ビットレート

電気通信とコンピュータにおいて、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す。 ^[1]

ビットレートは、1秒あたりのビット数（記号：bit/s）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およびデジタル通信環境では、1バイト/秒(記号: B/s ) は 8 ビット/秒に相当します。

大きいビットレートや小さいビットレートを表すときは、SIプレフィックス（メトリックプレフィックスまたは10進プレフィックスとも呼ばれる）が使用される。^[3]

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R _b ^{[6] [7]}またはf _b ^[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、有用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。 ${\displaystyle T_{\text{b}}}$

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

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、これはボーまたは1秒あたりのシンボル数で表されます。ただし、総ビットレートとボー値が等しくなるのは、シンボルあたり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は正確に1ビットのデータを伝送します。たとえば、モデムやLAN機器で使用される最新の変調システムでは、これ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:

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

具体的には、異なる電圧レベルの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) は、パルスごとにビットを転送できます。振幅、位相、周波数などの異なるシンボルを使用す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転送できます。その結果、次のようになります。 ${\displaystyle 2^{N}}$${\displaystyle N}$${\displaystyle 2^{N}}$${\displaystyle 2^{N}}$${\displaystyle N}$

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

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。

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

特定のスペクトル帯域幅（ヘルツ単位）に対するボー、シンボル/秒、またはパルス/秒単位のシンボルレートの理論的な上限は、ナイキストの法則によって与えられます。

${\displaystyle {\text{シンボルレート}}\leq {\text{ナイキストレート}}=2\times {\text{帯域幅}}}$

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の場合のみです。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、次の関係が生まれます 。

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

並列通信の場合、総ビットレートは次のように表される。

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

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、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]またはワイヤスピード（非公式な言葉）は、物理層プロトコルのオーバーヘッド、たとえば時分割多重(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。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、および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ポイントで測定されたデータレートであり、結果的に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（データレートと変調および/またはエラーコーディング方式を信号品質に合わせて自動的に適応させる）が頻繁に適用されます。その文脈では、ピークビットレートという用語は、送信機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、最も高速で最も堅牢性の低い伝送モードのネットビットレートを示します。^[15]一部のオペレーティングシステムと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デバイスの「接続速度」^{[16] （非公式な言葉）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、一部の教科書では総ビットレートとして定義され、^[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 ×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、総ビット 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)の正味ビット 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 チャネルの信号レートは 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 100 Mbit/s ですが、4B5B ( 4 ビット / 5 ビット) エンコーディングにより、総ビット レートは 125 Mbit/s になります。この場合、総ビット レートは、 NRZI ライン コードにより、シンボル レートまたはパルス レートの 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テクノロジでは、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。たとえば、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 10 Mbit/s です。マンチェスターラインコードにより、各ビットは 2 つのパルスで表され、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、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、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、より堅牢な変調方式が選択されます。データ圧縮により、実際のデータ転送速度またはスループット (以下を参照) は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。

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で、論理または物理通信リンク上またはネットワーク 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 レートを示し、通常はデータ リンク層の上位の参照ポイントで測定されます。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ということです。スループットは、問題のデータ 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よっても影響を受けます。ネットワーク スループットの測定も参照してください。

グッドプットまたはデータ転送速度とは、すべてのプロトコル オーバーヘッド、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配信される達成された平均ネット ビット レートを指しますたとえば、ファイル転送の場合、グッドプットは達成されたファイル転送速度に対応します。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 を掛けて計算できます。

たとえば、V.92 音声帯域モデムのグッドプットまたはデータ転送速度は、モデムの物理層およびデータ リンク層プロトコルの影響を受けます。V.44 データ圧縮により物理層データ 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繰り返し要求の再送信により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は、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。

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 レートの例を以下に示します。

デジタル マルチメディアでは、ビット レートは録画の単位時間あたりに保存される情報量、つまり詳細を表します。ビット レートはいくつかの要因によって決まります。

• 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。
• サンプルは異なる数のビットを使用する場合があります。
• 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、さまざまなアルゴリズムによって、またはさまざまな程度にデジタル圧縮される場合があります。

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

オーディオまたはビジュアル データに非可逆データ圧縮を使用すると、元の信号との差異が生じます。圧縮がかなり大きい場合、または非可逆データが解凍されて再圧縮された場合、圧縮アーティファクトの形でこれが顕著になることがあります。これらが知覚される品質に影響を与えるかどうか、また影響を与える場合はどの程度影響を与えるかは、圧縮方式、エンコーダーのパワー、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、およびリスニングまたは視聴環境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コーディング方式の場合に使用されます。この文脈では、ピークビットレートは、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です。^[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、利用可能な最良の圧縮を使用した場合に、一般的なリスニングまたは視聴環境の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。

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。この形式は、「16 ビット / 44.1kHz」のように略されることもあります。CD-DA はステレオでもあり、左チャンネルと右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 つのチャンネルのみが使用されるモノラルの 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。

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

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。

${\displaystyle 44,100\times 16\times 2=1,411,200\ {\text{ビット/秒}}=1,411.2\ {\text{kビット/秒}}}$

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。

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

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。

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

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。

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

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オーディオ形式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とオーディオ品質が向上します。

• 32 kbit/s – 一般的には音声のみに使用可能
• 96 kbit/s – 一般的に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

• 700 ビット/秒 – オープンソースの音声コーデックCodec2 の最低ビットレートですが、Codec2 は 1.2 kbit/秒ではるかに良い音質です。
• 800 ビット/秒 – 専用のFS-1015 音声コーデックを使用した場合、認識可能な音声に必要な最小値
• 2.15 kbit/s – オープンソースのSpeexコーデックで利用可能な最小ビットレート
• 6 kbit/s – オープンソースのOpusコーデックで利用可能な最小ビットレート
• 8 kbit/s – 音声コーデックを使用した電話品質
• 32～500 kbit/s – Ogg Vorbisで使用される非可逆オーディオ
• 256 kbit/s – デジタルオーディオ放送（DAB）MP2の高品質信号を実現するために必要なビットレート^[18]
• 292 kbit/s –ミニディスクフォーマットで使用するためのソニー適応変換音響符号化(ATRAC)
• 400 kbit/s～1,411 kbit/s – Free Lossless Audio Codec、WavPack、Monkey's AudioなどのフォーマットでCDオーディオを圧縮するために使用されるロスレスオーディオ
• 1,411.2 kbit/s – CD-DAのリニアPCMサウンドフォーマット
• 5,644.8 kbit/s – DSDはスーパーオーディオCDで使用されるPDMサウンドフォーマットの商標登録された実装です。^[19]
• 6.144 Mbit/s – E-AC-3 (ドルビーデジタルプラス)、AC-3コーデックに基づく拡張コーディングシステム
• 9.6 Mbit/s – DVD-Audioは、DVDで高音質のオーディオコンテンツを配信するためのデジタルフォーマットです。DVD-Audioはビデオ配信フォーマットとして意図されておらず、コンサートフィルムやミュージックビデオを含むビデオDVDとは異なります。これらのディスクは、DVD-Audioロゴのない標準的なDVDプレーヤーでは再生できません。^[20]
• 18 Mbit/s – Meridian Lossless Packing (MLP)に基づく高度なロスレス オーディオ コーデック

• 16 kbit/s – テレビ電話の品質 (さまざまなビデオ圧縮方式を使用して、消費者が許容できる「話し手」の画像に必要な最小値)
• 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ビデオ（H.264を使用）^[21]
• 750 kbit/s YouTube 360​​pビデオ（H.264を使用）^[21]
• 1 Mbit/s YouTube 480pビデオ（H.264を使用）^[21]
• 最大1.15 Mbit/s – VCD品質（MPEG1圧縮を使用）^[22]
• 2.5 Mbit/s YouTube 720pビデオ（H.264を使用）^[21]
• 3.5 Mbit/s typ ^{[明確化が必要]}  – 標準解像度のテレビ品質 (MPEG-2 圧縮によるビットレート削減あり)
• 3.8 Mbit/s YouTube 720p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 使用) ^[21]
• 4.5 Mbit/s YouTube 1080pビデオ（H.264を使用）^[21]
• 6.8 Mbit/s YouTube 1080p60 (60 FPS ) 動画 (H.264 使用) ^[21]
• 最大9.8 Mbit/s – DVD（MPEG2圧縮を使用）^[23]
• 8～15 Mbit/s（標準） – HDTV品質（MPEG-4 AVC 圧縮によるビットレート削減あり）
• 約19 Mbit/s – HDV 720p（MPEG2圧縮を使用）^[24]
• 最大24 Mbit/s – AVCHD（MPEG4 AVC圧縮を使用）^[25]
• 約25 Mbit/s – HDV 1080i（MPEG2圧縮を使用）^[24]
• 最大 29.4 Mbit/s – HD DVD
• 最大40 Mbit/s – 1080p ブルーレイディスク（MPEG2、MPEG4 AVC、またはVC-1圧縮を使用）^[26]
• 最大 250 Mbit/s – DCP (JPEG 2000 圧縮を使用)
• 1.4 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、エンコード スキームなど) により、比較対象のデバイスの一部で使用される実際のビット レートは、上記よりも大幅に高くなる場合があります。たとえば、 μlawまたはA-law コンパンディング(パルス コード変調) を使用する電話回線では、64 kbit/s になります。

• ライブビデオストリーミングビットレート計算機 ビデオとライブストリームのビットレートを計算します
• DVD-HQ ビット レート 計算機 さまざまな種類のデジタル ビデオ メディアのビット レートを計算します。
• Maximum PC - MP3 ビット レートを高くすると効果はありますか?
• Valid8 データレート計算機