Embedded-Systeme & Mikrocontroller Eine Leitung für fünf Signale

Der Anschluss eines so genannten 4k-Displays, also eines Displays mit einer Auflösung von zirka 4.000 x 2.000 Bildpunkten, stellt neue technische Herausforderungen. Bisherige Lösungen wie etwa HDMI reduzieren zwar die Zahl der Bilder pro Sekunde oder komprimieren den Bildinhalt. Für manche Applikationen ist das aber nicht tragbar. Der HDBaseT-Standard hingegen erfüllt die Forderung nach unkomprimierter Übertragung des Videosignals bei 60-Hz-Wiederholrate und übermittelt nebenbei noch Audiokanäle und Steuersignale wie etwa die eines Touchscreens, Ethernet und USB. Sogar mit einer elektrischen Leistung bis zu 100 W kann der Monitor damit über eine einfache CAT5e-Leitung versorgt werden.

DVI-Schnittstelle

Für den Anschluss abgesetzter Monitore ist in der Industrie die DVI(Digital Visual Interface)-Schnittstelle weit verbreitet. Damit können differenzielle Signale mit TMDS-Codierung je nach Auflösung über Strecken von 10 bis 15 m übertragen werden, wenn ein Kupferkabel eingesetzt wird. Bei Glasfaserleitungen liegt die Distanz im Bereich mehrerer 100 m. Im Gegensatz zu analogen Signalen, die bei RGB-Video verwendet werden, ist die differenzielle Übertragung gegenüber Einstrahlungen, die entlang des Kabels einwirken, unempfindlicher. Bei der Differenzbildung im Empfänger heben sich die Störkomponenten auf. Außerdem bewirkt die digitale Übertragung, dass bei Einhalten der Spezifikation für das TMDS-Signal ein klares Bild unabhängig von der Leitungslänge dargestellt wird. Die Spezifikation sieht zudem einen robusten Steckverbinder vor, der mit dem Gegenstück verschraubt werden kann. Ein solcher Steckverbinder ist mit ein Grund, warum sich der ansonsten elektrisch kompatible HDMI-Standard in der Industrie nicht durchsetzen konnte: der hierfür spezifizierte Stecker ist relativ grazil und nicht verriegelbar.

Nachfolger für DVI

Warum also wird ein neuer Standard als Nachfolger zu DVI benötigt? Seit der Publikation des Standards kurz vor der Jahrtausendwende wurden die Diagonalen und die Auflösung von Monitoren gesteigert. Bei der Definition gingen die Verantwortlichen davon aus, dass eine Auflösung von 1.920 x 1.200 Bildpunkten bei 60 Hz selbst für anspruchsvolle Anwendungen ausreicht. Für darüber hinaus gehende Auflösungen können zwei Kanäle in einer Dual-Link-DVI-Strecke gebündelt werden, was für 2.560 x 1.600 Bildpunkte ausreicht.

Jedoch stiegen nicht nur die Anforderungen an die Diagonale beziehungsweise die Auflösung: Auch zusätzliche Signale wie zum Beispiel die eines Touchscreens, Stereo-Audio (Digital Signage, Kiosk) sollen zwischen Rechner und Monitor ausgetauscht werden. Dazu wird für jedes Signal ein separates Kabel verlegt, was einen Zusatzaufwand bedeutet. Die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems hängt zudem auch von der Anzahl der Steckverbindungen ab.

Um die wachsenden Anforderungen zu erfüllen, wurde 2010 ein Konsortium gegründet mit dem Ziel, einen neuen Übertragungsstandard zu definieren. Die Gründungsmitglieder LG Electronics, Samsung Electronics, Sony Pictures Entertainment und Valens Semiconductor setzten sich zum Ziel, den neuen HDBaseT-Standard zur unkomprimierten Verteilung von Multimedia-Inhalten voranzubringen. Viele Hersteller von Multimedia-Geräten und Schöpfer von Inhalten schlossen sich seitdem dem Konsortium an.

HDBaseT in der Übersicht

In der Definitionsphase wurden folgende Merkmale
festgelegt:

• Distanz zwischen Transmitter und Receiver 100 m,

• Verwendung eines Standard-Kabels mit Standard-Steckern,

• Video-Bandbreite größer als Dual Link DVI,

• Seitenkanäle für Audio, Ethernet, Steuersignalen sowie

• die Möglichkeit, elektrische Leistung zu übertragen.

Mittlerweile ist die zweite Generation der Chips auf dem Markt. Mit einer Video-Bandbreite von 8 GBit/s können typische UHD (Ultra High Defintion) beziehungsweise 4K-Monitore mit unkomprimierten Videosignalen mit 60 Hz Framefrequenz angesteuert werden. In den Seitenkanälen können weitere Signale wie USB 2.0, Ethernet, Mehrkanal-Audio und digitale Steuersignale bidirektional übertragen werden. Das Übertragungsmedium ist dabei ein handelsübliches CAT5e-
Kabel. Ein Standard zur Übertragung elektrischer Leistung, PoH (Power over HDBaseT) wurde analog zu PoE (Power over Ethernet) entwickelt.

Die Eigenschaften des Mediums – übertragbarer Strom pro Kontakt, Spannungsfestigkeit des Kabels – werden so ausgenutzt, dass zirka 100 W zur Verfügung stehen. Damit kann zum Beispiel ein 47-Zoll-Monitor betrieben werden, der dann nur noch eine einzige Leitung zur Quelle braucht. Mithin werden fünf verschiedene Signale auf nur einer Leitung übertragen, die nennt das Konsortium „5-play“. Kein anderes System erreicht diese Leistung bei einer Strecke von 100 m! Selbst, wenn nicht die volle Leistung ausgeschöpft wird, kann eine Konverterbox auf Sender- oder Empfängerseite mit Leistung versorgt werden, sodass das Netzteil entfallen kann.

Abbildung 1 zeigt die zur Übertragung verwendeten Kanäle auf dem UTP-Kabel. Praxisnah geht die Spezifikation davon aus, dass neben einer zwischen zwei Wandsteckdosen fest verlegten Leitung an jedem Ende ein Patchkabel zum Anschluss von Quelle und Senke verwendet wird.

Professionelle Anwendungen

Neben dem nahe liegenden Einsatz im Home Entertainment zum Verteilen von Videoinhalten liegt der Schwerpunkt bei professionellen Anwendungen. Projektoren in Konferenzräumen profitieren von der erzielbaren Kabellänge, Kiosk-Terminals bündeln Video-, Audio und Touchsignale in einem Kabel, in der Medizintechnik stehen Diagnostik-Monitore abgesetzt vom Rechenzentrum nahe beim Patienten. Video Walls in Digital-Signage-Anwendungen nutzen die Daisy-Chaining-Möglichkeiten des neuen Chipsatzes.

Abbildung 2 zeigt, wie der Anschluss eines typischen Projektors vereinfacht wird: Während der Projektor unter der Raumdecke montiert ist, befindet sich in der Nähe der Referenten eine Adapterbox, die alle üblichen Anschlüsse wie Video in verschiedenen Formaten, Audio und Steuereingänge bereitstellt. Die Verlegung des einzig benötigten CAT-Kabels ist einfacher und qualitativ hochwertiger als die bisher eingesetzten Leitungen. Über PoH kann die Adapterbox mit der Betriebsspannung vom Projektor aus versorgt werden.

In Abbildung 3 ist ein typisches Digital-Signage-Szenario dargestellt: Ein Content-Server steht in einem Rechnerraum und liefert über HDBaseT Multimedia-Inhalte an verschiedene Display-Gruppen, die zum Beispiel in einem Einkaufszentrum verteilt sind. Im Rahmen der verfügbaren Bandbreite von 8 GBit/s können mehrere Kanäle über eine Leitung übertragen werden, jeder Knoten filtert „seinen“ Inhalt aus dem Datenstrom zur Anzeige heraus.

Für Anwender, denen ein eigenes Design zu aufwendig ist, bietet sich der Einsatz von fertigen HDBaseT-Adaptern an. In den Sender werden herkömmliche PC-Signale eingespeist und im HDBaseT-Format an den Empfänger übertragen, der sie wieder zurück wandelt. Der Einsatz ist für das Betriebssystem völlig transparent, es werden keine Treiber benötigt.

Technische Details

Die physikalische Ebene wird durch die Ethernet-Spezifikation definiert: Kabel, Impedanzen und Steckverbinder. Die Übertragungsebene nutzt eine PAM16, eine Puls-Amplituden-Modulationen mit 16 Stufen. Bei einer Symbolrate von 500 Mbit/s entspricht jedes Symbol 4 Bits. Die Eingangsdaten werden miteinander gemultiplext und in Paketen übertragen. Sender und Empfänger passen sich selbständig an die Eigenschaften der Leitung an (Pre-Empasis, Equalizing). Eine Fehlererkennung für kritische Signale kann bei Bedarf eine erneute Übertragung anfordern. Durch Entfall von Daten-Komprimierung liegt die Latenz bei nahe Null.

Mit der neuen Generation der HDBaseT-Familie, die unter dem Namen Colligo vermarktet wird, bietet Valens Semiconductor weitere Merkmale, die sie für den Einsatz in industriellen Anwendungen mit vielfachen Signalen prädestinieren. Die Möglichkeit, direkt auf gemultiplexte Signale in Paketform zuzugreifen, vereinfacht den Bau von Repeatern für Daisy-Chain-Lösungen und auch Multi-Stream-Signale. Die nominelle Distanz von 100 m kann durch Repeater auf bis zu
800 m erhöht werden – ohne Einschränkung der Bildqualität oder der Datenrate – auch bei USB.

Elektronik-Entwickler profitieren von der 5-Play genannten Lösung, da für die Übertragung mit hoher Bandbreite auf aus dem Ethernet bekannte Techniken zurückgegriffen werden kann. Für den Anwender bedeuten weniger Kabel auch weniger Problemstellen, und der Designer kann das eine CAT-Kabel leichter im eleganten Gehäuse unterbringen.

Distanzen über 100 m

Für Anwendungen, bei denen 100 m Distanz nicht ausreichen, oder eine galvanische Trennung unter allen Umständen erfordern, wie es etwa für die Magnetresonanztomographie (MRT) der Fall ist, stellt das Unternehmen Valens einen Companion-Chip zur Verfügung. Mit ihm werden die HDBaseT-
Signale zur bidirektionalen Übertragung über eine Glasfaserstrecke aufbereitet.
Weitere Informationen zu Hy-Line Computer Components finden Sie im Business-Profil auf der Seite 45.