Tasa de bits

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 = 1.000 bit/s), mega (1 Mbit/s = 1.000 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.

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

A veces se utilizan prefijos binarios para las velocidades de bits. ^{[4] [5]} El estándar internacional ( IEC 80000-13 ) especifica símbolos diferentes 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 los sistemas de comunicación digital, la tasa de bits bruta de la capa física , ^[6] tasa de bits sin procesar , ^[7] tasa de señalización de datos , ^[8] tasa de transferencia bruta de datos ^[9] o 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 así como la sobrecarga del protocolo.

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

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

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 tasa de bits bruta y el valor en baudios son iguales solo cuando hay solo 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 los códigos de línea y métodos de modulación :

${\displaystyle {\text{velocidad de símbolo}}\leq {\text{velocidad de bits bruta}}}$

Más específicamente, un código de línea (o esquema de transmisión de banda base ) que representa los datos mediante 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 da como resultado:$Estilo de visualización 2^{N}}$${\estilo de visualización N}$$Estilo de visualización 2^{N}}$$Estilo de visualización 2^{N}}$${\estilo de visualización N}$

${\displaystyle {\text{velocidad de bits bruta}}={\text{velocidad de símbolos}}\times N}$

Una excepción a lo anterior son algunos códigos de línea con sincronización automática, 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:

${\displaystyle {\text{velocidad de bits bruta = velocidad de símbolo/2}}}$

La ley de Nyquist proporciona 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 :

${\displaystyle {\text{velocidad de símbolo}}\leq {\text{velocidad de Nyquist}}=2\times {\text{ancho de banda}}}$

En la práctica, este límite superior solo se puede alcanzar en el caso de esquemas de codificación de línea y en el caso de 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 , se pueden caracterizar como modulación de banda lateral doble , lo que da como resultado la siguiente relación:

${\displaystyle {\text{velocidad de símbolo}}\leq {\text{ancho de banda}}}$

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, M _i es el número de símbolos o niveles de la modulación en el canal i , y T _i es el tiempo de duración del símbolo , expresado en segundos, para el canal i .

La tasa de bits neta de la capa física , ^[12] tasa de información , ^[6] tasa de bits útil , ^[13] tasa de carga útil , ^[14] tasa de transferencia neta de datos , ^[9] tasa de transmisión codificada , ^[7] tasa de datos efectiva ^[7] o velocidad del cable (lenguaje informal) de un canal de comunicación digital es la capacidad excluyendo la sobrecarga del protocolo de la capa física , por ejemplo bits de entramado de multiplexación por división de tiempo (TDM) , códigos de corrección de errores de avance redundantes (FEC), símbolos de entrenamiento de ecualizador y otra codificación de canal . Los códigos de corrección de errores son comunes especialmente en sistemas de comunicación inalámbrica, estándares de módem de banda ancha y LAN modernas 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 la sobrecarga del enlace de datos y de capas superiores.

En los módems y sistemas inalámbricos, se aplica a menudo la adaptación de enlace (adaptación automática de la velocidad de datos y del esquema de modulación y/o codificación de errores a la calidad de la señal). En ese contexto, el término velocidad de bits máxima denota la velocidad 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 red o un dispositivo de comunicación, lo que implica la velocidad 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 de avance generalmente se refiere a la tasa 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 una tasa de bits neta de entre 6 y 54 Mbit/s, mientras que la tasa de bits bruta es de entre 12 y 72 Mbit/s incluidos los códigos de corrección de errores.

La tasa de bits neta de la interfaz de velocidad básica ISDN2 (2 canales B + 1 canal D) de 64+64+16 = 144 kbit/s también se refiere a las tasas de datos de carga útil, mientras que la tasa de señalización del canal D es de 16 kbit/s.

La tasa de bits neta del estándar de capa física Ethernet 100BASE-TX es de 100 Mbit/s, mientras que la tasa de bits bruta es de 125 Mbit/s, 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 tasa de pulsos de 125 megabaudios, debido al código de línea NRZI .

En las tecnologías de comunicaciones sin corrección de errores de reenvío y otros protocolos de capa física, no existe distinción entre la tasa de bits bruta y la tasa de bits neta de la capa física. Por ejemplo, la tasa de bits neta y bruta de Ethernet 10BASE-T es de 10 Mbit/s. Debido al código de línea Manchester , cada bit se representa mediante dos pulsos, lo que da como resultado una tasa de pulsos de 20 megabaudios.

La "velocidad de conexión" de un módem de banda vocal V.92 se refiere normalmente a la tasa de bits bruta, ya que no hay ningún 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 tasa 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 mala relación señal/ruido . Debido a la compresión de datos, la tasa de transmisión de datos real o el rendimiento (véase más abajo) pueden ser mayores.

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

tasa de bits neta ≤ capacidad del canal

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

El término rendimiento , que en esencia es lo mismo que consumo de ancho de banda digital , denota la tasa 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, normalmente 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. Véase también medición del rendimiento de la red .

El rendimiento útil o tasa de transferencia de datos se refiere a la tasa de bits neta promedio alcanzada que se entrega a la capa de aplicación , sin incluir toda la sobrecarga del protocolo, retransmisiones de paquetes de datos, etc. Por ejemplo, en el caso de la transferencia de archivos, el rendimiento útil corresponde a la tasa de transferencia de archivos alcanzada . La tasa de transferencia de archivos en bits/s se puede calcular como el tamaño del archivo (en bytes) dividido por el tiempo de transferencia del archivo (en segundos) y multiplicado por ocho.

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

Si el equipo o los protocolos de red no proporcionan compresión de datos, tenemos la siguiente relación:

rendimiento útil ≤ rendimiento máximo ≤ tasa de bits neta

para una determinada ruta de comunicación.

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

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 puede ser muestreado en diferentes frecuencias.
• Las muestras pueden utilizar diferentes números de bits.
• Los datos pueden codificarse mediante diferentes esquemas.
• La información puede ser comprimida 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 la compresión de datos con pérdida en datos de audio o video, se introducirán diferencias con respecto a la señal original; si la compresión es sustancial, o si los datos con pérdida se descomprimen y se vuelven a comprimir, esto puede hacerse notar en forma de artefactos de compresión . Si estos afectan la calidad percibida, y 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.

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 de multimedia en tiempo real , la tasa de bits de codificación es el rendimiento necesario para evitar interrupciones en la reproducción.

El término tasa de bits promedio se utiliza en el caso de esquemas de codificación de fuentes multimedia con tasa de bits variable . En este contexto, la tasa de bits máxima es el número máximo de bits requerido para cualquier bloque de datos comprimidos a corto plazo. ^[17]

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

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

El formato Compact Disc Digital Audio (CD-DA) utiliza 44.100 muestras por segundo, cada una con una profundidad de bits de 16, un formato que a veces se abrevia como "16bit/44,1kHz". El CD-DA también es estéreo , ya que utiliza un canal izquierdo y otro derecho , por lo que la cantidad de datos de audio por segundo es el doble que la del mono, donde solo se utiliza un único canal.

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

${\displaystyle {\text{velocidad de bits}}={\text{frecuencia de muestreo}}\times {\text{profundidad de bits}}\times {\text{canales}}}$

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 acumulativo de una longitud de datos de audio PCM (excluyendo un encabezado de archivo u otros metadatos ) se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

${\displaystyle {\text{tamaño en bits}}={\text{frecuencia de muestreo}}\times {\text{profundidad de bits}}\times {\text{canales}}\times {\text{tiempo}}.}$

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

${\displaystyle {\text{tamaño en bytes}}={\frac {\text{tamaño en bits}}{8}}}$

Por lo tanto, 80 minutos (4.800 segundos) de datos CD-DA requieren 846.720.000 bytes de almacenamiento:

${\displaystyle {\frac {44.100\times 16\times 2\times 4.800}{8}}=846.720.000\ {\text{bytes}}\aproximadamente 847\ {\text{MB}}\aproximadamente 807,5\ {\text{MiB}}}$

donde MiB son mebibytes con prefijo binario Mi, lo que significa 2 ²⁰ = 1.048.576.

El formato de audio MP3 ofrece compresión de datos sin pérdida . La calidad del audio mejora a medida que aumenta la tasa de bits:

• 32 kbit/s – generalmente aceptable sólo para voz
• 96 kbit/s: generalmente se utiliza 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 de uso común
• 320 kbit/s: el nivel más alto admitido por el estándar MP3

• 700 bit/s: el códec de voz de código abierto con la tasa de bits más baja Codec2 , pero Codec2 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 el que se utiliza en Ogg Vorbis
• 256 kbit/s – Velocidad de bits de transmisión de audio digital ( DAB ) MP2 necesaria para lograr una señal de alta calidad ^[18]
• 292 kbit/s – Codificación acústica por transformación adaptativa de Sony (ATRAC) para su uso en el formato MiniDisc
• 400 kbit/s–1,411 kbit/s: audio sin pérdida como el que se usa 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 reproducir contenido de audio de alta fidelidad en un DVD. El formato DVD-Audio no está pensado para reproducir 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 pérdida basado en Meridian Lossless Packing (MLP)

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

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 que se indican anteriormente. Por ejemplo, los circuitos telefónicos que utilizan compresión-expansión de ley μ o ley A (modulación por código de pulsos) producen 64 kbit/s.

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