Bitrate - Bit rate

Bitraten
Name Symbol Mehrere
Bit pro Sekunde Bit/s 1 1
Dezimalpräfixe ( SI )
Kilobit pro Sekunde kbit/s 10 3 1000 1
Megabit pro Sekunde Mbit/s 10 6 1000 2
Gigabit pro Sekunde Gbit/s 10 9 1000 3
Terabit pro Sekunde Tbit/s 10 12 1000 4
Binäre Präfixe ( IEC 80000-13 )
Kibibit pro Sekunde Kibit/s 2 10 1024 1
Mebibit pro Sekunde Mibit/s 2 20 1024 2
Gibibit pro Sekunde Git/s 2 30 1024 3
Tebibit pro Sekunde Tibit/s 2 40 1024 4

In der Telekommunikation und Informatik ist die Bitrate ( Bitrate oder als Variable R ) die Anzahl der Bits , die pro Zeiteinheit übertragen oder verarbeitet werden.

Die Bitrate wird in der Einheit Bit pro Sekunde (Symbol: Bit/s ) ausgedrückt , oft in Verbindung mit einem SI-Präfix wie Kilo (1 kbit/s = 1.000 Bit/s), Mega (1 Mbit/s = 1.000 ). kbit/s), Giga (1 Gbit/s = 1.000 Mbit/s) oder Tera (1 Tbit/s = 1.000 Gbit/s). Die Nicht-Standard-Abkürzung bps wird oft verwendet, um die Standardsymbolbit/s zu ersetzen, so dass beispielsweise 1 Mbps verwendet wird, um eine Million Bits pro Sekunde zu bedeuten.

In den meisten Computer- und digitalen Kommunikationsumgebungen entspricht ein Byte pro Sekunde (Symbol: B/s ) 8 Bit/s.

Präfixe

Bei der Quantifizierung großer oder kleiner Bitraten werden SI-Präfixe (auch als metrische Präfixe oder Dezimalpräfixe bekannt) verwendet, also:

0,001 Bit/s = 1  Mbit/s (ein Bit pro tausend Sekunden)
1.000 Bit/s = 1  kbit/s ( eintausend Bits pro Sekunde)
1.000.000 Bit/s = 1  Mbit/s (eine Million Bits pro Sekunde)
1.000.000.000 Bit/s = 1  Gbit/s (eine Milliarde Bits pro Sekunde)

Binäre Präfixe werden manchmal für Bitraten verwendet. Der Internationale Standard ( IEC 80000-13 ) spezifiziert verschiedene Abkürzungen für binäre und dezimale (SI) Präfixe (zB 1 KiB /s = 1024 B/s = 8192 Bit/s und 1 MiB /s = 1024 KiB/s).

In der Datenkommunikation

Bruttobitrate

In digitalen Kommunikationssystemen ist die Bruttobitrate der physikalischen Schicht , die Rohbitrate , die Datensignalisierungsrate , die Bruttodatenübertragungsrate oder die uncodierte Übertragungsrate (manchmal als Variable R b oder f b geschrieben ) die Gesamtzahl der physikalisch übertragenen Bits pro Sekunde über a Kommunikationsverbindung, einschließlich Nutzdaten sowie Protokoll-Overhead.

Bei serieller Kommunikation bezieht sich die Bruttobitrate auf die Bitübertragungszeit wie folgt :

Die Bruttobitrate bezieht sich auf die Symbolrate oder Modulationsrate, die in Baud oder Symbolen pro Sekunde ausgedrückt wird . Die Bruttobitrate und der Baudwert sind jedoch nur dann gleich , wenn es nur zwei Ebenen pro Symbol gibt, die 0 und 1 darstellen, was bedeutet, dass jedes Symbol eines Datenübertragungssystems genau ein Datenbit trägt; Dies ist beispielsweise bei modernen Modulationssystemen, die in Modems und LAN-Geräten verwendet werden, nicht der Fall .

Für die meisten Leitungscodes und Modulationsverfahren :

Genauer gesagt kann ein Leitungscode (oder ein Basisband- Übertragungsschema), das die Daten unter Verwendung einer Puls-Amplituden-Modulation mit unterschiedlichen Spannungspegeln darstellt, übertragen werden . Ein digitales Modulationsverfahren (oder Durchlassband-Übertragungsschema ) unter Verwendung verschiedener Symbole, beispielsweise Amplituden, Phasen oder Frequenzen, kann übertragen werden . Das führt zu:

Eine Ausnahme von den obigen sind einige selbstsynchronisierende Zeilencodes, zum Beispiel Manchester-Codierung und Return-to-Zero (RTZ)-Codierung, bei denen jedes Bit durch zwei Impulse (Signalzustände) dargestellt wird, was zu Folgendem führt:

Eine theoretische Obergrenze für die Symbolrate in Baud, Symbolen/s oder Pulsen/s für eine bestimmte spektrale Bandbreite in Hertz wird durch das Nyquist-Gesetz gegeben :

In der Praxis kann diese Obergrenze nur für angefahren werden Leitungscodierung Schemata und für sogenannte Vestigal Seitenband digitale Modulation. Die meisten anderen digitalen trägermodulierten Schemata, zum Beispiel ASK , PSK , QAM und OFDM , können als Doppelseitenbandmodulation charakterisiert werden , was zu folgender Beziehung führt:

Bei paralleler Kommunikation ist die Bruttobitrate gegeben durch

wobei n die Anzahl der parallelen Kanäle ist, M i die Anzahl der Symbole oder Pegel der Modulation im i- ten Kanal ist und T i die Symboldauer , ausgedrückt in Sekunden, für den i- ten Kanal ist.

Informationsrate

Die Bitübertragungsschicht Nettobitrate , Informationsrate , Nutzbitrate , Nutzlastrate , Netto - Datenübertragungsrate , codierte Übertragungsrate , effektive Datenrate oder Drahtgeschwindigkeit (Umgangssprache) eines digitalen Kommunikationskanals ist die Kapazität mit Ausnahme der Bitübertragungsschicht Protokoll - Overhead, zum Beispiel Zeitmultiplex- (TDM) -Rahmenbits , redundante Vorwärtsfehlerkorrektur- (FEC)-Codes, Entzerrer-Trainingssymbole und andere Kanalcodierung . Fehlerkorrekturcodes sind insbesondere in drahtlosen Kommunikationssystemen, Breitbandmodemstandards und modernen kupferbasierten Hochgeschwindigkeits-LANs üblich. Die Nettobitrate der Bitübertragungsschicht ist die Datenrate, die an einem Referenzpunkt in der Schnittstelle zwischen der Datenverbindungsschicht und der Bitübertragungsschicht gemessen wird, und kann folglich den Datenverbindungs- und höheren Schicht-Overhead umfassen.

In Modems und drahtlosen Systemen wird häufig eine Linkanpassung (automatische Anpassung der Datenrate und des Modulations- und/oder Fehlercodierungsschemas an die Signalqualität) angewendet. Der Begriff Spitzenbitrate bezeichnet in diesem Zusammenhang die Nettobitrate des schnellsten und am wenigsten robusten Übertragungsmodus, der beispielsweise verwendet wird, wenn die Entfernung zwischen Sender und Sender sehr gering ist. Einige Betriebssysteme und Netzwerkgeräte können die „ Verbindungsgeschwindigkeit “ (informelle Sprache) einer Netzwerkzugangstechnologie oder eines Kommunikationsgeräts erkennen, was die aktuelle Netto-Bitrate impliziert. Beachten Sie, dass der Begriff Zeilenrate in einigen Lehrbüchern als Bruttobitrate definiert ist, in anderen als Nettobitrate.

Die Beziehung zwischen der Bruttobitrate und der Nettobitrate wird durch die FEC -Coderate wie folgt beeinflusst.

Nettobitrate ≤ Bruttobitrate · Coderate

Die Verbindungsgeschwindigkeit einer Technologie, die Vorwärtsfehlerkorrektur beinhaltet bezieht sich typischerweise auf die Bitübertragungsschicht Nettobitrate in Übereinstimmung mit der obigen Definition.

Beispielsweise beträgt die Netto-Bitrate (und damit die „Verbindungsgeschwindigkeit“) eines IEEE 802.11a- Funknetzes die Netto-Bitrate zwischen 6 und 54 Mbit/s, während die Brutto-Bitrate zwischen 12 und 72 Mbit/s einschließlich liegt von fehlerkorrigierenden Codes.

Die Nettobitrate des ISDN2 Basic Rate Interface (2 B-Kanäle + 1 D-Kanal) von 64+64+16 = 144 kbit/s bezieht sich auch auf die Nutzdatenraten, während die D-Kanal Signalisierungsrate 16 kbit/s beträgt .

Die Nettobitrate des Bitübertragungsschichtstandards Ethernet 100Base-TX beträgt 100 Mbit/s, während die Bruttobitrate 125 Mbit/s beträgt, aufgrund der 4B5B- Codierung (vier Bit über fünf Bit). In diesem Fall ist die Bruttobitrate aufgrund des NRZI- Leitungscodes gleich der Symbolrate oder Pulsrate von 125 Megabaud .

In Kommunikationstechnologien ohne Vorwärtsfehlerkorrektur und anderen Protokoll-Overhead der Bitübertragungsschicht gibt es keinen Unterschied zwischen der Bruttobitrate und der Nettobitrate der Bitübertragungsschicht. Beispielsweise beträgt die Netto- sowie die Brutto-Bitrate von Ethernet 10Base-T 10 Mbit/s. Aufgrund des Manchester- Leitungscodes wird jedes Bit durch zwei Pulse repräsentiert, was zu einer Pulsrate von 20 Megabaud führt.

Die „Verbindungsgeschwindigkeit“ ein V.92 Sprachband - Modem typischerweise auf die Bruttobitrate bezeichnet, da es kein zusätzlicher Fehlerkorrekturcode ist. Sie kann bis zu 56.000 Bit/s Downstream und 48.000 Bit/s Upstream betragen . Während der Verbindungsaufbauphase kann aufgrund der adaptiven Modulation eine niedrigere Bitrate gewählt werden  – bei schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis werden langsamere, aber robustere Modulationsverfahren gewählt . Aufgrund der Datenkompression kann die tatsächliche Datenübertragungsrate bzw. der Durchsatz (siehe unten) höher sein.

Die Kanalkapazität , auch als Shannon- Kapazität bekannt, ist eine theoretische Obergrenze für die maximale Netto-Bitrate, ausschließlich der Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung, die ohne Bitfehler für eine bestimmte physikalische analoge Knoten-zu-Knoten- Kommunikationsverbindung möglich ist .

Nettobitrate ≤ Kanalkapazität

Die Kanalkapazität ist proportional zur analogen Bandbreite in Hertz. Diese Proportionalität wird als Hartleysches Gesetz bezeichnet . Folglich wird die Nettobitrate manchmal als digitale Bandbreitenkapazität in Bit/s bezeichnet.

Netzwerkdurchsatz

Der Begriff Durchsatz , im wesentlichen dasselbe, wie digitale Bandbreite Verbrauch bezeichnet die erzielten durchschnittlichen Nutzbitrate in einem Computernetzwerk über eine logische oder physikalische Kommunikationsverbindung oder über einen Netzwerkknoten, die typischerweise an einem Referenzpunkt über der gemessene Datenverbindungsschicht . Dies impliziert, dass der Durchsatz häufig den Overhead des Protokolls der Sicherungsschicht ausschließt. Der Durchsatz wird durch die Verkehrslast von der betreffenden Datenquelle sowie von anderen Quellen beeinflusst, die sich dieselben Netzwerkressourcen teilen. Siehe auch Messung des Netzwerkdurchsatzes .

Goodput (Datenübertragungsrate)

Goodput oder Datenübertragungsrate bezieht sich auf die erreichte durchschnittliche Nettobitrate , die an die Anwendungsschicht geliefert wird , ohne alle Protokoll-Overheads, erneute Übertragungen von Datenpaketen usw. Im Fall einer Dateiübertragung entspricht die Goodput beispielsweise der erreichten Datei Übertragungsrate . Die Dateiübertragungsrate in Bit/s kann berechnet werden als Dateigröße (in Bytes) geteilt durch die Dateiübertragungszeit (in Sekunden) und multipliziert mit acht.

Beispielsweise wird die Goodput- oder Datenübertragungsrate eines V.92-Sprachbandmodems durch die Protokolle der physikalischen Schicht und der Sicherungsschicht des Modems beeinflusst. Aufgrund der V.44 -Datenkomprimierung ist sie manchmal höher als die Datenrate der Bitübertragungsschicht und manchmal niedriger aufgrund von Bitfehlern und automatischen Wiederholungswiederholungen der Anforderung .

Wenn von den Netzwerkgeräten oder -protokollen keine Datenkomprimierung bereitgestellt wird, haben wir die folgende Beziehung:

guter Durchsatz ≤ Durchsatz ≤ maximaler Durchsatz ≤ Nettobitrate

für einen bestimmten Kommunikationsweg.

Fortschrittstrends

Dies sind Beispiele für die Nettobitraten der Bitübertragungsschicht in vorgeschlagenen Kommunikationsstandardschnittstellen und -geräten:

WAN- Modems Ethernet- LAN WLAN- WLAN Mobile Daten
  • 1972: Akustikkoppler 300 Baud
  • 1977: 1200 Baud Vadic und Bell 212A
  • 1986: Einführung von ISDN mit zwei 64-kbit/s-Kanälen (144 kbit/s Bruttobitrate)
  • 1990: V.32bis- Modems : 2400 / 4800 / 9600 / 19200 Bit/s
  • 1994: V.34- Modems mit 28,8 kbit/s
  • 1995: V.90- Modems mit 56 kbit/s Downstream, 33,6 kbit/s Upstream
  • 1999: V.92- Modems mit 56 kbit/s Downstream, 48 kbit/s Upstream
  • 1998: ADSL (ITU G.992.1) bis 10 Mbit/s
  • 2003: ADSL2 (ITU G.992.3) bis 12 Mbit/s
  • 2005: ADSL2+ (ITU G.992.5) bis 26 Mbit/s
  • 2005: VDSL2 (ITU G.993.2) bis 200 Mbit/s
  • 2014: G.fast (ITU G.9701) bis 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 down, 5,76 Mbit/s up
    • 2009: HSPA+ (ohne MIMO ) 28 Mbit/s Downstream (56 Mbit/s mit 2×2 MIMO), 22 Mbit/s Upstream
    • 2010: CDMA2000 EV-DO Rev. B 14,7 Mbit/s Downstream
    • 2011: HSPA+ beschleunigt (mit MIMO) 42 Mbit/s Downstream
  • Vor-4G :
    • 2007: Mobiles WiMAX (IEEE 802.16e) 144 Mbit/s down, 35 Mbit/s up
    • 2009: LTE 100 Mbit/s Downstream (360 Mbit/s mit MIMO 2×2), 50 Mbit/s Upstream
  • 5G

Siehe auch Vergleich der Mobilfunkstandards

Weitere Beispiele finden Sie in der Liste der Gerätebitraten , der Spektraleffizienz-Vergleichstabelle und der OFDM-Systemvergleichstabelle .

Multimedia

Bei digitalen Multimedia stellt die Bitrate die Menge an Informationen oder Details dar, die pro Zeiteinheit einer Aufnahme gespeichert werden. Die Bitrate hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Das Originalmaterial kann mit unterschiedlichen Frequenzen abgetastet werden.
  • Die Abtastwerte können unterschiedliche Anzahlen von Bits verwenden.
  • Die Daten können durch verschiedene Schemata codiert werden.
  • Die Informationen können durch unterschiedliche Algorithmen oder in unterschiedlichem Maße digital komprimiert werden.

Im Allgemeinen werden die oben genannten Faktoren ausgewählt, um den gewünschten Kompromiss zwischen der Minimierung der Bitrate und der Maximierung der Qualität des Materials beim Abspielen zu erzielen.

Wenn bei Audio- oder Bilddaten eine verlustbehaftete Datenkomprimierung verwendet wird, treten Unterschiede zum Originalsignal auf; Wenn die Komprimierung erheblich ist oder verlustbehaftete Daten dekomprimiert und neu komprimiert werden, kann dies in Form von Komprimierungsartefakten sichtbar werden . Ob und wie stark diese die wahrgenommene Qualität beeinflussen, hängt vom Kompressionsschema, der Encoderleistung, den Eigenschaften der Eingabedaten, den Wahrnehmungen des Hörers, der Vertrautheit des Hörers mit Artefakten und der Hör- oder Betrachtungsumgebung ab.

Die Bitraten in diesem Abschnitt sind ungefähr das Minimum , das der durchschnittliche Hörer in einer typischen Hör- oder Betrachtungsumgebung bei Verwendung der besten verfügbaren Komprimierung als nicht wesentlich schlechter als den Referenzstandard empfinden würde:

Kodierungsbitrate

In digitaler Multimedia , Bitrate bezieht sich auf die Anzahl der Bits pro Sekunde verwendet , um ein kontinuierliches Mediums , wie beispielsweise zur Darstellung Audio oder Video nach Quellencodierung (Datenkompression). Die Kodierungsbitrate einer Multimediadatei ist ihre Größe in Bytes geteilt durch die Wiedergabezeit der Aufnahme (in Sekunden), multipliziert mit acht.

Beim Echtzeit- Streaming von Multimedia ist die Codierungsbitrate der Goodput , der erforderlich ist, um Unterbrechungen zu vermeiden:

Kodierungsbitrate = erforderlicher Goodput

Der Begriff durchschnittliche Bitrate wird im Fall von Multimediaquellcodierschemata mit variabler Bitrate verwendet. In diesem Zusammenhang ist die Spitzenbitrate die maximale Anzahl von Bits, die für einen beliebigen Kurzzeitblock komprimierter Daten erforderlich ist.

Eine theoretische untere Grenze für die Codierungsbitrate für die verlustfreie Datenkompression ist die Quellinformationsrate , auch Entropierate genannt .

Entropierate ≤ Multimedia-Bitrate

Audio

CD-DA

CD-DA , die Standard - Audio - CD, die eine Datenrate von 44,1 kHz haben / 16, was bedeutet , dass die Audiodaten 44.100 mal pro Sekunde und mit einer Bittiefe von 16 CD-DA abgetastet wurden , wird auch Stereo , ein unter Verwendung von linker und rechter Kanal , sodass die Audiodatenmenge pro Sekunde doppelt so hoch ist wie bei Mono, wo nur ein einzelner Kanal verwendet wird.

Die Bitrate von PCM-Audiodaten kann mit folgender Formel berechnet werden:

Die Bitrate einer CD-DA-Aufnahme (44,1 kHz Samplingrate, 16 Bit pro Sample und zwei Kanäle) lässt sich beispielsweise wie folgt berechnen:

Die kumulative Größe einer Länge von PCM-Audiodaten (ohne Dateiheader oder andere Metadaten ) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Die kumulative Größe in Bytes kann ermittelt werden, indem die Dateigröße in Bits durch die Anzahl der Bits in einem Byte geteilt wird, also acht:

Daher benötigen 80 Minuten (4.800 Sekunden) CD-DA-Daten 846.720.000 Byte Speicherplatz:

MP3

Das MP3- Audioformat bietet verlustbehaftete Datenkomprimierung . Die Audioqualität verbessert sich mit steigender Bitrate:

  • 32 kbit/s – generell nur für Sprache akzeptabel
  • 96 kbit/s – wird im Allgemeinen für Sprache oder Streaming mit geringer Qualität verwendet
  • 128 oder 160 kbit/s – Bitratenqualität im mittleren Bereich
  • 192 kbit/s – Bitrate mittlerer Qualität
  • 256 kbit/s – eine häufig verwendete hochwertige Bitrate
  • 320 kbit/s – höchste vom MP3- Standard unterstützte Stufe

Anderes Audio

  • 700 Bit/s – niedrigste Bitrate Open-Source-Sprachcodec Codec2 , aber noch kaum erkennbar, klingt mit 1,2 kbit/s deutlich besser
  • 800 Bit/s – Mindestens für erkennbare Sprache erforderlich, unter Verwendung der speziellen FS-1015- Sprachcodecs
  • 2,15 kbit/s – minimale Bitrate, die über den Open-Source- Speex- Codec verfügbar ist
  • 6 kbit/s – minimale Bitrate, die über den Open-Source- Opus- Codec verfügbar ist
  • 8 kbit/s – Telefonqualität mit Sprachcodecs
  • 32–500 kbit/s – verlustbehaftetes Audio wie in Ogg Vorbis verwendet
  • 256 kbit/s – Digital Audio Broadcasting ( DAB ) MP2- Bitrate erforderlich, um ein qualitativ hochwertiges Signal zu erzielen
  • 292 kbit/s - Sony Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC) zur Verwendung im MiniDisc-Format
  • 400 kbit/s–1.411 kbit/s – verlustfreies Audio, wie es in Formaten wie Free Lossless Audio Codec , WavPack oder Monkey's Audio zum Komprimieren von CD-Audio verwendet wird
  • 1.411,2 kbit/s – Lineares PCM- Tonformat von CD-DA
  • 5.644,8 kbit/s – DSD , eine markenrechtlich geschützte Implementierung des PDM- Soundformats, das auf Super Audio CDs verwendet wird .
  • 6.144 Mbit/s – E-AC-3 (Dolby Digital Plus), ein verbessertes Codierungssystem basierend auf dem AC-3-Codec
  • 9,6 Mbit/s – DVD-Audio , ein digitales Format zur Bereitstellung von High-Fidelity-Audioinhalten auf einer DVD. DVD-Audio ist nicht als Videolieferformat gedacht und nicht mit Video-DVDs mit Konzertfilmen oder Musikvideos identisch. Diese Discs können nicht auf einem Standard-DVD-Player ohne DVD-Audio-Logo abgespielt werden.
  • 18 Mbit/s – fortschrittlicher verlustfreier Audiocodec basierend auf Meridian Lossless Packing (MLP)

Video

  • 16 kbit/s – Bildtelefonqualität (mindestens erforderlich für ein vom Verbraucher akzeptables "Talking Head"-Bild unter Verwendung verschiedener Videokomprimierungsschemata)
  • 128–384 kbit/s – geschäftsorientierte Videokonferenzqualität durch Videokompression
  • 400 kbit/s YouTube 240p Videos (mit H.264 )
  • 750 kbit/s YouTube 360p-Videos (mit H.264 )
  • 1 Mbit/s YouTube 480p Videos (mit H.264 )
  • 1,15 Mbit/s max – VCD- Qualität (mit MPEG1- Komprimierung)
  • 2,5 Mbit/s YouTube 720p Videos (mit H.264 )
  • 3,5 Mbit/s typ. – Standard-Definition-Fernsehqualität (mit Bitratenreduzierung durch MPEG-2-Komprimierung)
  • 3,8 Mbit/s YouTube 720p60 (60 FPS ) Videos (mit H.264)
  • 4,5 Mbit/s YouTube 1080p Videos (mit H.264 )
  • 6,8 Mbit/s YouTube 1080p60 (60 FPS ) Videos (mit H.264)
  • 9,8 Mbit/s max – DVD (mit MPEG2- Komprimierung)
  • 8 bis 15 Mbit/s typ – HDTV- Qualität (mit Bitratenreduzierung durch MPEG-4 AVC-Komprimierung)
  • 19 Mbit/s ungefähr – HDV 720p (mit MPEG2-Komprimierung)
  • 24 Mbit/s max – AVCHD (mit MPEG4 AVC- Komprimierung)
  • Ungefähr 25 Mbit/s – HDV 1080i (mit MPEG2-Komprimierung)
  • 29,4 Mbit/s max. – HD-DVD
  • 40 Mbit/s max – 1080p Blu-ray Disc (mit MPEG2, MPEG4 AVC oder VC-1- Komprimierung)
  • 250 Mbit/s max – DCP (mit JPEG 2000-Komprimierung)
  • 1,4 Gbit/s – 10-bit 4:4:4 unkomprimiert 1080p bei 24fps

Anmerkungen

Aus technischen Gründen (Hardware-/Software-Protokolle, Overhead, Codierungsschemata usw.) können die tatsächlichen Bitraten, die von einigen der Vergleichsgeräte verwendet werden, erheblich höher sein als die oben aufgeführten. Beispielsweise ergeben Telefonschaltungen, die µlaw- oder A-law- Kompandierung (Pulscodemodulation) verwenden, 64 kbit/s.

Siehe auch

Verweise

Externe Links