An einem Computer gibt es viele verschiedene Schnittstellen, um Daten zu übertragen. Für die Verbindung zwischen Monitor und Rechner ist im Medizin- und Industriebereich eine hohe Bandbreite gefordert, welche durch die Schnittstelle Display-Port abgedeckt werden kann.

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DisplayPort Eine smarte Verbindung

10.10.2018

Für die optimale Verbindung zwischen Monitor und Rechner muss der Computer Informationen über die Fähigkeiten des Bildschirms erhalten und die Ausgangsignale anpassen. Industrielle und medizinische Anwendungen benötigen eine hohe Bandbreite, gepaart mit großer Flexibilität. Dies bietet die Schnittstelle DisplayPort.

Das Link-Training des DisplayPort dient nicht nur dazu, Informationen über den an der Bildquelle angeschlossenen Monitor zu erhalten, sondern auch dazu, sicherzustellen, dass das Bild stabil dargestellt wird. Manchmal scheitert die Interaktion zwischen Monitor, Kabel und Quelle auf unvorhersehbare Weise. Für professionelle und kritische Anwendungen wie Medizin und Kontrollräume ist dies inakzeptabel. Dieser Artikel zeigt eine Methode, wie man eine zufällige Fehlkonfiguration vermeiden und eine zuverlässige Verbindung herstellen kann.

Kommunikation durch Display-Data-Channel

Um einen Monitor optimal am Rechner zu betreiben, muss dieser Informationen über die Fähigkeiten des Monitors abfragen und das Ausgangssignal darauf abstimmen. Zur Kommunikation dient der Display-Data-Channel (DDC), basierend auf dem I2C-Protokoll mit zwei Leitungen. Die Monitor-spezifischen Daten werden innerhalb des Monitors in einem Nur-Lese-Speicher gespeichert. Neben der Hardware-Identifikation (Hersteller, Modell und Seriennummer) enthält er Informationen über die Auflösung, die physikalische Größe des Bildschirms und Timings, die der Monitor akzeptieren kann. Beim Hochfahren des Computers werden diese Informationen abgefragt und zur Einstellung des Video-Timings verwendet.

Skalierbarer Display-Port

Für industrielle und medizinische Anwendungen hat sich DisplayPort als Standardschnittstelle etabliert. Sie ist extrem skalierbar, je nach Hardware-Implementierung kann die Anzahl der für die Übertragung der Videoinhalte genutzten Leitungspaare, die sogenannten Lanes, zwischen eins und vier liegen, die Symbolrate kann an verschiedene Bild- und Pixelraten angepasst werden, und die Farbtiefe kann acht Bits übersteigen. DisplayPort bietet Mehrkanalton und einen optionalen Kopierschutz, DPCP, der die Übertragung von urheberrechtlich geschützten und verschlüsselten Multimedia-Inhalten ermöglicht. Der neue AUX-Kanal nutzt wie DDC zwei Leitungen und bietet eine größere Bandbreite zwischen der Signalquelle und der Senke. Professionelle Anwender schätzen den robusten Steckverbinder, der mit einer Verriegelung in der Buchse einrastet.

Signalqualität sicherstellen

Ein kritischer Faktor ist die Übertragungscharakteristik der Strecke. Kabel und Steckverbinder beeinflussen die Signalqualität. Einerseits sollte das Signal stark genug sein, um die Entfernung zum Monitor, einschließlich der Anschlüsse und Adapter, zu überwinden, andererseits sollte es schwach genug sein, um nur eine geringe Menge an Störstrahlung auszusenden. Die ideale Kurvenform des Signals wird durch die Eigenschaften eines realen Kabels verschlechtert. Um die Datenintegrität zwischen Quelle und Senke zu gewährleisten, wird das Ausgangssignal der Quelle mit dem so genannten Link-Training angepasst. Es findet beim Einschalten statt, bevor die eigentlichen Bilddaten übertragen werden. Neben der Zahl der Kanäle, die für die Übertragung genutzt werden, einigen sich Quelle und Senke auf eine Bitrate für die Übertragung. Die Dämpfung wird durch einen höheren Spannungspegel,
Voltage Swing genannt, überwunden, während eine Vorverzerrung, Pre-Emphasis, die frequenzabhängige Dämpfung kompensiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Wellenform auf der Seite der Senke optimal rekonstruiert werden kann.

Für das Link-Training kommuniziert die Senke über den AUX-Kanal mit der Quelle, die daraufhin spezielle Testmuster überträgt. Die Quelle bewertet deren Übertragungsqualität und fordert die Signalquelle auf, Spannungshub, Amplitude genannt und Vorverzerrung, Pre-Emphasis genannt,
anzupassen.

Probleme mit dem AUX-Kanal

Im Vergleich zum früheren DDC bietet der AUX-Kanal eine höhere Komplexität. Dies beginnt mit der ersten Verhandlung der Link-Transportfähigkeiten und reicht bis hin zum Update der Firmware. Die typische Installation benötigt jedoch nur einen Bruchteil dieser Fähigkeiten. Im Unterschied zum Videokanal werden die meisten Parameter nur einmalig während des Link Trainings übertragen. Tritt im Videostrom ein intermittierender Fehler auf, können einige Pixel die Farbe ändern oder der Bildschirm kurzzeitig flackern, was im nächsten Frame überschrieben und vom Anwender kaum wahrgenommen wird.

Beeinflusst hingegen eine elektrische Störungen durch Einstrahlung (EMI) oder Entladung (ESD) die Kommunikation mit dem AUX-Kanal, kann dies zu einer permanent falschen Anzeige (Auflösung, Farben) oder sogar zu einem Bildverlust führen. Manche Fehler werden auf den ersten Blick gar nicht bemerkt, beispielsweise falsche Entzerrung oder Gamma-Einstellung, während andere die Anwendung wie bei gekachelten Multi-Screen-Installationen unbrauchbar machen.

Im industriellen und medizinischen Umfeld sind alle Komponenten bekannt und zertifiziert. Die Fähigkeiten von Senke und Link müssen nicht bei jedem Einschalten neu abgefragt werden. Warum dann ein Link-Training durchführen?

Ein genauerer Blick auf den Display-Port-Link

Je länger die Verbindung zwischen Bildquelle und Senke, desto anfälliger ist sie für elektrische Störungen aus der Umgebung. In einem Standard-Link (Abb. 2) werden Videodaten und AUX-Kanaldaten über ein Kupferkabel übertragen. Die Videoverbindung überträgt Daten von der Quelle zur Senke, während der AUX-Kanal bidirektional ist. Abb. 2 Mitte zeigt eine Langstreckenlösung, bei der Lichtwellenleiter für die Übertragung verwendet werden. Hier werden die elektrischen Signale auf der Quellenseite in optische und auf der Senkenseite wieder in elektrische Signale umgewandelt. Wie zuvor gibt es zwei getrennte Links für Videosignale und den AUX-Kanal. Dessen Signale sind deutlich langsamer, fließen aber in beide Richtungen. Daher gibt es an beiden Enden optische Sender und Empfänger. Abb. 2 unten nutzt den virtuellen AUX-Kanal. Unter den Voraussetzungen für professionelle Anwendungen - alle Teilnehmer sind klar definiert - ist es nicht notwendig, direkt mit der Signalsenke zu kommunizieren. Eine lokale Kopie aller relevanten Daten, die sich im TX-Modul befindet, reicht aus.

Virtueller AUX-Kanal im Detail

Die oben dargestellte optische Verbindung bietet die Vorteile der galvanischen Trennung - ideal für patientennahe medizinische Anwendungen und Industriemonitore, die abgesetzt vom Rechner in einer elektrisch verseuchten Umgebung arbeiten müssen. Da es keine AUX-Kommunikation über die Strecke hinweg gibt, wird nur der Sender (TX) von der Quelle abgefragt. Der Sender enthält eine lokale Kopie des EDID-EEPROMs und der DPCD-Register, und alle Anfragen der Quelle werden von ihm beantwortet. Bei der Einrichtung der lokalen Kopie können die Daten so modifiziert werden, dass sie verbesserte Parameter der Senke enthalten. Dies kann eine feste Anzahl von Lanes und eine Link-Rate sein, oder ein spezifischer Voltage Swing und eine Pre-Emphase, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten. Das Link-Training erfolgt in diesem Fall getrennt zwischen dem optischen Sender und der Quelle auf der einen Seite und der Senke und dem optischen RX auf der anderen Seite.

Wie bei jeder Emulation hat auch der virtuelle AUX-Kanal Limitierungen, da die Quelle nur mit der lokalen Kopie kommuniziert. Bei dem Austausch der Daten über den AUX-Kanal gibt es Einschränkungen bei HDCP. Zielanwendungen aus Industrie und Medizin übertragen jedoch keine verschlüsselten Inhalte. Die Steuerung von Geräten und der Austausch von Zusatz-Daten kann nicht ausgeführt werden, weil sie den bidirektionalen Kanal voraussetzen.

Die Adapter-Implementierung

Die Implementierung eines Glasfaser-Adapters (Abb. 1) entspricht dem DP 1.2 Standard und unterstützt alle Features mit Ausnahme des transparenten AUX-Kanals: 4k Auflösung (4096 x 2160), Bildfrequenz 60 Hz, keine Komprimierung. Er verlängert die DisplayPort-Verbindung auf bis zu 300 m mit einer Duplex-Faser. Die Emulation von EDID und DPCD ist im TX implementiert und kann von der Senke kopiert und mit dem EDID/DPCD-Editor manipuliert werden. Der Display-Port-Anschluss befindet sich auf der linken Seite. Er wird direkt an den DP-Eingang der Senke (RX, oben) oder den DP-Ausgang der Quelle (TX, unten) angeschlossen.

Nach der Verbindung des Moduls mit dem Steuer-PC ermöglicht der Editor im rechten unteren Teil des Bildschirms Lese-/Schreiboperationen von und zu den TX- und RX-Modulen. Der obere rechte Teil befasst sich mit der Speicherung der Daten der Senke, Abrufen der Daten von der Festplatte des PCs. Die Link-Einstellungen erlauben die Auswahl des Spannungshubs und der Pre-Emphasis. EDID- und DPCD-Einträge können direkt am Bildschirm geändert werden. Die Einstellungen werden in ihrem Kontext auf Korrektheit überprüft.

Fazit

DisplayPort hat sich als zuverlässige Schnittstelle in professionellen Anwendungen etabliert. Er bietet eine hohe Bandbreite und Flexibilität bei den Anzeigeformaten. Der AUX-Kanal ermöglicht die Kommunikation zwischen Quelle und Senke. Das Link-Training optimiert die elektrischen Eigenschaften des Übertragungskanals, indem es Spannungspegel und Entzerrung anpasst. Es kann unter bestimmten Umständen oder durch äußere Einflüsse fehlschlagen. Ist die Systemumgebung bekannt, können EDID und DPCD lokal emuliert werden.

Die relevanten Daten werden mit einer Applikationssoftware aus dem Monitor ausgelesen. Bevor eine Kopie in den Sender geschrieben wird, können diese per Software modifiziert werden. Der Aufwand für die Übertragung des AUX-Kanals zwischen Quelle und Senke entfällt. Ein auf Glasfaser basierendes Übertragungssystem kann nicht nur große Entfernungen überbrücken, sondern auch galvanisch isolieren.

Bildergalerie

  • Abbildung 2: Das Schaubild zeigt verschiedene Varianten des Display-Port-Kanals.

    Bild: Hy-Line Computer Components

  • Abb.2: Funktionen des AUX-Kanals.

    Bild: Hy-Line Computer Components

  • - Controller-Software für den virtuellen AUX-Kanal.

    Bild: Hy-Line Computer Components

  • Abbildung 1: Die Glasfaserstrecke mit virtuellem AUX-Kanal.

    Bild: Hy-Line Computer Components

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