана со временем передачи бита следующим образом: ${\displaystyle T_{\text{b}}}$

${\displaystyle R_{\text{b}}={1 \over T_{\text{b}}},}$

Валовая скорость передачи данных связана со скоростью передачи символов или скоростью модуляции, которая выражается в бодах или символах в секунду. Однако валовая скорость передачи данных и значение бода равны только тогда, когда на символ приходится только два уровня, представляющие 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 LAN. ^[11]

Для большинства линейных кодов и методов модуляции :

${\displaystyle {\text{symbol rate}}\leq {\text{gross bit rate}}}$

Более конкретно, линейный код (или схема передачи в полосе пропускания ), представляющий данные с использованием амплитудно-импульсной модуляции с различными уровнями напряжения, может передавать биты за импульс. Метод цифровой модуляции (или схема передачи в полосе пропускания), использующий различные символы, например амплитуды, фазы или частоты, может передавать биты за символ. Это приводит к: ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle N}$

${\displaystyle {\text{gross bit rate}}={\text{symbol rate}}\times N}$

Исключением из вышесказанного 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:

${\displaystyle {\text{gross bit rate = symbol rate/2}}}$

Теоретическая верхняя граница скорости передачи символов в бодах, символах/с или импульсах/с для определенной спектральной полосы пропускания в герцах определяется законом Найквиста :

${\displaystyle {\text{symbol rate}}\leq {\text{Nyquist rate}}=2\times {\text{bandwidth}}}$

На практике эта верхняя граница может быть достигнута только для схем кодирования линии и для так называемой остаточной боковой полосы цифровой модуляции. 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:

${\displaystyle {\text{symbol rate}}\leq {\text{bandwidth}}}$

В случае параллельной связи общая скорость передачи данных определяется по формуле

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}{\frac {\log _{2}{M_{i}}}{T_{i}}}}$

где n — число параллельных каналов, M _i — число символов или уровней модуляции в i - м канале , а T _i — длительность символа , выраженная в секундах, для i -го канала.

Скорость информации

Чистая скорость передачи данных физического уровня , ^[12] скорость передачи информации , ^[6] полезная скорость передачи данных , ^[13] скорость полезной нагрузки , ^[14] чистая скорость передачи данных , ^[9] скорость кодированной передачи , ^[7] эффективная скорость передачи данных ^[7] или скорость передачи данных по проводам (неформальный язык) цифрового канала связи — это емкость, исключая служебные данные протокола физического уровня , например, биты кадрирования с временным разделением (TDM) , избыточные коды прямой коррекции ошибок (FEC), символы обучения эквалайзера и другое кодирование канала . Коды исправления ошибок распространены, особенно в беспроводных системах связи, стандартах широкополосных модемов и современных высокоскоростных локальных сетях на основе меди. Чистая скорость передачи данных физического уровня — это скорость передачи данных, измеренная в опорной точке на интерфейсе между уровнем канала передачи данных и физическим уровнем, и, следовательно, может включать служебные данные канала передачи данных и более высокого уровня.

В модемах и беспроводных системах часто применяется адаптация линии связи (автоматическая адаптация скорости передачи данных и схемы модуляции и/или кодирования ошибок к качеству сигнала). В этом контексте термин пиковый битрейт обозначает чистый битрейт самого быстрого и наименее надежного режима передачи, используемого, 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 коммуникационного устройства, подразумевая текущую чистую битрейт. Термин скорость линии в некоторых учебниках определяется как валовая битрейт, ^[14] в других — как чистая битрейт.

Соотношение между общей скоростью передачи данных и чистой скоростью передачи данных зависит от скорости кода FEC следующим образом.

чистая скорость передачи данных ≤ общая скорость передачи данных × скорость кода

Скорость соединения технологии, включающей прямое исправление ошибок, обычно относится к чистой скорости передачи данных на физическом уровне в соответствии с приведенным выше определением.

Например, чистая скорость передачи данных (и, следовательно, «скорость соединения») беспроводной сети IEEE 802.11a составляет от 6 до 54 Мбит/с, тогда как общая скорость передачи данных составляет от 12 до 72 Мбит/с, включая коды коррекции ошибок.

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 D-каналу составляет 16 кбит/с.

Чистая скорость передачи данных физического уровня Ethernet 100BASE-TX составляет 100 Мбит/с, а валовая скорость передачи данных — 125 Мбит/с из-за кодирования 4B5B (четыре бита на пять бит). В этом случае валовая скорость передачи данных равна символьной скорости или импульсной скорости 125 мегабод из-за линейного кода NRZI .

В коммуникационных технологиях без прямого исправления ошибок и других накладных расходов протокола физического уровня нет различия между общей скоростью передачи данных и чистой скоростью передачи данных физического уровня. Например, чистая и общая скорость передачи данных Ethernet 10BASE-T составляет 10 Мбит/с. Благодаря линейному коду Manchester каждый бит представлен двумя импульсами, что дает частоту передачи импульсов 20 мегабод.

«Скорость соединения» модема голосового диапазона V.92 обычно относится к общей скорости передачи данных, поскольку нет дополнительного кода исправления ошибок. Она может достигать 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  — в случае плохого соотношения сигнал/шум выбираются более медленные, но более надежные схемы модуляции . 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 (без учета кодирования с прямой коррекцией ошибок), которая возможна без битовых ошибок для определенного физического аналогового канала связи «узел-узел» .

чистая скорость передачи данных ≤ пропускная способность канала

Пропускная способность канала пропорциональна аналоговой полосе пропускания в герцах. Эта пропорциональность называется законом Хартли . Следовательно, чистый битрейт иногда называют пропускной способностью цифровой полосы пропускания в бит/с.

Пропускная способность сети

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 выше уровня канала передачи данных. Это подразумевает, что пропускная способность часто исключает накладные расходы протокола уровня канала передачи данных. На пропускную способность влияет нагрузка трафика от рассматриваемого источника данных, а также от других источников, разделяющих те же сетевые ресурсы. См. также измерение пропускной способности сети .

Пропускная способность (скорость передачи данных)

Goodput или скорость передачи данных относится к достигнутой средней чистой скорости передачи данных, которая доставляется на уровень приложений , за исключением всех накладных расходов протокола, повторных передач пакетов данных и т. д. Например, в случае передачи файлов goodput соответствует достигнутой скорости передачи файлов . Скорость передачи файлов в бит/с можно рассчитать как размер файла (в байтах), деленный 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 канального уровня. Иногда она выше, чем скорость передачи данных физического уровня из-за сжатия данных V.44 , а иногда ниже из-за битовых ошибок и автоматических повторных запросов на повторную передачу.

Если сетевое оборудование или протоколы не обеспечивают сжатия данных, то имеем следующее соотношение:

полезная пропускная способность ≤ пропускная способность ≤ максимальная пропускная способность ≤ чистая скорость передачи данных

для определенного пути коммуникации.

Тенденции прогресса

Ниже приведены примеры чистых скоростей передачи данных на физическом уровне в предлагаемых стандартных интерфейсах и устройствах связи:

Мультимедиа

В цифровых мультимедиа битрейт представляет собой объем информации или деталей, которые хранятся в единицу времени записи. Битрейт зависит от нескольких факторов:

• Исходный материал может воспроизводиться на разных частотах.
• Образцы могут использовать разное количество бит.
• Данные могут быть закодированы по разным схемам.
• Информация может быть подвергнута цифровому сжатию с использованием различных алгоритмов или в различной степени.

Как правило, выбор делается в зависимости от вышеуказанных факторов, чтобы достичь желаемого компромисса между минимизацией битрейта и максимизацией качества воспроизводимого материала.

Если сжатие данных с потерями используется для аудио- или визуальных данных, 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 кодировщика, характеристик входных данных, восприятия слушателя, знакомства слушателя с артефактами и среды прослушивания или просмотра.

Скорость кодирования битов мультимедийного файла — это его размер в байтах, деленный на время воспроизведения записи (в секундах), умноженное на восемь.

Для потокового мультимедиа в реальном времени битрейт кодирования — это полезная пропускная способность , необходимая для предотвращения прерывания воспроизведения.

Термин средний битрейт используется в случае схем кодирования источника мультимедиа с переменным битрейтом . В этом контексте пиковый битрейт — это максимальное количество битов, необходимое для любого краткосрочного блока сжатых данных. ^[17]

Теоретической нижней границей скорости кодирования для сжатия данных без потерь является скорость передачи исходной информации , также известная как скорость энтропии .

Битрейты в этом разделе приблизительно соответствуют минимальному значению , которое среднестатистический слушатель в типичной среде прослушивания или просмотра при использовании наилучшего из доступных уровней сжатия будет воспринимать не намного хуже эталонного стандарта.

Аудио

CD-DA

Компакт-диск цифрового звука (CD-DA) использует 44 100 сэмплов в секунду, каждый с глубиной бит 16, формат иногда сокращается как "16 бит / 44,1 кГц". CD-DA также является стерео , использующим левый и правый каналы , поэтому объем аудиоданных в секунду вдвое больше, чем у моно, где используется только один канал.

Скорость передачи данных аудиоданных PCM можно рассчитать по следующей формуле:

${\displaystyle {\text{bit rate}}={\text{sample rate}}\times {\text{bit depth}}\times {\text{channels}}}$

Например, скорость передачи данных записи CD-DA (частота дискретизации 44,1 кГц, 16 бит на выборку и два канала) можно рассчитать следующим образом:

${\displaystyle 44,100\times 16\times 2=1,411,200\ {\text{bit/s}}=1,411.2\ {\text{kbit/s}}}$

Совокупный размер длины аудиоданных PCM (исключая заголовок файла или другие метаданные ) можно рассчитать по следующей формуле:

${\displaystyle {\text{size in bits}}={\text{sample rate}}\times {\text{bit depth}}\times {\text{channels}}\times {\text{time}}.}$

Общий размер файла в байтах можно найти, разделив размер файла в битах на количество бит в байте, которое равно восьми:

${\displaystyle {\text{size in bytes}}={\frac {\text{size in bits}}{8}}}$

Таким образом, для 80 минут (4800 секунд) данных CD-DA требуется 846 720 000 байт памяти:

${\displaystyle {\frac {44,100\times 16\times 2\times 4,800}{8}}=846,720,000\ {\text{bytes}}\approx 847\ {\text{MB}}\approx 807.5\ {\text{MiB}}}$

где MiB — это мебибайты с двоичным префиксом Mi, что означает 2 ^·20 = 1 048 576.

МП3

Формат аудио MP3 обеспечивает сжатие данных с потерями . Качество звука улучшается с увеличением битрейта:

• 32 кбит/с – обычно приемлемо только для речи
• 96 кбит/с – обычно используется для передачи речи или потоковой передачи низкого качества
• 128 или 160 кбит/с – среднее качество битрейта
• 192 кбит/с – битрейт среднего качества
• 256 кбит/с – широко используемый битрейт высокого качества
• 320 кбит/с – наивысший уровень, поддерживаемый стандартом MP3

Другое аудио

• 700 бит/с – самый низкий битрейт речевого кодека с открытым исходным кодом Codec2 , но Codec2 звучит намного лучше на скорости 1,2 кбит/с
• 800 бит/с – минимально необходимый уровень для распознаваемой речи при использовании специализированных речевых кодеков FS-1015
• 2,15 кбит/с – минимальный битрейт, доступный через кодек Speex с открытым исходным кодом
• 6 кбит/с – минимальный битрейт, доступный через кодек Opus с открытым исходным кодом
• 8 кбит/с – телефонное качество с использованием речевых кодеков
• 32–500 кбит/с – звук с потерями , как в Ogg Vorbis
• 256 кбит/с – скорость передачи данных цифрового аудиовещания ( DAB ) MP2, необходимая для достижения высококачественного сигнала ^[18]
• 292 кбит/с – адаптивное акустическое кодирование Sony (ATRAC) для использования в формате MiniDisc
• 400 кбит/с–1411 кбит/с — звук без потерь , используемый в таких форматах, как Free Lossless Audio Codec , WavPack или Monkey's Audio для сжатия звука CD
• 1411,2 кбит/с – Линейный формат звука PCM CD-DA
• 5644,8 кбит/с – DSD , который является торговой маркой реализации звукового формата PDM, используемого на Super Audio CD . ^[19]
• 6,144 Мбит/с – E-AC-3 (Dolby Digital Plus), усовершенствованная система кодирования на основе кодека AC-3
• 9,6 Мбит/с — DVD-Audio , цифровой формат для доставки высококачественного аудиоконтента на DVD. DVD-Audio не предназначен для доставки видео и не является тем же самым, что видео-DVD, содержащие концертные фильмы или музыкальные клипы. Эти диски не могут быть воспроизведены на стандартном DVD-плеере без логотипа DVD-Audio. ^[20]
• 18 Мбит/с – усовершенствованный аудиокодек без потерь на основе Meridian Lossless Packing (MLP)

Видео

• 16 кбит/с – качество видеотелефонии (минимально необходимое для приемлемого для потребителя изображения «говорящей головы» с использованием различных схем сжатия видео)
• 128–384 кбит/с – качество видеоконференцсвязи, ориентированное на бизнес, с использованием сжатия видео
• 400 кбит/с YouTube 240p видео (используя H.264 ) ^[21]
• 750 кбит/с YouTube 360p видео (используя H.264 ) ^[21]
• 1 Мбит/с YouTube 480p видео (используя H.264 ) ^[21]
• 1,15 Мбит/с макс. – ​​качество VCD (используется сжатие MPEG1 ) ^[22]
• 2,5 Мбит/с YouTube 720p видео (используя H.264 ) ^[21]
• 3,5 Мбит/с обычно ^{[ требуется пояснение ]}  – Качество телевидения стандартной четкости (с уменьшением скорости передачи данных за счет сжатия MPEG-2)
• 3,8 Мбит/с YouTube 720p60 (60 кадров в секунду ) видео (используя H.264) ^[21]
• 4,5 Мбит/с YouTube 1080p видео (используя H.264 ) ^[21]
• 6,8 Мбит/с YouTube 1080p60 (60 кадров в секунду ) видео (используя H.264) ^[21]
• 9,8 Мбит/с макс. – ​​DVD (с использованием сжатия MPEG2 ) ^[23]
• 8–15 Мбит/с (типичное значение) – качество HDTV (с уменьшением скорости передачи данных за счет сжатия MPEG-4 AVC)
• 19 Мбит/с приблизительно – HDV 720p (с использованием сжатия MPEG2) ^[24]
• 24 Мбит/с макс. – ​​AVCHD (с использованием сжатия MPEG4 AVC ) ^[25]
• 25 Мбит/с приблизительно – HDV 1080i (с использованием сжатия MPEG2) ^[24]
• 29,4 Мбит/с макс. – ​​HD DVD
• 40 Мбит/с макс. – ​​Blu-ray Disc 1080p (с использованием сжатия MPEG2, MPEG4 AVC или VC-1 ) ^[26]
• 250 Мбит/с макс. – ​​DCP (с использованием сжатия JPEG 2000)
• 1,4 Гбит/с – 10-бит 4:4:4 несжатый 1080p при 24 кадрах в секунду

Примечания

По техническим причинам (аппаратные/программные протоколы, накладные расходы, схемы кодирования и т. д.) фактические скорости передачи данных, используемые некоторыми сравниваемыми устройствами, могут быть значительно выше, чем указано выше. Например, телефонные схемы, использующие компандирование по μlaw или A-law (импульсно-кодовая модуляция), выдают 64 кбит/с.

Смотрите также

• Глубина звука в битах
• Средний битрейт
• Пропускная способность (вычисления)
• Бод ( скорость передачи символов )
• Синхронная битовая операция
• Скорость чипа
• Тактовая частота
• Скорость кода
• Постоянный битрейт
• Единицы измерения скорости передачи данных
• Скорость передачи данных
• Список скоростей передачи данных интерфейса
• Измерение пропускной способности сети
• Порядки величины (скорость передачи данных)
• Спектральная эффективность
• Переменный битрейт

Ссылки

1. Гупта, Пракаш С. (2006). Передача данных и компьютерные сети. PHI Learning. ISBN 9788120328464. Получено 10 июля 2011 г.
2. Международная электротехническая комиссия (2007). "Префиксы для двоичных кратных". Архивировано из оригинала 25 сентября 2016 года . Получено 4 февраля 2014 года .
3. Джиндал, РП (2009). «От миллибит до терабит в секунду и выше — более 60 лет инноваций». 2009 2-й Международный семинар по электронным приборам и полупроводниковым технологиям . С. 1–6. doi :10.1109/EDST.2009.5166093. ISBN 978-1-4244-3831-0. S2CID  25112828.
4. Шлоссер, SW, Гриффин, JL, Нагл, DF, и Гангер, GR (1999). Заполнение пробела в доступе к памяти: случай использования магнитного хранилища на кристалле (№ CMU-CS-99-174). CARNEGIE-MELLON UNIV PITTSBURGH PA SCHOOL OF COMPUTER SCIENCE.
5. "Мониторинг передач файлов, которые выполняются из IBM WebSphere MQ Explorer". 11 марта 2014 г. Получено 10 октября 2014 г.
6. Guimarães, Dayan Adionel (2009). "раздел 8.1.1.3 Общая скорость передачи данных и скорость передачи информации". Цифровая передача: Введение с использованием моделирования с VisSim/Comm . Springer. ISBN 9783642013591. Получено 10 июля 2011 г.
7. Кавех Пахлаван, Прашант Кришнамурти (2009). Основы сетевых технологий. John Wiley & Sons. ISBN 9780470779439. Получено 10 июля 2011 г.
8. Сетевой словарь. Javvin Technologies. 2007. ISBN 9781602670006. Получено 10 июля 2011 г.
9. Harte, Lawrence; Kikta, Roman; Levine, Richard (2002). Беспроводная связь 3G демистифицирована. McGraw-Hill Professional . ISBN 9780071382823. Получено 10 июля 2011 г.
10. JS Chitode (2008). Принципы цифровой связи. Техническое издание. ISBN 9788184314519. Получено 10 июля 2011 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
11. Лу Френзель. 27 апреля 2012 г., «В чем разница между скоростью передачи данных и скоростью передачи данных?». Electronic Design. 2012.
12. Теодори С. Раппапорт, Беспроводная связь: принципы и практика, Prentice Hall PTR, 2002
13. Лайош Ханзо, Питер Дж. Черриман, Юрген Штрайт, Видеосжатие и связь: от основ до H.261, H.263, H.264, MPEG4 для адаптивных турботрансиверов DVB и HSDPA, Wiley-IEEE, 2007.
14. VS Bagad, IA Dhotre, Системы передачи данных, Технические публикации, 2009.
15. Судхир Диксит, Рамджи Прасад Беспроводной IP и создание мобильного Интернета, Artech House
16. Гай Харт-Дэвис, Освоение Microsoft Windows Vista Home: расширенная и базовая версии, John Wiley and Sons, 2007
17. Халид Сайуд, Справочник по сжатию без потерь, Academic Press, 2003.
18. Страница 26 Белой книги BBC R&D WHP 061, июнь 2003 г., DAB: Введение в систему DAB Eureka и как она работает http://downloads.bbc.co.uk/rd/pubs/whp/whp-pdf-files/WHP061.pdf
19. Extremetech.com, Лесли Шапиро, 2 июля 2001 г. Surround Sound: The High-End: SACD и DVD-Audio. Архивировано 30 декабря 2009 г. на Wayback Machine. Получено 19 мая 2010 г. 2 канала, 1 бит, 2822,4 кГц DSD аудио (2×1×2 822 400) = 5 644 800 бит/с.
20. "Понимание DVD-Audio" (PDF) . Sonic Solutions. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2012 г. . Получено 23 апреля 2014 г. .
21. "YouTube bitrates" . Получено 10 октября 2014 г. .
22. "Спецификации MPEG1". Великобритания: ICDia . Получено 11 июля 2011 г.
23. "Различия DVD-MPEG". Sourceforge . Получено 11 июля 2011 г.
24. Характеристики HDV (PDF) , Информация о HDV, архивировано из оригинала (PDF) 8 января 2007 г..
25. "Информация об AVCHD". Информация об AVCHD . Получено 11 июля 2011 г.
26. "3.3 Видеопотоки" (PDF) , Спецификации формата аудиовизуальных приложений Blu-ray Disc Format 2.B для BD-ROM версии 2.4 (технический документ), май 2010 г., стр. 17.

Внешние ссылки

• Калькулятор битрейта для потокового видео в реальном времени. Рассчитайте битрейт для видео и прямых трансляций.
• Калькулятор битрейта DVD-HQ. Рассчитайте битрейт для различных типов цифровых видеоносителей.
• Maximum PC — Окупаются ли более высокие битрейты MP3?
• Калькулятор скорости передачи данных Valid8