Lange Leitung für 4K-Monitore

Fachbeitrag Design & Elektronik 13/2016

Die junge Grafikschnittstelle „DisplayPort“ (DP) weckt bei Anwendern Begehrlichkeiten. Denn die Bandbreite des Neulings reicht aus, um selbst größte Bildschirme mit hoher Auflösung, Farbtiefe und Bildwechselfrequenz anzusteuern. Wäre da nicht die auf 15 Meter begrenze Kupferkabellänge, die industriellen Ansprüchen nicht genügt. Doch ein optischer DP-Extender setzt die zulässige Kabellänge auf 100 Meter Glasfaser hoch.

DisplayPort über Glasfaser

Bei bildgebenden 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 an digitale Grafikschnittstellen angepasst wie DVI und HDMI, die aus der Industrie und Consumer-Elektronik bekannt sind. Bei deren Definition erschien seinerzeit ein Bildformat mit den Eckwerten 1920 x 1080 (Full HD) und 1900 x 1200 (WUXGA), 8 Bit Farbtiefe und 60 Hz Bildwiederholfrequenz mehr als ausreichend. Doch mit den steigenden Auflösungen der Displays kommen die vorhandenen

Schnittstellen an ihre Grenzen, daher beschäftigt sich das Vesa-Komitee 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 zudem verriegelbar ist. Finanzieller Vorteil: Für die Nutzung von DisplayPort fallen keine Lizenzabgaben an.

Technik des DisplayPorts

Bild 1: Signale der DisplayPort-Schnittstelle
Bild 1: Signale der DisplayPort-Schnittstelle

Ähnlich wie DVI und HDMI, die auf „TMDS“ (Transition Minimized Differential Signalling) basieren, arbeitet DisplayPort mit einer kontrollierten Steilheit der Signalflanken, um EMV-Störungen zu minimieren. Auch hier wird das Nutzsignal differenziell auf zwei Leitungen übertragen, die zu einer „Lane“ zusammengefasst sind. Doch anders als bei den Vorgängerschnittstellen gibt es keine feste Zuordnung der Grafiksignale zu einem bestimmten Leitungspaar (z. B. DVI: Rot/Grün/Blau/Takt). Der „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 die neue Schnittstelle im Unterschied zu der bisher gebräuchlichen kontinuierlichen Übertragung eine Paketübertragung ein. DisplayPort bietet viel Flexibilität für Anwendungen, da allein die maximale Übertragungsbandbreite festgelegt ist, nicht aber Auflösung, Farbtiefe oder Bildwiederholfrequenz. Diese sind frei wählbar, solange die maximale Kanalkapazität nicht überschritten wird. Bild 2 nennt die Bandbreiten, die für die Übertragung gebräuchlicher Bildformate erforderlich sind.

Bild 2: Aufstellung der zulässigen DisplayPort-Datenrate gegenüber Auflösung, Wiederholfrequenz und Farbtiefe (nach VESA)
(Bild anklicken für volle Größe)

Optischer DP-Extender

Wegen der hohen Bandbreite ist die Übertragung der Signale über längere Strecken eine Herausforderung. Die Vesa-Spezifikation fordert für ein Signal maximaler Bandbreite eine Übertragungsdistanz von bis zu 2 m, bereits bis zu 15 m sind es 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) oder 4K (4096 x 2304) über eine längere Distanz übertragen, stößt die Physik des Kupferkabels an Grenzen. In der Medizintechnik kommen infolge der räumlichen Trennung von Bildverarbeitung und Visualisierung häufig Übertragungsstrecken 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 angekommen dort wieder ins elektrische Format konvertiert. Neben der großen Übertragungsstrecke bietet diese Technik zudem die galvanische Trennung zwischen Serverraum (Kontrollmonitor) und der Visualisierung im Operationssaal.

Der „DisplayPort-Extender DPFX-200“ von Opticis (Bild 3) implementiert die gegenwärtig gängige Revision 1.2 des DisplayPort-Standards. Mit einer Gesamtdatenrate von 21,6 Gbit/s unterstützt dieses Gerät die Darstellung von 4K Auflösung bei 24 Bit Farbtiefe mit 60 Hz Bildfrequenz ohne Kompression. Ein Transmittermodul übernimmt die Signale der Grafikkarte, bündelt sie und speist sie an zwei LC-Buchsen in die Glasfaser ein. Das Receivermodul 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.

Bild 3: Der "DisplayPort-Extender DPFX-200" von Opticis baut eine optische DisplayPort-Glasfaserstrecke auf, die ein Kuperkabel direkt ersetzt

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 häufig nicht für alle Ausgänge ausreichend Leistung zur Verfügung stellen. In diesen Fällen erlaubt eine Micro-USB-Buchse eine externe 5-V-Versorgung.

 

Bild 3: Der "DisplayPort-Extender DPFX-200" von Opticis baut eine optische DisplayPort-Glasfaserstrecke auf, die ein Kuperkabel direkt ersetzt

Multi-Stream-Transport

Ähnlich wie bei IP (Internet Protocol) sind die Datenpakete des DisplayPort mit einer Adresse versehen. Seit Version 1.2 ist 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. Mit MST führt dann nur ein einziges DisplayPort-Kabel von der Grafikkarte zu einem „MST Hub“ genannten Splitter, der auch in einem Monitor integriert sein kann. Dort werden die Daten auf die verschiedenen Displays aufgeteilt (Bild 4). Die Zuordnung der Signale nach der physikalischen Anordnung und Auflösung der Monitore übernimmt der Treiber der Grafikkarte. Allein die Gesamtbandbreite des DisplayPort-Links limitiert die Anzahl und Auflösung der verwendeten Teilnehmer.

Bild 4: Einfache Multi-Stream-Transport-Konfiguration. Zwei Displays mit unterschiedlichen Inhalten an einer Quelle
(Bild anklicken für volle Größe)

Ein 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.

Bild 5: Komplexe Multi-Stream-Transport-Konfiguration. Drei Streams aus zwei Quellen gehen über Konzentrator und Splitter an zwei Senken, wobei der rote Stream auf beiden Monitoren gleichzeitig dargestellt wird.
Bild 5: Komplexe Multi-Stream-Transport-Konfiguration. Drei Streams aus zwei Quellen gehen über Konzentrator und Splitter an zwei Senken, 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. Denn 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.

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