Optoelektronik, Displays & HMI Starke Ablösung für VGA und DVI

DisplayPort (DP) ist eine Familie neuer Standards für die Übertragung digitaler Grafikdaten von einer Quelle (Computer) zu einer Senke (Monitor). Alle Familienmitglieder basieren auf dem gleichen Standard, nutzen jedoch verschiedene Protokolle für die Übertragung der Daten. Chiphersteller wie Intel implementieren DP als neuen Standard in ihren Chipsätzen und lösen dabei DVI und LVDS ab. Industrielle Kunden ziehen DP der HDMI-Schnittstelle vor, weil der Stecker mechanisch stabiler ist und Verriegelungsnasen besitzt, die den Stecker fest in der Buchse halten.

Die für DP eingesetzte Technologie unterscheidet sich von der bisheriger Schnittstellen sowohl auf elektrischer als auch auf Protokollebene. Ähnlich wie DVI und HDMI, die auf TMDS (Transition Minimized Differential Signalling) basieren, arbeitet DP mit einer kontrollierten Steilheit der Signalflanken, um abgestrahlte Störungen zu minimieren. Auch hier wird das Nutzsignal differentiell auf zwei Leitungen übertragen, die zu einer so genannten Lane zusammengefasst sind. Anders als bei den Vorgängerschnittstellen gibt es keine feste Zuordnung der Grafiksignale zu einem bestimmten Leitungspaar (zum Beispiel DVI: Rot/Grün/Blau/ Takt). Der hier AUX genannte Seitenkanal, der bei DVI und HDMI für die Übertragung von EDID (Displayinformationen) oder HDCP (Verschlüsselung des Inhalts) verwendet wird, weist eine wesentlich höhere Bandbreite auf, so dass er sich für die Übertragung weiterer Informationen verwenden lässt. Eine weitere Leitung signalisiert den Hot Plug, also das Herstellen der Verbindung zwischen Quelle und Senke. Adapterschaltungen können sowohl an der Quelle als auch an der Senke direkt vom DP-Stecker aus gespeist werden.

Auf der Protokollebene setzt DP eine Paketübertragung im Unterschied zu der bisher gebräuchlichen kontinuierlichen Übertragung ein. Insbesondere DP 1.2 nutzt die Adressierbarkeit der Pakete, um damit verschiedene Senken mit nur einer Leitung anzusteuern. Dieses Verfahren wird Multi Stream Transport (MST) genannt.

Sehr große Flexibilität

DP bietet für die Anwendungen die größtmögliche Flexibilität, da allein die maximale Übertragungsbandbreite festgelegt ist, nicht aber Auflösung, Farbtiefe oder Bildwiederholfrequenz. Sie lassen sich frei wählen, solange die maximale Kanalkapazität nicht überschritten wird. Abbildung 3 zeigt, welche Bandbreite für die unkomprimierte Übertragung verschiedener Bildformate erforderlich ist. Auf der vertikalen Achse sind verschiedene Standard-Schnittstellen und ihre maximale Bandbreite dargestellt. Dabei ist kein Overhead für das Protokoll enthalten. Die x-Achse stellt gebräuchliche Auflösungen dar. Bei einer festen Auflösung nimmt die Bandbreite mit der Zahl der darzustellenden Farben (bpp, bits per pixel) und der gewünschten Framerate zu. 24 Hz werden gewöhnlich in Kinos eingesetzt, 60 Hz sind Standard für Monitore, und 120 Hz werden hauptsächlich für 3D und Computerspiele verwendet.

Ebenfalls neu im Vergleich zu existierenden Standards ist das Einmessen der Übertragungsstrecke, Link Training genannt. Nach dem Herstellen einer Verbindung wird zwischen Transmitter und Receiver ein spezielles Protokoll abgewickelt. Dabei wird die Zahl der vorhandenen Lanes (1, 2 oder 4) festgestellt, und die Übertragung durch Einsatz von Emphase und Equalizer optimiert. Schließlich wird auch die Übertragung auf eine von drei fixierten Raten festgelegt. Mit der höchsten Datenrate von 5,4 GBit/s pro Lane können bei vier Lanes maximal 21,6 GBit/s übertragen werden. Ziel ist immer die Übertragung eines unkomprimierten Signals.

Andere DisplayPort-Standards

Es gibt weitere Mitglieder der DisplayPort-Familie, die die gleiche elektrische Schnittstelle, aber ein anderes Protokoll verwenden und daher nicht kompatibel sind.

Embedded DisplayPort (eDP) hat man als interne Schnittstelle für PCs definiert. Es verwendet denselben Video-Ausgang der CPU. Typische Anwendungen sind vor allem tragbare Produkte wie Notebook-Computer, Tablet- und All-In-One(AIO)-PCs sowie Spezialanwendungen wie industrielle oder Panel-PCs. Während die DP-Spezifikation zugrunde liegt, sind das Protokoll, die Merkmale und die Leistungsaufnahme auf interne Displays zugeschnitten. Es gibt einen 30-poligen Stecker für alle Signale einschließlich der Stromversorgung. Da die Betriebsbedingungen bekannt und unveränderlich sind, ist das Link-Training reduziert oder entfällt ganz. Diese Schnittstelle soll in absehbarer Zeit LVDS ersetzen.

Internal DisplayPort (iDP) ist eine Schnittstelle, die speziell für Consumer-Elektronik wie TV-Geräte definiert wurde. Hohe Auflösungen und Frameraten sowie der Support von 3D ist möglich. Die Zahl der Lanes kann zwischen 1 und 16 liegen und hängt von der benötigten Bandbreite ab. iDP ist nicht direkt zu DP kompatibel, die Motivation liegt eher in der Überbrückung langer Verbindungen mit hohen Datenraten innerhalb von Geräten mit großer Bildschirmdiagonale.

Thunderbolt kombiniert zwei Protokolle auf derselben Schnittstelle: DP und PCIe (PCI express). Da DP-Daten paketweise überträgt, können PCIe-Pakete eingefügt und sogar bidirektional übertragen werden. Da der gleiche Steckverbinder verwendet wird, ist die Schnittstelle rückwärtskompatibel zu reinen DP-Geräten. Die Bandbreite beträgt 10 GBit/s.

Bei der Definition des DP-Standards hat man auf die große Anzahl bereits installierter älterer Geräte Rücksicht genommen. Mit dem DisplayPort Dual Mode, ‡DP, lassen sich HDMI- oder DVI-Senken an eine DP-Quelle anschließen. Ein Adapter signalisiert der Quelle, dass sie auf HDMI/DVI zurückfallen soll. Dann werden alle vier Lanes für die Übertragung sequentieller RGB und Taktsignale verwendet (Anmerkung: eine DP-Verbindung muss nicht alle vier Lanes verwenden). Die Signalpegel werden nun wieder an TMDS angepasst.

Die Bandbreite der zu übertragenden Signale stellt hohe elektrische Anforderungen zum Beispiel hinsichtlich Dämpfung und Phasenverhalten an das Übertragungsmedium, also das Kabel zwischen Bildquelle und -Senke. Laut VESA muss ein Signal mit maximaler Bandbreite über eine Distanz von 2 Metern und ein Full-HD-Signal mit 1.080 Zeilen bei 24 Bit Farbtiefe und einer Wiederholrate von 60 Hz 15 Meter weit übertragen werden.

Applikation in der Praxis

Möchte man also ein Bildsignal mit einer Auflösung von UHD (3.840 x 2.160 Pixel) oder 4k (4.096 x 2.304 Pixel) über eine längere Distanz übertragen, setzt die Physik des Kupferkabels eine Grenze. In der Medizintechnik kommen durch die räumliche Trennung von Bildverarbeitung und Visualisierung Strecken im Bereich von mehreren zehn Metern zustande. Für eine Glasfaserverbindung ist die Überbrückung dieser Distanz kein Problem. Dabei werden elektrische Signale an der Bildquelle in optische gewandelt und an der Senke wieder ins elektrische Format konvertiert. Zu dem Vorteil einer Glasfaserstrecke, dass die Signale auch nach einer großen Distanz noch unverfälscht rekonstruierbar sind, kommt die galvanische Trennung zwischen Serverraum beziehungsweise Kontrollmonitor und der Visualisierung im Operationsraum.

Der DP-Extender DPFX-200 von Opticis implementiert die aktuelle Revision 1.2 des DP-Standards. Mit einer Gesamtdatenrate von 21,6 GBit/s unterstützt er die Darstellung von 4k-Auflösung bei 24 Bit Farbtiefe mit 60-Hz-Bildfrequenz ohne Kompression. Er besteht aus einem Transmitter-Modul, das die Signale der Grafikkarte übernimmt, bündelt und an zwei LC-Buchsen an die Glasfaser ausgibt. Das Receiver-Modul wandelt diese Signale in DP-Format um und gibt sie an den Monitor aus. Zur Übertragung sind nur zwei Glasfasern nötig, da die hohe Bandbreite der Glasfaser es erlaubt, die Grafikdaten aller vier Lanes über nur eine Glasfaser zu übertragen. Die zweite Glasfaser dient der bidirektionalen Kommunikation des AUX-Kanals mit bis zu 720 MBit/s. Der Extender ist voll transparent, das heißt, er ist weder im Betriebssystem sichtbar, noch benötigt er Treiber. Er kann daher ein Kupferkabel direkt ersetzen, die maximale Länge der Glasfaser ist 100 Meter.

Stromversorgung

Die DP-Spezifikation fordert von Quelle und Senke, an
Pin 20 des Steckverbinders eine Stromversorgung für externe Adapter zur Verfügung zu stellen. Sowohl Transmitter als auch Receiver des Extenders können damit versorgt werden. Sollten Quelle oder Senke nicht ausreichend Leistung zur Verfügung stellen, lassen sich über einen MicroUSB-Stecker extern 5 V zuführen. Das andere Ende des USB-Kabels endet in einem USB-Typ-A-Stecker, den man entweder in ein passendes Netzteil oder einen USB-Port einstecken kann, die dann die Stromversorgung übernehmen.