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Von DVI bis DisplayPort:
Welche Schnittstelle für welches Display?
Bei Displays steht ein Generationswechsel an. Die Bildgröße HD wird abgelöst vom 4KFormat. 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 1920 × 1080 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 4096 × 2304 Pixeln sowie das UHD-Format (Ultra
High Definition) mit 3840 × 2160, 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 VGASchnittstelle 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 ARMSystemen 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.
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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 1920 × 1200 Bildpunkte bei 60 Hz Bildwiederholfrequenz. Dual-Link-DVI
eignet sich für Auflösungen bis zu 2560 × 1600, 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-onMinimized 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 TMDSStandard, 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 (1920 × 1080).
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 2560 × 1440 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 (3840 × 2160 bzw. 4096 ×
2304) übertragen. Im Gegensatz zu DVI findet man bei HDMI mehrere Steckertypen
unterschiedlicher Größe. Typ A, C (Mini-Stecker) und D (Micro-Stecker) übertragen SingleLink-TMDS, der Typ B arbeitet mit einer Dual-Link-TMDS-Verbindung und ermöglicht
daher doppelte Datenraten.
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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 4096 × 2304 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 5120 × 2880 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
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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-PortStandard 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.
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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 8KDisplays mit 7680 × 4320 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. 640 × 480 und 800 × 600,
max. je nach Kabel und Hardware
bis 1920 × 1080
analog
5 m (bedingt bis 30 m)
LVDS
2048 × 1536
1,923 Gbit/s
10 m
DVI
1920 × 1200
(3 Leitungen/60 Hz, 24 Bit)
2560 × 1600
(6 Leitungen/60 Hz, 24 Bit)
3,72 Gbit/s (3 Leitungen)
10 m
HDMI
max. 2560 × 1440
ohne Kompression
bis 14,4 Gbit/s (HDMI 2.0)
15 m, 100 m mit LWL
DisplayPort
max. 5120 × 2880 (DP 1.3, 4
Leitungen/60 Hz, 24 Bit)
max. 25,92 Gbit/s
(DP 1.3, 4 Leitungen)
bis 15 m, 3 m bei voller
Bandbreite
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