ビットレート

デジタル通信システムでは、物理層の総ビットレート^{[ 6 ]} 、生ビットレート^{[ 7 ]} 、データ信号レート^{[ 8 ]} 、総データ転送レート^{[ 9 ]}、または符号化されていない伝送レート^{[ 7 ]}（変数R _b ^{[ 6 ] [ 7 ]}またはf _b ^{[ 10 ]}として記述されることもある）は、通信リンクを介して1秒あたりに物理的に転送されるビットの総数であり、有用なデータとプロトコルのオーバーヘッドが含まれます。

シリアル通信の場合、総ビットレートはビット伝送時間に関係する。${\displaystyle T_{\text{b}}}$ として：

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

総ビットレートはシンボルレートまたは変調レートに関連しており、これはボーまたはシンボル/秒で表されます。ただし、総ビットレートとボー値が等しくなるのは、シンボルごとに 0 と 1 を表す 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が正確に 1 ビットのデータを伝送する場合です。これは、モデムや LAN 機器で使用される最新の変調システムには当てはまりません。^{[ 11 ]}

ほとんどのラインコードと変調方式の場合：

$シンボルレート ≤ 総ビットレート$

より具体的には、パルス振幅変調を使用し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）$2N$異なる電圧レベルを転送できます${\displaystyle N}$パルスあたりのビット数。デジタル変調方式（または通過帯域伝送方式）は、$2N$異なる記号、例えば$2N$振幅、位相、周波数は、${\displaystyle N}$シンボルあたりのビット数。その結果は以下のようになります。

${\displaystyle {\text{gross bit rate}}={\text{symbol rate}}\times N}$

上記の例外として、自己同期型ラインコード、例えばマンチェスター符号化やリターン・トゥ・ゼロ（RTZ）符号化などがあり、これらのコードでは各ビットが2つのパルス（信号状態）で表現され、結果として以下のようになります。

${\displaystyle {\text{gross bit rate = symbol rate/2}}}$

ナイキストの法則によれば、特定のスペクトル帯域幅（ヘルツ）におけるシンボルレート（ボー、シンボル/秒、またはパルス/秒）の理論的な上限値は次のように与えられる。

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

実際には、この上限値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場合に限られます。ASK 、PSK、QAM、OFDMなど、その他のほとんどのデジタル搬送波変調方式は、二重側波帯変調として特徴付けられ、次の関係が得られます。

${\displaystyle {\text{symbol rate}}\leq {\text{bandwidth}}}$

並列通信の場合、総ビットレートは次のように表されます。

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

ここで、 nは並列チャネルの数、M _iはi番目のチャネルの変調のシンボル数またはレベルの数、T _iはi番目のチャネルのシンボル持続時間（秒単位）です。

デジタル通信チャネルの物理層ネットビットレート^{[ 12 ]} 、情報レート^{[ 6 ]} 、有用ビットレート^{[ 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 ]}、またはワイヤスピード（非公式な用語）は、物理層プロトコルのオーバーヘッド（例えば、時分割多重（TDM）フレーミングビット、冗長前方誤り訂正（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）を除いた容量です。誤り訂正コードは、特に無線通信システム、ブロードバンドモデム規格、最新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基準点で測定されたデータレートであり、結果とし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、リンク適応（信号品質に合わせてデータレートと変調方式や誤り訂正方式を自動的に調整すること）がよく用いられます。この文脈では、ピークビットレートという用語は、送信者と送信機の間の距離が非常に短い場合などに使用される、最も高速で信頼性の低い伝送モードの正味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や通信機器の「接続速度」^{[ 16 ]}（非公式な表現）を検出することがあり、これは現在の正味ビットレートを意味します。一部の教科書では、ラインレートという用語はグロスビットレート^{[ 14 ]}として定義されていますが、他の教科書では正味ビットレートとして定義されています。

総ビットレートと正味ビットレートの関係は、以下の通りFECコードレートによって影響を受ける。

ネットビットレート ≤ グロスビットレート ×コードレート

前方誤り訂正を伴う技術の接続速度は、通常、上記の定義に従って物理層の正味ビットレートを指します。

例えば、IEEE 802.11a無線ネットワークの正味ビットレート（つまり「接続速度」）は6～54  Mbit/sであり、総ビットレートは 誤り訂正符号を含めて12～72 Mbit/sである。

ISDN2基本レートインターフェース（2つの Bチャネル＋1つの Dチャネル）の正味ビットレート64+64+16＝  144kbit/sは、ペイロードデータレートを指し、Dチャネルの信号レートは16kbit  /sです​​。

Ethernet 100BASE-TX物理層規格の正味ビットレートは100  Mbit/sです​​が、4B5B  （4ビット/5ビット）符号化方式のため、総ビットレートは125 Mbit/sとなります。この場合、 NRZI回線符号により、総ビットレートはシンボルレートまたはパルスレートである125メガボーに等しくなります。 

前方誤り訂正やその他の物理層プロトコルオーバーヘッドのない通信技術では、総ビットレートと物理層ネットビットレートの区別はありません。例えば、イーサネット10BASE-Tのネットビットレートと総ビットレートはどちらも10 Mbit/sです​​。マンチェスター 線符号のため、各ビットは2つのパルスで表現され、結果としてパルスレートは20メガボーになります。 

V.92音声帯域モデムの「接続速度」は、通常、追加の誤り訂正符号がないため、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、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、より低速ですが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可能性があります。  

チャネル容量（シャノン容量とも呼ばれる）は、特定の物理的なアナログノード間通信リンクにおいて、ビットエラーなしで可能な、前方誤り訂正符号化を除いた最大正味ビットレートの理論的な上限値である。

正味ビットレート ≤ 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。

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、コンピュータネットワークにおいて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達成される平均有効ビットレートを表します。これは通常、データリンク層より上位の基準点で測定されます。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は含まれません。スループットは、対象とな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にも影響されます。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、またはデータ転送速度とは、プロトコルのオーバーヘッドやデータパケットの再送信などを除いた、アプリケーション層に実際に伝送される平均正味ビットレートのことです。例えば、ファイル転送の場合、グッドプットは実際に伝送されるファイル転送速度に相当します。ファイル転送速度（ビット/秒）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を掛けることで算出できます。

例えば、V.92音声帯域モデムの実効スループット（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によって影響を受けます。V.44データ圧縮によって物理層データレート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による再送信によって低くなる場合もあります。

ネットワーク機器やプロトコルによってデータ圧縮が提供されない場合、以下の関係が成り立ちます。

実効スループット ≤ スループット ≤ 最大スループット ≤ 正味ビットレート

特定の通信経路の場合。

以下は、提案されている通信規格のインターフェースおよびデバイスにおける物理層のネットビットレートの例です。

• 16  kbit/s –ビデオフォン品質（様々なビデオ圧縮方式を用いた場合、消費者が許容できる「話している顔」の映像に必要な最低限の速度） 
• 128 ～ 384  kbit/s –ビデオ圧縮を使用したビジネス向けビデオ会議品質 
• 400  kbit/s YouTube 240p動画（H.264を使用）^{[ 22 ]}
• 750  kbit/s YouTube 360​​p 動画 ( H.264を使用) ^{[ 22 ]}
• 1  Mbit/s YouTube 480p動画（H.264を使用）^{[ 22 ]}
• 最大1.15  Mbit/s – VCD品質（MPEG1圧縮を使用）^{[ 23 ]} 
• 2.5  Mbit/s YouTube 720p 動画 ( H.264を使用) ^{[ 22 ]}
• 3.5  Mbit/s 標準–標準画質テレビ品質（MPEG-2圧縮によるビットレート削減後） 
• 3.8  Mbit/s YouTube 720p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 を使用) ^{[ 22 ]}
• 3～8  Mbit/sのYouTube 1080p動画（H.264を使用）^{[ 22 ]}
• 4～10  Mbit/s YouTube 1080p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 を使用) ^{[ 22 ]}
• 5～25  Mbit/sのYouTube 1440p動画（H.264を使用）^{[ 22 ]}
• 6～30  Mbit/s YouTube 1440p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 を使用) ^{[ 22 ]}
• 8～35  Mbit/sのYouTube 2160p動画（H.264を使用）^{[ 22 ]}
• 最大9.8  Mbit/s – DVD （ MPEG2圧縮を使用）^{[ 24 ]} 
• 10～40  Mbit/s YouTube 2160p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 を使用) ^{[ 22 ]}
• 標準8～15Mbps  – HDTV画質（MPEG-4 AVC圧縮によるビットレート削減後） 
• 約19  Mbit/s – HDV 720p (MPEG2圧縮を使用) ^{[ 25 ]} 
• 最大24  Mbit/s – AVCHD （ MPEG4 AVC圧縮を使用）^{[ 26 ]} 
• 約25  Mbit/s – HDV 1080i (MPEG2圧縮を使用) ^{[ 25 ]} 
•  最大29.4 Mbit/s – HD DVD 
• 最大40  Mbit/s – 1080p Blu-ray Disc (MPEG2、MPEG4 AVCまたはVC-1圧縮を使用) ^{[ 27 ]} 
•  最大250Mbps – DCP （ JPEG 2000圧縮を使用） 
• 1.5  Gbit/s – 10ビット4:4:4非圧縮 1080p 24 FPS  

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、符号化方式など）により、比較対象となる一部の機器で実際に使用されるビットレートは、上記の数値よりも大幅に高くなる場合があります。例えば、μ則またはA則圧縮（パルス符号変調）を使用する電話回線では、64 kbit/sのビットレートが得られます 。