Přenosová rychlost - Bit rate

Bitové sazby
název Symbol Násobek
bit za sekundu bit/s 1 1
Desetinná předpona ( SI )
kilobitů za sekundu kbit/s 10 3 1000 1
megabit za sekundu Mbit/s 10 6 1 000 2
gigabit za sekundu Gbit/s 10 9 1000 3
terabit za sekundu Tbit/s 10 12 1000 4
Binární předpony ( IEC 80000-13 )
kibibit za sekundu Kibit/s 2 10 1024 1
mebibit za sekundu Mibit/s 2 20 1024 2
gigabit za sekundu Gibit/s 2 30 1024 3
tebibit za sekundu Tibit/s 2 40 1024 4

V telekomunikacích a výpočetní technice je bitová rychlost ( bitrate nebo jako proměnná R ) počet bitů, které jsou přeneseny nebo zpracovány za jednotku času.

Bitová rychlost je vyjádřena v jednotkách bit za sekundu (symbol: bit/s ), často ve spojení s předponou SI, jako je kilo (1 kbit/s = 1 000 bit/s), mega (1 Mbit/s = 1 000 kbit/s), giga (1 Gbit/s = 1 000 Mbit/s) nebo tera (1 Tbit/s = 1 000 Gbit/s). Nestandardní zkratka bps se často používá k nahrazení standardních symbolových bitů/s, takže například 1 Mb/s znamená jeden milion bitů za sekundu.

Ve většině výpočetních a digitálních komunikačních prostředí jeden bajt za sekundu (symbol: B/s ) odpovídá 8 bitům/s.

Předpony

Při kvantifikaci velkých nebo malých bitových rychlostí se používají předpony SI (známé také jako metrické předpony nebo desetinné předpony), tedy:

0,001 bit/s = 1  mbit/s (jeden bit za tisíc sekund)
1 000 bitů/s = 1  kbit/s ( tisíc bitů za sekundu)
1 000 000 bitů/s = 1  Mbit/s (jeden milion bitů za sekundu)
1 000 000 000 bitů/s = 1  Gbit/s (jedna miliarda bitů za sekundu)

Pro přenosové rychlosti se někdy používají binární předpony . Mezinárodní norma ( IEC 80000-13 ) specifikuje různé zkratky pro předpony binárních a desetinných (SI) (např. 1 KiB /s = 1024 B/s = 8192 bit/s a 1 MiB /s = 1024 KiB/s).

V datové komunikaci

Hrubá přenosová rychlost

V digitálních komunikačních systémech, na fyzické vrstvy hrubého datovým tokem , surový bitrate , přenosovou rychlostí , hrubá rychlost přenosu dat nebo nekódovaný přenosovou rychlost (někdy psaný jako proměnná R b nebo f b ), je celkový počet fyzicky přenesených bitů za sekundu více než komunikační spojení, včetně užitečných dat a také režie protokolu.

V případě sériové komunikace se hrubý datový tok vztahuje k bitovému přenosovému času jako:

Hrubá bitová rychlost souvisí se symbolovou rychlostí nebo rychlostí modulace, která je vyjádřena v baudech nebo symbolech za sekundu. Hrubá bitová rychlost a přenosová hodnota jsou však stejné pouze v případě, že na symbol existují pouze dvě úrovně, což představuje 0 a 1, což znamená, že každý symbol systému přenosu dat nese přesně jeden bit dat; například to není případ moderních modulačních systémů používaných v modemech a zařízeních LAN.

Pro většinu linkových kódů a metod modulace :

Přesněji lze přenášet linkový kód (nebo schéma přenosu v základním pásmu ) představující data využívající pulzní amplitudovou modulaci s různými úrovněmi napětí . Způsob digitální modulace (nebo schéma přenosu propustného pásma ) využívající různé symboly, například amplitudy, fáze nebo frekvence, se může přenášet . Výsledkem je:

Výjimkou z výše uvedeného jsou některé samo synchronizující se řádkové kódy, například kódování Manchester a kódování návratu k nule (RTZ), kde každý bit je reprezentován dvěma impulsy (stavy signálu), což má za následek:

Teoretická horní hranice pro symbolovou rychlost v baudech, symboly/s nebo pulsy/s pro určitou spektrální šířku pásma v hertzech je dána Nyquistovým zákonem :

V praxi lze k této horní hranici přistupovat pouze pro schémata kódování řádků a pro takzvanou digitální modulaci vestigal postranního pásma . Většinu ostatních schémat modulovaných digitální nosnou, například ASK , PSK , QAM a OFDM , lze charakterizovat jako modulaci dvojitého postranního pásma, což má za následek následující vztah:

V případě paralelní komunikace je hrubá přenosová rychlost dána vztahem

kde n je počet paralelních kanálů, M i je počet symbolů nebo úrovní modulace v i -tom kanálu a T i je doba trvání symbolu vyjádřená v sekundách pro i -tý kanál.

Informační rychlost

Fyzická vrstva čistého datový tok , informace o rychlosti , užitečné přenosová rychlost , užitečné zatížení rychlost , čistá rychlost přenosu dat , kódovaný přenosová rychlost , efektivní rychlost přenosu dat nebo rychlost drátu (neformální jazyk) digitálního komunikačního kanálu je kapacita vyjma fyzické vrstvy režii protokolu, například rámcové bity s časovým multiplexem (TDM) , kódy redundantní dopředné korekce chyb (FEC), tréninkové symboly ekvalizéru a další kódování kanálů . Kódy pro opravu chyb jsou běžné zejména v bezdrátových komunikačních systémech, standardech širokopásmového modemu a moderních vysokorychlostních LAN na bázi mědi. Čistý datový tok fyzické vrstvy je datový tok měřený v referenčním bodě v rozhraní mezi vrstvou datového odkazu a fyzickou vrstvou, a v důsledku toho může zahrnovat datové spojení a vyšší vrstvu nad hlavou.

V modemech a bezdrátových systémech se často používá přizpůsobení linky (automatické přizpůsobení rychlosti přenosu dat a schéma kódování modulace a/nebo chyby kvalitě signálu). V tomto kontextu termín špičkový datový tok označuje čistý datový tok nejrychlejšího a nejméně robustního přenosového režimu, který se používá například tehdy, když je vzdálenost mezi vysílačem a vysílačem velmi krátká. Některé operační systémy a síťová zařízení mohou detekovat „ rychlost připojení “ (neformální jazyk) technologie přístupu k síti nebo komunikačního zařízení, což naznačuje aktuální čistou přenosovou rychlost. Všimněte si toho, že termín řádková rychlost je v některých učebnicích definován jako hrubý bitový tok, v jiných jako čistý bitový tok.

Vztah mezi hrubou bitovou rychlostí a čistou bitovou rychlostí je ovlivněn rychlostí kódu FEC podle následujícího.

Čistá přenosová rychlost ≤ Hrubá přenosová rychlost · kódová rychlost

Rychlost připojení technologie, která zahrnuje dopřednou opravu chyb, obvykle odpovídá čisté bitové rychlosti fyzické vrstvy v souladu s výše uvedenou definicí.

Například čistá přenosová rychlost (a tedy „rychlost připojení“) bezdrátové sítě IEEE 802.11a je čistá přenosová rychlost mezi 6 a 54 Mbit/s, zatímco hrubá přenosová rychlost je mezi 12 a 72 Mbit/s včetně kódů opravujících chyby.

Čistá přenosová rychlost rozhraní ISDN2 Basic Rate Interface (2 B-kanály+1 D-kanál) 64+64+16 = 144 kbit/s také odkazuje na datové rychlosti užitečného zatížení, zatímco signalizační rychlost D kanálu je 16 kbit/s .

Čistá bitová rychlost standardu fyzické vrstvy Ethernet 100Base-TX je 100 Mbit/s, zatímco hrubý datový tok je 125 Mbit/s, díky kódování 4B5B (čtyři bity nad pět bitů). V tomto případě je hrubý bitový tok vzhledem k linkovému kódu NRZI roven symbolové rychlosti nebo tepové frekvenci 125 megabajtů .

V komunikačních technologiích bez dopředné korekce chyb a jiných režií protokolu fyzické vrstvy neexistuje žádný rozdíl mezi hrubou bitovou rychlostí a čistou bitovou rychlostí fyzické vrstvy. Například čistá i hrubá přenosová rychlost Ethernetu 10Base-T je 10 Mbit/s. Kvůli kódu Manchesterské linky je každý bit reprezentován dvěma pulzy, což má za následek pulzní rychlost 20 megabaudů.

"Rychlost připojení" modemu hlasového pásma V.92 se typicky týká hrubé přenosové rychlosti, protože neexistuje žádný další kód pro opravu chyb. Může to být až 56 000 bit/s downstream a 48 000 bit/s upstream . Během fáze navazování spojení může být zvolena nižší bitová rychlost díky adaptivní modulaci  -v případě špatného poměru signálu k šumu jsou zvolena pomalejší, ale robustnější modulační schémata . Kvůli kompresi dat může být skutečná rychlost přenosu dat nebo propustnost (viz níže) vyšší.

Kapacita kanálu , známá také jako Shannonova kapacita, je teoretickou horní hranicí pro maximální čistý datový tok, bez kódování dopředné chybové korekce, což je možné bez bitových chyb pro určité fyzické analogové komunikační spojení mezi uzly .

čistý bitový tok ≤ kapacita kanálu

Kapacita kanálu je úměrná analogové šířce pásma v hertzech. Tato proporcionalita se nazývá Hartleyův zákon . V důsledku toho se čistá přenosová rychlost někdy nazývá kapacita digitální šířky pásma v bit/s.

Propustnost sítě

Termín propustnost , v podstatě to samé jako spotřeba šířky digitálního pásma , označuje dosaženou průměrnou užitečnou přenosovou rychlost v počítačové síti přes logické nebo fyzické komunikační spojení nebo prostřednictvím síťového uzlu, typicky měřeno v referenčním bodě nad vrstvou datového odkazu . To znamená, že propustnost často vylučuje režii protokolu vrstvy datového spoje. Propustnost je ovlivněna vytížením provozu z daného zdroje dat, jakož i z jiných zdrojů sdílejících stejné síťové prostředky. Viz také měření propustnosti sítě .

Goodput (rychlost přenosu dat)

Goodput neboli rychlost přenosu dat označuje dosaženou průměrnou čistou bitovou rychlost, která je dodávána do aplikační vrstvy , bez režie všech protokolů, opakovaných přenosů datových paketů atd. Například v případě přenosu souboru odpovídá goodput dosaženému souboru přenosová rychlost . Rychlost přenosu souborů v bitech/s lze vypočítat jako velikost souboru (v bajtech) vydělená časem přenosu souboru (v sekundách) a vynásobená osmi.

Dobrý výkon nebo rychlost přenosu dat modemu hlasového pásma V.92 je například ovlivněna protokoly fyzické vrstvy modemu a vrstvy datového spoje. Někdy je vyšší než datová rychlost fyzické vrstvy díky kompresi dat V.44 a někdy nižší kvůli bitovým chybám a automatickým opakovaným přenosům požadavků na opakování.

Pokud síťová zařízení nebo protokoly neposkytují žádnou kompresi dat, máme následující vztah:

dobrá propustnost ≤ propustnost ≤ maximální propustnost ≤ čistá přenosová rychlost

pro určitou komunikační cestu.

Vývojové trendy

Toto jsou příklady čistých bitových rychlostí fyzické vrstvy v navrhovaných komunikačních standardních rozhraních a zařízeních:

WAN modemy Ethernetová LAN WiFi WLAN Mobilní data
  • 1972: Akustická spojka 300 baudů
  • 1977: 1200 baudů Vadic a Bell 212A
  • 1986: ISDN zaveden se dvěma kanály 64 kbit/s (hrubá přenosová rychlost 144 kbit/s)
  • 1990: V.32bis modemy : 2400/4800/9600/19200 bit / s
  • 1994: V.34 modemy s 28,8 kbit/s
  • 1995: V.90 modemy s 56 kbit/s downstream, 33,6 kbit/s upstream
  • 1999: V.92 modemy s 56 kbit/s downstream, 48 kbit/s upstream
  • 1998: ADSL (ITU G.992.1) až 10 Mbit/s
  • 2003: ADSL2 (ITU G.992.3) až 12 Mbit/s
  • 2005: ADSL2+ (ITU G.992.5) až 26 Mbit/s
  • 2005: VDSL2 (ITU G.993.2) až 200 Mbit/s
  • 2014: G.fast (ITU G.9701) až 1000 Mbit/s
  • 1G :
    • 1981: NMT 1200 bit/s
  • 2G :
  • 3G :
    • 2001: UMTS -FDD ( WCDMA ) 384 kbit/s
    • 2007: UMTS HSDPA 14,4 Mbit/s
    • 2008: UMTS HSPA 14,4 Mbit/s dolů, 5,76 Mbit/s nahoru
    • 2009: HSPA+ (bez MIMO ) 28 Mbit/s downstream (56 Mbit/s s 2 × 2 MIMO), 22 Mbit/s upstream
    • 2010: CDMA2000 EV-DO Rev. B 14,7 Mbit/s downstream
    • 2011: HSPA+ zrychlil (s MIMO) 42 Mbit/s po proudu
  • Pre-4G :
    • 2007: Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) 144 Mbit/s dolů, 35 Mbit/s nahoru
    • 2009: LTE 100 Mbit/s downstream (360 Mbit/s s MIMO 2 × 2), 50 Mbit/s upstream
  • 5G

Viz také srovnání standardů mobilních telefonů

Další příklady, viz seznam přenosových rychlostí zařízení , spektrální srovnání účinnosti stolu a OFDM srovnávací tabulku systémového .

Multimédia

V digitálních multimédiích datový tok představuje množství informací nebo detailů, které jsou uloženy za jednotku času záznamu. Bitová rychlost závisí na několika faktorech:

  • Z původního materiálu lze odebírat vzorky na různých frekvencích.
  • Vzorky mohou používat různý počet bitů.
  • Data mohou být kódována různými schématy.
  • Informace mohou být digitálně komprimovány různými algoritmy nebo v různých stupních.

Obecně se rozhoduje o výše uvedených faktorech, aby se dosáhlo požadovaného kompromisu mezi minimalizací datového toku a maximalizací kvality materiálu při jeho přehrávání.

Pokud je na zvukových nebo obrazových datech použita komprimace ztrátových dat, budou zavedeny rozdíly oproti původnímu signálu; pokud je komprese podstatná nebo jsou ztrátová data dekomprimována a znovu komprimována, může to být patrné ve formě kompresních artefaktů . Zda tyto ovlivňují vnímanou kvalitu, a pokud ano, jak moc, závisí na schématu komprese, výkonu kodéru, charakteristikách vstupních dat, vnímání posluchače, obeznámenosti posluchače s artefakty a prostředí poslechu nebo prohlížení.

Přenosové rychlosti v této části jsou přibližně minimální, které by průměrný posluchač v typickém prostředí pro poslech nebo prohlížení při použití nejlepší dostupné komprese vnímal jako ne výrazně horší než referenční standard:

Bitová rychlost kódování

V digitálních multimediálních , přenosová rychlost se vztahuje k počtu bitů za sekundu, aby představují kontinuální médium, jako jsou audio nebo videa po zdrojové kódování (komprese dat). Bitová rychlost kódování multimediálního souboru je jeho velikost v bajtech dělená dobou přehrávání záznamu (v sekundách), vynásobená osmi.

Pro streamování multimédií v reálném čase je bitová rychlost kódování dobrým výkonem, který je nutný k zabránění přerušení:

bitová rychlost kódování = požadovaný goodput

Termín průměrný datový tok se používá v případě schémat kódování multimediálních zdrojů s proměnným datovým tokem . V této souvislosti je maximální bitová rychlost maximální počet bitů požadovaný pro jakýkoli krátkodobý blok komprimovaných dat.

Teoretickou dolní hranicí bitové rychlosti kódování pro bezztrátovou kompresi dat je rychlost zdrojové informace , známá také jako rychlost entropie .

entropická rychlost ≤ multimediální přenosová rychlost

Zvuk

CD-DA

O standardním zvukovém disku CD-DA se říká, že má datový tok 44,1 kHz/16, což znamená, že zvuková data byla vzorkována 44 100krát za sekundu a s bitovou hloubkou 16. CD-DA je také stereofonní pomocí levý a pravý kanál , takže množství zvukových dat za sekundu je dvojnásobné než u mono, kde je použit pouze jeden kanál.

Bitovou rychlost zvukových dat PCM lze vypočítat podle následujícího vzorce:

Bitovou rychlost záznamu CD-DA (vzorkovací frekvence 44,1 kHz, 16 bitů na vzorek a dva kanály) lze například vypočítat následovně:

Kumulativní velikost délky zvukových dat PCM (kromě záhlaví souboru nebo jiných metadat ) lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Kumulativní velikost v bajtech lze zjistit vydělením velikosti souboru v bitech počtem bitů v bajtu, což je osm:

80 minut (4800 sekund) dat CD-DA proto vyžaduje 846 720 000 bajtů úložiště:

MP3

MP3 formátu audio poskytuje ztrátovou kompresi dat . Kvalita zvuku se zlepšuje s rostoucím datovým tokem:

  • 32 kbit/s - obecně přijatelné pouze pro řeč
  • 96 kbit/s-obecně se používá pro přenos řeči nebo streamování nízké kvality
  • 128 nebo 160 kbit/s-kvalita bitrate střední třídy
  • 192 kbit/s - bitrate střední kvality
  • 256 kbit/s-běžně používaný vysoce kvalitní bitrate
  • 320 kbit/s - nejvyšší úroveň podporovaná standardem MP3

Jiný zvuk

  • 700 bit/s-kodek kodeku s otevřeným zdrojovým kódem s nejnižší přenosovou rychlostí Codec2 , ale zatím sotva rozpoznatelný, zní mnohem lépe při 1,2 kbit/s
  • 800 bit/s-minimum nutné pro rozpoznatelnou řeč pomocí speciálních řečových kodeků FS-1015
  • 2,15 kbit/s-minimální přenosová rychlost dostupná prostřednictvím open-source kodeku Speex
  • 6 kbit/s-minimální datový tok dostupný prostřednictvím open-source kodeku Opus
  • 8 kbit/s - kvalita telefonu pomocí řečových kodeků
  • 32–500 kbit/s - ztrátový zvuk, jak se používá v Ogg Vorbis
  • 256 kbit/s - K dosažení vysoce kvalitního signálu je zapotřebí bitová rychlost MP2 pro digitální audio vysílání ( DAB )
  • 292 kbit/s - Sony Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC) pro použití ve formátu MiniDisc
  • 400 kbit/s – 1411 kbit/s - bezztrátový zvuk používaný ve formátech, jako je Free Lossless Audio Codec , WavPack nebo Monkey's Audio pro kompresi zvuku z disku CD
  • 1 411,2 kbit/s- lineární zvukový formát PCM CD-DA
  • 5 644,8 kbit/s - DSD , což je ochranná známka implementace zvukového formátu PDM používaného na disku Super Audio CD .
  • 6,144 Mbit/s-E-AC-3 (Dolby Digital Plus), vylepšený systém kódování založený na kodeku AC-3
  • 9,6 Mbit/s- DVD-Audio , digitální formát pro poskytování vysoce věrného zvukového obsahu na disku DVD. DVD-Audio není zamýšlen jako formát pro doručování videa a není stejný jako video DVD obsahující koncertní filmy nebo hudební videa. Tyto disky nelze přehrávat na standardním přehrávači DVD bez loga DVD-Audio.
  • 18 Mbit/s - pokročilý bezeztrátový zvukový kodek založený na Meridian Lossless Packing (MLP)

Video

  • 16 kbit/s- kvalita videotelefonu (minimum nutné pro spotřebitelsky přijatelný obraz „mluvící hlavy“ pomocí různých schémat komprese videa)
  • 128–384 kbit/s- kvalita videokonferencí zaměřená na podnikání pomocí komprese videa
  • 400 kbit/s YouTube 240p videa (pomocí H.264 )
  • 750 kbit/s videa na YouTube 360p (pomocí H.264 )
  • 1 Mbit/s YouTube 480p videa (pomocí H.264 )
  • 1,15 Mbit/s max - kvalita VCD (pomocí komprese MPEG1 )
  • 2,5 Mbit/s YouTube 720p videa (pomocí H.264 )
  • 3,5 Mbit/s typ - kvalita televizního vysílání ve standardním rozlišení (se snížením přenosové rychlosti z komprese MPEG-2)
  • 3,8 Mbit/s YouTube 720p60 (60 FPS ) videa (pomocí H.264)
  • 4,5 Mbit/s videa na YouTube 1080p (pomocí H.264 )
  • 6,8 Mbit/s YouTube 1080p60 (60 FPS ) videa (pomocí H.264)
  • 9,8 Mbit/s max - DVD (pomocí komprese MPEG2 )
  • 8 až 15 Mbit/s typ- kvalita HDTV (se snížením přenosové rychlosti z komprese MPEG-4 AVC)
  • Přibližně 19 Mbit/s - HDV 720p (pomocí komprese MPEG2)
  • 24 Mbit/s max - AVCHD (pomocí komprese MPEG4 AVC )
  • Přibližně 25 Mbit/s - HDV 1080i (pomocí komprese MPEG2)
  • 29,4 Mbit/s max. - HD DVD
  • Max. 40 Mbit/s -Blu-ray disk 1080p (s kompresí MPEG2, MPEG4 AVC nebo VC-1 )
  • 250 Mbit/s max - DCP (pomocí komprese JPEG 2000)
  • 1,4 Gbit/s-10bitové nekomprimované 4: 4: 4 1080p při 24 fps

Poznámky

Z technických důvodů (hardwarové/softwarové protokoly, režie, schémata kódování atd.) Mohou být skutečné přenosové rychlosti používané některými srovnávanými zařízeními výrazně vyšší, než je uvedeno výše. Například telefonní obvody využívající kompilaci µlaw nebo A-law (pulzní kódová modulace) dosahují 64 kbit/s.

Viz také

Reference

externí odkazy