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2017年9月22日 (金) 08:17時点における版

電気通信やコンピューティングにおいて、ビットレートまたはビット速度（ビットそくど、英語: bit rate, bitrate）とは、単位時間あたりに転送または処理されるビット数である。変数 R ^[1]として表される。

ビットレートには、通常ビット毎秒(bit/s)の単位が用いられ、キロ、メガ、ギガ、テラなどのSI接頭辞と組み合わせて使用される^[2]。非公式な略称"bps"が"bit/s"の代わりに使われることが多く、例えば"1 Mbps"は100万ビット毎秒を意味する。

1バイト毎秒(1 B/s)は8ビット毎秒に相当する。

接頭辞

大きなビットレートを表す場合、SI接頭辞が使用される。

1,000 bit/s	rate = 1 kbit/s（1キロビット毎秒、1000ビット毎秒）
1,000,000 bit/s	rate = 1 Mbit/s（1メガビット毎秒、100万ビット毎秒）
1,000,000,000 bit/s	rate = 1 Gbit/s（1ギガビット毎秒、10億ビット毎秒）

二進接頭辞が使用されることもある^[3]^[4]。国際規格(IEC 80000-13)では、SI接頭辞と二進接頭辞で異なる略語を指定している（例えば、1 KiB/s = 1024 B/s = 8192 bit/s、1 MiB/s = 1024 KiB/s）。なお、正しい用法ではないが、SI接頭辞を、それに近い二進接頭辞の値の意味で使用することが広く行われている。二進接頭辞を参照。

データ通信において

グロスビットレート

デジタル通信システムにおいて、物理層のグロスビットレート(gross bitrate)^[5]とは、有用なデータおよびプロトコルオーバヘッドを含む、通信リンク上の物理的に転送された毎秒のビットの総数である。変数 R_b ^[5]^[6] または f_b ^[7]で表される。ロービットレート(raw bitrate)^[6]、データ信号レート（英語版）(data signaling rate)^[8]、グロスデータ転送レート(gross data transfer rate)^[9]、未符号化伝送レート(uncoded transmission rate)^[6]とも言う。

シリアル通信の場合、グロスビットレート R_b はビット伝送時間 $T_{b}$ と以下の関係がある。

R_{b}={1 \over T_{b}}

グロスビットレートは、ボー(baud)やシンボル毎秒(sps)で表されるシンボルレート（変調レート）に関連する。しかし、グロスビットレートとボーの値は、シンボル当たり2つのレベル（0と1で表われさる）しかない場合にのみ等しくなる。これは、データ伝送システムの各シンボルが正確に1ビットのデータを運ぶことを意味する。モデムやLAN機器で使用される現代の変調システムではそうなっていない^[10]。

ほとんどの伝送路符号と変調方式では、シンボルレート≦グロスビットレートである。より具体的には、 2^N 個の異なる電圧レベルでパルス振幅変調を使用してデータを表す伝送路符号（ベースバンド送信方式）は、1パルスあたり N ビットを転送することができる。2^N 個の異なるシンボル、例えば 2^N 個の振幅、位相、周波数を使用するデジタル変調方法（パスバンド送信方式）は、1シンボルあたり N ビットを転送することができる。すなわち、

グロスビットレート = シンボルレート · N

である。

例外として、マンチェスタ符号やゼロ復帰符号(RTZ)などの自己同期伝送路符号がある。各ビットは2つのパルス（信号状態）で表され、次のようになる。

グロスビットレート = 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、シンボル毎秒、パルス毎秒のシンボルレートの理論上の上限は、ナイキストの法則によって与えられる。

シンボルレート ≤ ナイキストレート = 2 ·帯域幅

実際には、この上限は、伝送路符号方式およびいわゆる残留側帯波デジタル変調を使用したときのみ近づけることができる。ASK、PSK、QAM、OFDMのような大部分の他のディジタルキャリア変調方式は、二重側帯波変調として特徴付けることができ、その結果、以下の関係が得られる。

シンボルレート ≤ 帯域幅

パラレル通信の場合、グロスビットレートは

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

となる。ここで、 n はパラレルチャネルの数、 M_i は i 番目のチャネルにおける変調のシンボルまたはレベルの数、 T_i は i 番目のチャネルのシンボル持続時間（秒単位）である。

ネットビットレート

物理層のネットビットレート(net bitrate)^[11]^[12]とは、物理層プロトコルのオーバーヘッド（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、イコライザートレーニングシンボルやその他の通信路符号）を除いた正味の伝送容量である。情報レート(information rate)^[5]、有用ビットレート(useful bit rate)^[13]、ペイロードレート(payload rate)^[14]、ネットデータ転送レート(net data transfer rate) ^[9]、符号化伝送レート(coded transmission rate)^[9]、実効データレート(effective data rate)^[6]、デジタル通信チャネルのワイヤー・スピード（非公式な用語）とも言う。誤り訂正符号は、特に、無線通信システム、広帯域モデム規格、および現代の銅線ベースの高速LANにおいて共通している。物理層ネットビットレートは、データリンク層と物理層との間のインターフェース内の基準点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以上の層のオーバーヘッドを含む。

モデムや無線システムでは、適応変調（データレート、変調、エラーコーディング方式を信号品質に自動的に適合させること）が適用されることが多い。この場合において、ピークビットレート(peak bitrate)という用語が、最も速く最もロバストな伝送モードのネットビットレートを表すのに用いられ、例えば、送信機と送信機との間の距離が非常に短い場合に使用される^[15]。オペレーティングシステムやネットワーク機器によっては、ネットワークアクセス技術や通信デバイスの「接続速度」(connection speed)を表示するものがあり、これは「現在のネットビットレート」を意味する非公式な用語である^[16]。「ラインレート」(line rate)という用語は、教科書によってグロスビットレートとして定義されている場合^[14]と、ネットビットレートとして定義されている場合がある。

グロスビットレートとネットビットレートとの間の関係は、以下に従ってFECコードレート（英語版）の影響を受ける。

ネットビットレート ≤ グロスビットレート · コードレート

順方向誤り訂正を含む技術の接続速度は、典型的には、上記の定義に従う物理層ネットビットレートを指す。

例えば、IEEE802.11a無線ネットワークのネットビットレート（すなわち接続速度）は、6〜54 Mbit/sであり、グロスビットレートは誤り訂正符号を含んで12〜72 Mbit/sである。

64+64+16 = 144 kbit/sのISDN基本インターフェース（英語版）（Bチャネル2個 + Dチャネル1個）のネットのビットレートも、ペイロードデータレートを参照し、Dチャネルの信号レートは16 kbit/sである。

100Base-TX イーサネットの物理層規格は、4B5B符号化を使用しているため、グロスビットレートは125 Mbit/sでだが、ネットビットレートは100 Mbit/sである。この場合、グロスビットレートは、NRZI 伝送路符号を使用しているため、125メガボーのシンボルレート（パルスレート）に等しい。

順方向誤り訂正などの物理層プロトコルのオーバーヘッドのない通信技術では、グロスビットレートとネットビットレートとの間に区別はない。例えば、10Base-Tイーサネットのネットビットレートとグロスビットレートはどちらも10 Mbit/sである。マンチェスター符号を使用しているため、各ビットは2つのパルスによって表され、その結果、20メガボーのパルスレートが得られる。

V.92音声帯域（英語版）モデムの「接続速度」は、追加の誤り訂正符号がないため、通常、グロスビットレートと同じである。下り56,000 bit/s、上りは 48,000 bit/sである。適応変調のため、接続確立フェーズ中に、より低いビットレートを選択することができる。信号対雑音比が悪い場合、低速だがよりロバストな変調方式が選択される。データ圧縮のため、実際のデータ伝送レート（スループット（以下を参照））はもっと高いかもしれない。

通信路容量（シャノン容量とも呼ばれる）は、特定の物理アナログノード間通信リンクにビットエラーがない場合に可能な、前方誤り訂正符号を除いた最大ネットビットレートの理論上の上限である。

ネットビットレート ≤ 通信路容量

通信路容量はヘルツ単位のアナログ帯域幅に比例する。この比例関係はハートレーの法則と呼ばれている。その結果、ネットビットレートは、ビット毎秒単位のデジタル帯域幅容量と呼ばれることがある。

ネットワークスループット

詳細は「スループット」を参照

「スループット」という用語は、本質的に「デジタル帯域幅消費」と同じであるが、通常はデータリンク層上の基準点で測定される、論理的または物理的な通信リンクまたはネットワークノードを介したコンピュータネットワーク内の達成平均有効ビットレートを示す。これは、スループットがしばしばデータリンク層プロトコルオーバーヘッドを排除することを意味する。スループットは、問題の情報源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情報源からのトラフィック負荷の影響を受ける。スピードテストも参照。

グッドプット

詳細は「en:Goodput」を参照

グッドプット(Goodput)またはデータ転送レート(data transfer rate)とは、全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て、アプリケーション層にて達成された平均ネットビットレートを指す。例えば、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する。ビット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）で割って8を掛けたものとして計算できる。

一例として、V.92音声帯域モデムのグッドプットは、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る。これは、V.44 データ圧縮による物理層のデータ転送速度よりも高くなることがある。ビットエラーや自動再送要求の再送により、時には低下する。

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ない場合、特定の通信経路に対して次の関係がある。

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

進歩の傾向

以下は、提案された通信標準インタフェースおよびデバイスにおける物理層ネットビットレートの例である。

WANモデム	イーサネットLAN	WiFi 無線LAN	モバイルデータ通信
1972年: 音響カプラ 300 baud 1977年: 1200 baud モデム 1986年: ISDN 64 kbit/sの回線を2回線使用（グロスビットレート 144 kbit/s） 1990年: V.32bisモデム: 2400 / 4800 / 9600 / 19200 bit/s 1994年: V.34モデム 28.8 kbit/s 1995年: V.90モデム 56 kbit/s（下り）、33.6 kbit/s（上り） 1999年: V.92モデム 56 kbit/s（下り）、48 kbit/s（上り） 1998年: ADSL (ITU G.992.1) 10 Mbit/s以下 2003年: ADSL2 (ITU G.992.3) 12 Mbit/s以下 2005年: ADSL2+ (ITU G.992.5) 26 Mbit/s以下 2005年: VDSL2 (ITU G.993.2) 200 Mbit/s以下 2014年: G.fast (ITU G.9701) 1000 Mbit/s以下	1975年: 実験的 2.94 Mbit/s 1981年: 10 Mbit/s 10BASE5（同軸ケーブル） 1990年: 10 Mbit/s 10BASE-T（ツイストペアケーブル） 1995年: 100 Mbit/s 100メガビット・イーサネット 1999年: ギガビット・イーサネット 2003年: 10ギガビット・イーサネット 2010年: 100ギガビット・イーサネット	1997年: 802.11 2 Mbit/s 1999年: 802.11b 11 Mbit/s 1999年: 802.11a 54 Mbit/s 2003年: 802.11g 54 Mbit/s 2007年: 802.11n 600 Mbit/s 2012年: 802.11ac 約1000 Mbit/s	1G: 1981年: NMT 1200 bit/s 2G: 1991年: GSM CSD and D-AMPS 14.4 kbit/s 2003年: GSM EDGE 296 kbit/s（下り）、118.4 kbit/s（上り） 3G: 2001年: UMTS-FDD (WCDMA) 384 kbit/s 2007年: UMTS HSDPA 14.4 Mbit/s 2008年: UMTS HSPA 14.4 Mbit/s（下り）、5.76 Mbit/s（上り） 2009年: HSPA+（MIMOなし） 28 Mbit/s（下り）(56 Mbit/s with 2×2 MIMO), 22 Mbit/s（上り） 2010年: CDMA2000 EV-DO Rev. B 14.7 Mbit/s（下り） 2011年: HSPA+ accelerated（MIMOあり） 42 Mbit/s（下り） Pre-4G: 2007年: Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) 144 Mbit/s（下り）、35 Mbit/s（上り） 2009年: LTE 100 Mbit/s（下り）(360 Mbit/s with MIMO 2×2), 50 Mbit/s（上り）

より多くの例については、デバイス帯域幅の一覧、スペクトル効率#比較表、直交周波数分割多重方式#OFDMシステム比較テーブルを参照。

マルチメディア

デジタル・マルチメディアにおいて、ビットレートは、単位時間当たりに記録される情報の量を表す。ビットレートはいくつかの要因によって決まる。

元の素材は、異なる周波数でサンプリングすることができる。
サンプルは異なるビット数を使用することがある。
データは、異なるスキームによって符号化されてもよい。
情報は、異なるアルゴリズムまたは異なる程度でデジタル圧縮することができる。

一般に、ビットレートを最小限に抑えることと、再生時の素材の品質を最大限にすることとの間の所望のトレードオフを達成するために、上記の要因についての選択が行われる。

音声データや映像データで非可逆圧縮を使用すると、元の信号との差異が生まれる。圧縮率が高い場合、または損失のあるデータを解凍し再圧縮した場合、圧縮アーティファクト（英語版）の形で顕著になることがある。これが知覚される品質に影響を及ぼすかどうかは、圧縮方式、エンコーダパワー、入力データの特性、聴取者の知覚、聴取者のアーティファクトに対する熟知度、聴取・視聴環境に依存する。

この節におけるビットレートは、利用可能な最高の圧縮を使用する場合に、一般的な聴取・視聴環境において「平均的な」聴取者が、参照基準よりも著しく悪くないと感じる最小限である。

符号化ビットレート

デジタル・マルチメディアでは、ビットレートは、情報源符号化（データ圧縮）後の音声・映像などの連続したメディアを表すために、再生時間単位あたりに使用されるビット数を指すことがよくある。マルチメディアファイルの符号化ビットレートは、バイト単位のマルチメディアファイルのサイズを記録の再生時間（秒）で割った値に8を掛けたものである。

リアルタイムストリーミングメディアの場合、符号化ビットレートは割り込みを回避するために必要なグッドプットである。

符号化ビットレート = 必要なグッドプット

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情報源符号化方式の場合に使用される。この文脈では、ピークビットレートは、圧縮データの短期ブロックに必要な最大ビット数である^[17]。

可逆圧縮の符号化ビットレートの理論上の下限は、エントロピーレートである。

エントロピーレート ≤ マルチメディアビットレート

音声

CD-DA

標準の音声CDであるCD-DAは、44.1 kHz/16のデータレートを有すると言われている。これは、音声データが1秒間に44,100回サンプリングされ、ビット深度が16であることを意味する。ステレオの場合、左右のチャンネルを使用するので、1秒あたりの音声データ量が、1チャンネルのみを使用するモノラルの2倍になる。

PCM音声データのビットレートは、次の式で計算できる。

bit\ rate=sample\ rate\times bit\ depth\times channels

例えば、CD-DA記録のビットレート（サンプリングレートが44.1 kHz、1サンプルあたり16ビット、2チャンネル）は、以下のように計算することができる。

44,100\times 16\times 2=1,411,200\ \mathrm {bit/s} =1,411.2\ \mathrm {kbit/s}

PCM音声データの長さ（ファイルヘッダやその他のメタデータを除く）の累積サイズは、次の式を使用して計算できる。

size\ in\ bits=sample\ rate\times bit\ depth\times channels\times length\ of\ time

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8で割ることで求められる。

size\ in\ bytes={\frac {size\ in\ bits}{8}}

従って、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となる。

{\frac {44,100\times 16\times 2\times 4,800}{8}}=846,720,000\ \mathrm {bytes} \approx 847\ \mathrm {MB}

MP3

MP3音声フォーマットは、非可逆圧縮である。ビットレートの増加に伴い音声品質が向上する。

32 kbit/s – 一般的に話し声のみで許容される
96 kbit/s – 一般的に話し声や低品質のストリーミングに使用される
128 or 160 kbit/s – ミッドレンジのビットレートの品質
192 kbit/s – 中程度のビットレート
256 kbit/s – よく使用される高品質のビットレート
320 kbit/s – MP3標準でサポートされている最高レベル

その他の音声

700 bit/s – lowest bitrate open-source speech codec Codec2, but barely recognizable yet, sounds much better at 1.2 kbit/s
800 bit/s – minimum necessary for recognizable speech, using the special-purpose FS-1015 speech codecs
2.15 kbit/s – minimum bitrate available through the open-source Speex codec
6 kbit/s – minimum bitrate available through the open-source Opus codec
8 kbit/s – telephone quality using speech codecs
32–500 kbit/s – lossy audio as used in Ogg Vorbis
256 kbit/s – Digital Audio Broadcasting (DAB) MP2 bit rate required to achieve a high quality signal^[18]
400 kbit/s–1,411 kbit/s – lossless audio as used in formats such as Free Lossless Audio Codec, WavPack, or Monkey's Audio to compress CD audio
1,411.2 kbit/s – Linear PCM sound format of CD-DA
5,644.8 kbit/s – DSD, which is a trademarked implementation of PDM sound format used on Super Audio CD.^[19]
6.144 Mbit/s – E-AC-3 (Dolby Digital Plus), an enhanced coding system based on the AC-3 codec
9.6 Mbit/s – DVD-Audio, a digital format for delivering high-fidelity audio content on a DVD. DVD-Audio is not intended to be a video delivery format and is not the same as video DVDs containing concert films or music videos. These discs cannot be played on a standard DVD-player without DVD-Audio logo.^[20]
18 Mbit/s – advanced lossless audio codec based on Meridian Lossless Packing (MLP)

映像

16 kbit/s – videophone quality (minimum necessary for a consumer-acceptable "talking head" picture using various video compression schemes)
128–384 kbit/s – business-oriented videoconferencing quality using video compression
400 kbit/s YouTube 240p videos (using H.264)^[21]
750 kbit/s YouTube 360p videos (using H.264)^[21]
1 Mbit/s YouTube 480p videos (using H.264)^[21]
1.15 Mbit/s max – VCD quality (using MPEG1 compression)^[22]
2.5 Mbit/s YouTube 720p videos (using H.264)^[21]
3.5 Mbit/s typ – Standard-definition television quality (with bit-rate reduction from MPEG-2 compression)
3.8 Mbit/s YouTube 720p (at 60fps mode) videos (using H.264)^[21]
4.5 Mbit/s YouTube 1080p videos (using H.264)^[21]
6.8 Mbit/s YouTube 1080p (at 60 fps mode) videos (using H.264)^[21]
9.8 Mbit/s max – DVD (using MPEG2 compression)^[23]
8 to 15 Mbit/s typ – HDTV quality (with bit-rate reduction from MPEG-4 AVC compression)
19 Mbit/s approximate – HDV 720p (using MPEG2 compression)^[24]
24 Mbit/s max – AVCHD (using MPEG4 AVC compression)^[25]
25 Mbit/s approximate – HDV 1080i (using MPEG2 compression)^[24]
29.4 Mbit/s max – HD DVD
40 Mbit/s max – 1080p Blu-ray Disc (using MPEG2, MPEG4 AVC or VC-1 compression)^[26]
250 Mbit/s max – DCP (using JPEG 2000 compression)
1.4 Gbit/s – 10-bit 4:4:4 Uncompressed 1080p at 24fps

注意

For technical reasons (hardware/software protocols, overheads, encoding schemes, etc.) the actual bit rates used by some of the compared-to devices may be significantly higher than what is listed above. For example, telephone circuits using µlaw or A-law companding (pulse code modulation) yield 64 kbit/s.

脚注

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この記事にはパブリックドメインである、アメリカ合衆国連邦政府が作成した次の文書本文を含む。Federal Standard 1037C. アメリカ合衆国連邦政府一般調達局.（MIL-STD-188内）

外部リンク

DVD-HQ bit rate calculator Calculate bit rate for various types of digital video media.
Maximum PC - Do Higher MP3 Bit Rates Pay Off?
Valid8 Data Rate Calculator

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[Rappaport-11] Theodory S. Rappaport, Wireless communications: principles and practice, Prentice Hall PTR, 2002

[12] ネット(net)とは、「総量」を意味するグロス(gross)の対義語で、「正味」「実質的な」の意味である。ネットワークの略語の「ネット」ではない。

[13] Lajos Hanzo, Peter J. Cherriman, Jürgen Streit, Video compression and communications: from basics to H.261, H.263, H.264, MPEG4 for DVB and HSDPA-style adaptive turbo-transceivers, Wiley-IEEE, 2007.

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