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。

$総ビットレート = シンボルレート × N$

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。

$総ビットレート = シンボルレート/2$

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。

$シンボルレート ≤ ナイキストレート = 2 × 帯域幅$

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。

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

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。

The term throughput, essentially the same thing as digital bandwidth consumption, denotes the achieved average useful bit rate in a computer network over a logical or physical communication link or through a network node, typically measured at a reference point above the data link layer. This implies that the throughput often excludes data link layer protocol overhead. The throughput is affected by the traffic load from the data source in question, as well as from other sources sharing the same network resources. See also measuring network throughput.

Goodput or data transfer rate refers to the achieved average net bit rate that is delivered to the application layer, exclusive of all protocol overhead, data packets retransmissions, etc. For example, in the case of file transfer, the goodput corresponds to the achieved file transfer rate. The file transfer rate in bit/s can be calculated as the file size (in bytes) divided by the file transfer time (in seconds) and multiplied by eight.

As an example, the goodput or data transfer rate of a V.92 voiceband modem is affected by the modem physical layer and data link layer protocols. It is sometimes higher than the physical layer data rate due to V.44data compression, and sometimes lower due to bit-errors and automatic repeat request retransmissions.

If no data compression is provided by the network equipment or protocols, we have the following relation:

goodput ≤ throughput ≤ maximum throughput ≤ net bit rate

for a certain communication path.

These are examples of physical layer net bit rates in proposed communication standard interfaces and devices:

• 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（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 。