Bit Rate چیست؟

با استفاده از تکنولوژی امروزی، می‌توانیم انتظار سرعت و کیفیت بالایی را در هر کاری که با کامپیوتر، تلفن‌های هوشمند و دیگر گجت‌های جدید انجام می‌دهیم، داشته باشیم. البته این افزایش سرعت و کیفیت به فاکتورهای متنوعی از جمله بیت ریت – Bit Rate بستگی دارند. منظور از bit rate در صدا و تصویر ذخیره شده در کامپیوتر چیست؟ بیت ریت روی قیمت کامپیوتر تاثیرگذار است؟ با فالنیک همراه باشید.

• بیت ریت چیست؟
• بیت ریت در اینترنت
• بیت ریت فیلم و صدا
• بیت ریت هارد درایوهای HDD و SSD
• Sample rate چیست؟
• Bit depth چیست؟
• فریم ریت چیست؟
• میزان خطای بیت یا BER چیست؟

بیت ریت چیست؟

معنی بیت ریت یا نرخ انتقال، بستگی به مورد استفاده آن دارد. Bitrate به فارسی یعنی حجم دیتایی است که در مدت زمان مشخصی منتقل می‌شود به عبارت دیگر، نرخ بیت‌های منتقل شده از یک مکان به مکان دیگر است. واحد اندازه‌گیری آن بسته به مورد استفاده آن دارد اما واحد‌ رایج بیت ریت، bps و Kbit/s و Mbps است که به ترتیب یعنی بیت در ثانیه، کیلوبیت در ثانیه و مگابیت در ثانیه. مثلا شاید بپرسید منظور از mbps چیست. 5mbps یعنی در هر ثانیه 5 مگابیت دیتا منتقل می‌شود.

بیت ریت یا BR یعنی نرخ بیت‌های منتقل شده از یک مکان به مکان دیگر.

به طور کلی هر واحدی که استفاده می‌کنیم، عدد بالاتر عدد خوبی است و نشانه سرعت یا کیفیت بالاتر است. عدد کمتر ممکن است فشار کمتری بر سخت‌افزار شما وارد کند که در دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند و نت‌بوک‌ها مهم است.

فرمول کلی محاسبه بیت ریت به شکل زیر است:

BR = D ÷ T

BR = Bit Rate
D = Amount of Data
T = Time (usually seconds)

اصطلاح Bit Rate مترادفی برای نرخ انتقال داده یا همان Data Transfer Rate که به شکل ساده نرخ داده یا Data Rate هم گفته می‌شود است. معمولا بیت ریت وقتی که صحبت از تکنولوژی‌های انتقال است استفاده می‌شود و نرخ داده هنگام مقایسه تکنولوژی‌های انتقال برای کاربر نهایی. واحد نرخ انتقال اطلاعات در کامپیوتر همانند واحد بیت ریت bps و Kbit/s و Mbps است. هنگام خرید کامپیوتر باید به این مشخصه دقت کنید.

بیت ریت در اینترنت

هنگام صحبت از سرعت اینترنت، بیت‌ریت بالاتر همیشه بهتر است چون بیت ریت بالا هیچ وقت سخت‌افزار شما را تحت فشار و استرس اضافی قرار نمی‌دهد و به آسانی محتوایی که می‌خواهید سرعت بالاتری داشته باشد، را برای شما ارسال می‌کند. با بیت ریت‌های بالاتر، می‌توانید کارهای بیشتری انجام دهید: فیلم‌هایی با کیفیت بالا استریم کنید، بازی‌های آنلاین را با حداقل تاخیر، بازی کنید و در چند ثانیه فایل‌های حجیم را دانلود کنید.

مفهوم بیت استریم چیست؟ bit stream جریان پیوسته بیت ها روی مسیر ارتباطی است. این مسیر می‌تواند در داخل خود کامپیوتر باشد می‌تواند در  شبکه های کامپیوتری از کامپیوتر مبدا به کامپیوتر مقصد باشد. بهترین بیت ریت برای استریم را چگونه انتخاب کنم؟

در انتخاب بیت ریت مناسب برای استریم به دو نکته توجه کنید:

• انتخاب بیت ریت کمتر از سرعت اینترنت
• انتخاب کیفیت خروجی ویدیو متناسب با بیت ریت انتخابی

جالب است بدانید که می‌توانید بیت‌‌ریت‌هایی که هنگام مشاهده وب‌سایت خاصی دارید را به دست آورید. مقایسه بیت ریت‌های وب‌سایت‌ها خوب است اما عموما به طور عملی چنین اعدادی را نخواهید داشت زیرا به مواردی مانند تعداد ISP ها بستگی دارد. مثلا در نقاط مختلف دنیا، کاربران Google Fiber می‌توانند سرعت 1 GBps یا 1000 Mbps داشته باشند، اما کاربرانی در امریکا که از Broadbandهای کابلی استفاده می‌کنند شانس بهره‌مندی از تنها 10 Mbps را دارند.

بیت ریت فیلم و صدا

بیت ریت فیلم چیست؟ بیت ریت صدا چیست؟ BR در صدا و تصویر، معنی متفاوتی دارد. در این زمینه، بیت ریت به حجم داده‌های ذخیره شده در هر ثانیه در رسانه‌ای که در حال پخش آن است، گفته می‌شود و در واقع کیفیت فایل ویدئویی و صوتی را مشخص می‌کند. همان طور که رزولوشن بیانگر کیفیت تصویر است، کیفیت فایل ویدئویی و صوتی را با بیت ریت بیان می‌کنند. مثلا فایل صوتی MP3 با بیت‌ریت 320 کیلوبیت در ثانیه، کیفیت بالاتری نسبت به همان فایل با بیت‌ریت 128 کیلوبیت در ثانیه دارد، در حالی که هر دو از یک منبع ایجاد شده‌اند. بخاطر داشته باشید نمی‌توانید فایل صوتی با کیفیت پایین بسازید و با کپی کردن در فایلی صوتی با بیت‌ریت بالاتر، کیفیت بهتری داشته باشید، زیرا در ابتدا کیفیت مناسبی نداشته‌اید. بنابراین بیت ریت بالاتر، قانونی کلی است اما می‌تواند کاملا هم درست نباشد. مشابه این نکته درباره ویدئو‌ها هم صادق است.

حالا ببینیم video bitrate چیست. تاثیر بیت ریت در کیفیت فیلم این گونه است که اگر ویدئو‌هایی مشابه با رزولوشنی مشابه با دو کیفیت داشته باشید، بیت ریت بالاتر، کیفیت بالاتری دارد. هر چه رزولوشن بالاتر باشد، بیت ریت بالاتر انتظار می‌رود و در عین حال پردازش بیشتری برای داده لازم است. هر چند که بیت ریت‌های بالا برای فایل ویدئویی و صوتی، کیفیتی عالی فراهم می‌کند، اما ممکن است که فشار زیادی بر سخت‌افزار شما اعمال کند و در نتیجه باعث کندی شود.

نکته قابل توجه دیگر این است که برای فرمت فایل‌های مختلف از الگوریتم‌های فشرده سازی مختلفی استفاده می‌شود در نتیجه ممکن است باعث بیت ریت‌های کمتر برای کیفیت بالاتر شود. فشار پردازشی تمایل به استفاده از این الگوریتم‌ها را افزایش داده است. مثلا فایل صوتی با فرمت MP3 اگر با 192 Kbps فشرده شود، شفافیت و Dynamic Range بیشتری نسبت به زمانی دارد که با 128 Kbps فشرده شده است. دلیلش هم بیت‌های بیشتری است که برای هر ثانیه پخش کردن داده صوتی ارایه می‌شود. همچنین فایل ویدئویی که با 3000 Kbps فشرده شود، کیفیت بهتری در مقایسه با زمانی که با 1000 Kbps فشرده شود، دارد.

برای تعمیر لپ تاپ و کامپیوتر خود روی لینک بزنید.

بیت ریت هارد درایوهای HDD و SSD

دانستن بیت ریت هارد درایو و SSD، مهم است. بیت ریت در این زمینه یعنی تخمین سرعت خواندن و نوشتن دستگاه که تاثیر بسیار زیادی در بارگذاری و زمان ذخیره فایل‌ها، برنامه‌ها و بازی‌های حجیم دارد.

عموما هارد درایو‌های سنتی، سرعت خواندن و نوشتن تقریبا مشابهی دارند و تنها اختلاف بین آن‌ها RPM آن‌هاست: 5400 و 7200 یا 10000. از آنجایی که SSDها استوریج‌هایی مبتنی بر فلش هستند، RPM ندارند و از چیپ‌های کنترلی برای خواندن و نوشتن دیتاها استفاده می‌کنند.

دانستن بیت ریت هم برای خواندن و هم برای نوشتن بسیار مهم است: SSD‌های رده متوسط، سرعت 500 مگابایت در ثانیه برای خواندن و 200 مگابایت در ثانیه برای نوشتن دارند. در حالی که برای SSD‌های رده انترپرایزی، سرعت 500 مگابایت در ثانیه هم برای خواندن و هم برای نوشتن لازم است. حتی اگر پردازنده عالی، رم فرکانس بالا و کارت گرافیک سریعی داشته باشید، کارایی کلی و نهایی سیستم شما همچنان تحت تاثیر سرعت هارد درایو شماست.

Sample rate چیست؟

ببینیم سیمبل ریت چیست. در مورد صدا، سیمبل ریت مشخص می‌کند چند بار در ثانیه از صدا نمونه گرفته می‌شود. یعنی فرکانس نمونه‌های استفاده شده در رکورد دیجیتالی. هر چه تعداد نمونه‌های گرفته شده بیشتر باشد، صدا به صدای اصلی نزدیکتر است.

Bit Rate و Sample Rate دو نوع نمونه برداری دیجیتال است که به ترتیب روی محور عمودی و محور افقی انجام می‌شود. هر چه این اعداد بیشتر باشند فایل صوتی با کیفیت تر و بزرگتری داریم که فضای بیشتری برای ذخیره نیاز دارد و از طرفی فشار بیشتری روی سیستم وارد می‌کند. تعداد نمونه برداری و انتخاب اعداد Bit Rate و Sample Rate را با توجه به مشخصات سیستم و نیاز خود تعیین کنید. به نمونه برداری در محور عمودی علاوه بر Bit Rate، عبارت Bit depth هم استفاده می‌شود.

استاندارد sample rate برای CD صوتی 44.1 KHz است یعنی در هر ثانیه از آهنگ، 44100 نمونه وجود دارد. سمپل ریت برای DVD video عدد 88.2 KHz و برای DVD-Audio عدد 96 KHz است.

Bit depth چیست؟

به نرخ نمونه برداری و یا گرفتن تصویر، Sample Rate می‌گوییم و به تعداد بیت های استفاده شده برای تعریف هر Sample، اندازه سمپل و یا Bit depth گفته می‌شود. برای افزایش کیفیت می‌توان در کنار بالا بردن Sample Rate، میزان Bit Depth را بالا برد مثلا در تصویر بالا کیفیت با تغییر عدد Bit Depth متفاوت است.

فریم ریت چیست؟

ویدئو مجموعه تصاویری است که به ترتیب خاص و با سرعت مشخص نمایش داده می‌شوند به طوری که گویی تصاویر در حال حرکت هستند. به هر یک از این مجموعه تصاویر، فریم گفته می‌شود. شاید شما این تجربه را داشته باشید که چند تصویر متفاوت را در صفحات پشت هم بکشید و با ورق زدن سریع آن، تصویر متحرکی ساخته باشید. حالا معنی Frame Rate چیست؟

فریم ریت به سرعت نمایش این عکس ها گفته می‌شود و فریم در ثانیه – Frame per Second – FPS واحد آن است. اگر ویدئویی با 24fps گرفته شود، یعنی هر ثانیه از ویدئو شامل 24 تصویر متاوت و ثابت است.

میزان خطای بیت یا BER چیست؟

نرخ خطای بیت یعنی نرخ خطاهایی که در سیستم انتقال رخ می‌دهد. در واقع BER یعنی تعداد خطاهایی که در تعداد مشخصی بیت رخ می‌دهد.

قبل از اینکه به تعریف BER بپردازم، تعریف مختصری از Data Channel ارایه می‌دهم. Data Channel به مسیر کامپیوتری گفته می‌شود که برای انتقال اطلاعات از دستگاهی به دستگاه‌های دیگر استفاده می‌شود و می‌تواند کابلی یا بی‌سیم باشد. حالا بیایید BER یا Bit Rate Error را تعریف کنیم: BER، پارامتر اصلی برای اندازه‌گیری کارایی Data Channel است.

پارامتر اصلی هنگام انتقال داده از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر، این است که چند خطا در داده‌ای که به مقصد می‌رسد وجود دارد، حال این انتقال یا از طریق لینک بی‌سیم و رادیویی است یا لینک مخابراتی کابلی.

تا حد زیادی میزان خطای بیت برای هر نوع اتصالی؛ از لینک‌های فیبر نوری گرفته تا ADSL، بی سیم، ارتباطات سلولار، لینک‌های loT و سایر موارد مناسب خواهد بود. اگرچه ممکن است Data Channel برای در نوع‌های انواع متفاوتی از تکنولوژی استفاده شوند، اما ارزیابی اولیه نرخ خطای بیت دقیقا یکسان است.

اصول نرخ خطای بیت

زمانی که داده‌ها از طریق Data Channel منتقل می‌شوند، امکان ایجاد خطا در سیستم وجود دارد. اگر خطاها وارد داده‌ها شوند، درنتیجه یکپارچگی سیستم در معرض خطر قرار خواهد گرفت.

تخمین و ارزیابی کارایی سیستم، کار مهمی است و BER، راهکار ایده‌آلی برای رسیدن به این هدف است.

برخلاف سایر روش‌های ارزیابی، نرخ خطای بیت تمام کارایی‌های یک سیستم که شامل انتقال، دریافت و سخت‌افزار رابط بین هردوی این‌هاست را ارزیابی می‌کند. به این ترتیب، میزان خطای بیت، به جای تست اجزای سازنده، کارایی واقعی یک سیستم در حال اجرا را تست می‌کند، به امید اینکه که در زمان مناسب به‌خوبی عمل کنند.

تعریف نرخ خطای بیت

همانطور که از نامش پیداست، نرخ خطای بیت یعنی نرخ خطاهایی که در سیستم انتقال رخ می‌دهد. در واقع BER یعنی تعداد خطاهایی که در تعداد مشخصی بیت رخ می‌دهد. این تعریف را در یک فرمول ساده می‌توان نشان داد:

BER=Errors/Total Number of Bits

اگر رسانه بین فرستنده و گیرنده، خوب باشد و نسبت سیگنال به نویز بالا باشد، BER بسیار کوچک خواهد بود که به احتمالا تاثیر قابل توجهی روی تمام سیستم ندارد. با این حال اگر نویزی تشخیص داده شود، لازم است نرخ خطای بیت درنظر گرفته شود.

دلیل اصلی افت Data Channel و نرخ خطای بیت مربوط به آن، نویز است که در مسیر پخش (Propagation Path)  تغییراتی ایجاد می‌کند. (مسیر پخش، مسیرهایی است که سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند).

برای سیستم‌های فیبر نوری، خطاهای بیت نتیجه‌ی نقص در مولفه‌های استفاده شده برای ایجاد لینک است. این مولفه‌ها شامل درایورهای نوری، گیرنده‌ها، اتصالات و خود فیبر است. خطاهای بیت می‌تواند نتیجه‌ی تجزیه نوری و پیامدهای حاصل از آن نیز باشد. نویز می‌تواند در خود گیرنده‌های نوری هم ایجاد شود. معمولا این‌ها فوتودیود و آمپلی فایرهایی هستند که به تغییرات بسیار کوچک پاسخ می‌دهند و نتیجه آن ایجاد نویز در سطوح بالا است.

عامل دیگر موثر بر  خطاهای بیت، Phase Jitter است که در سیستم ایجاد می‌شود و می‌تواند Data Sampling را تغییر دهد. (Data Sampling تکنیکی برای آنالیز داده است.)

نسبت سیگنال به نویز و ارقام Eb/No پارامترهایی هستند که بیشتر با لینک‌های رادیویی و سیستم ارتباطات رادیویی در ارتباط هستند. از این رو، میزان خطای بیت می‌تواند به صورت احتمال خطا (probability of error) و یا POE هم تعریف شود. با این  تعریف 3 متغیر دیگر استفاده می‌شود:

1. تابع خطا – (Error Function (erf
2. انرژی موجود در یک بیت (Eb)
3. No، چگالی طیفی قدرت نویز (قدرت نویز در پهنای باند 1 هرتز)

مهم است که بدانید PEO با E_b / N_o متناسب بوده و E_b / N_o فرمی از نسبت سیگنال به نویز است.

امکان تعریف میزان خطای بیت (BER) با توجه به احتمال خطا (BER) وجود دارد.

POE=1/2 (1−erf)

با توجه به نسبت Eb / No، چند عامل می‌تواند بر میزان خطای بیت تاثیر گذارد. با تغییر متغیرهای قابل کنترل، ممکن است سیستم بهینه شود و سطوح کارایی مورد نیاز فراهم شود. این بخش معمولا در مراحل طراحی سیستم انتقال داده انجام می‌شود تا پارامترهای کارایی در مرحله اولیه طراحی تنظیم شود.

• تداخل امواج: سطوح تداخل امواج موجود در سیستم معمولا با عوامل خارجی تنظیم می‌شود و با طراحی سیستم هم تغییر نمی‌کند. تنطیم پهنای باند سیستم ممکن خواهد بود و با کاهش پهنای باند، سطح تداخل امواج کاهش می‌یابد اما کاهش پهنای باند، توان عملیاتی داده‌های دریافتی را محدود می‌کند.
• افزایش قدرت فرستنده: امکان افزایش سطح قدرت سیستم وجود دارد و در نتیجه، قدرت هر بیت (POE) هم افزایش یابد. باید با توجه با عوامل زیر میزان آن را تعیین کرد:
• سطوح تداخل امواج با دیگر کاربران
• تاثیر افزایش خروجی برق بر اندازه آمپلی‌فایر، مصرف کل برق و عمر باتری و …
• کاهش پهنای باند: رویکرد دیگری که برای کاهش میزان خطای بیت استفاده می‌شود، کاهش پهنای باند است. سطح نویز دریافتی، پایین‌تر است و نسبت سیگنال به نویز هم بهبود خواهد یافت. همان طور که قبلا گفتیم، این امر موجب کاهش توان عملیاتی داده هم می‌شود.
• نوسان کمتر: می‌توان از طرح‌های Order Modulation کمتر استفاده کرد اما برای این کار باید از توان عملیاتی داده، هزینه کنید.

برای رسیدن به میزان خطای بیت رضایت‌بخش، باید تمامی عوامل موجود را تنظیم کنیم اما معمولا برطرف کردن تمام نیازها ممکن نیست و باید سبک و سنگین کرد.

حتی با مقدار خطای بیت کمتر از آنچه که به صورت ایده آل وجود دارد، برای بهبود سطوح اصلاح خطا (Error Correction) که در انتقال داده مطرح است، می‌توان راهکارهایی استفاده کرد. هر چند که داده‌های افزونه بیشتر، باید با سطوح بالاتر اصلاح خطا ارسال شود تا تاثیرات هر بیت خطایی که رخ می‌دهد، کم شود و در کل، میزان خطای بیت را بهبود دهد.

پارامتر میزان خطای بیت، BER، برای اغلب ارتباطات سیستمی بیان می‌شود و پارامتری کلیدی است تا تعیین شود چه پارامترهای لینکی باید استفاده شود؛ همه چیز، از برق گرفته تا نوع نوسان.