Velocità in bit - Bit rate

Bit rate
Nome Simbolo multiplo
bit al secondo bit/s 1 1
Prefissi decimali ( SI )
kilobit al secondo kbit/s 10 3 1000 1
megabit al secondo Mbit/s 10 6 1000 2
gigabit al secondo Gbit/s 10 9 1000 3
terabit al secondo Tbit/s 10 12 1000 4
Prefissi binari ( IEC 80000-13 )
kibibit al secondo Kibit/i 2 10 1024 1
mebibit al secondo Mibit/i 2 20 1024 2
gibibit al secondo Gibit/s 2 30 1024 3
tebibit al secondo Tibit/s 2 40 1024 4

Nelle telecomunicazioni e nell'informatica , il bit rate ( bitrate o come variabile R ) è il numero di bit che vengono trasmessi o elaborati per unità di tempo.

Il bit rate è espresso nell'unità bit per secondo (simbolo: bit/s ), spesso in combinazione con un prefisso SI come kilo (1 kbit/s = 1.000 bit/s), mega (1 Mbit/s = 1.000 kbit/s), giga (1 Gbit/s = 1.000 Mbit/s) o tera (1 Tbit/s = 1.000 Gbit/s). L'abbreviazione non standard bps viene spesso utilizzata per sostituire il/i simbolo bit/s standard, in modo che, ad esempio, 1 Mbps venga utilizzato per indicare un milione di bit al secondo.

Nella maggior parte degli ambienti informatici e di comunicazione digitale, un byte al secondo (simbolo: B/s ) corrisponde a 8 bit/s.

prefissi

Quando si quantificano bit rate grandi o piccoli, vengono utilizzati i prefissi SI (noti anche come prefissi metrici o prefissi decimali), quindi:

0,001 bit/s = 1  mbit/s (un bit per mille secondi)
1.000 bit/s = 1  kbit/s ( mille bit al secondo)
1.000.000 bit/s = 1  Mbit/s (un milione di bit al secondo)
1.000.000.000 bit/s = 1  Gbit/s (un miliardo di bit al secondo)

I prefissi binari vengono talvolta utilizzati per i bit rate. La norma internazionale ( IEC 80000-13 ) specifica diverse abbreviazioni per i prefissi binari e decimali (SI) (ad es. 1 KiB /s = 1024 B/s = 8192 bit/s e 1 MiB /s = 1024 KiB/s).

Nella comunicazione dei dati

Bitrate lordo

Nei sistemi di comunicazione digitale, il livello fisico bitrate lordo , bitrate grezzo , velocità di segnalazione dati , velocità di trasferimento dati lorda o velocità di trasmissione non codificata (a volte scritta come una variabile R b o f b ) è il numero totale di bit trasferiti fisicamente al secondo su un collegamento di comunicazione, inclusi dati utili e sovraccarico del protocollo.

In caso di comunicazioni seriali , il bit rate lordo è correlato al tempo di trasmissione bit come:

La velocità in bit lorda è correlata alla velocità dei simboli o velocità di modulazione, che è espressa in baud o simboli al secondo. Tuttavia, il bit rate lordo e il valore baud sono uguali solo quando ci sono solo due livelli per simbolo, che rappresentano 0 e 1, il che significa che ogni simbolo di un sistema di trasmissione dati trasporta esattamente un bit di dati; ad esempio, questo non è il caso dei moderni sistemi di modulazione utilizzati nei modem e nelle apparecchiature LAN.

Per la maggior parte dei codici di linea e dei metodi di modulazione :

Più specificamente , può trasferire un codice di linea (o schema di trasmissione in banda base ) che rappresenta i dati utilizzando la modulazione di ampiezza dell'impulso con diversi livelli di tensione . Un metodo di modulazione digitale (o schema di trasmissione in banda passante ) che utilizza simboli diversi, ad esempio ampiezze, fasi o frequenze, può trasferire . Questo risulta in:

Un'eccezione a quanto sopra è rappresentata da alcuni codici di linea autosincronizzanti, ad esempio la codifica Manchester e la codifica RTZ ( return-to-zero ), in cui ogni bit è rappresentato da due impulsi (stati del segnale), che risultano in:

Un limite superiore teorico per il symbol rate in baud, simboli/s o impulsi/s per una certa larghezza di banda spettrale in hertz è dato dalla legge di Nyquist :

In pratica questo limite superiore può essere raggiunto solo per schemi di codifica di linea e per la cosiddetta modulazione digitale in banda laterale vestigal . La maggior parte degli altri schemi modulati da portante digitale, ad esempio ASK , PSK , QAM e OFDM , possono essere caratterizzati come modulazione a doppia banda laterale , risultando nella seguente relazione:

In caso di comunicazione parallela , il bit rate lordo è dato da

dove n è il numero di canali paralleli, M i è il numero di simboli o livelli della modulazione nel canale i -esimo , e T i è il tempo di durata del simbolo , espresso in secondi, per il canale i -esimo.

Tasso di informazione

Il livello fisico bitrate netto , tasso di dati , bit rate utile , tasso di carico , velocità di trasferimento dati utili , velocità di trasmissione codificata , tasso di dati effettivo o velocità del filo (linguaggio informale) di un digitale canale di comunicazione è la capacità escluso il livello fisico overhead di protocollo, ad esempio bit di framing multiplex a divisione di tempo (TDM) , codici FEC (Frection Error Correction) ridondanti , simboli di addestramento dell'equalizzatore e altri codici di canale . I codici di correzione degli errori sono comuni soprattutto nei sistemi di comunicazione wireless, negli standard dei modem a banda larga e nelle moderne LAN ad alta velocità basate su rame. Il bitrate netto del livello fisico è il datarate misurato in un punto di riferimento nell'interfaccia tra il livello del collegamento dati e il livello fisico e può di conseguenza includere il collegamento dati e l'overhead del livello superiore.

Nei modem e nei sistemi wireless viene spesso applicato l' adattamento del collegamento (adattamento automatico della velocità dei dati e dello schema di modulazione e/o codifica degli errori alla qualità del segnale). In tale contesto, il termine bitrate di picco indica il bitrate netto della modalità di trasmissione più veloce e meno robusta, utilizzata ad esempio quando la distanza tra mittente e trasmettitore è molto breve. Alcuni sistemi operativi e apparecchiature di rete possono rilevare la " velocità di connessione " (linguaggio informale) di una tecnologia di accesso alla rete o di un dispositivo di comunicazione, il che implica l'attuale bit rate netto. Si noti che il termine velocità di linea in alcuni libri di testo è definito come bit rate lordo, in altri come bit rate netto.

La relazione tra la velocità in bit lorda e la velocità in bit netta è influenzata dalla velocità del codice FEC in base a quanto segue.

Bit rate netto ≤ bit rate lordo · code rate

La velocità di connessione di una tecnologia che prevede la correzione dell'errore in avanti si riferisce tipicamente al bit rate netto del livello fisico secondo la definizione di cui sopra.

Ad esempio, il bitrate netto (e quindi la "velocità di connessione") di una rete wireless IEEE 802.11a è il bit rate netto compreso tra 6 e 54 Mbit/s, mentre il bit rate lordo è compreso tra 12 e 72 Mbit/s inclusi di codici correttivi.

Il bit rate netto dell'interfaccia ISDN2 Basic Rate (2 canali B + 1 canale D) di 64+64+16 = 144 kbit/s si riferisce anche ai tassi di dati del payload, mentre il tasso di segnalazione del canale D è di 16 kbit/s .

Il bitrate netto dello standard del livello fisico Ethernet 100Base-TX è di 100 Mbit/s, mentre il bitrate lordo è di 125 Mbit/secondo, grazie alla codifica 4B5B (quattro bit su cinque bit). In questo caso, il bit rate lordo è uguale al symbol rate o alla frequenza di impulsi di 125 megabaud, a causa del codice di linea NRZI .

Nelle tecnologie di comunicazione senza correzione degli errori in avanti e altro sovraccarico del protocollo del livello fisico, non c'è distinzione tra velocità in bit lorda e velocità in bit netta del livello fisico. Ad esempio, il bit rate netto e lordo di Ethernet 10Base-T è di 10 Mbit/s. A causa del codice di linea Manchester , ogni bit è rappresentato da due impulsi, con una frequenza degli impulsi di 20 megabaud.

La "velocità di connessione" di una V.92 banda vocale modem tipicamente si riferisce al bit rate lordo, poiché non v'è alcun codice di correzione errori ulteriori. Può essere fino a 56.000 bit/s in downstream e 48.000 bit/s in upstream . È possibile scegliere una velocità di trasmissione inferiore durante la fase di creazione della connessione a causa della modulazione adattativa  - schemi di modulazione più lenti ma più robusti vengono scelti in caso di scarso rapporto segnale-rumore . A causa della compressione dei dati, la velocità effettiva di trasmissione dei dati o il throughput (vedi sotto) potrebbe essere maggiore.

La capacità del canale , nota anche come capacità di Shannon , è un limite superiore teorico per il bitrate netto massimo, esclusa la codifica di correzione degli errori in avanti, che è possibile senza errori di bit per un determinato collegamento di comunicazione da nodo a nodo analogico fisico .

bit rate netto capacità del canale

La capacità del canale è proporzionale alla larghezza di banda analogica in hertz. Questa proporzionalità è chiamata legge di Hartley . Di conseguenza, il bit rate netto è talvolta chiamato capacità di larghezza di banda digitale in bit/s.

Throughput di rete

Il termine throughput , essenzialmente la stessa cosa del consumo di larghezza di banda digitale , denota il bit rate utile medio raggiunto in una rete di computer su un collegamento di comunicazione logico o fisico o attraverso un nodo di rete, tipicamente misurato in un punto di riferimento sopra il livello del collegamento dati . Ciò implica che il throughput spesso esclude l'overhead del protocollo a livello di collegamento dati. Il throughput è influenzato dal carico di traffico dall'origine dati in questione, nonché da altre origini che condividono le stesse risorse di rete. Vedere anche misurazione del throughput di rete .

Goodput (velocità di trasferimento dati)

Goodput o velocità di trasferimento dati si riferisce al bit rate netto medio raggiunto che viene consegnato al livello dell'applicazione , escludendo tutto l'overhead del protocollo, le ritrasmissioni dei pacchetti di dati, ecc. Ad esempio, nel caso del trasferimento di file, il goodput corrisponde al file ottenuto velocità di trasferimento . La velocità di trasferimento del file in bit/s può essere calcolata come la dimensione del file (in byte) divisa per il tempo di trasferimento del file (in secondi) e moltiplicata per otto.

Ad esempio, il goodput o la velocità di trasferimento dati di un modem a banda vocale V.92 è influenzato dal livello fisico del modem e dai protocolli del livello di collegamento dati. A volte è superiore alla velocità dei dati del livello fisico a causa della compressione dei dati V.44 e talvolta inferiore a causa di errori di bit e ritrasmissioni automatiche di richieste di ripetizione .

Se non viene fornita alcuna compressione dei dati dall'apparecchiatura di rete o dai protocolli, si ha la seguente relazione:

goodput ≤ throughput ≤ throughput massimo ≤ bit rate netto

per un determinato percorso di comunicazione.

Tendenze di progresso

Questi sono esempi di bit rate di rete del livello fisico nelle interfacce e nei dispositivi standard di comunicazione proposti:

Modem WAN LAN Ethernet Wi- Fi Wi- Fi Dati mobili
  • 1972: Accoppiatore acustico 300 baud
  • 1977: 1200 baud Vadic e Bell 212A
  • 1986: ISDN introdotto con due canali a 64 kbit/s (144 kbit/s lordo bit rate)
  • 1990: modem V.32bis : 2400 / 4800 / 9600 / 19200 bit/s
  • 1994: modem V.34 con 28,8 kbit/s
  • 1995: modem V.90 con downstream 56 kbit/s, upstream 33.6 kbit/s
  • 1999: modem V.92 con downstream 56 kbit/s, upstream 48 kbit/s
  • 1998: ADSL (ITU G.992.1) fino a 10 Mbit/s
  • 2003: ADSL2 (ITU G.992.3) fino a 12 Mbit/s
  • 2005: ADSL2+ (ITU G.992.5) fino a 26 Mbit/s
  • 2005: VDSL2 (ITU G.993.2) fino a 200 Mbit/s
  • 2014: G.fast (ITU G.9701) fino a 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 verso il basso, 5,76 Mbit/s verso l'alto
    • 2009: HSPA+ (senza MIMO ) 28 Mbit/s downstream (56 Mbit/s con 2×2 MIMO), 22 Mbit/s upstream
    • 2010: CDMA2000 EV-DO Rev. B 14,7 Mbit/s downstream
    • 2011: HSPA+ accelerato (con MIMO) 42 Mbit/s downstream
  • Pre-4G :
    • 2007: Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) 144 Mbit/s in diminuzione, 35 Mbit/s in aumento
    • 2009: LTE 100 Mbit/s downstream (360 Mbit/s con MIMO 2×2), 50 Mbit/s upstream
  • 5G

Vedi anche il confronto degli standard di telefonia mobile

Per ulteriori esempi, vedere l' elenco delle velocità in bit del dispositivo , la tabella di confronto dell'efficienza spettrale e la tabella di confronto del sistema OFDM .

Multimedia

Nei multimedia digitali, il bitrate rappresenta la quantità di informazioni, o dettagli, che vengono memorizzati per unità di tempo di una registrazione. Il bitrate dipende da diversi fattori:

  • Il materiale originale può essere campionato a frequenze diverse.
  • I campioni possono utilizzare diversi numeri di bit.
  • I dati possono essere codificati con schemi diversi.
  • Le informazioni possono essere compresse digitalmente da algoritmi diversi o in gradi diversi.

Generalmente, vengono effettuate delle scelte sui fattori di cui sopra al fine di ottenere il compromesso desiderato tra la riduzione al minimo del bitrate e l'ottimizzazione della qualità del materiale durante la riproduzione.

Se viene utilizzata la compressione dati con perdita di dati su dati audio o video, verranno introdotte differenze rispetto al segnale originale; se la compressione è sostanziale o i dati con perdita di dati vengono decompressi e ricompressi, ciò può diventare evidente sotto forma di artefatti di compressione . Se questi influiscono sulla qualità percepita e, in caso affermativo, di quanto, dipende dallo schema di compressione, dalla potenza dell'encoder, dalle caratteristiche dei dati di input, dalle percezioni dell'ascoltatore, dalla familiarità dell'ascoltatore con gli artefatti e dall'ambiente di ascolto o di visualizzazione.

I bitrate in questa sezione sono approssimativamente il minimo che l' ascoltatore medio in un tipico ambiente di ascolto o visualizzazione, quando utilizza la migliore compressione disponibile, percepirebbe come non significativamente peggiore dello standard di riferimento:

Codifica bit rate

Nel multimedia digitale , il bit rate si riferisce al numero di bit utilizzati al secondo per rappresentare un mezzo continuo come audio o video dopo la codifica della sorgente (compressione dei dati). Il bit rate di codifica di un file multimediale è la sua dimensione in byte divisa per il tempo di riproduzione della registrazione (in secondi), moltiplicato per otto.

Per lo streaming multimediale in tempo reale , il bit rate di codifica è il goodput necessario per evitare interruzioni:

codifica bit rate = goodput richiesto

Il termine bitrate medio viene utilizzato in caso di schemi di codifica sorgente multimediale a bitrate variabile . In questo contesto, il bit rate di picco è il numero massimo di bit richiesti per qualsiasi blocco di dati compressi a breve termine.

Un limite inferiore teorico per il bit rate di codifica per la compressione dei dati senza perdita di dati è il tasso di informazione sorgente , noto anche come tasso di entropia .

tasso di entropia ≤ bit rate multimediale

Audio

CD-DA

Si dice che il CD-DA , il CD audio standard, abbia una velocità dati di 44,1 kHz/16, il che significa che i dati audio sono stati campionati 44.100 volte al secondo e con una profondità di bit di 16. CD-DA è anche stereo , utilizzando un canale sinistro e destro , quindi la quantità di dati audio al secondo è doppia rispetto a quella mono, dove viene utilizzato un solo canale.

Il bit rate dei dati audio PCM può essere calcolato con la seguente formula:

Ad esempio, il bit rate di una registrazione CD-DA (frequenza di campionamento 44,1 kHz, 16 bit per campione e due canali) può essere calcolato come segue:

La dimensione cumulativa di una lunghezza di dati audio PCM (esclusa l' intestazione di un file o altri metadati ) può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

La dimensione cumulativa in byte può essere trovata dividendo la dimensione del file in bit per il numero di bit in un byte, che è otto:

Pertanto, 80 minuti (4.800 secondi) di dati CD-DA richiedono 846.720.000 byte di spazio di archiviazione:

MP3

Il formato audio MP3 fornisce una compressione dei dati con perdita di dati . La qualità audio migliora con l'aumento del bitrate:

  • 32 kbit/s – generalmente accettabile solo per il parlato
  • 96 kbit/s – generalmente utilizzato per il parlato o lo streaming di bassa qualità
  • 128 o 160 kbit/s – qualità bitrate di fascia media
  • 192 kbit/s – bitrate di media qualità
  • 256 kbit/s – un bitrate di alta qualità comunemente usato
  • 320 kbit/s – massimo livello supportato dallo standard MP3

Altro audio

  • 700 bit/s – codec vocale open source con bitrate più basso Codec2 , ma ancora appena riconoscibile, suona molto meglio a 1.2 kbit/s
  • 800 bit/s – minimo necessario per un parlato riconoscibile, utilizzando i codec vocali speciali FS-1015
  • 2.15 kbit/s – bitrate minimo disponibile tramite il codec Speex open source
  • 6 kbit/s – bitrate minimo disponibile tramite il codec Opus open-source
  • 8 kbit/s – qualità del telefono tramite codec vocali
  • 32–500 kbit/s – audio con perdita come utilizzato in Ogg Vorbis
  • 256 kbit/s – Digital Audio Broadcasting ( DAB ) Bitrate MP2 richiesto per ottenere un segnale di alta qualità
  • 292 kbit/s - Sony Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC) per l'utilizzo sul formato MiniDisc
  • 400 kbit/s–1.411 kbit/s – audio lossless utilizzato in formati come Free Lossless Audio Codec , WavPack o Monkey's Audio per comprimere l'audio del CD
  • 1.411,2 kbit/s – Formato audio PCM lineare di CD-DA
  • 5.644,8 kbit/s – DSD , che è un'implementazione del marchio del formato audio PDM utilizzato su Super Audio CD .
  • 6.144 Mbit/s – E-AC-3 (Dolby Digital Plus), un sistema di codifica avanzato basato sul codec AC-3
  • 9.6 Mbit/s – DVD-Audio , un formato digitale per la distribuzione di contenuti audio ad alta fedeltà su un DVD. Il DVD-Audio non è concepito per essere un formato di distribuzione video e non è lo stesso dei DVD video contenenti film di concerti o video musicali. Questi dischi non possono essere riprodotti su un lettore DVD standard senza il logo DVD-Audio.
  • 18 Mbit/s – codec audio lossless avanzato basato su Meridian Lossless Packing (MLP)

video

  • 16 kbit/s - qualità videotelefono (minimo necessario per un'immagine "testa parlante" accettabile dal consumatore utilizzando vari schemi di compressione video)
  • 128–384 kbit/s – qualità di videoconferenza orientata al business grazie alla compressione video
  • Video YouTube 240p a 400 kbit/s (usando H.264 )
  • Video YouTube 360p a 750 kbit/s (usando H.264 )
  • 1 Mbit/s video YouTube 480p (usando H.264 )
  • 1,15 Mbit/s max – qualità VCD (usando la compressione MPEG1 )
  • Video YouTube 720p a 2,5 Mbit/s (usando H.264 )
  • 3,5 Mbit/s typ – Qualità televisiva a definizione standard (con riduzione del bit rate dalla compressione MPEG-2)
  • Video YouTube 720p60 (60 FPS ) a 3,8 Mbit/s (usando H.264)
  • 4.5 Mbit/s video YouTube 1080p (usando H.264 )
  • Video YouTube 1080p60 (60 FPS ) a 6,8 Mbit/s (usando H.264)
  • 9,8 Mbit/s max – DVD (usando la compressione MPEG2 )
  • Tipico da 8 a 15 Mbit/s – Qualità HDTV (con riduzione del bit rate dalla compressione MPEG-4 AVC)
  • 19 Mbit/s approssimativo – HDV 720p (usando la compressione MPEG2)
  • 24 Mbit/s max – AVCHD (usando la compressione MPEG4 AVC )
  • 25 Mbit/s approssimativo – HDV 1080i (usando la compressione MPEG2)
  • 29,4 Mbit/s massimo – HD DVD
  • 40 Mbit/s max – Disco Blu-ray 1080p (utilizzando la compressione MPEG2, MPEG4 AVC o VC-1 )
  • 250 Mbit/s max – DCP (usando la compressione JPEG 2000)
  • 1,4 Gbit/s – 10-bit 4:4:4 non compresso 1080p a 24 fps

Appunti

Per motivi tecnici (protocolli hardware/software, spese generali, schemi di codifica, ecc.) i bit rate effettivi utilizzati da alcuni dei dispositivi confrontati potrebbero essere significativamente superiori a quelli elencati sopra. Ad esempio, i circuiti telefonici che utilizzano µlaw o A-law companding (modulazione del codice a impulsi) producono 64 kbit/s.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno