基本概念
1.1. 比特率
比特率是指每秒傳送的比特(bit)數(shù)几苍。單位是比特(https://baike.baidu.com/item/%E6%AF%94%E7%89%B9)率越高，每秒傳送數(shù)據(jù)就越多纪铺，畫質(zhì)就越清晰钻哩。聲音中的比特率是指將模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲音信號后屹堰，單位時間內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量，是間接衡量音頻質(zhì)量的一個指標(biāo)街氢。 視頻中的比特率（碼率）原理與聲音中的相同扯键，都是指由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，單位時間內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量珊肃。比特率越高荣刑，表示單位時間傳送的數(shù)據(jù)就越多馅笙。
??信道編碼中，K符號大小的信源數(shù)據(jù)塊通過編碼映射為N符號大小的碼字嘶摊，則K/N成為碼率延蟹，其中假設(shè)編碼前后的符號表沒有變化。
??在通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域叶堆，比特率 （bit rate) 是指信號（用數(shù)字二進(jìn)制位表示）通過系統(tǒng)（設(shè)備阱飘、無線電波或?qū)Ь€）處理或傳送的速率，即單位時間內(nèi)處理或傳輸比特的數(shù)據(jù)量虱颗。比特率經(jīng)常在通信領(lǐng)域用作連接速度沥匈、傳輸速度、信道容量忘渔、最大吞吐量和數(shù)字帶寬容量的同義詞高帖。
??在電信和計(jì)算機(jī)科學(xué)中。
??在數(shù)字多媒體領(lǐng)域畦粮，比特率是單位時間播放連續(xù)的媒體如壓縮后的音頻或視頻的比特?cái)?shù)量散址。在這個意義上講，它相當(dāng)于術(shù)語數(shù)字帶寬消耗量宣赔，或吞吐量预麸。又稱“二進(jìn)制位速率”，俗稱“碼率”儒将。表示單位時間內(nèi)傳送比特的數(shù)目吏祸。用于衡量數(shù)字信息的傳送速度,常寫作bit/sec。根據(jù)每幀圖像存儲時所占的比特?cái)?shù)和傳輸比特率,可以計(jì)算數(shù)字圖像信息傳輸?shù)乃俣取?/p>
??通信和計(jì)算機(jī)行業(yè)內(nèi)經(jīng)常利用“類似國際單位制”的前綴來表示更大的衍生單位：
1000 bit/s = 1 kbit/s （一千位每秒）
1000 kbit/s = 1 Mbit/s （一兆或一百萬位每秒）
1000 Mbit/s = 1 Gbit/s (一吉比特或十億位每秒）钩蚊。
（此處K和M分別為1000和1000000贡翘，而不是涉及計(jì)算機(jī)存儲器容量時的1024和1048576）
??大的比特率，使用國際單位制詞頭：
1,000 bps= 【1kbps】 =1,000 bit/s= 0.97656 Kibi bit/s
1,000,000 bps= 【1Mbps】 =1,000,000 bit/s= 0.95367 Mebi bit/s
1,000,000,000 bps= 【1Gbps】 =1,000,000,000 bit/s= 0.93132 Gibi bit/s
常利用比特率衡量聲音和視頻文件質(zhì)量砰逻。例子：音頻文件中： 8 kbps 通話質(zhì)量鸣驱， 32 kbps 中波廣播質(zhì)量， 96 kbps FM廣播質(zhì)量， 128 kbps 普通MP3質(zhì)量，1411 Kbps 16位CD質(zhì)量當(dāng)描述比特率的時候慢显，二進(jìn)制乘數(shù)詞頭幾乎從來不使用而基本使用國際單位制詞頭作為標(biāo)準(zhǔn)比庄，十進(jìn)制含義，不是舊的計(jì)算機(jī)初始的二進(jìn)制含義。二進(jìn)制更多的應(yīng)用于單位字節(jié)/秒（byte/s），而不是電信相關(guān)的典型用法。有時在一些特殊的上下文中有必要查找單位的定義缎脾。
1.2 波特率
波特率指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示占卧，其單位為波特(Baud)遗菠。 [3]
波特率有時候會同比特率混淆联喘，實(shí)際上后者是對信息傳輸速率（傳信率）的度量。波特率可以被理解為單位時間內(nèi)傳輸符號的個數(shù)（傳符號率）辙纬，通過不同的調(diào)制方法可以在一個符號上負(fù)載多個比特信息豁遭。因此信息傳輸速率即比特率在數(shù)值上和波特率有這樣的關(guān)系：I=SN
其中I為比特率，S為波特率贺拣，N為每個符號負(fù)載的信息量蓖谢，以比特為單位。因此只有在每個符號只代表一個比特信息的情況下譬涡，例如基帶二進(jìn)制信號闪幽，波特率與比特率才在數(shù)值上相等，但是它們的意義并不相同涡匀。
簡單來講盯腌，比特率和波特率既有聯(lián)系，又有區(qū)別陨瘩。比特率描述的是數(shù)據(jù)腕够，波特率描述的是信號。我們知道舌劳，數(shù)據(jù)是用信號來表示的燕少。如果一個信號碼元只能代表1比特，那么波特率和比特率是相等的蒿囤。如果一個碼元可以表示n個比特信息，那么比特率是波特率的n倍崇决。
信號的帶寬取決于波特率材诽， 也就是說跟編碼算法有關(guān)。如果編碼算法可以使得每個符號（一段載波）能夠傳送(表示)更多的比特恒傻，則傳同樣的數(shù)據(jù)所需要的帶寬更窄脸侥！
另外，A/D編碼算法盈厘，是壓縮數(shù)據(jù)量的關(guān)鍵睁枕，模擬語音經(jīng)過不同A/D編碼的算法，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是有所不同的沸手。
??當(dāng)要將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送時外遇，往往是將數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行傳送的，即將數(shù)據(jù)信號先調(diào)制在載波上傳送契吉，如QPSK跳仿、各種QAM調(diào)制等，在接收端再通過 解調(diào)得到數(shù)據(jù)信號捐晶。數(shù)據(jù)信號在對載波調(diào)制過程中會使載波的各種參數(shù)產(chǎn)生變化（幅度變化菲语、相位變化妄辩、頻率變化、載波的有或無等山上，視調(diào)制方式而定）眼耀，波特率是 描述數(shù)據(jù)信號對模擬載波調(diào)制過程中，載波每秒中變化的數(shù)值佩憾，又稱為調(diào)制速率哮伟，波特率又稱符號率。 在數(shù)據(jù)調(diào)制中鸯屿，數(shù)據(jù)是由符號組成的澈吨，隨著采用的調(diào)制技術(shù)的 不同，調(diào)制符號所映射的比特?cái)?shù)也不同寄摆。符號又稱單位碼元谅辣，它是一個單元傳送周期內(nèi)的數(shù)據(jù)信息 。 如果一個單位碼元對應(yīng)二個比特?cái)?shù)（一個二進(jìn)制數(shù)有兩種狀態(tài)0 和1婶恼，所以為二個比特）的數(shù)據(jù)信息桑阶，那么符號率等于比特率；如果一個單位碼元對應(yīng)多個比特?cái)?shù)的數(shù)據(jù)信息（m個）勾邦，則稱單位碼元為多進(jìn)制碼元蚣录。
在M進(jìn)制調(diào)制中,比特率Rb和波特率(符號率)Rs之間的關(guān)系為:
???? Rb=Rs * log2 M
比如QPSK調(diào)制是四相位碼，它的一個單位碼元對應(yīng)四個比特?cái)?shù)據(jù)信息眷篇，即m=4萎河，則比特率=2*符號率，這里“l(fā)og2 m”又稱為頻帶利用率,單位是：bps/hz蕉饼。
??另外已調(diào)信號傳輸時虐杯，符號率（SR）和傳輸帶寬（BW）的關(guān)系是：BW=SR（1+ α） ，α是低通濾波器的滾降系數(shù)昧港，當(dāng)它的取值為0時擎椰，頻帶利用率最高，占用的帶寬最小创肥，但由于波形拖尾振蕩起伏大(如圖5-15b),容易造成碼間干擾达舒； 當(dāng)它的取值為1時，帶外特性呈平坦特性叹侄，占用的帶寬最大是為0時的兩倍巩搏；由此可見,提高頻帶利用率與"拖尾"收斂相互矛盾，為此它的取值一般不小于 0.15趾代。例如塔猾，在數(shù)字電視系統(tǒng)，當(dāng)α=0.16時稽坤，一個模擬頻道的帶寬為8M丈甸，那么其符號率=8/（1+0.16）=6.896Ms/s糯俗。如果采用 64QAM調(diào)制方式，那么其比特率=6.896log2 64=6.8966=41.376Mbps 睦擂。
例如：設(shè)信道帶寬為3MHz,信噪比S/N為2dB(即100倍)得湘，若傳送BPSK信號則可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率是多少？
帶噪信道應(yīng)該用香農(nóng)公式計(jì)算顿仇，最大數(shù)據(jù)速率為:
3M × log2 (1+100) bps ＝ 3M × 6.65 = 20MHz
對于BPSK信號淘正，正弦載波用兩種相位狀態(tài)，表示1比特(0或1)臼闻。其波特率也是20MHz鸿吆。
如果傳輸?shù)氖荙PSK的信號，一個正弦載波可以有4個不同的相位述呐，可以表示兩位二進(jìn)制數(shù)位的4種信息狀態(tài)惩淳。那么波特率為0.5×20MHz= 10MHz, 所以根據(jù)香農(nóng)定理移項(xiàng)可知，只需要占用1.5MHz的帶寬乓搬。
可以這樣理解思犁，對于待傳輸?shù)呢浳?一定數(shù)目的二進(jìn)制比特)，用箱子（符號或者調(diào)制方式）去裝貨进肯，如果每個箱子多裝一點(diǎn)（每符號多表示幾個比特）激蹲，那么運(yùn)的次數(shù)少一些，效率高（帶寬少）江掩；反之則效率低学辱。
1.3 采樣率
??把模擬音頻轉(zhuǎn)成數(shù)字音頻的過程,就稱作采樣，簡單地說就是通過波形采樣的方法記錄1秒鐘長度的聲音环形，需要多少個數(shù)據(jù)项郊。44KHz采樣率的聲音就是要花費(fèi)44000個數(shù)據(jù)來描述1秒鐘的聲音波形。原則上采樣率越高斟赚，聲音的質(zhì)量越好。
1.4 碼元
??在數(shù)字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一個二進(jìn)制數(shù)字差油，這樣的時間間隔內(nèi)的信號稱為(二進(jìn)制）碼元拗军。 而這個間隔被稱為碼元長度。值得注意的是當(dāng)碼元的離散狀態(tài)有大于2個時（如M大于2個） 時蓄喇，此時碼元為M進(jìn)制碼元发侵。也可以通俗的將碼元就是一個物理實(shí)體，真實(shí)信號中可以被區(qū)分的最小物理實(shí)體妆偏，就是碼元刃鳄。
??一個脈沖信號就是一個碼元，也就是圖中的一個方波就是一個碼元愉烙。
??看下信號脈沖的圖片（有高低起伏變化）讨盒。二進(jìn)制碼元有兩種脈沖變化形式，四進(jìn)制有四種步责，八進(jìn)制有八種返顺。相對應(yīng)的，能攜帶的比特?cái)?shù)為1個蔓肯，2個遂鹊，3個，因?yàn)檫@種組合能夠窮盡窮盡0和1的排列組合方式蔗包，不然接收兩端對脈沖變化的定義就一定會缺斤少兩秉扑。而同一時間內(nèi)，不考慮復(fù)用的情況气忠，只能有一個碼元進(jìn)入邻储，所以只要雙方約定好一個碼元中攜帶的bit代表什么意思就OK。
??比如二進(jìn)制碼元旧噪，高低脈沖兩種變化吨娜，0和1窮盡的排列方式就是0和1。相應(yīng)的四進(jìn)制淘钟，十進(jìn)制表示為0宦赠，1，2米母，3勾扭。二進(jìn)制窮盡組合是00，01铁瞒，10妙色，11（可以參照查看格雷碼，Grey Code）慧耍。每一種變化都對應(yīng)著一組排列身辨，需要四個碼元表達(dá)所有內(nèi)容。八進(jìn)制的十進(jìn)制表示0芍碧，1煌珊，2，3泌豆，4定庵，5，6，7蔬浙，二進(jìn)制窮盡組合000猪落、001、010敛滋、011许布、100、101绎晃、110蜜唾、111，（2^3=8也就是log2（8）=3）需要八個碼元表達(dá)所有內(nèi)容庶艾，相應(yīng)一個碼元里有3個比特袁余。
比如 發(fā)送1314，二進(jìn)制為1 11 1 100咱揍，顯而易見颖榜，如果用二進(jìn)制碼元，只能一個個發(fā)煤裙，發(fā)7次掩完。但如果用八進(jìn)制碼元，可攜帶3bit信息硼砰，發(fā)送四次就夠了且蓬。001，011题翰，001恶阴，100。
現(xiàn)在知道了“碼元”豹障，或稱為“碼位”冯事，是對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送的二進(jìn)制數(shù)字中的每一位的通稱。那么由若干個碼元序列表示的數(shù)據(jù)單元代碼通常稱為“碼字”血公。例如昵仅，二進(jìn)制數(shù)字1000001是由7個碼元組成的序列，可以視為一個碼字累魔。在7位ASCII碼中摔笤，這個碼字表示字母A。
1.5 碼字
??碼字（Code Word）是指利用Huffman（哈夫曼）碼編碼后的信號薛夜。
一幀包含m個數(shù)據(jù)位（即報(bào)文）和r個冗余位（校驗(yàn)位）。幀的總長度=數(shù)據(jù)位+冗余位版述，包含數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位的第X位單元通常成為X位碼字（codeword）梯澜。碼字由若干個碼元組成，計(jì)算機(jī)通信中通信表現(xiàn)為若干位二進(jìn)制代碼。
由于電子設(shè)備只能表示0晚伙、1兩種狀態(tài)吮龄，因此用電子方式處理符號是，需要對符號進(jìn)行二進(jìn)制編碼咆疗。例如漓帚，在計(jì)算機(jī)中使用的ASCII碼，就是計(jì)算機(jī)中常用符號的8位二進(jìn)制編碼午磁，在實(shí)際中尝抖，也可以根據(jù)情況對字符進(jìn)行特定的編碼。
設(shè)某信源產(chǎn)生有五種符號u1迅皇、u2昧辽、u3、u4和u5登颓，對應(yīng)概率P1=0.4搅荞，P2=0.1，P3=P4=0.2框咙，P5=0.1咕痛。首先，將符號按照概率由大到小排隊(duì)喇嘱，如圖所示茉贡。編碼時，從最小概率的兩個符號開始婉称，可選其中一個支路為0块仆，另一支路為1。這里王暗，我們選上支路為0悔据，下支路為1。再將已編碼的兩支路的概率合并俗壹，并重新排隊(duì)科汗。多次重復(fù)使用上述方法直至合并概率歸一時為止。從圖（a）和（b）可以看出绷雏，兩者雖平均碼長相等头滔，但同一符號可以有不同的碼長，即編碼方法并不唯一涎显，其原因是兩支路概率合并后重新排隊(duì)時坤检，可能出現(xiàn)幾個支路概率相等，造成排隊(duì)方法不唯一期吓。一般早歇，若將新合并后的支路排到等概率的最上支路，將有利于縮短碼長方差，且編出的碼更接近于等長碼箭跳。這里圖（a）的編碼比（b）好晨另。
赫夫曼碼的碼字（各符號的代碼）是異前置碼字，即任一碼字不會是另一碼字的前面部分谱姓，這使各碼字可以連在一起傳送借尿，中間不需另加隔離符號，只要傳送時不出錯屉来，收端仍可分離各個碼字路翻，不致混淆。
實(shí)際應(yīng)用中奶躯，除采用定時清洗以消除誤差擴(kuò)散和采用緩沖存儲以解決速率匹配以外帚桩，主要問題是解決小符號集合的統(tǒng)計(jì)匹配，例如黑（1）嘹黔、白（0）傳真信源的統(tǒng)計(jì)匹配账嚎，采用0和1不同長度游程組成擴(kuò)大的符號集合信源。游程儡蔓，指相同碼元的長度（如二進(jìn)碼中連續(xù)的一串0或一串1的長度或個數(shù)）郭蕉。按照CCITT標(biāo)準(zhǔn)，需要統(tǒng)計(jì)2×1728種游程（長度）喂江，這樣召锈，實(shí)現(xiàn)時的存儲量太大。事實(shí)上長游程的概率很小获询，故CCITT還規(guī)定：若l表示游程長度涨岁，則l=64q+r。其中q稱主碼吉嚣，r為基碼梢薪。編碼時，不小于64的游程長度由主碼和基碼組成尝哆。而當(dāng)l為64的整數(shù)倍時秉撇，只用主碼的代碼，已不存在基碼的代碼秋泄。
長游程的主碼和基碼均用赫夫曼規(guī)則進(jìn)行編碼琐馆，這稱為修正赫夫曼碼，其結(jié)果有表可查恒序。該方法已廣泛應(yīng)用于文件傳真機(jī)中瘦麸。
1.6 碼書
碼書預(yù)編碼中接觸到的，就是用來儲存一系列預(yù)編碼向量的集合歧胁；
每傳輸一串?dāng)?shù)據(jù)流時滋饲，可以根據(jù)某個特定的標(biāo)準(zhǔn)彤敛，從codebook中選擇一個最合適的vector來對這些數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)編碼，優(yōu)化編碼了赌，減少干擾之類的；不知道能不能簡單地理解為就是通過codebook指定一個碼字(Code word)玄糟。
1.7 符號
即用于表示某數(shù)字碼型[據(jù)位數(shù)不同勿她，對應(yīng)不同的鍵控調(diào)制方式]的一定相位或幅度值的一段正弦載波[其長度即符號長度]。
符號速率即載波信號的參數(shù)（如相位）轉(zhuǎn)換速率阵翎，實(shí)際上是載波狀態(tài)的變化速率逢并。符號率越高，響應(yīng)的傳輸速率也越高郭卫，但信號中包含的頻譜成分越高砍聊，占用的帶寬越寬。
2贰军、 音玻蝌、視頻中的應(yīng)用
2.1 音頻
96 kbps —FM質(zhì)量
128 - 160 kbps –相當(dāng)好的質(zhì)量，有時有明顯差別
192 kbps — 優(yōu)良質(zhì)量词疼，偶爾有差別
224 - 320 kbps — 高質(zhì)量
800 bps – 能夠分辨的語音所需最低碼率（需使用專用的FS-1015語音編解碼器）
8 kbps —電話質(zhì)量（使用語音編碼）
8-500 kbps --Ogg Vorbis和MPEG1 Player1/2/3中使用的有損音頻模式
500 kbps–1.4 Mbps —44.1KHz的無損音頻俯树，解碼器為FLAC Audio,WavPack或Monkey's Audio
1411.2 - 2822.4 Kbps —脈沖編碼調(diào)制(PCM)聲音格式CD光碟的數(shù)字音頻
5644.8 kbps —SACD使用的Direct Stream Digital格式
2.2 視頻
16 kbps —可視電話質(zhì)量（使用者可以接受的"說話的頭"照片的最低要求）
128 – 384 kbps — 商業(yè)導(dǎo)向的視頻會議系統(tǒng)質(zhì)量
1 Mbps —VHS質(zhì)量
1.25 Mbps–VCD質(zhì)量（使用MPEG1壓縮）
8 – 15 Mbps —高清晰度電視（HDTV） 質(zhì)量（使用H.264壓縮）
29.4 Mbps –HD DVD質(zhì)量
40 Mbps – 藍(lán)光光碟（Blu-ray Disc） 質(zhì)量（使用MPEG2、H.264或VC-1壓縮）
440/880 Mbps – SonyHDCAM SR質(zhì)量（SQ/HQ）
2.3 常見編碼
VBR（Variable Bitrate）動態(tài)比特率也就是沒有固定的比特率贰盗，壓縮軟件在壓縮時根據(jù)音頻數(shù)據(jù)即時確
定使用什么比特率许饿，這是以質(zhì)量為前提兼顧文件大小的方式，推薦編碼模式舵盈；
ABR（Average Bitrate）平均比特率 是VBR的一種插值參數(shù)陋率。LAME針對CBR不佳的文件體積比和VBR生成文件大小不定的特點(diǎn)獨(dú)創(chuàng)了這種編碼模式。ABR在指定的文件大小內(nèi)秽晚，以每50幀（30幀約1秒）為一段瓦糟，低頻和不敏感頻率使用相對低的流量，高頻和大動態(tài)表現(xiàn)時使用高流量爆惧，可以做為VBR和CBR的一種折中選擇狸页。
CBR（Constant Bitrate），常數(shù)比特率指文件從頭到尾都是一種位速率扯再。相對于VBR和ABR來講芍耘，它壓縮出來的文件體積很大，而且音質(zhì)相對于VBR和ABR不會有明顯的提高熄阻。
2.4 碼率計(jì)算公式
基本的算法是：【碼率】（kbps)=【文件大小】（字節(jié)）X8/【時間】（秒）*1000
音頻文件專用算法：【比特率】（kbps)=【量化采樣點(diǎn)】（kHz）×【位深】（bit/采樣點(diǎn)）×【聲道數(shù)量】（一般為2）
舉例斋竞，D5的碟，容量4.3G秃殉，其中考慮到音頻的不同格式坝初，所以算為600M浸剩，（故剩余容量為4.3*1000-600=3700M），所以視頻文件應(yīng)不大于3.7G鳄袍，本例中取視頻文件的容量為3.446G绢要，視頻長度100分鐘（6000秒），計(jì)算結(jié)果：碼率約等于4933kbps拗小。
2.5 碼率幾點(diǎn)原則
1重罪、碼率和質(zhì)量成正比，但是文件體積也和碼率成正比哀九。
2剿配、碼率超過一定數(shù)值，對圖像的質(zhì)量沒有多大影響阅束。
3呼胚、DVD的容量有限，無論是標(biāo)準(zhǔn)的4.3G息裸，還是超刻蝇更，或是D9，都有極限呼盆。
