Große 4k-Monitore über 100 m ansteuern
DisplayPort über Glasfaser
Nachdem Displays mit einer höheren Auflösung als »Full High Definition« erschwinglich geworden sind, setzen besonders Anwender aus der Medizintechnik für Befundungsmonitore auf höhere Auflösungen oder Farbtiefen. Doch die bislang verfügbaren Schnittstellen stoßen dabei an ihre Grenzen – neue Interfaces wie DisplayPort können hier Abhilfe schaffen. Dessen Bandbreite reicht aus, um selbst die größten verfügbaren Bildschirme anzusteuern.
Beim Einsatz bildgebender Verfahren in der Medizin spielt die Live-Darstellung von Daten eine wichtige Rolle. Dabei muss ein Bildverarbeitungssystem die von einem Bildgeber wie CT, Röntgen oder MRT kommenden Daten mit möglichst niedriger Latenz darstellen. In der Vergangenheit wurden Daten analog über VGA übertragen und dann auf digitale Grafik-schnittstellen wie DVI und HDMI umgestellt, die aus der Industrie und Consumer-Elektronik bekannt sind. Bei deren Definition erschien ein Bildformat mit den Eckwerten Full HD (1920 x 1080) bzw. WUXGA (1900 x 1200), Farbtiefe 8 Bit und Bildwiederholfrequenz 60 Hz mehr als ausreichend. Doch mit den steigenden Auflösungen der Displays kommen die vorhandenen Schnittstellen an ihre Grenzen, daher beschäftigt sich das VESA-Kommittee seit Anfang der 2000er Jahre mit der Definition des »DisplayPort«-Standards, der in jede Richtung darüber hinausgeht. In den Chipsätzen von Herstellern wie Intel löst DisplayPort als neuer Standard DVI und LVDS ab. Industrielle Kunden bevorzugen DisplayPort gegenüber HDMI, weil der Stecker mechanisch stabiler und außerdem verriegelbar ist. Zudem werden für die Nutzung von DisplayPort keine Lizenzabgaben fällig.
Die Technik hinter DisplayPort
Ähnlich wie DVI und HDMI, die auf »TMDS« (Transition Minimized Differential Signalling) basieren, arbeitet DisplayPort mit einer kontrollierten Steilheit der Signalflanken, um abgestrahlte Störungen zu minimieren. Auch hier wird das Nutzsignal differenziell auf zwei Leitungen übertragen, die zu einer sogenannten »Lane« zusammengefasst sind. Anders als bei den Vorgängerschnittstellen gibt es keine feste Zuordnung der Grafiksignale zu einem bestimmten Leitungspaar (z.B. DVI: Rot/Grün/Blau/Takt). Der hier »AUX« genannte Seitenkanal, der bei DVI und HDMI der Übertragung von »EDID« (Displayinformationen) oder »HDCP« (Verschlüsselung des Inhalts) dient, weist eine wesentlich höhere Bandbreite auf und lässt sich so für die Übertragung weiterer Informationen verwenden.
Eine weitere Leitung signalisiert den »Hot Plug«, also das Herstellen der Verbindung zwischen Quelle und Senke. Adapterschaltungen lassen sich sowohl an der Quelle als auch an der Senke direkt vom DisplayPort-Stecker aus speisen (Bild 1). Auf der Protokollebene setzt DisplayPort im Unterschied zu der bisher gebräuchlichen kontinuierlichen Übertragung eine Paketübertragung ein. DisplayPort bietet recht große Flexibilität für die Anwendungen, da allein die maximale Übertragungsbandbreite festgelegt ist, nicht aber Auflösung, Farbtiefe oder Bildwiederholfrequenz. Sie sind frei wählbar, solange die maximale Kanalkapazität nicht überschritten wird.
Bild 2 zeigt die für die Übertragung gebräuchlicher Bildformate erforderliche Bandbreite.
Durch die hohe Bandbreite ist die Übertragung der Signale über eine längere Strecke eine Herausforderung. Die VESA-Spezifikation fordert für ein Signal maximaler Bandbreite eine Distanz von 2 m und 15 m für ein Full-HD-Signal (1080 Zeilen, 24 Bit Farbe, 60 Hz). Will man also ein Bildsignal mit einer Auflösung von UHD (3840 x 2160) bzw. 4k (4096 x 2304) über eine längere Distanz übertragen, stößt die Physik des Kupferkabels an Grenzen. In der Medizintechnik kommen durch die räumliche Trennung von Bildverarbeitung und Visualisierung Strecken im Bereich mehrerer zehn Meter 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. Neben der großen Distanz bietet diese Technik die galvanische Trennung zwischen Serverraum bzw. Kontrollmonitor und der Visualisierung im Operationssaal.
Der »DisplayPort-Extender DPFX-200« von Opticis (Bild 3) implementiert die aktuelle Revision 1.2 des DisplayPort-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. Ein Transmitter-Modul übernimmt die Signale der Grafikkarte, bündelt sie und speist sie an zwei LC-Buchsen in die Glasfaser ein. Das Receiver-Modul wandelt diese Signale in das DisplayPort-Format um und gibt sie an den Monitor aus. Zur Übertragung werden nur zwei Glasfasern benötigt – eine Faser überträgt die Grafikdaten aller vier Lanes, die zweite Glasfaser dient der bidirektionalen Kommunikation des AUX-Kanals mit bis zu 720 MBit/s. Weil der Extender voll transparent ist, also weder im Betriebssystem sichtbar ist noch Treiber benötigt, kann er ein Kupferkabel direkt ersetzen.
Die DisplayPort-Spezifikation fordert von Quelle und Senke an Pin 20 des Steckverbinders eine Stromversorgung für externe Adapter. Damit lassen sich sowohl Transmitter als auch Receiver des Extenders versorgen. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass Grafikkarten mit mehreren DisplayPort-Anschlüssen oft nicht für alle Ausgänge ausreichend Leistung zur Verfügung stellen. In diesen Fällen erlaubt eine Micro-USB-Buchse eine externe 5-V-Versorgung.
Multi-Stream-Transport
Ähnlich wie bei IP (Internet Protocol) sind die Datenpakete des DisplayPort mit einer Adresse versehen. Ab Version 1.2 wird damit »Multi Stream Transport« (MST) möglich: Die Datenpakete, die von mehreren Quellen stammen und/oder für mehrere Senken bestimmt sind, teilen sich ein Medium. In der Praxis werden häufig mehrere Displays an eine Quelle (Grafikkarte) angebunden. Dabei führt nur ein DisplayPort-Kabel von der Grafikkarte zu einem »MST Hub« genannten Splitter, der auch in einem Monitor integriert sein kann. Dort werden die Daten dann auf die verschiedenen Displays aufgeteilt (Bild 4). Die Zuordnung der Signale nach der physikalischen Anordnung und Auflösung der Monitore übernimmt der Treiber der Grafikkarte. Nur die Gesamtbandbreite des DisplayPort-Links limitiert die Anzahl und Auflösung der verwendeten Teilnehmer.
Ein mögliches, komplexes Beispiel zeigt Bild 5. Drei Streams aus zwei verschiedenen Quellen werden in einem Konzentrator gebündelt und gemeinsam übertragen.
Die Strecke zwischen den Quellen und dem Konzentrator ist mit kurzen Kupferleitungen realisierbar, während auf der Langstrecke zwischen Konzentrator und Splitter das Glasfaserkabel zum Einsatz kommt. Der Splitter teilt den Datenstrom auf die Senken auf, wobei der rote Stream auf beiden Monitoren gleichzeitig dargestellt wird.
Mit dem USB-Port eines PC verbunden, bekommen die sonst brachliegenden Datenleitungen der bereits angesprochenen Micro-USB-Buchse eine Funktion. Mit einer Software lässt sich der Status der DisplayPort-Strecke abfragen, zum Beispiel die ausgehandelte Linkrate, die Auflösung und die Farbtiefe. Wirklich hilfreich wird dies bei hierarchischer Anordnung verschiedener Monitore, da sich Einblicke in die mehrstufig ausgehandelten Links öffnen.
Über den Autor:
Rudolf Sosnowsky ist Leiter Marketing und Applikation bei Hy-Line Computer Components.
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