Design-Praxis

Displayschnittstellen im Vergleich

6. September 2018, 16:44 Uhr | Rudolf Sosnowsky, Leiter Technik bei Hy-Line Computer Components

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Externe Schnittstellen

DVI

Das Digital Visual Interface war die erste verfügbare digitale Schnittstelle. Sie löst die VGA-Schnittstelle ab, die mit der steigenden Bandbreite der zu übertragenden Signale nicht mehr Schritt halten konnte.

Die auf der Grafikkarte ohnehin im digitalen Format vorliegenden Video-Signale werden serialisiert und digital übertragen. Vier Kanäle übernehmen die Primärfarben rot, grün und blau sowie einen Kanal für den Takt. Durch differentielle Übertragung wie bei LVDS werden Störeinflüsse minimiert.

Das neu eingeführte TMDS-Verfahren (Transition Minimized Differential Signaling) sorgt für minimale abgestrahlte Störungen und durch die ebenfalls neue 8/10-Bit-Codierung für Gleichspannungsfreiheit. Dabei werden Bitfolgen langer gleicher Polarität in solche mit wechselnden Bits umcodiert. Nur ein gleichspannungsfreies Signal kann über einen Transformator oder eine Glasfaserstrecke zur Potentialtrennung übertragen werden. DVI kann damit abhängig von der Kabelqualität Distanzen von bis zu 20 m überbrücken.

Zur möglichst einfachen Migration von Analog (VGA) auf digital (DVI) besitzt der DVI-Stecker zusätzliche Kontakte für die Übertragung analoger Signale. Sofern die Quelle das unterstützt, kann über einen mechanischen Adapter ein VGA-Analogmonitor angeschlossen werden. Bild 13 zeigt die Steckerbelegung, Bild 14 die Anordnung der Pins auf dem Stecker.

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DVI kann bis zu 1920 x 1200 Bildpunkte bei 60 Hz Bildwiederholfrequenz übertragen und ist damit dem VGA-Standard weit überlegen. Für noch höher auflösende Monitore erreicht Dual Link DVI mit weiteren Kontakten auf dem gleichen Stecker (Daten Link 2) bis zu 2560 x 1600 Bildpunkte bei 60 Hz. Die Kommunikation zwischen Quelle und Senke ist mit dem DDC-Kanal erweitert. Die Quelle kann nun bei der Initialisierung die Eigenschaften der Senke abfragen und die Ausgabe darauf einstellen. Dies beschränkt sich nicht nur auf die Auflösung, sondern schließt auch die geometrischen Abmessungen und Farbwiedergabe ein. Die Senke meldet sich dabei an der Quelle über die Hot-Plug-Leitung.

HDMI

HDMI ist die Standard-Schnittstelle für Consumer-Elektronik. Sie setzt auf DVI auf und erweitert die Funktionen.

HDMI ist elektrisch aufwärtskompatibel zu DVI. Genau wie dort werden Daten sequentiell und seriell im TMDS-Format übertragen. Erweiterungen gegenüber DVI sind die eingebettete Übertragung von Mehrkanalton und der Kopierschutz HDCP für Multimedia-Inhalte. Dieser sorgt durch einen kontinuierlichen Austausch von Schlüsseln zwischen Quelle und Senke für eine gesicherte dauerhafte Verbindung. Die Daten selbst werden mit Hilfe dieses Schlüssels codiert, so dass auf der Leitung keine anderweitig verwendbaren Informationen übertragen werden. Schlägt die Synchronisation fehl, bleibt der Bildschirm dunkel.

Für die Verwendung der HDMI-Schnittstelle und des Verschlüsselungsverfahrens HDCP müssen an den Lizenzinhaber Gebühren entrichtet werden. HDMI erweitert die bislang bekannten Signale um weitere, die besonders in der Consumer-Elektronik verwendet werden. Mit Hilfe des CEC-Leitung wird ein Protokoll übertragen, das angeschlossenen Geräten die Betriebsart signalisiert. So kann z.B. beim Einschalten des Blu-ray-Players der A/V-Receiver auf dessen Eingang um- und der Bildschirm eingeschaltet werden. Über das HEC-Paar werden IP-Daten übertragen.

Seit der ursprünglichen Definition des HDMI-Standards wurden einige Erweiterungen definiert, die aber immer auf Aufwärtskompatibilität Wert legen. Ab Version 1.3 können erhöhte Auflösungen durch erhöhte Taktraten übertragen werden, ab Version 1.4 wird Chroma Subsampling eingeführt: ein Mechanismus, mit dem eine höhere Auflösung zu Lasten der Farbauflösung erzielt werden kann. Mit Version 2.0 schließlich wird die Übertragung von 4k- bzw. UHD-Inhalten möglich, wobei die feste Zuordnung von HMDI-Signalen zu bestimmten Leitungen aufgehoben wird.

Für mobile Geräte spielt die Kompaktform MHL eine Rolle, bei der über einen Micro-USB-Stecker ein Paar der Datenleitungen zur Anbindung an eine externe Senke dient. Bild 15 zeigt die Steckerbelegung, Bild 16 zeigt die Anordnung der Pins auf dem Stecker.

DisplayPort

DisplayPort ist die neue Standard-Schnittstelle für Industrie und Medizin. Sie bietet neben der gesteigerten Bandbreite weitere Vorteile.

DisplayPort bewegt sich weg von der sequentiellen, kontinuierlichen Signalübertragung, bei der Leitungspaare für Farbkanäle reserviert sind, hin zur paketorientierten, bei der die Bandbreite der Schnittstelle über die Anzahl der verwendeten Paare in weitem Maße konfigurierbar ist. Damit werden hohe Auflösungen, große Farbtiefen und flexible Frame-Raten erreicht, wie sie für 3D- und VR/AR-Anwendungen notwendig werden. Bild 17 zeigt die maximalen typischen Auflösungen, die mit einer bestimmten Kombination von Bitrate und Lanes erreichbar sind.

DP1.4 führt die DisplayPort Stream Compression (DSC) ein, die erreichbare Bandbreite wird visuell nicht wahrnehmbar auf 8k erhöht. Displays mit dieser Auflösung erscheinen gerade auf dem Markt.

DisplayPort wird in industriellen Anwendungen eher als HDMI eingesetzt, weil der Stecker mechanisch stabiler und in der Buchse verriegelt ist. Außerdem fallen keine Lizenzkosten an, wenn keine urheberrechtlich geschützten Inhalte übertragen werden. Trotzdem erlaubt die Spezifikation einen Kopierschutz sowie die eingebettete Übertragung von Mehrkanalton. Ebenso wie DVI noch die Übertragung analoger Signale erlaubt, bietet DisplayPort mit dem DP++-Merkmal eine Rückfallebene auf den DVI-Standard: Wird ein entsprechender Adapter angesteckt, erkennt die Quelle, dass eine DVI-Übertragung gewünscht wird und schaltet das Übertragungsformat und die Leitungspegel um. In diesem Fall werden alle vier Lanes verwendet und die Auflösung bleibt auf die des DVI-Standards beschränkt.

Ab der Version 1.2 werden über MST (Multi Stream Transport) mehrere Bildsenken an einem Kabel unterstützt. Eine neue Bedeutung erhält der Seiten-Kanal für die Kommunikation zwischen Quelle und Senke. Der AUX-Kanal ermöglicht nicht nur die Identifikation der Senke, sondern darüber hinaus das Einmessen der Übertragungsstrecke von der Quelle bis zur Senke. Im Zusammenspiel mit dem Hot-Plug-Signal initiiert er vor der Übertragung von Bildsignalen ein so genanntes Link Training, bei dem Pegel und Vorverzerrung von der Quelle so eingestellt werden, dass sie von der Senke optimal empfangen werden können. Zur Minimierung der abgestrahlten Störungen werden die Signale mit kontrollierten Flanken übertragen, eine 8/10-Bit-Codierung sorgt für Gleichspannungsfreiheit und durch die Spread-Spectrum-Modulation werden die Spitzen im Störspektrum abgemildert. Bild 18 zeigt die Steckerbelegung, Bild 19 die Anordnung der Pins auf dem Stecker.