ビットレート

ビットレート（データレート単位）
名前シンボル複数
ビット/秒ビット/秒11
メートル法の接頭辞（SI）
キロビット/秒キロビット/秒10 31000 1
メガビット/秒メガビット/秒10 61000 2
ギガビット/秒ギガビット/秒10 91000 3
テラビット/秒テラビット/秒10 121000 4
バイナリプレフィックス（IEC 80000-13）
キビビット/秒キビット/秒2 101024 1
メビビット/秒ミビット/秒2 201024 2
ギビビット/秒ギビット/秒2 301024 3
テビビット/秒ティビット/秒2 401024 4

電気通信およびコンピューターにおいて、ビットレート（bitrateまたは変数R ）は、単位時間あたりに伝送または処理されるビットの数である。 [ 1 ]

ビットレートは、 1秒あたりのビット（記号：bit/s）という単位で表され、キロ（ 1 kbit/s = 1,000 bit/s）、メガ（1 Mbit/s = 1,000 kbit/s）、ギガ（1 Gbit/s = 1,000 Mbit/s）、テラ（1 Tbit/s = 1,000 Gbit/s）などのSI接頭辞と組み合わせて使用​​されることが多い。 [ 2 ]非標準の略語bpsは、標準記号bit/sの代わりに使用されることが多く、たとえば1 Mbpsは100万ビット/秒を意味する。

ほとんどのコンピューティング環境およびデジタル通信環境において、1秒あたり1バイト（記号：B/s）は8ビット/秒（1バイト= 8ビット）に相当します。ただし、ストップビット、スタートビット、パリティビットを考慮する必要がある場合は、同じバイト数のスループットを実現するために、より高いビット/秒数が必要になります。

接頭辞

大きいビットレートや小さいビットレートを数値化する場合、SI接頭辞（メトリック接頭辞または10進接頭辞とも呼ばれる）が使用される。[ 3 ]

0.001ビット/秒= 1 mbit/s (1 ミリビット/秒、つまり 1000 秒あたり 1 ビット) = 1 bit/ks
1ビット/秒= 1 ビット/秒（1 秒あたり 1 ビット）
1,000ビット/秒= 1  kbit/s (1 キロビット/秒、つまり 1000 ビット/秒)
1,000,000ビット/秒= 1  Mbit/s (1メガビット/秒、つまり100万ビット/秒)
1,000,000,000ビット/秒= 1  Gbit/s (1ギガビット/秒、つまり10億ビット/秒)
1,000,000,000,000ビット/秒= 1  Tbit/s（1テラビット/秒、つまり1兆ビット/秒）

ビットレートにはバイナリプレフィックスが使用されることがあります。 [ 4 ] [ 5 ] 国際規格（IEC 80000-13）では、バイナリプレフィックスと10進数（SI）プレフィックスに異なる記号が指定されています（例：1 KiB /s = 1024 B/s = 8192 bit/s、1 MiB /s = 1024 KiB/s）。

データ通信では

総ビットレート

デジタル通信システムにおいて、物理層の総ビットレート[ 6 ] 、生のビットレート[ 7 ] 、データ信号レート[ 8 ] 、総データ転送レート[ 9 ]、または非符号化伝送レート[ 7 ]（変数Rb [ 6 ] [ 7 ]またはfb [ 10 ]と表記されることもある）は、通信リンク上で1秒あたりに物理的に転送されるビットの総数であり、有効なデータとプロトコルのオーバーヘッドが含まれる。

シリアル通信の場合、総ビットレートはビット伝送時間と 次のように関係します。 Tb{\displaystyle T_{\text{b}}}

Rb＝1Tb、{\displaystyle R_{\text{b}}={1 \over T_{\text{b}}},}

総ビットレートは、シンボルレートまたは変調レートと関連しており、これらはボーレートまたは1秒あたりのシンボル数で表されます。しかし、総ビットレートとボーレートが等しくなるのは、シンボルあたり0と1の2つのレベルしかない場合のみです。つまり、データ伝送システムの各シンボルは正確に1ビットのデータを伝送します。これは、モデムやLAN機器で使用される現代の変調システムには当てはまりません。[ 11 ]

ほとんどの回線コードと変調方式の場合:

シンボルレート≤総ビットレート{\displaystyle {\text{シンボルレート}}\leq {\text{総ビットレート}}}

より具体的には、異なる電圧レベルのパルス振幅変調を用いてデータを表すラインコード（またはベースバンド伝送方式）は、パルスごとにビットを伝送できます。一方、振幅、位相、周波数などの異なるシンボルを用いるデジタル変調方式（またはパスバンド伝送方式）は、シンボルごとにビットを伝送できます。その結果、以下のようになります。 2北{\displaystyle 2^{N}}北{\displaystyle N}2北{\displaystyle 2^{N}}2北{\displaystyle 2^{N}}北{\displaystyle N}

総ビットレート＝シンボルレート×北{\displaystyle {\text{総ビットレート}}={\text{シンボルレート}}\times N}

上記の例外として、マンチェスター コーディングやリターン ツー ゼロ(RTZ) コーディングなどの一部の自己同期ライン コードがあります。これらのコードでは、各ビットが 2 つのパルス (信号状態) で表され、次のようになります。

総ビットレート = シンボルレート/2{\displaystyle {\text{総ビットレート = シンボルレート/2}}}

特定のスペクトル帯域幅（ヘルツ）に対するシンボルレート（ボー、シンボル/秒、またはパルス/秒）の理論的な上限は、ナイキストの法則で与えられます。

シンボルレート≤ナイキスト周波数＝2×帯域幅{\displaystyle {\text{シンボルレート}}\leq {\text{ナイキストレート}}=2\times {\text{帯域幅}}}

実際には、この上限に近づくことができるのは、ラインコーディング方式と、いわゆる残留側波帯デジタル変調方式のみです。ASK 、PSK、QAM、OFDMなど、他のほとんどのデジタル搬送波変調方式は、両側波帯変調として特徴付けられ、以下の関係式が成り立ちます。

シンボルレート≤帯域幅{\displaystyle {\text{シンボルレート}}\leq {\text{帯域幅}}}

並列通信の場合、総ビットレートは次のように表される。

∑私＝1nログ2⁡M私T私{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}{\frac {\log _{2}{M_{i}}}{T_{i}}}}

ここで、 nは並列チャネルの数、M iはi番目のチャネルのシンボルまたは変調レベルの数、Tiはi番目のチャネルのシンボル持続時間(秒単位)です。

情報レート

物理層ネットビットレート、[ 12 ]情報レート、[ 6 ]有効ビットレート、[ 13 ]ペイロードレート、[ 14 ]ネットデータ転送レート、[ 9 ]符号化伝送レート、[ 7 ]実効データレート[ 7 ]またはデジタル通信チャネルのワイヤスピード（非公式な言葉）は、時分割多重（TDM）フレーミングビット、冗長フォワードエラー訂正（FEC）コード、イコライザトレーニングシンボル、その他のチャネルコーディングなどの物理層プロトコルのオーバーヘッドを除いた容量です。エラー訂正コードは、特に無線通信システム、ブロードバンドモデム規格、現代の銅線ベースの高速LANで一般的です。物理層ネットビットレートは、データリンク層と物理層の間のインターフェースの参照点で測定されたデータレートであり、したがってデータリンク層と上位層のオーバーヘッドが含まれる場合があります。

モデムや無線システムでは、リンクアダプテーション（信号品質に応じてデータレートと変調方式、および／またはエラーコーディング方式を自動的に適応させる技術）がしばしば適用されます。この文脈において、ピークビットレートという用語は、送信機と送信機間の距離が非常に短い場合などに用いられる、最も高速かつ最も堅牢性の低い伝送モードのネットビットレートを指します。[ 15 ]一部のオペレーティングシステムやネットワーク機器は、ネットワークアクセス技術または通信機器の「接続速度」[ 16 ]（非公式な用語）を検出する場合があり、これは現在のネットビットレートを示しています。ラインレートという用語は、一部の教科書ではグロスビットレートとして定義されていますが、 [ 14 ]他の教科書ではネットビットレートとして定義されています。

総ビット レートと純ビット レートの関係は、次のように FECコード レートによって影響を受けます。

ネットビットレート ≤ グロスビットレート ×符号化率

前方誤り訂正を伴うテクノロジの接続速度は、通常、上記の定義に従った 物理層のネット ビット レートを指します。

たとえば、IEEE 802.11aワイヤレス ネットワークのネット ビット レート (つまり「接続速度」) は 6 ～ 54 Mbit/s のネット ビット レートですが、グロス ビット レートはエラー訂正コードを含めて 12 ～ 72 Mbit/s になります。

ISDN2基本速度インターフェイス(2 つの B チャネル + 1 つの D チャネル)のネット ビット レート64+64+16 = 144 kbit/s もペイロード データ レートを指しますが、D チャネルのシグナリング レートは 16 kbit/s です。

イーサネット100BASE-TX物理層規格のネットビットレートは100Mbpsですが、4B5B （4ビットオーバー5ビット）符号化のため、グロスビットレートは125Mbpsです。この場合、 NRZI伝送路符号のため、グロスビットレートはシンボルレートまたはパルスレートの125Mbpsに等しくなります。

前方誤り訂正やその他の物理層プロトコルのオーバーヘッドがない通信技術では、総ビットレートと物理層のネットビットレートの区別はありません。例えば、Ethernet 10BASE-Tのネットビットレートと総ビットレートは10Mbit/sです​​。マンチェスター伝送路符号により、各ビットは2つのパルスで表現され、パルスレートは20メガボーとなります。

V.92音声帯域モデムの「接続速度」は、追加のエラー訂正コードがないため、通常は総ビットレートを指します。下り最大56,000ビット/秒、上り最大48,000ビット/秒です。接続確立フェーズでは、適応変調により低いビットレートが選択される場合があります。信号対雑音比 が低い場合は、低速ながらもより堅牢な変調方式が選択されます。データ圧縮により、実際のデータ伝送速度またはスループット（下記参照）はこれよりも高くなる場合があります。

チャネル容量はシャノン容量とも呼ばれ、特定の物理アナログノード間通信リンクでビットエラーなしで実現可能な、前方誤り訂正符号化を除いた最大ネットビットレートの理論上の上限です。

ネットビットレート ≤ チャネル容量

チャネル容量は、ヘルツ単位のアナログ帯域幅に比例します。この比例関係はハートレーの法則と呼ばれます。したがって、正味ビットレートは、ビット/秒単位のデジタル帯域幅容量と呼ばれることもあります。

ネットワークスループット

スループットという用語は、本質的にはデジタル帯域幅消費量と同じ意味ですが、論理的または物理的な通信リンク、あるいはネットワークノードを介してコンピュータネットワークで達成される平均有効ビットレートを指します。これは通常、データリンク層の上位の参照点で測定されます。つまり、スループットにはデータリンク層プロトコルのオーバーヘッドが含まれないことが多いことを意味します。スループットは、対象とするデータソースからのトラフィック負荷だけでなく、同じネットワークリソースを共有する他のソースからのトラフィック負荷の影響を受けます。ネットワークスループットの測定も参照してください。

グッドプット（データ転送速度）

グッドプットまたはデータ転送速度とは、プロトコルオーバーヘッドやデータパケットの再送などを除いた、アプリケーション層に配信される平均ネットビットレートを指します。例えば、ファイル転送の場合、グッドプットはファイル転送速度に相当します。ビット/秒単位のファイル転送速度は、ファイルサイズ（バイト単位）をファイル転送時間（秒単位）で割り、8倍することで計算できます。

例えば、V.92音声帯域モデムのグッドプット（データ転送速度）は、モデムの物理層プロトコルとデータリンク層プロトコルの影響を受けます。V.44データ圧縮のため、物理層データ転送速度よりも高くなる場合もあれば、ビットエラーや自動再送要求（ARR）の再送のため、低くなる場合もあります。

ネットワーク機器またはプロトコルによってデータ圧縮が提供されていない場合、次の関係が成り立ちます。

グッドプット ≤ スループット ≤ 最大スループット ≤ ネットビットレート

特定の通信パス用。

以下は、提案されている通信標準インターフェースおよびデバイスの物理層ネット ビット レートの例です。

WANモデムイーサネットLAN WiFi無線LANモバイルデータ

  • 1997年: 802.11 2 メガビット/秒
  • 1999年: 802.11b 11 メガビット/秒
  • 1999年: 802.11a 54 メガビット/秒
  • 2003年: 802.11g 54 メガビット/秒
  • 2007年: 802.11n 600 メガビット/秒
  • 2012年: 802.11ac約1000 Mbit/s
  • 1G：
    • 1981年: NMT 1200ビット/秒
  • 2G：
  • 3G :
    • 2001年: UMTS -FDD ( WCDMA ) 384 kbit/s
    • 2007年: UMTS HSDPA 14.4 メガビット/秒
    • 2008年: UMTS HSPA下り14.4 Mbit/s、上り5.76 Mbit/s
    • 2009年: HSPA+ ( MIMOなし) 下り28 Mbit/s (2×2 MIMOで56 Mbit/s)、上り22 Mbit/s
    • 2010: CDMA2000 EV-DO Rev. B 14.7 Mbit/s ダウンストリーム
    • 2011年: HSPA+高速化（MIMO搭載）42 Mbit/sダウンストリーム
  • 4G以前:
    • 2007年:モバイルWiMAX (IEEE 802.16e) 下り144 Mbit/s、上り35 Mbit/s
    • 2009年: LTE 100 Mbit/s ダウンストリーム (MIMO 2×2で360 Mbit/s)、50 Mbit/s アップストリーム
  • 5G

マルチメディア

デジタルマルチメディアにおいて、ビットレートとは、録画単位時間あたりに保存される情報量、つまり詳細度を表します。ビットレートはいくつかの要因に依存します。

  • 元の素材は異なる周波数でサンプリングされる場合があります。
  • サンプルでは異なる数のビットが使用される場合があります。
  • データはさまざまな方式でエンコードされる場合があります。
  • 情報は、異なるアルゴリズムまたは異なる程度でデジタル圧縮される場合があります。

一般的に、ビットレートの最小化と再生時の素材の品質の最大化の間で望ましいトレードオフを実現するために、上記の要素についての選択が行われます。

音声データや映像データに非可逆圧縮が施されると、元の信号との差異が生じます。圧縮率が高い場合、あるいは非可逆データを解凍・再圧縮した場合、圧縮アーティファクトとして顕著になる可能性があります。これらのアーティファクトが音質に影響を及ぼすかどうか、またどの程度影響するかは、圧縮方式、エンコーダーの性能、入力データの特性、リスナーの知覚、アーティファクトに対するリスナーの慣れ具合、そして視聴環境などによって異なります。

マルチメディア ファイルのエンコード ビット レートは、ファイルのサイズ(バイト単位) を録画の再生時間 (秒単位) で割り、8 を掛けた値です。

リアルタイムストリーミング マルチメディアの場合、エンコード ビット レートは、再生の中断を回避するために必要な グッドプットです。

平均ビットレートという用語は、可変ビットレートのマルチメディアソース符号化方式の場合に使用されます。この場合、ピークビットレートとは、圧縮されたデータの短期ブロックに必要な最大ビット数を指します。[ 17 ]

ロスレスデータ圧縮のエンコード ビット レートの理論上の下限は、ソース情報レート(エントロピー レートとも呼ばれる)です。

このセクションのビットレートは、一般的な視聴環境において、利用可能な最良の圧縮を使用した場合に平均的なリスナーが参照標準よりも大幅に劣っていないと認識する おおよその最小値です。

オーディオ

CD-DA

コンパクトディスクデジタルオーディオ（CD-DA）は、1秒あたり44,100サンプルを使用し、各サンプルのビット深度は16です。このフォーマットは「16bit / 44.1kHz」と略されることもあります。CD-DAはステレオで、左右のチャンネルを使用するため、1秒あたりのオーディオデータ量は、1チャンネルのみを使用するモノラルの2倍になります。

PCM オーディオ データのビット レートは次の式で計算できます。

ビットレート＝サンプルレート×ビット深度×チャンネル{\displaystyle {\text{ビットレート}}={\text{サンプルレート}}\times {\text{ビット深度}}\times {\text{チャンネル数}}}

たとえば、CD-DA 録音のビット レート (44.1 kHz のサンプリング レート、サンプルあたり 16 ビット、2 つのチャネル) は次のように計算できます。

44、100×16×2＝1、411、200 ビット/秒＝1、411.2 キロビット/秒{\displaystyle 44,100\times 16\times 2=1,411,200\ {\text{ビット/秒}}=1,411.2\ {\text{キロビット/秒}}}

PCM オーディオ データの長さの累積サイズ (ファイルヘッダーやその他のメタデータは除く) は、次の式を使用して計算できます。

ビット単位のサイズ＝サンプルレート×ビット深度×チャンネル×時間。{\displaystyle {\text{ビットサイズ}}={\text{サンプルレート}}\times {\text{ビット深度}}\times {\text{チャンネル数}}\times {\text{時間}}.}

バイト単位の累積サイズは、ビット単位のファイル サイズを 1 バイトのビット数 (8) で割ることで求められます。

バイト単位のサイズ＝ビット単位のサイズ8{\displaystyle {\text{バイトサイズ}}={\frac {\text{ビットサイズ}}{8}}}

したがって、80 分 (4,800 秒) の CD-DA データには 846,720,000 バイトのストレージが必要です。

44、100×16×2×4、8008＝846、720、000 バイト≈847 MB≈807.5 ミブ{\displaystyle {\frac {44,100\times 16\times 2\times 4,800}{8}}=846,720,000\ {\text{バイト}}\approx 847\ {\text{MB}}\approx 807.5\ {\text{MiB}}}

ここで、MiBはバイナリ プレフィックスMiが付いたメビバイトであり、2 20 = 1,048,576 を意味します。

MP3

MP3オーディオフォーマットは非可逆データ圧縮を提供します。ビットレートが増加するほど、オーディオ品質が向上します 。

  • 32 kbit/s – 通常は音声のみに使用可能
  • 96 kbit/s – 通常は音声や低品質のストリーミングに使用されます
  • 128 または 160 kbit/s – 中程度のビットレート品質
  • 192 kbit/s – 中品質のビットレート
  • 256 kbit/s – 一般的に使用される高品質のビットレート
  • 320 kbit/s – MP3規格でサポートされている最高レベル

その他のオーディオ

ビデオ

注記

技術的な理由（ハードウェア/ソフトウェアプロトコル、オーバーヘッド、エンコード方式など）により、比較対象となるデバイスの一部で実際に使用されるビットレートは、上記のリストよりも大幅に高くなる場合があります。例えば、μ-lawまたはA-lawコンパンディング（パルス符号変調）を使用する電話回線では、64 kbit/sとなります。

参照

参考文献

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