Tasa de bits

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 de datos bruta ^{[ 9 ]} o tasa de transmisión sin codificar ^{[ 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.${\displaystyle T_{\text{b}}}$ como:

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

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 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; 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 :

${\displaystyle {\text{tasa de símbolos}}\leq {\text{tasa de bits bruta}}}$

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

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

Una excepción a lo anterior son algunos códigos de línea autosincronizados, 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:

${\displaystyle {\text{tasa de bits bruta = tasa de símbolos/2}}}$

La ley de Nyquist proporciona un límite superior teórico para la tasa 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 solo se puede alcanzar para esquemas de codificación de línea y para la denominada modulación digital de banda lateral vestigial . La mayoría de los demás esquemas de modulación de portadora digital, por ejemplo ASK , PSK , QAM y OFDM , se pueden caracterizar 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, M _i es el número de símbolos o niveles de modulación en el i- ésimo canal , y T _i es el tiempo de duración del símbolo , expresado en segundos, para el i- ésimo canal.

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 de datos neta , ^{[ 9 ]} tasa de transmisión codificada , ^{[ 7 ]} tasa de datos efectiva ^{[ 7 ]} o velocidad de 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 trama de multiplexación por división de tiempo (TDM) , códigos de corrección de errores hacia adelante (FEC) redundantes , símbolos de entrenamiento del 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 módems y sistemas inalámbricos, se suele aplicar 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 pico denota la velocidad de bits neta del modo de transmisión más rápido y menos robusto, utilizado, por ejemplo, cuando la distancia entre emisor y transmisor es muy corta. ^{[ 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 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 según lo siguiente.

tasa de bits neta ≤ tasa de bits bruta × tasa de codificación

La velocidad de conexión de una tecnología que implica corrección de errores hacia adelante 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 está entre 12 y 72  Mbit/s, incluyendo 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 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/s, debido a la codificación 4B5B (cuatro bits sobre cinco bits). En este caso, la velocidad de bits bruta es igual a la velocidad de símbolos o velocidad de pulsos de 125  megabaudios, debido al código de línea NRZI .

En las tecnologías de comunicación sin corrección de errores hacia adelante ni 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 resulta en una frecuencia de pulsos de 20  megabaudios.

La velocidad de conexión de un módem de banda de voz V.92 se refiere generalmente a la tasa de bits bruta, ya que no incluye código de corrección de errores adicional. Puede alcanzar hasta 56 000 bit/s de bajada y 48 000 bit/s de subida . Durante la fase de establecimiento de la conexión, se puede seleccionar una tasa de bits inferior debido a la modulación adaptativa : se eligen esquemas de modulación más lentos pero más robustos en caso de una baja relación señal/ruido . Debido a la compresión de datos, la tasa de transmisión de datos real o rendimiento (véase más abajo) puede ser mayor.   

La capacidad del canal , también conocida como capacidad de Shannon , es un límite superior teórico para la tasa de bits neta máxima, excluyendo la codificación de corrección de errores hacia adelante, que es posible sin errores de bits para un determinado enlace de comunicación analógico físico 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 conoce como la ley de Hartley . Por consiguiente, la tasa de bits neta a veces se denomina capacidad de ancho de banda digital en bits/s.

El término rendimiento , esencialmente 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, 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. Véase también medición del rendimiento de la red .

El rendimiento efectivo o tasa de transferencia de datos se refiere a la tasa de bits neta promedio alcanzada que se entrega a la capa de aplicación , excluyendo la sobrecarga del protocolo, las retransmisiones de paquetes de datos, etc. Por ejemplo, en el caso de la transferencia de archivos, el rendimiento efectivo corresponde a la tasa de transferencia de archivos alcanzada . La tasa de transferencia de archivos en bits/s se puede calcular dividiendo el tamaño del archivo (en bytes) entre el tiempo de transferencia del archivo (en segundos) y multiplicando el resultado por ocho.

Por ejemplo, el rendimiento o la tasa de transferencia de datos de un módem de banda de voz V.92 se ve afectado por los protocolos de la capa física y de la capa de enlace de datos del módem. En ocasiones, es superior a la tasa de datos de la capa física debido a la compresión de datos V.44 , y en otras, inferior debido a errores de bits y retransmisiones automáticas de solicitudes repetidas .

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

rendimiento útil ≤ rendimiento total ≤ rendimiento total máximo ≤ tasa de bits neta

para una determinada ruta de comunicación.

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

• 16  kbit/s – calidad de videoteléfono (mínimo necesario para una imagen de "cabeza parlante" aceptable para el consumidor utilizando diversos esquemas de compresión de vídeo). 
• 128 – 384  kbit/s – calidad de videoconferencia orientada a negocios mediante compresión de vídeo 
• Vídeos de YouTube 240p a 400  kbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 360p de 750  kbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 480p de 1  Mbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 1,15  Mbit/s máx. – Calidad VCD (usando compresión MPEG1 ) ^{[ 23 ]} 
• Vídeos de YouTube 720p de 2,5  Mbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 3,5  Mbit/s típico : calidad de televisión de definición estándar (con reducción de la tasa de bits debido a la compresión MPEG-2). 
• Vídeos de YouTube 720p60 (60 FPS ) de 3,8  Mbit/s (usando H.264) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 1080p de 3-8  Mbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 1080p60 (60 FPS ) de 4-10  Mbit/s (usando H.264) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 1440p de 5-25  Mbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 1440p60 (60 FPS ) de 6-30  Mbit/s (usando H.264) ^{[ 22 ]}
• Vídeos de YouTube 2160p de 8-35  Mbit/s (usando H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 9,8  Mbit/s máx. – DVD (usando compresión MPEG2 ) ^{[ 24 ]} 
• Vídeos de YouTube 2160p60 (60 FPS ) de 10-40  Mbit/s (usando H.264) ^{[ 22 ]}
• De 8 a 15  Mbit/s típicos – Calidad HDTV (con reducción de la tasa de bits debido a la compresión MPEG-4 AVC) 
• 19  Mbit/s aproximados – HDV 720p (usando compresión MPEG2) ^{[ 25 ]} 
• 24  Mbit/s máximo – AVCHD (usando compresión MPEG4 AVC ) ^{[ 26 ]} 
• 25  Mbit/s aproximados – HDV 1080i (usando compresión MPEG2) ^{[ 25 ]} 
• 29,4  Mbit/s máximo – HD DVD 
• 40  Mbit/s máximo – Disco Blu-ray 1080p (usando compresión MPEG2, MPEG4 AVC o VC-1 ) ^{[ 27 ]} 
• 250  Mbit/s máximo – DCP (usando compresión JPEG 2000) 
• 1,5  Gbit/s – 10 bits 4:4:4 sin comprimir 1080p a 24 FPS  

Por razones técnicas (protocolos de hardware/software, sobrecarga, esquemas de codificación, etc.), las velocidades de bits reales utilizadas por algunos de los dispositivos comparados pueden ser significativamente superiores a las indicadas anteriormente. Por ejemplo, los circuitos telefónicos que utilizan compresión y expansión (modulación por impulsos codificados) con modulación μ-law o A-law alcanzan los 64 kbit/s.