tasa de bits

Velocidad de transmisión de información expresada en bits por segundo

En telecomunicaciones e informática , la tasa de bits ( bitrate o como variable R ) es el número de bits que se transmiten o procesan por unidad de tiempo. ^[1]

La velocidad de bits se expresa en la unidad bit por segundo (símbolo: bit/s ), a menudo junto con un prefijo SI como kilo (1 kbit/s = 1000 bit/s), mega (1 Mbit/s = 1000 kbit /s), giga (1 Gbit/s = 1.000 Mbit/s) o tera (1 Tbit/s = 1.000 Gbit/s). ^[2] La abreviatura no estándar bps se utiliza a menudo para reemplazar el símbolo estándar bit/s, de modo que, por ejemplo, 1 Mbps se utiliza para significar un millón de bits por segundo.

En la mayoría de los entornos informáticos y de comunicación digital, un byte por segundo (símbolo: B/s ) corresponde a 8 bit/s.

Prefijos

Al cuantificar velocidades de bits grandes o pequeñas, se utilizan prefijos SI (también conocidos como prefijos métricos o prefijos decimales), por lo tanto: ^[3]

A veces se utilizan prefijos binarios para las velocidades de bits. ^{[4] [5]} La norma internacional ( IEC 80000-13 ) especifica diferentes abreviaturas para prefijos binarios y decimales (SI) (por ejemplo, 1 KiB /s = 1024 B/s = 8192 bit/s y 1 MiB /s = 1024 KiB/s).

En comunicaciones de datos

Tasa de bits bruta

En los sistemas de comunicación digital, la tasa de bits bruta de la capa física , ^[6] la tasa de bits bruta , ^[7] la tasa de señalización de datos , ^[8] la tasa bruta de transferencia de datos ^[9] o la tasa de transmisión no codificada ^[7] (a veces escrita como una variable R _b ^{[ 6] [7]} o f _b ^[10] ) es el número total de bits transferidos físicamente por segundo a través de un enlace de comunicación, incluidos los datos útiles y la sobrecarga del protocolo.

En el caso de comunicaciones en serie , la velocidad de bits bruta está relacionada con el tiempo de transmisión de bits como: ${\displaystyle T_{b}}$

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

La tasa de bits bruta está relacionada con la tasa de símbolos o tasa de modulación, que se expresa en baudios o símbolos por segundo. Sin embargo, la velocidad bruta de bits y el valor en baudios son iguales sólo cuando hay sólo dos niveles por símbolo, que representan 0 y 1, lo que significa que cada símbolo de un sistema de transmisión de datos transporta exactamente un bit de datos; por ejemplo, este no es el caso de los sistemas de modulación modernos utilizados en módems y equipos LAN. ^[11]

Para la mayoría de códigos de línea y métodos de modulación :

${\displaystyle {\text{Symbol rate}}\leq {\text{Gross bit rate}}}$

Más específicamente, un código de línea (o esquema de transmisión de banda base ) que representa los datos utilizando modulación de amplitud de pulso con diferentes niveles de voltaje, puede transferir bits por pulso. Un método de modulación digital (o esquema de transmisión de banda de paso) que utiliza diferentes símbolos, por ejemplo amplitudes, fases o frecuencias, puede transferir bits por símbolo. Esto resulta en: ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle 2^{N}}$ ${\displaystyle N}$

${\displaystyle {\text{Gross bit rate}}={\text{Symbol rate}}\times N}$

Una excepción a lo anterior son algunos códigos de línea autosincronizables, por ejemplo la codificación Manchester y la codificación de retorno a cero (RTZ), donde cada bit está representado por dos pulsos (estados de señal), lo que da como resultado:

${\displaystyle {\text{Gross bit rate = Symbol rate/2}}}$

La ley de Nyquist da un límite superior teórico para la velocidad de símbolos en baudios, símbolos/s o pulsos/s para un determinado ancho de banda espectral en hercios :

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

En la práctica, este límite superior sólo puede alcanzarse para esquemas de codificación de línea y para la denominada modulación digital de banda lateral residual . La mayoría de los demás esquemas modulados por portadora digital, por ejemplo ASK , PSK , QAM y OFDM , pueden caracterizarse como modulación de doble banda lateral , lo que da como resultado la siguiente relación:

${\displaystyle {\text{Symbol rate}}\leq {\text{Bandwidth}}}$

En caso de comunicación paralela , la tasa de bits bruta viene dada por

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

donde n es el número de canales paralelos, Mi _es el número de símbolos o niveles de modulación en el i -ésimo canal , y Ti es el tiempo de duración del símbolo , _expresado en segundos, para el i -ésimo canal.

Tarifa de información

La tasa de bits neta de la capa física , ^[12] tasa de información , ^[6] tasa de bits útiles , ^[13] tasa de carga útil , ^[14] tasa de transferencia neta de datos , ^[9] tasa de transmisión codificada , ^[7] tasa de datos efectiva ^[7] o La velocidad del cable (lenguaje informal) de un canal de comunicación digital es la capacidad excluyendo la sobrecarga del protocolo de capa física , por ejemplo, bits de entramado de multiplexación por división de tiempo (TDM) , códigos redundantes de corrección de errores directos (FEC), símbolos de entrenamiento de ecualizador y otra codificación de canal . Los códigos de corrección de errores son comunes, especialmente en los sistemas de comunicación inalámbrica, los estándares de módem de banda ancha y las modernas LAN de alta velocidad basadas en cobre. La tasa de bits neta de la capa física es la tasa de datos medida en un punto de referencia en la interfaz entre la capa de enlace de datos y la capa física y, en consecuencia, puede incluir el enlace de datos y la sobrecarga de la capa superior.

En módems y sistemas inalámbricos, a menudo se aplica la adaptación de enlace (adaptación automática de la velocidad de datos y el esquema de modulación y/o codificación de errores a la calidad de la señal). En ese contexto, el término tasa de bits máxima denota la tasa de bits neta del modo de transmisión más rápido y menos robusto, utilizado por ejemplo cuando la distancia es muy corta entre el emisor y el transmisor. ^[15] Algunos sistemas operativos y equipos de red pueden detectar la " velocidad de conexión " ^[16] (lenguaje informal) de una tecnología de acceso a la red o un dispositivo de comunicación, lo que implica la tasa de bits neta actual. El término velocidad de línea en algunos libros de texto se define como velocidad de bits bruta, ^[14] en otros como velocidad de bits neta.

La relación entre la tasa de bits bruta y la tasa de bits neta se ve afectada por la tasa de código FEC de acuerdo con lo siguiente.

Tasa de bits neta ≤ Tasa de bits bruta · tasa de código

La velocidad de conexión de una tecnología que implica corrección de errores directa normalmente se refiere a la velocidad de bits neta de la capa física de acuerdo con la definición anterior.

Por ejemplo, la tasa de bits neta (y por lo tanto la "velocidad de conexión") de una red inalámbrica IEEE 802.11a es la tasa de bits neta de entre 6 y 54 Mbit/s, mientras que la tasa de bits bruta está entre 12 y 72 Mbit/s inclusive. de códigos de corrección de errores.

La velocidad de bits neta de la interfaz de velocidad básica RDSI2 (2 canales B + 1 canal D) de 64+64+16 = 144 kbit/s también se refiere a las velocidades de datos de carga útil, mientras que la velocidad de señalización del canal D es de 16 kbit/s. .

La velocidad de bits neta del estándar de capa física Ethernet 100BASE-TX es de 100 Mbit/s, mientras que la velocidad de bits bruta es de 125 Mbit/segundo, debido a la codificación 4B5B (cuatro bits sobre cinco bits). En este caso, la tasa de bits bruta es igual a la tasa de símbolos o pulso de 125 megabaudios, debido al código de línea NRZI .

En las tecnologías de comunicaciones sin corrección de errores directa y otros protocolos de capa física, no hay distinción entre la velocidad de bits bruta y la velocidad de bits neta de la capa física. Por ejemplo, la velocidad de bits neta y bruta de Ethernet 10BASE-T es de 10 Mbit/s. Debido al código de línea de Manchester , cada bit está representado por dos pulsos, lo que da como resultado una frecuencia de pulso de 20 megabaudios.

La "velocidad de conexión" de un módem de banda vocal V.92 normalmente se refiere a la velocidad de bits bruta, ya que no existe un código de corrección de errores adicional. Puede ser de hasta 56.000 bit/s de bajada y 48.000 bit/s de subida . Se puede elegir una velocidad de bits más baja durante la fase de establecimiento de la conexión debido a la modulación adaptativa  ; se eligen esquemas de modulación más lentos pero más robustos en caso de una relación señal-ruido deficiente . Debido a la compresión de datos, la velocidad o el rendimiento de transmisión de datos real (ver más abajo) puede ser mayor.

La capacidad del canal , también conocida como capacidad de Shannon , es un límite superior teórico para la velocidad de bits neta máxima, excluyendo la codificación de corrección de errores directa, que es posible sin errores de bits para un determinado enlace de comunicación físico analógico de nodo a nodo .

tasa de bits neta ≤ capacidad del canal

La capacidad del canal es proporcional al ancho de banda analógico en hercios. Esta proporcionalidad se llama ley de Hartley . En consecuencia, la velocidad de bits neta a veces se denomina capacidad de ancho de banda digital en bits/s.

Rendimiento de la red

El término rendimiento , esencialmente lo mismo que consumo de ancho de banda digital , denota la velocidad de bits útil promedio alcanzada en una red informática a través de un enlace de comunicación lógico o físico o a través de un nodo de red, generalmente medida en un punto de referencia por encima de la capa de enlace de datos. Esto implica que el rendimiento a menudo excluye la sobrecarga del protocolo de la capa de enlace de datos. El rendimiento se ve afectado por la carga de tráfico de la fuente de datos en cuestión, así como de otras fuentes que comparten los mismos recursos de red. Consulte también medir el rendimiento de la red .

Goodput (tasa de transferencia de datos)

Goodput o tasa de transferencia de datos se refiere a la tasa de bits neta promedio lograda que se entrega a la capa de aplicación , excluyendo toda sobrecarga de protocolo, retransmisiones de paquetes de datos, etc. Por ejemplo, en el caso de la transferencia de archivos, el goodput corresponde al archivo logrado. ratio de transferencia . La velocidad de transferencia de archivos en bits/s se puede calcular dividiendo el tamaño del archivo (en bytes) por el tiempo de transferencia del archivo (en segundos) y multiplicado por ocho.

Por ejemplo, el buen rendimiento o la velocidad de transferencia de datos de un módem de banda vocal V.92 se ve afectado por los protocolos de la capa física del módem y de la capa de enlace de datos. A veces es mayor que la velocidad de datos de la capa física debido a la compresión de datos V.44 y, a veces, menor debido a errores de bits y retransmisiones automáticas de solicitudes repetidas .

Si no se proporciona compresión de datos por parte del equipo o protocolos de red, tenemos la siguiente relación:

buen rendimiento ≤ rendimiento ≤ rendimiento máximo ≤ tasa de bits neta

para una determinada vía de comunicación.

Tendencias de progreso

Estos son ejemplos de velocidades de bits netas de capa física en interfaces y dispositivos estándar de comunicación propuestos:

Multimedia

En multimedia digital, la tasa de bits representa la cantidad de información o detalle que se almacena por unidad de tiempo de una grabación. La tasa de bits depende de varios factores:

• El material original se puede muestrear en diferentes frecuencias.
• Las muestras pueden utilizar diferentes números de bits.
• Los datos pueden codificarse mediante diferentes esquemas.
• La información puede comprimirse digitalmente mediante diferentes algoritmos o en diferentes grados.

Generalmente, se toman decisiones sobre los factores anteriores para lograr el equilibrio deseado entre minimizar la tasa de bits y maximizar la calidad del material cuando se reproduce.

Si se utiliza compresión de datos con pérdida en datos de audio o visuales, se introducirán diferencias con la señal original; Si la compresión es sustancial, o si los datos con pérdida se descomprimen y recomprimen, esto puede notarse en forma de artefactos de compresión . Si estos afectan la calidad percibida y, de ser así, en qué medida, depende del esquema de compresión, la potencia del codificador, las características de los datos de entrada, las percepciones del oyente, la familiaridad del oyente con los artefactos y el entorno de escucha o visualización.

Las tasas de bits en esta sección son aproximadamente el mínimo que el oyente promedio en un entorno típico de escucha o visualización, cuando usa la mejor compresión disponible, percibiría como no significativamente peor que el estándar de referencia:

Velocidad de bits de codificación

En multimedia digital , la velocidad de bits se refiere a la cantidad de bits utilizados por segundo para representar un medio continuo como audio o video después de la codificación fuente (compresión de datos). La tasa de bits de codificación de un archivo multimedia es su tamaño en bytes dividido por el tiempo de reproducción de la grabación (en segundos), multiplicado por ocho.

Para la transmisión multimedia en tiempo real , la velocidad de bits de codificación es el buen rendimiento que se requiere para evitar interrupciones:

tasa de bits de codificación = goodput requerido

El término tasa de bits promedio se utiliza en el caso de esquemas de codificación de fuente multimedia con tasa de bits variable . En este contexto, la velocidad de bits máxima es el número máximo de bits necesarios para cualquier bloque de datos comprimidos de corta duración. ^[17]

Un límite inferior teórico para la tasa de bits de codificación para la compresión de datos sin pérdidas es la tasa de información de origen , también conocida como tasa de entropía .

tasa de entropía ≤ tasa de bits multimedia

Audio

CD-DA

Se dice que CD-DA , el CD de audio estándar, tiene una velocidad de datos de 44,1 kHz/16, lo que significa que los datos de audio se muestrearon 44.100 veces por segundo y con una profundidad de bits de 16. CD-DA también es estéreo y utiliza un canal izquierdo y derecho , por lo que la cantidad de datos de audio por segundo es el doble que en mono, donde solo se utiliza un canal.

La velocidad de bits de los datos de audio PCM se puede calcular con la siguiente fórmula:

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

Por ejemplo, la velocidad de bits de una grabación CD-DA (frecuencia de muestreo de 44,1 kHz, 16 bits por muestra y dos canales) se puede calcular de la siguiente manera:

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

El tamaño acumulado de una longitud de datos de audio PCM (excluyendo un encabezado de archivo u otros metadatos ) se puede calcular usando la siguiente fórmula:

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

El tamaño acumulado en bytes se puede encontrar dividiendo el tamaño del archivo en bits por el número de bits en un byte, que es ocho:

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

Por lo tanto, 80 minutos (4800 segundos) de datos CD-DA requieren 846 720 000 bytes de almacenamiento:

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

MP3

El formato de audio MP3 proporciona compresión de datos con pérdida . La calidad del audio mejora al aumentar la tasa de bits:

• 32 kbit/s: generalmente aceptable sólo para voz
• 96 kbit/s: generalmente utilizado para voz o transmisión de baja calidad
• 128 o 160 kbit/s: calidad de tasa de bits de rango medio
• 192 kbit/s – tasa de bits de calidad media
• 256 kbit/s: una tasa de bits de alta calidad comúnmente utilizada
• 320 kbit/s: el nivel más alto admitido por el estándar MP3

Otros audios

• 700 bit/s: códec de voz de código abierto con la tasa de bits más baja Codec2 , pero apenas reconocible todavía, suena mucho mejor a 1,2 kbit/s
• 800 bit/s: mínimo necesario para una voz reconocible, utilizando los códecs de voz especiales FS-1015
• 2,15 kbit/s: tasa de bits mínima disponible a través del códec Speex de código abierto
• 6 kbit/s: tasa de bits mínima disponible a través del códec Opus de código abierto
• 8 kbit/s: calidad telefónica utilizando códecs de voz
• 32–500 kbit/s: audio con pérdida como se usa en Ogg Vorbis
• 256 kbit/s – Transmisión de audio digital ( DAB ) Velocidad de bits MP2 necesaria para lograr una señal de alta calidad ^[18]
• 292 kbit/s: codificación acústica de transformación adaptativa de Sony (ATRAC) para uso en formato MiniDisc
• 400 kbit/s–1411 kbit/s: audio sin pérdidas como se utiliza en formatos como Free Lossless Audio Codec , WavPack o Monkey's Audio para comprimir audio de CD
• 1.411,2 kbit/s – Formato de sonido PCM lineal de CD-DA
• 5.644,8 kbit/s: DSD , que es una implementación registrada del formato de sonido PDM utilizado en Super Audio CD . ^[19]
• 6,144 Mbit/s – E-AC-3 (Dolby Digital Plus), un sistema de codificación mejorado basado en el códec AC-3
• 9,6 Mbit/s: DVD-Audio , un formato digital para entregar contenido de audio de alta fidelidad en un DVD. DVD-Audio no pretende ser un formato de entrega de vídeo y no es lo mismo que los DVD de vídeo que contienen películas de conciertos o vídeos musicales. Estos discos no se pueden reproducir en un reproductor de DVD estándar sin el logotipo de DVD-Audio. ^[20]
• 18 Mbit/s: códec de audio avanzado sin pérdidas basado en Meridian Lossless Packing (MLP)

Video

• 16 kbit/s – calidad de videoteléfono (mínimo necesario para una imagen de "cabeza parlante" aceptable para el consumidor utilizando varios esquemas de compresión de vídeo)
• 128–384 kbit/s: calidad de videoconferencia orientada a los negocios mediante compresión de vídeo
• Vídeos YouTube 240p de 400 kbit/s (usando H.264 ) ^[21]
• Vídeos YouTube 360p de 750 kbit/s (usando H.264 ) ^[21]
• Vídeos de 480p de YouTube de 1 Mbit/s (usando H.264 ) ^[21]
• 1,15 Mbit/s máx – calidad VCD (usando compresión MPEG1 ) ^[22]
• Vídeos YouTube 720p de 2,5 Mbit/s (usando H.264 ) ^[21]
• 3,5 Mbit/s tipo ^{[ se necesita aclaración ]}  – Calidad de televisión de definición estándar (con reducción de velocidad de bits respecto a la compresión MPEG-2)
• Vídeos de YouTube de 3,8 Mbit/s 720p60 (60 FPS ) (usando H.264) ^[21]
• Vídeos de 4,5 Mbit/s de YouTube 1080p (usando H.264 ) ^[21]
• Vídeos de YouTube de 6,8 Mbit/s 1080p60 (60 FPS ) (usando H.264) ^[21]
• 9,8 Mbit/s máx. – DVD (usando compresión MPEG2 ) ^[23]
• Tipo de 8 a 15 Mbit/s: calidad HDTV (con reducción de velocidad de bits de la compresión MPEG-4 AVC)
• 19 Mbit/s aproximado – HDV 720p (usando compresión MPEG2) ^[24]
• 24 Mbit/s máx – AVCHD (usando compresión MPEG4 AVC ) ^[25]
• 25 Mbit/s aproximado – HDV 1080i (usando compresión MPEG2) ^[24]
• 29,4 Mbit/s máx. – HD DVD
• 40 Mbit/s máx. – Disco Blu-ray de 1080p (usando compresión MPEG2, MPEG4 AVC o VC-1 ) ^[26]
• 250 Mbit/s máx – DCP (usando compresión JPEG 2000)
• 1,4 Gbit/s – 10 bits 4:4:4 1080p sin comprimir a 24 fps

Notas

Por razones técnicas (protocolos de hardware/software, gastos generales, esquemas de codificación, etc.), las velocidades de bits reales utilizadas por algunos de los dispositivos comparados pueden ser significativamente más altas que las enumeradas anteriormente. Por ejemplo, los circuitos telefónicos que utilizan la ley µ o la ley A ( modulación de código de impulsos) producen 64 kbit/s.

Ver también

• Profundidad de bits de audio
• Tasa de bits promedio
• Ancho de banda (informática)
• Baudios ( tasa de símbolo )
• Operación síncrona de bits
• Tasa de chips
• Velocidad de reloj
• Tasa de código
• Velocidad de bits constante
• Unidades de velocidad de datos
• Tasa de señalización de datos
• Lista de velocidades de bits de interfaz
• Medición del rendimiento de la red
• Órdenes de magnitud (tasa de bits)
• Eficiencia espectral
• tasa de bits variable

Referencias

1. Gupta, Prakash C (2006). Comunicaciones de Datos y Redes Informáticas. Aprendizaje de PHI. ISBN 9788120328464. Consultado el 10 de julio de 2011 .
2. Comisión Electrotécnica Internacional (2007). "Prefijos para múltiplos binarios". Archivado desde el original el 25 de septiembre de 2016 . Consultado el 4 de febrero de 2014 .
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19. Extremetech.com, Leslie Shapiro, 2 de julio de 2001. Sonido envolvente: gama alta: SACD y DVD-Audio. Archivado el 30 de diciembre de 2009 en Wayback Machine. Consultado el 19 de mayo de 2010. Audio DSD de 2 canales, 1 bit, 2822,4 kHz (2 × 1 × 2.822.400) = 5.644.800 bits/s
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21. "Tasas de bits de YouTube" . Consultado el 10 de octubre de 2014 .
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enlaces externos

• Calculadora de tasa de bits de transmisión de video en vivo Calcule la tasa de bits para video y transmisiones en vivo
• Calculadora de velocidad de bits de DVD-HQ Calcule la velocidad de bits para varios tipos de medios de vídeo digital.
• PC máxima: ¿Valen la pena las tasas de bits de MP3 más altas?
• Calculadora de velocidad de datos Valid8