Schnittstellen-Standards: DisplayPort hat Zukunft

Fachbeitrag Elektronik Displays 2015

Etablierte Display-Interface-Standards haben die Grenzen der machbaren Bandbreite erreicht; daher war die Definition eines neuen Standards unvermeidbar. Hier Details zum DisplayPort, der moderne High-Speed-Bandbreiten-Anforderungen erfüllt.

DisplayPort hat Zukunft
Bild: Shutterstock - Denis Tabler

Das Normungsgremium VESA (Video Electronics Standards Association), dem Mitglieder aus der Display- und der Halbleiterindustrie ebenso wie Content-Ersteller angehören, definierte bereits vor nahezu zehn Jahren den DisplayPort (DP), um höhere Auflösungen, größere Farbtiefe und höhere Frame-Raten zu ermöglichen. VESA hat nun im September 2014 die Revision 1.3 freigegeben. Bereits verfügbare Produkte entsprechen der Revision 1.2, nach der 8-MPixel-Displays mit mehr als 16 Mio. Farben mit einer Wiederholfrequenz von 60 Hz angesteuert werden können. Im Folgenden deshalb die wichtigsten technischen Merkmale, die in DP 1.2 (Bild 1 zeigt das Logo des Standards) implementiert sind.

Architektur der DisplayPort-Familie

Bild 1: Der DisplayPort ist an diesem Logo zu erkennen
Bild 1: Der DisplayPort ist an diesem Logo zu erkennen

DisplayPort 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

DisplayPort als neuen Standard in ihren Chipsätzen und lösen dabei DVI und LVDS ab. Industrielle Kunden ziehen DisplayPort der HDMI-Schnittstelle vor, weil der Stecker mechanisch stabiler ist und Verriegelungsnasen besitzt, die den Stecker fest in der Buchse halten. Außerdem fallen bei der Implementierung in einer industriellen Umgebung keine Lizenzkosten an.

Die für DisplayPort eingesetzte Technologie unterscheidet sich von den bisherigen Schnittstellen sowohl auf elektrischer als auch auf Protokollebene. 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 (Bild 2 zeigt alle Signale auf der DP-Schnittstelle), der bei DVI und HDMI für die Übertragung von EDID (Extended Display ldentification Data - Displayinformationen) oder HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection - Verschlüsselung des Inhalts) verwendet wird, weist eine wesentlich höhere Bandbreite auf, sodass er für die Übertragung weiterer Informationen verwendet werden kann.

Eine weitere Leitung (siehe Bild 2) realisiert den „Hot Plug“, also das Herstellen der Verbindung zwischen Quelle und Senke.

Bild 2: Die Signale auf der DisplayPort-Schnittstelle
Bild 2: Die Signale auf der DisplayPort-Schnittstelle

Anders als bei DVI stellen sowohl Quelle als auch Senke eine Stromversorgung am Stecker zur Verfügung. Diese Definition wurde im Hinblick auf Adapterschaltungen getroffen, die dann ohne externes Netzteil auskommen können. Ein Kupferkabel für DisplayPort verbindet daher diese Leitung nicht durch.

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

DisplayPort bietet für die verschiedenen Anwendungen die größtmögliche Flexibilität, da allein die maximale Übertragungsbandbreite festgelegt ist, nicht aber Auflösung, Farbtiefe oder Bildwiederholfrequenz. Sie können frei gewählt werden, solange die maximale Kanalkapazität nicht überschritten wird. Bild 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 Frame-Rate zu. 24 Hz wird gewöhnlich in Kinos eingesetzt, 60 Hz ist Standard für Monitore und 120 Hz werden hauptsächlich für 3D und Computerspiele eingesetzt.

Ebenfalls neu im Vergleich zu existierenden Standards ist das Einmessen der Übertragungsstrecke, Link Training genannt. Nach dem Herstellen einer Verbindung wird zwischen Sender und Empfänger 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. Die Spezifikation fordert, dass Signale mit voller Bandbreite über ein 2 m langes Kupferkabel übertragen werden müssen und dass Full-HD-Signale (1080p60/24 Bits pro Pixel) über 15 m Leitung zu übertragen sind, wobei alle vier Lanes benutzt werden.

Bild 3: Erzielbare Datenrate gegenüber Auflösung, Wiederholfrequenz und Farbtiefe (Bild anklicken für volle Größe)

Bedeutung des AUX-Kanals

Dem Auxiliary-Kanal kommt eine wichtige Rolle zu. Er veranlasst das Link-Training für die Hauptstrecke und übernimmt die bidirektionale Kommunikation zwischen Quelle und Senke. Durch seine hohe Übertragungsrate, die bis zu 720 Mbit/s beträgt, können hier Status-Informationen wie EDID übertragen werden, aber auch Steuersignale für den Monitor. Unabhängig vom Hauptkanal ist z. B. USB für einen im Monitor eingebauten Hub oder bidirektionales Audio und Video einer Kamera für eine Videokonferenz denkbar. Inhalte werden bei Bedarf mit dem von HDMI bekannten HDCP-Verfahren vertraulich gehalten.

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.

eDP: embedded DisplayPort

eDP wurde als interne Schnittstelle für PCs definiert. Es verwendet denselben Video-Ausgang der CPU. Typische Anwendungen sind vor allem tragbare Produkte wie Notebook-Computer, Tablet PCs und AIO (All-in-One PC) sowie Spezialanwendungen wie industrielle oder Panel-PCs. Während die DisplayPort-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.

iDP: internal DisplayPort

iDP ist eine Schnittstelle, die speziell für Unterhaltungselektronik, wie z. B. TV-Geräte, definiert wurde. Hohe Auflösungen und Frame-Raten sowie die Unterstützung 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 DisplayPort kompatibel; die Motivation liegt eher in der Überbrückung langer Verbindungen mit hohen Datenraten innerhalb von Geräten mit großer Bildschirmdiagonale.

Thunderbolt: DisplayPort und PCI Express

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

DisplayPort und USB

Ab der Revision 1.3 wird eine Koexistenz von DisplayPort und USB definiert. USB 3.1 führt einen neuen Stecker ein, Type C genannt. Aus USB-Sicht ergibt sich die Möglichkeit, andere Signale als nur USB zu übertragen. Vom DisplayPort aus gesehen wird das Verfahren „DisplayPort over USB-C“ genannt. Die Leitungspaare werden dabei Grafiksignalen des DisplayPort oder der bidirektionalen Datenübertragung des USB zugewiesen; die vorhandene Bandbreite teilt sich auf. Der Vorteil liegt darin, dass manche Geräte nur noch einen einzigen Stecker für Grafik, USB und Stromversorgung brauchen.

Rückwärtskompatibilität ist gegeben

Bild 4: Die Pin-Belegung der DP-Buchse
Bild 4: Die Pin-Belegung der DP-Buchse

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

Die Steckerformate

Bild 5: Beispiel für ein Kabel mit DP-Stecker
Bild 5: Beispiel für ein Kabel mit DP-Stecker

Nicht nur müssen die bereits erwähnten Anforderungen nach einem robusten Stecker mit Riegeln erfüllt werden, sondern es muss wegen der hohen Bandbreite auch die zulässige Toleranz der Impedanz eingehalten werden. Bild 4 zeigt die Buchse mit der Nummerierung der Pins. Sie ist in die Quelle eingebaut. Bild 5 zeigt ein Beispiel für das Gegenstück, ein konfektioniertes DP-Kabel; in Bild 6 ist die Buchse am Slot-Blech einer Grafikkarte zu sehen. Gut erkennbar ist die Größe im Vergleich zu einer DVI-Buchse.

2009 definierte VESA einen kompakten Stecker, Mini DP oder mDP genannt, siehe Bild 7. Er kann alternativ zum oben gezeigten DP-Stecker verwendet werden, wenn der Bauraum beschränkt ist. Es gibt keinen funktionellen Unterschied zum normalen DP-Stecker.

Bild 6: Slotblech einer Grafikkarte mit zwei DP-Ports und einer DVI-Buchse
Bild 6: Slotblech einer Grafikkarte mit zwei DP-Ports und einer DVI-Buchse
Bild 7: Slotblech einer Grafikkarte mit zwei DVI-Anschlüssen und einer mDP-Buchse
Bild 7: Slotblech einer Grafikkarte mit zwei DVI-Anschlüssen und einer mDP-Buchse

Übertragung auch per Glasfaserstrecke

Die hohe Bandbreite der zu übertragenden Signale stellt hohe elektrische Anforderungen z. B. hinsichtlich Dämpfung und Phasenverhalten an das Übertragungsmedium, also das Kabel einschließlich Stecker zwischen Bildquelle und -senke. Laut VESA muss ein Signal mit maximaler Bandbreite über eine Distanz von 2 m und ein Full-HD-Signal mit 1080 Zeilen bei 24 bit Farbtiefe und einer Wiederholrate von 60 Hz über 15 m weit übertragen werden. Möchte man also ein Bildsignal mit einer Auflösung von UHD (3840 x 2160) bzw. 4K (4096 x 2304) über eine längere Distanz übertragen, setzt die Physik des Kupferkabels eine Grenze.

Bild 8: Überbrückt bis zu 100 m: eine DisplayPort-Glasfaserstrecke (DPFX-200 von Opticis)

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. Zu dem Vorteil einer Glasfaserstrecke, dass die Signale auch nach einer großen Distanz noch unverfälscht rekonstruierbar sind, kommt die galvanische Trennung zwischen Server-Raum bzw. Kontroll-Monitor und der Visualisierung im Operationsraum.

Bild 8: Überbrückt bis zu 100m: eine DisplayPort-Glasfaserstrecke (DPFX-200 von Opticis)

Zur Glasfaser-Übertragung gibt es auch entsprechende Adapter: Der DisplayPort-Extender DPFX-200 von Opticis beispielsweise (Vertrieb: Hy-Line Computer Components) implementiert die aktuelle Revision 1.2 des DisplayPort-Standards (Bild 8). 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 über zwei LC-Buchsen an die Glasfaser ausgibt. 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, da die hohe Bandbreite der Glasfaser erlaubt, die Grafikdaten aller vier Lanes über nur eine Glasfaser zu übertragen. Die zweite Glasfaser dient der bidirektionalen Kommunikation des AUX-Kanals. Der Extender ist voll transparent, d.h. er ist weder im Betriebssystem sichtbar noch benötigt er Treiber; er kann daher ein Kupferkabel direkt ersetzen. Die maximale Länge der Glasfaser ist 100m.

Details zur Stromversorgung

Bild 9: Aufbau einer einfachen Multi-Stream-Transport-Konfiguration
Bild 9: Aufbau einer einfachen MST-Konfiguration

Die DisplayPort-Spezifikation fordert von Quelle und Senke, an Pin 20 des Steckverbinders eine Stromversorgung für externe Adapter zur Verfügung zu stellen. Sowohl Sender als auch Empfänger des Extender können damit versorgt werden. Sollten Quelle oder Senke nicht ausreichend Leistung zur Verfügung stellen, kann über einen Micro-USB-Stecker extern eine Spannung von 5 V zugeführt werden. Das andere Ende des USB-Kabels endet in einem USB-Typ-A-Stecker, der entweder in ein passendes Netzteil oder einen USB-Port eingesteckt werden kann, die dann die Stromversorgung übernehmen. Am USB-Port bekommen die sonst brach liegenden Datenleitungen eine Funktion. Mit einer installierten Software kann der Status der DisplayPort-Strecke abgefragt werden, z. B. die ausgehandelte Link-Rate, die Auflösung und die Farbtiefe. Wirklich hilfreich wird diese Funktion bei hierarchischer Anordnung verschiedener Monitore, da sie Einblicke in die mehrstufig ausgehandelten Links gibt.

Der 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 mehrerer Quellen stammen und/oder für mehrere Senken bestimmt sind, teilen sich ein Medium. Der häufig in der Praxis vorkommende Fall ist, dass an eine Quelle (Grafikkarte) mehrere Displays angebunden werden (Bild 9). Nur ein DisplayPort-Kabel wird an die Grafikkarte angeschlossen und führt zu einem „MST Hub“ genannten Splitter. Dort werden die Daten aufgeteilt. Der Splitter kann auch in einem Monitor integriert sein; dann werden die Monitore in Reihe geschaltet. Das Signal wird in den Eingang des Monitors eingespeist, im Splitter in einen lokalen und einen weiter gehenden Teil aufgeteilt und der Rest an eine zweite Buchse weitergeleitet. Die Zuordnung der Signale nach der physikalischen Anordnung und Auflösung der Monitore übernimmt der Treiber der Grafikkarte. Nur die Gesamtbandbreite des DisplayPort-Link limitiert die Anzahl und Auflösung der verwendeten Teilnehmer.

Ein mögliches, komplexes Beispiel zeigt Bild 10. Drei Streams aus zwei verschiedenen Quellen werden in einem Konzentrator gebündelt und gemeinsam übertragen. Die Strecke zwischen den Quellen und dem Konzentrator kann mit kurzen Kupferleitungen realisiert werden, 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 10: Eine komplexe Multi-Stream-Transport-Konfiguration
Bild 10: Eine komplexe Multi-Stream-Transport-Konfiguration

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass DisplayPort der einzige Standard zur Übertragung von Grafikdaten ist, der seiner Definition nach das Potenzial hat, mit der steigenden Auflösung aktueller Displays Schritt zu halten. Die aktuelle Revision 1.2 ermöglicht den Anschluss von Displays höchster Auflösung (z. B. 4K x 2K); die nächste Revision 1.3 wurde bereits freigegeben. Sie wird rückwärtskompatibel sein, aber auch neue Merkmale einführen.

Kontakt

Kontakt HY-LINE

Helpdesk 089 / 614 503 40

E-Mail computer@hy-line.de

Kontakt Schweiz

Helpdesk +41 52 647 42 00

E-Mail info@hy-line.ch