Bitrate a baudrate – czym różnią się te pojęcia?

Znaczna większość komunikacji cyfrowej odbywa się obecnie z wykorzystaniem interfejsów szeregowych. Kolejne bity danych transmitowane są po sobie poprzez kanał transmisyjny z określoną prędkością. Zależnie od rodzaju interfejsu oraz zastosowanego kodowania poszczególne wartości logiczne reprezentowane są przez ustalone wielkości elektryczne, np. poziom napięcia. Typowy przykład takiej transmisji przedstawiono na rysunku 1.

Bitrate

Prędkość przepływu informacji wyrażana jest w bitach na sekundę (bit/s lub bps). Stanowi ona odwrotność czasu trwania transmisji pojedynczego bitu, co można wyrazić równaniem:

R=1/T_B,

gdzie R to prędkość transmisji (w bit/s), zaś TB to czas transmisji jednego bitu (w sekundach).

Przykładowo, jeśli przesłanie jednego bitu trwa 10 ns (10×10^–9s), to przepływność transmisji wyniesie 108 bit/s, czyli 100 Mbit/s.

 

Rys. 1. Rys. 1. Kodowanie Non-Return-To-Zero (NRZ) jest jednym z najpopularniejszych sposób transmisji danych cyfrowych

Dodatkowe dane protokołu

Bitrate rozumiany i postrzegany jest zazwyczaj jako prędkość transmisji danych. W rzeczywistości jednak niemal każdy protokół transmisyjny wymaga przesyłania dodatkowych bitów informacji (jak np. adres nadawcy, odbiorcy, suma kontrolna, synchronizacja itd.), nie będących właściwymi danymi. Wszystkie te dodatkowe informacje określa się jako narzut protokołu (overhead). Wartość tego parametru, w zależności od typu protokołu, może wynosić nawet do kilkudziesięciu procent w stosunku do ilości przesyłanych danych.

Przykładowo, ramka Ethernet może zawierać do 1526 bajtów (uwzględniając preambułę oraz sygnał synchronizacji), w zależności od ilości przesyłanych danych. Dopuszczalny zakres ilości danych przesyłanych w jednej ramce to od 46 do 1500 bajtów. Przy maksymalnej liczbie danych narzut protokołu wynosi zatem jednie 26/1526, czyli około 1,7%. Jednak już dla minimalnej dopuszczalnej liczby transmitowanych danych narzut wynosi aż 26/72, czyli 36%. Wydajność protokołu (protocol efficiency) wyrażana jest często jako stosunek liczby przesyłanych danych do wszystkich przesłanych w ramach procesu komunikacji bitów. Wyrażone w procentach wartości narzutu oraz wydajności protokołu w sumie wynoszą zatem 100%.

Bitrate rozumiany według przestawionej powyżej definicji (odwrotność czasu trwania transmisji jednego bitu) jest zatem raczej parametrem odnoszącym się do jakości i możliwości kanału transmisyjnego. Dla użytkowników i uczestników komunikacji znacznie ważniejszy będzie prawdopodobnie bitrate rozumiany jako liczba bitów danych transmitowanych w jednostce czasu, zaś stosunek pomiędzy tymi dwoma parametrami to właśnie wydajność protokołu transmisyjnego.

Baudrate

Termin "bod" (baud) pochodzi od nazwiska francuskiego inżyniera i wynalazcy Emile Baudot, który jest twórcą tzw. kodu Baudot, umożliwiającego reprezentację wszystkich znaków alfabetu za pomocą pięciu bitów danych, używanego dawniej powszechnie w dalekopisach i telegrafach. Kod Baudot jest ponadto pierwowzorem kodu ASCII. Baudrate opisuje prędkość przesyłania zmian medium transmisyjnego (nazywanych symbolami), czyli liczbę takich zmian w jednostce czasu. Każdy symbol może być reprezentacją dla jednego lub więcej bitów danych.

Przykładowo, w kodowaniu NRZ (Non-Return-To-Zero) wyróżnia się dwa typy symboli, reprezentujące wartość logiczną 0 oraz 1, wyrażane poprzez określone poziomy napięcia. W takiej sytuacji wartość baudrate jest identyczna z wartością bitrate. Możliwa jest jednak sytuacja, w której jeden symbol reprezentuje więcej niż 1 bit danych, np. dzięki wykorzystaniu różnych technik modulacji sygnału.

Wprowadzenie modulacji pozwala zwiększyć prędkość transmisji danych bez konieczności poszerzania pasma sygnału. Jest to szczególnie użyteczne w przypadku komunikacji bezprzewodowej, gdzie system komunikacyjny ma zazwyczaj do dyspozycji jedynie wąski wycinek pasma radiowego. Przykładowo, jeśli baudrate wynosi 4800 bod/s a każdy symbol reprezentuje dwa bity, to bitrate takiej transmisji wynosi 9600 bit/s.

Złożone modulacje

Istnieje wiele różnych typów modulacji pozwalających osiągać wyższe prędkości transferu danych. Przykładowo, modulacja FSK (Frequency-Shift-Keying, kluczowanie częstotliwości) wykorzystuje zazwyczaj dwie różne częstotliwości w celu reprezentacji stanów logicznych 0 oraz 1 – przy takim rozwiązaniu bitrate jest równy baudrate. Możliwe jest jednak wykorzystanie większego zbioru częstotliwości – przy zastosowaniu czterech różnych wartości (4FSK) otrzymujemy bitrate dwukrotnie większy od baudrate.

Kolejny popularny schemat modulacji to PSK (Phase-Shift Keying, kluczowanie fazy). W rozwiązaniu tym informacja przekazywana jest poprzez fazę transmitowanego sygnału. W schemacie podstawowym wartość 0 reprezentowana jest przez sygnał o fazie 0°, zaś wartość 1 przez sygnał przesunięty w fazie o 180°. W wersji dwubitowej (QPSK, Quadrature PSK) sygnał kodowany jest z użyciem czterech różnych wartości fazy. W powszechnym użyciu wykorzystuje się również odmiany 8PSK (8 wartości, 3 bity) oraz 16PSK (16 wartości, 4 bity).

Innym ciekawym schematem modulacji jest QAM (Quadrature Amplitude Modulation), czyli kwadraturowa modulacja amplitudowo-fazowa. Symbole kodowane są za pomocą unikatowej wartości amplitudy oraz fazy sygnału. Do wizualizacji dostępnych wartości symboli wykorzystuje się tzw. diagramy konstelacji, którego przykład przedstawiono na rysunku 2. Każdy z punktów reprezentuje unikalną kombinację wartości amplitudy oraz fazy naniesioną na dwuosiowy układ współrzędnych.

 

Rys. 2. Diagram konstelacji dla modulacji 16QAM pokazuje 16 możliwych wartości sygnału, kodujących 4 bity danych

Podsumowanie

Terminy bitrate oraz baudrate w żadnych wypadku nie mogą być stosowane zamiennie, choć w niektórych sytuacjach mogą reprezentować takie same wartości liczbowe. Stosowanie złożonych modulacji oraz sposobów kodowania, powszechne w większości nowoczesnych interfejsów szeregowych, pozwala uzyskać bitrate będący wielokrotnością baudrate, czyli szybkości transmisji symboli przez kanał transmisyjny.

Damian Tomaszewski