معدل البت

في أنظمة الاتصالات الرقمية، معدل البت الإجمالي للطبقة المادية ، ^{[ 6 ]} معدل البت الخام ، ^{[ 7 ]} معدل إشارة البيانات ، ^{[ 8 ]} معدل نقل البيانات الإجمالي ^{[ 9 ]} أو معدل الإرسال غير المشفر ^{[ 7 ]} (يكتب أحيانًا كمتغير R _b ^{[ 6 ] [ 7 ]} أو f _b ^{[ 10 ]} ) هو إجمالي عدد البتات المنقولة فعليًا في الثانية عبر رابط اتصال، بما في ذلك البيانات المفيدة بالإضافة إلى الحمل الزائد للبروتوكول.

في حالة الاتصالات التسلسلية ، يرتبط معدل البت الإجمالي بوقت إرسال البت.${\displaystyle T_{\text{b}}}$ مثل:

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

يرتبط معدل البت الإجمالي بمعدل الرموز أو معدل التضمين، والذي يُقاس بالباود أو الرموز في الثانية. ومع ذلك، يتساوى معدل البت الإجمالي وقيمة الباود فقط عندما يكون هناك مستويان فقط لكل رمز، يمثلان 0 و1، مما يعني أن كل رمز في نظام نقل البيانات يحمل بتًا واحدًا من البيانات بالضبط؛ وهذا ليس هو الحال بالنسبة لأنظمة التضمين الحديثة المستخدمة في أجهزة المودم ومعدات الشبكات المحلية. ^{[ 11 ]}

بالنسبة لمعظم رموز الخطوط وطرق التضمين :

${\displaystyle {\text{معدل الرموز}}\leq {\text{معدل البت الإجمالي}}}$

وبشكل أكثر تحديدًا، رمز خطي (أو مخطط إرسال النطاق الأساسي ) يمثل البيانات باستخدام تعديل سعة النبضة مع${\displaystyle 2^{N}}$مستويات جهد مختلفة، يمكن نقلها${\displaystyle N}$بتات لكل نبضة. طريقة تعديل رقمية (أو مخطط إرسال نطاق تمرير ) باستخدام${\displaystyle 2^{N}}$رموز مختلفة، على سبيل المثال${\displaystyle 2^{N}}$يمكن نقل السعات أو الأطوار أو الترددات${\displaystyle N}$عدد البتات لكل رمز. ينتج عن ذلك ما يلي:

${\displaystyle {\text{معدل البت الإجمالي}}={\text{معدل الرمز}}\times N}$

ومن الاستثناءات مما سبق بعض رموز الخطوط ذاتية التزامن، على سبيل المثال ترميز مانشستر وترميز العودة إلى الصفر (RTZ)، حيث يتم تمثيل كل بت بنبضتين (حالات إشارة)، مما ينتج عنه:

${\displaystyle {\text{معدل البت الإجمالي = معدل الرمز/2}}}$

يُعطى الحد النظري الأعلى لمعدل الرموز بالباود، أو الرموز/ثانية، أو النبضات/ثانية لعرض نطاق طيفي معين بالهرتز بواسطة قانون نايكويست :

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

عمليًا، لا يمكن الوصول إلى هذا الحد الأعلى إلا في أنظمة ترميز الخطوط وفي ما يُسمى بالتعديل الرقمي ذي النطاق الجانبي المتبقي . أما معظم أنظمة التعديل الرقمي الأخرى للحامل، مثل ASK و PSK و QAM و OFDM ، فيمكن وصفها بأنها تعديل ذو نطاق جانبي مزدوج ، مما ينتج عنه العلاقة التالية:

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

في حالة الاتصال المتوازي ، يُعطى معدل البت الإجمالي بواسطة

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

حيث n _هو عدد القنوات المتوازية، _و Mi هو عدد الرموز أو مستويات التعديل في القناة i ، و Ti هو وقت مدة الرمز ، معبرًا عنه بالثواني، للقناة i .

معدل نقل البيانات الصافي للطبقة الفيزيائية ^{[ 12 ]} ، ^{[ 6} ] معدل نقل المعلومات ^{[ 13 ]} ، ^{[ 14] معدل نقل البيانات الصافي [9 ]} ، ^[ 7 ^{] معدل الإرسال} المشفر [7] ، ^{[ 7 ]} معدل البيانات الفعال ^{[ 7 ]} ، أو سرعة السلك (مصطلح غير رسمي) لقناة اتصال رقمية، هو السعة باستثناء النفقات العامة لبروتوكول الطبقة الفيزيائية ، مثل بتات تأطير تقسيم الوقت (TDM) ، ورموز تصحيح الأخطاء الأمامية الزائدة (FEC)، ورموز تدريب المعادل، وغيرها من ترميز القناة . تُعد رموز تصحيح الأخطاء شائعة، خاصة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية، ومعايير مودم النطاق العريض، وشبكات LAN الحديثة عالية السرعة القائمة على النحاس. معدل نقل البيانات الصافي للطبقة الفيزيائية هو معدل البيانات المقاس عند نقطة مرجعية في الواجهة بين طبقة ربط البيانات والطبقة الفيزيائية، وقد يشمل بالتالي نفقات طبقة ربط البيانات والطبقات الأعلى.

في أجهزة المودم والأنظمة اللاسلكية، يُستخدم غالبًا تكييف الرابط (التكييف التلقائي لمعدل نقل البيانات ونظام التضمين و/أو ترميز الأخطاء وفقًا لجودة الإشارة). في هذا السياق، يُشير مصطلح " ذروة معدل البت" إلى صافي معدل البت لأسرع وضع إرسال وأقلها موثوقية، ويُستخدم على سبيل المثال عندما تكون المسافة قصيرة جدًا بين المرسل والمستقبل. ^{[ 15 ]} قد تكتشف بعض أنظمة التشغيل ومعدات الشبكة " سرعة الاتصال " ^{[ 16 ]} (مصطلح غير رسمي) لتقنية الوصول إلى الشبكة أو جهاز الاتصال، مما يعني صافي معدل البت الحالي. يُعرَّف مصطلح " معدل الخط" في بعض الكتب الدراسية بأنه معدل البت الإجمالي، ^{[ 14 ]} وفي كتب أخرى بأنه صافي معدل البت.

تتأثر العلاقة بين معدل البت الإجمالي ومعدل البت الصافي بمعدل رمز تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) وفقًا لما يلي.

معدل البت الصافي ≤ معدل البت الإجمالي × معدل الترميز

تشير سرعة الاتصال لتقنية تتضمن تصحيح الأخطاء الأمامية عادةً إلى معدل البت الصافي للطبقة المادية وفقًا للتعريف أعلاه.

على سبيل المثال، معدل البت الصافي (وبالتالي "سرعة الاتصال") لشبكة لاسلكية IEEE 802.11a هو معدل البت الصافي الذي يتراوح بين 6 و 54  ميجابت/ثانية، بينما معدل البت الإجمالي يتراوح بين 12 و 72  ميجابت/ثانية شاملاً رموز تصحيح الأخطاء.

يشير معدل البت الصافي لواجهة معدل ISDN2 الأساسية (  قناتان B +  قناة D واحدة) البالغ 64+64+16 = 144  كيلوبت/ثانية أيضًا إلى معدلات بيانات الحمولة، بينما يبلغ معدل الإشارة لقناة D 16  كيلوبت/ثانية.

يبلغ معدل نقل البيانات الصافي لمعيار الطبقة الفيزيائية لشبكة إيثرنت 100BASE-TX 100  ميجابت/ثانية، بينما يبلغ معدل نقل البيانات الإجمالي 125  ميجابت/ثانية، وذلك بفضل ترميز 4B5B (أربعة بتات فوق خمسة بتات). في هذه الحالة، يساوي معدل نقل البيانات الإجمالي معدل الرموز أو معدل النبضات البالغ 125  ميجابود، وذلك بفضل ترميز خط NRZI .

في تقنيات الاتصالات التي لا تتضمن تصحيح الأخطاء الأمامية أو أي تكاليف إضافية لبروتوكول الطبقة الفيزيائية، لا يوجد فرق بين معدل البت الإجمالي ومعدل البت الصافي للطبقة الفيزيائية. على سبيل المثال، يبلغ معدل البت الصافي والإجمالي لشبكة إيثرنت 10BASE-T عشرة  ميجابت/ثانية. وبفضل ترميز خط مانشستر ، يُمثَّل كل بت بنبضتين، مما ينتج عنه معدل نبضات يبلغ عشرين  ميجابود.

تشير "سرعة الاتصال" في مودم النطاق الصوتي V.92 عادةً إلى معدل البتات الإجمالي، لعدم وجود رمز إضافي لتصحيح الأخطاء. ويمكن أن تصل إلى 56000 بت/ثانية للتحميل و48000 بت/ثانية للرفع . وقد يُختار معدل بتات أقل أثناء مرحلة إنشاء الاتصال بسبب التضمين التكيفي - حيث تُختار أنظمة تضمين أبطأ ولكنها أكثر موثوقية في حالة ضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء . وبسبب ضغط البيانات، قد يكون معدل نقل البيانات الفعلي أو الإنتاجية (انظر أدناه) أعلى.   

سعة القناة ، والمعروفة أيضًا باسم سعة شانون ، هي حد نظري أعلى لأقصى معدل بت صافي، باستثناء ترميز تصحيح الخطأ الأمامي، والذي يمكن تحقيقه بدون أخطاء بت لرابط اتصال تناظري مادي معين من عقدة إلى عقدة .

معدل البت الصافي ≤ سعة القناة

تتناسب سعة القناة طرديًا مع عرض النطاق التناظري بالهرتز. وتُعرف هذه العلاقة بقانون هارتلي . ونتيجةً لذلك، يُطلق على معدل البتات الصافي أحيانًا سعة عرض النطاق الرقمي بالبت/ثانية.

يشير مصطلح الإنتاجية ، وهو في جوهره نفس مفهوم استهلاك النطاق الترددي الرقمي ، إلى متوسط ​​معدل البتات المفيد المُحقق في شبكة حاسوبية عبر رابط اتصال منطقي أو مادي، أو عبر عقدة شبكة، ويُقاس عادةً عند نقطة مرجعية أعلى طبقة ربط البيانات. وهذا يعني أن الإنتاجية غالبًا ما تستثني النفقات العامة لبروتوكول طبقة ربط البيانات. وتتأثر الإنتاجية بحجم حركة البيانات من مصدر البيانات المعني، وكذلك من مصادر أخرى تتشارك نفس موارد الشبكة. انظر أيضًا: قياس إنتاجية الشبكة .

يشير معدل نقل البيانات ( Goodput ) إلى متوسط ​​معدل نقل البيانات الصافي الذي يتم إيصاله إلى طبقة التطبيق ، باستثناء جميع تكاليف البروتوكول الإضافية، وإعادة إرسال حزم البيانات، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، في حالة نقل الملفات، يتوافق معدل نقل البيانات مع معدل نقل الملفات الفعلي . ويمكن حساب معدل نقل الملفات بالبت/ثانية بقسمة حجم الملف (بالبايت) على زمن نقل الملف (بالثواني) ثم ضرب الناتج في ثمانية.

على سبيل المثال، يتأثر معدل نقل البيانات (أو معدل الإنتاجية) لمودم النطاق الصوتي V.92 ببروتوكولات الطبقة الفيزيائية وطبقة ربط البيانات الخاصة بالمودم. ويكون أحيانًا أعلى من معدل نقل البيانات في الطبقة الفيزيائية بسبب ضغط البيانات V.44 ، وأحيانًا أقل بسبب أخطاء البتات وإعادة إرسال طلبات التكرار التلقائية .

إذا لم توفر معدات الشبكة أو البروتوكولات ضغطًا للبيانات، فإن العلاقة بين الحالتين هي كالتالي:

الإنتاجية الجيدة ≤ الإنتاجية الإجمالية ≤ الإنتاجية القصوى ≤ معدل البت الصافي

لمسار اتصال معين.

هذه أمثلة على معدلات نقل البيانات الصافية للطبقة الفيزيائية في واجهات وأجهزة معايير الاتصالات المقترحة:

• 16  كيلوبت/ثانية – جودة مكالمة الفيديو (الحد الأدنى اللازم للحصول على صورة "رأس متحدث" مقبولة للمستهلك باستخدام أنظمة ضغط الفيديو المختلفة) 
• 128 – 384  كيلوبت/ثانية – جودة مؤتمرات فيديو موجهة للأعمال باستخدام ضغط الفيديو 
• 400  كيلوبت/ثانية فيديوهات يوتيوب 240 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 750  كيلوبت/ثانية فيديوهات يوتيوب 360 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 1  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 480 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 1.15  ميجابت/ثانية كحد أقصى – جودة VCD (باستخدام ضغط MPEG1 ) ^{[ 23 ]} 
• 2.5  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 720 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 3.5  ميجابت/ثانية نموذجي - جودة تلفزيونية قياسية (مع تقليل معدل البت من ضغط MPEG-2) 
• 3.8  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 720p60 (60 إطارًا في الثانية ) (باستخدام H.264) ^{[ 22 ]}
• 3-8  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 1080 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 4-10  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 1080p60 (60 إطارًا في الثانية ) (باستخدام H.264) ^{[ 22 ]}
• 5-25  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 1440 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• مقاطع فيديو يوتيوب 1440p60 (60 إطارًا في الثانية ) بسرعة 6-30  ميجابت/ثانية (باستخدام H.264) ^{[ 22 ]}
• 8-35  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 2160 بكسل (باستخدام H.264 ) ^{[ 22 ]}
• 9.8  ميجابت/ثانية كحد أقصى – DVD (باستخدام ضغط MPEG2 ) ^{[ 24 ]} 
• 10-40  ميجابت/ثانية فيديوهات يوتيوب 2160p60 (60 إطارًا في الثانية ) (باستخدام H.264) ^{[ 22 ]}
• 8 إلى 15  ميجابت/ثانية نموذجي - جودة HDTV (مع تقليل معدل البت من ضغط MPEG-4 AVC) 
• 19  ميجابت/ثانية تقريبًا – HDV 720p (باستخدام ضغط MPEG2) ^{[ 25 ]} 
• 24  ميجابت/ثانية كحد أقصى – AVCHD (باستخدام ضغط MPEG4 AVC ) ^{[ 26 ]} 
• 25  ميجابت/ثانية تقريبًا – HDV 1080i (باستخدام ضغط MPEG2) ^{[ 25 ]} 
• 29.4  ميجابت/ثانية كحد أقصى – HD DVD 
• 40  ميجابت/ثانية كحد أقصى - قرص بلو راي 1080 بكسل (باستخدام ضغط MPEG2 أو MPEG4 AVC أو VC-1 ) ^{[ 27 ]} 
• 250  ميجابت/ثانية كحد أقصى – DCP (باستخدام ضغط JPEG 2000) 
• 1.5  جيجابت/ثانية – 10 بت 4:4:4 غير مضغوط 1080 بكسل بمعدل 24 إطارًا في الثانية  

لأسباب تقنية (بروتوكولات الأجهزة/البرامج، والتكاليف الإضافية، وأنظمة التشفير، وما إلى ذلك)، قد تكون معدلات نقل البيانات الفعلية المستخدمة من قبل بعض الأجهزة المُقارنة أعلى بكثير من المذكورة أعلاه. على سبيل المثال، تُنتج دوائر الهاتف التي تستخدم تقنية ضغط البيانات μ-law أو A-law (تعديل رمز النبضة) معدل نقل بيانات يبلغ 64 كيلوبت/ثانية.