Pressemitteilung. Von DVI bis DisplayPort: Welche Schnittstelle für welches Display?

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1 Von DVI bis DisplayPort: Welche Schnittstelle für welches Display? Bei Displays steht ein Generationswechsel an. Die Bildgröße HD wird abgelöst vom 4K- Format. Das stellt neue Anforderungen an die Dis-play-Schnittstelle. Aber nicht jede Anwendung braucht die hohe Auflösung. Ein Überblick über den Stand der Technik. Von Andreas Mühlbauer, freier Journalist Durch die großformatigen Flachbildanzeigen ist in den letzten Jahren ein riesiger Markt entstanden: Digital Signage. Hier geht es nur um die Ansteuerung von Displays und die Versorgung derselben mit Anzeigeinhalten. Rechenleistung, Echtzeitfähigkeit und Peripherieschnittstellen spielen wenn überhaupt eine untergeordnete Rolle. Während noch bis vor kurzem das Full-HD-Format mit Bildpunkten das Maß der Dinge war, drängen nun immer mehr 4K-Anzeigen auf den Markt. Genauer gesagt gibt es hier zwei Formate: Das eigentliche 4K mit Pixeln sowie das UHD-Format (Ultra High Definition) mit , dessen Bildgröße aus der Vervierfachung von Full-HD resultiert. Im Digital-Signage-Segment dürften sich diese Formate recht schnell verbreiten. Doch es gibt auch viele andere Anwendungsbereiche für Displays, wo eher ein günstiger Preis oder eine kompakte und robuste Ausführung zählt und wo althergebrachte Display-Schnittstellen völlig ausreichend sind. Auf der Ebene der Rechnersysteme stellt Intels Abkündigung der VGA-Schnittstelle nach 28 Jahren einen Einschnitt dar. In langlebigen Industrie-Projekten ist die VGA- Schnittstelle noch weit verbreitet. Hier müssen sich die Anwender nach Alternativen umsehen. Intel gibt hier den DisplayPort als Standard-Anschluss vor, der auf den Chipsätzen implementiert wird. In der ARM-Welt hat sich dieser Schnittstellentyp bisher noch nicht durchsetzen können, zumal hier meist auch kleinere Displays zum Einsatz kommen. Dementsprechend sind eher die LVDS- und die HDMI-Schnittstelle auf ARM- Systemen anzutreffen. DVI die digitale Wachablösung Nunmehr auch schon seit 15 Jahren sind die Schnittstellen des Typs Digital Visual Interface (DVI) am Markt. Um die Kompatibilität mit den zahlreichen noch in Gebrauch befindlichen Analog-Monitoren zu gewährleisten, werden in der Ausführung DVI-I (integrated) neben den digitalen auch analoge Signale übertragen. Mittels eines Adapters lässt sich somit ein VGA-Monitor anschließen. Der DVI-D-Anschluss überträgt ausschließlich die digitalen Daten, eine DVI-A-Verbindung ist nur für die analogen Daten ausgelegt und somit nichts anderes als ein Adapter für VGA-Signale.

2 DVI war eine der ersten weit verbreiteten digitalen Display-Schnittstellen. Neben den Ausführungen mit oder ohne analoge Signalübertragung unterscheidet man bei DVI-I und DVI-D Single-Link- und Dual-Link-Verbindungen. Single Link nutzt drei Adernpaare zur Datenübertragung und hat eine maximale Kapazität von 3,72 Gbit/s. Doppelte Datenübertragungsraten von 7,44 Gbit/s erzielt der Dual-Link-DVI, der hierzu sechs Adernpaare nutzt. Begrenzt durch die Geschwindigkeit eines Links von maximal 1,65 GHz sowie das physikalische Verhalten des Kabels beträgt die maximale Auflösung bei Single-Link Bildpunkte bei 60 Hz Bildwiederholfrequenz. Dual-Link-DVI eignet sich für Auflösungen bis zu , ebenfalls bei 60 Hz. Effekte im Kabel wie Dämpfung und Übersprechen begrenzen dessen mögliche Länge auf rund 10 Meter. Die Verbindungen (Links) gehorchen dem so genannten TMDS-Standard (Transiti-on- Minimized Differential Signaling). Dieser dient dazu, die elektromagnetischen Störungen auszuschalten, die bei hohen Taktraten auftreten und ermöglicht so die erwähnten Datenübertragungsraten. Neben den üblichen DVI-Anschlüssen gibt es auch die kompakteren Ausführungen Mini- und Micro-DVI, welche von Apple genutzt werden. Diese unterscheiden sich jedoch nur in Form, Größe und Mechanik. HDMI Domäne der Konsumelektronik Auf die DVI-Schnittstelle folgte im Jahr 2003 das HDMI-Interface (High Definition Multimedia Interface). Es ist technisch mit DVI verwandt und nutzt ebenfalls den TMDS- Standard, um hohe Datenraten zu erreichen. HDMI ist in der Lage, neben der Bild- auch Toninformation zu übertragen und findet sich hauptsächlich im Consumer-Bereich. Ab der Version HDMI 1.3 ermöglichte die Schnittstelle die Übertragung aller gebräuchlicher Video- und Audioformate wie HDTV und Dolby Digital Plus sowie höhere Farbtiefen bis zu 48 bit und einen erweiterten Farbraum nach dem Modell xvycc. Die maximale Auflösung ab HDMI 1.3 liegt aufgrund der Datenrate von 8,16 Gbit/s höher als HDTV ( ). Zustande kommt die hohe Datenrate durch die im Vergleich zu den vorangegangenen HDMI-Varianten deutlich erhöhte Link-Taktrate (Pixelfrequenz) von 340 MHz statt 165 MHz: 340 MHz 8 bit 3 = 8,16 Gbit. Damit lassen sich auch große Monitore mit Auflösungen von Pixeln ansteuern. Mit der heute gängigen, im Jahr 2013 eingeführten Spezifikation HDMI 2.0 erfolgte noch einmal ein deutlicher Technologie- und Geschwindigkeitssprung. Diese Schnittstelle ist mit einem Link-Takt von nun 600 MHz für Datenraten bis zu 14,4 Gbit/s spezifiziert. Damit lassen sich Ultra-HDTV-Signale mit den Auflösungen 4K ( bzw ) übertragen. Im Gegensatz zu DVI findet man bei HDMI mehrere Steckertypen unterschiedlicher Größe. Typ A, C (Mini-Stecker) und D (Micro-Stecker) übertragen Single- Link-TMDS, der Typ B arbeitet mit einer Dual-Link-TMDS-Verbindung und ermöglicht daher doppelte Datenraten.

3 Offen für die Zukunft: der DisplayPort Als die Grafik-Schnittstelle mit hohem Potenzial für die Zukunft sieht Data Modul in erster Linie den DisplayPort und integriert diesen seit 2011 in Serie. Grund für die Präferenz des DisplayPort sind die Entsprechung der VESA-Norm sowie die hohen Datenübertragungsraten und der sehr kompakte Aufbau der Hardware. Bis zu Pixel werden wie eingangs erwähnt heute an Auflösung verlangt bei Bildwiederholfrequenzen von bis zu 120 Hz und Farbtiefen von 48 bit. Dazu muss die Schnittstelle mindestens die Datenübertragungsraten von HDMI 2.0 beherrschen. Diese Auflösungen sind nicht nur im Consumer-Bereich oder im Digital Signage gefragt, sondern auch in Wissenschaft und Medizin. Für industrielle Panels ist die DisplayPort-Schnittstelle von 2006 aus mehreren Gründen interessant. Zum einen ist da die hohe Bandbreite bzw. Datenübertragungsrate von bis zu 25,92 Gbit/s der DisplayPort-Version 1.3, was für Auflösungen bis zu bei 60 Hz und 8 bit Farbtiefe ausreicht. Möglich wird dies über bis zu vier Leitungen (Links) mit einer Baudrate von je 810 MHz. 4K-Anzeigen sind schon mit der Version 1.2 möglich. 8K-Displays lassen sich mit DisplayPort 1.3 ebenfalls ansteuern, hierzu ist jedoch wie bei HDMI 2.0 eine Kompression der Farbdaten notwendig. Neben den Daten-Links nutzt Display Port einen Zusatzkanal (Aux-Channel), der bidirektionale Datenübertragungen ermöglicht. Über diesen kann beispielsweise die Kommunikation mit einem Touchscreen oder einer USB-Verbindung erfolgen. Übliche Leitungslängen werden für DisplayPort mit bis zu 15 Meter angegeben. Für eine sichere Übertragung mit voller Bandbreite ist es jedoch sinnvoll, diese auf 3 Meter zu beschränken. Die Steckverbinder und Buchsen sind deutlich kleiner als etwa bei DVI, was den Einbauraum in Einplatinenrechnern reduziert. Für kompakte Geräte ist es nützlich, dass man ein Panel über DisplayPort direkt ansteuern kann. Dies ist auch bei dem in der Industrie sehr gebräuchlichen, aber nicht standardisierte LVDS der Fall jedoch mit geringeren Datenraten als es beim DisplayPort. Die Hersteller können durch die direkte Ansteuerung häufig auf Controller oder Skalierungsschaltungen verzichten und somit die Panels dünner und günstiger gestalten. Anders als HDMI ist DisplayPort zudem lizenzfrei, und die Anschlüsse sind verriegelbar. Data Modul sieht im DisplayPort die umfangreichsten Entwicklungsmöglichkeiten. Und was ist mit LVDS? Industrielle Displays werden häufig über interne Verbindungen angesteuert. Hierfür hat sich das LVDS-Verfahren (Low-voltage differential signaling) etabliert. LVDS ist eine seit den 1990er Jahren gängige physikalische Ebene für digitale Grafikdaten, die sich durch einen geringen Leistungsverbrauch und hohe Störsicherheit auszeichnet. Die Schnittstelle arbeitet mit niedrigeren Spannungen als den üblichen Logikpegeln. Diese werden erst am Leitungsende durch Differenzverstärker hergestellt. Die mögliche Kabellänge für LVDS ist allerdings sehr eingeschränkt, wenn gängige EMV-Normen

4 eigehalten werden sollen. Je höher die Auflösung des TFTs und je Länger die Kabel, desto größer das Risiko, bei einer EMV-Messung nicht mehr zu bestehen. Schon bei Kabellängen ab 50 cm kann es so zu Problemen kommen. Da es sich lediglich um eine physikalische Spezifikation hat, braucht LVDS im Gegensatz zu HDMI oder DVI keine Controller- oder Skalierungs-Hardware. Jedoch muss das vom Display vorgegebene Datenformat eingehalten werden. Ebenso wie für VGA haben Intel und AMD LVDS abgekündigt. Doch in der Industrie wird es sicherlich noch einige Zeit dauern, bis LVDS endgültig abgelöst wird. Grund dafür sind die verhältnismäßig einfache Handhabung sowie die weite Verbreitung in vielen Hardware-Layouts und die Integration der Schnittstelle in bestehende FPGAs. Als Nachfolgetechnik für LVDS könnte sich V-by-One HS herauskristallisieren. Diese von der japanischen Firma THine entwickelte Technik erzielt durch SerDes (serialization/deserialization) und Taktrückgewinnung mittels CDR (Clock Data Recovery) höhere Übertragungsraten als LVDS. Energie sparen mit embedded DisplayPort Ein weiterer Nachfolger für LVDS könnte der embedded DisplayPort (edp) sein. edp ist eine standardisierte interne Verbindung, mit der moderne Notebook-Panels wie bei LVDS direkt an den Chipsatz angeschlossen werden. Er leitet sich direkt von Display-Port- Standard ab, bietet allerdings einige neue Features. Ursprünglich für Mobilgeräte konzipiert, findet edp auch für Industrie-Displays mittlerer Größe Anwendung, da diese häufig von Notebook-Displays abgeleitet sind. edp ermöglicht den energiesparenden Betrieb, indem er die variable Bildfrequenz des Displays nutzt: Das so genannte Panel Self Refresh (PSR) ermöglicht es dem Grafikprozessor, zwischen den Bildaufbauzyklen bzw. bei sich nicht verändernder Bilddarstellung in den Energiesparmodus zu wechseln. Auch ermöglicht edp ab Version 1.4 von 2012 den selektiven, also teilweisen Neuaufbau des Bildes, wenn sich dessen Inhalt nur in einigen Regionen verändert. Eine von 400 auf 200 mv reduzierte Interface-Spannung trägt zu niedrigerem Energieverbrauch bei. Eine weitere besondere Eigenschaft ist die Regional Backlight Control. Das bedeutet, über edp kann der Grafikprozessor je nach Bildinhalt die Hinterleuchtung von bis zu 15 Regionen des Displays individuell anpassen und somit den Energieverbrauch noch weiter senken. Ebenfalls seit Version 1.4 ermöglicht edp eine Bilddatenkompression, wodurch höhere Wiederholraten oder Bildauflösungen möglich sind. Durch die höheren Datenraten kommt die Schnittstelle mit weniger Leitungen aus als LVDS und ist daher auch weniger anfällig gegen EMV-Einflüsse. Die Bilddatenraten sind im Wesentlichen die von DisplayPort, jedoch lassen sich die Datenraten flexibel anpassen. edp un-terstützt die Kommunikation mit Multitouch-Panels über den Aux-Kanal und eignet sich daher perfekt für moderne HMI-Anwendungen.

5 8K-Displays im Anmarsch Wie erwähnt, lassen sich die Schnittstellen auch danach unterteilen, ob sie direkt mit dem Display kommunizieren oder zwischen Mainboard und Display vermitteln, also weitere Controller-Hardware benötigen. Zu ersteren zählen LVDS, edp und und V-by-One. VGA, DiplayPort und die TMDS-Schnittstellen DVI und HDMI zählen zur zweiten Gruppe. Ebenfalls zu letzterer gehört die MHL-Schnittstelle (Mobile High Definition Link) ein HDMI-Interface für mobile Geräte, das über die Mini-USB-Schnittstelle kommuniziert. Ob die Tendenz zu immer höheren Auflösungen und Datenraten sich so fortsetzt wie in den vergangenen Jahren, sei dahin gestellt. Doch wurden auf der CES bereits einige 8K- Displays mit Pixeln vorgestellt. Unter anderem der E-Signage-Markt dürfte diese schnell annehmen. Das Potenzial, große Datenmengen bidirektional über die Grafik-Schnittstelle zu übertragen, gewinnt auch durch die Verbreitung von Touchscreens und möglicher weiterer HMIs an Bedeutung. Somit ist es unwahrscheinlich, dass DisplayPort das Ende der Fahnenstange darstellt. Die technischen Neuerungen bei Grafik-Interfaces werden auch in Zukunft nicht ausbleiben. Auflösung Datenrate max. Kabellänge VGA typ und , max. je nach Kabel und Hardware bis analog 5 m (bedingt bis 30 m) LVDS ,923 Gbit/s 10 m DVI (3 Leitungen/60 Hz, 24 Bit) (6 Leitungen/60 Hz, 24 Bit) HDMI max ohne Kompression DisplayPort max (DP 1.3, 4 Leitungen/60 Hz, 24 Bit) 3,72 Gbit/s (3 Leitungen) 7,44 Gbit/s (6 Leitungen) bis 14,4 Gbit/s (HDMI 2.0) max. 25,92 Gbit/s (DP 1.3, 4 Leitungen) 10 m 15 m, 100 m mit LWL bis 15 m, 3 m bei voller Bandbreite

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