DVI und HDMI: Eine Zusammenfassung

—Von Steve Somers, Vice President of Engineering

DVI bzw. Digital Visual Interface wurde für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Sinne des Plug-and-Play-Konzepts entwickelt. DVI unterstützt nur die Schnittstelle für Computervideo-Grafiken, aber keine Audioschnittstelle und keinen Kopierschutz oder andere Funktionen. Während der DVI-Chipsatz sich weiterentwickelt hat und Audio und Sicherheitsmaßnahmen unterstützt, eignet sich der Schnittstellenanschluss wegen seiner Größe nicht für Systeminstallationen und Endverbraucher.

DVI zu dvi?

Ferne Verheißung

Haben Sie gehört, dass HDMI eine größere Kabeldistanz als DVI verspricht? Interessanterweise enthalten sowohl die DVI‑ als auch die HDMI-Spezifikation dieselben elektrischen Leistungsanforderungen zwischen Quelle und Zielgerät bzw. Empfänger. Wie kommt es also, dass HDMI-Verbindungen mit Distanzen von bis zu 23 m beworben werden im Gegensatz zu den nominellen 5 m für DVI? Dies liegt daran, dass die Branche gelernt hat, bessere Kabel für diese Schnittstellentechnologie herzustellen. Bessere Methoden zur Herstellung geschirmter Twisted Pair-Präzisions-Kabel und die Nachfrage in der Konsumelektronik werden zu längeren, preiswerten HDMI-Kabeln führen.

Wegen spezieller Zeittoleranzen, die für die DVI/HDMI-Spezifikationen eingehalten werden müssen, werden Kabelstrecken zum kritischen Faktor. Neben den Anforderungen an Sender und Empfänger, die direkt miteinander kompatibel sein sollten, ist das Kabel die größte Variable für die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems. Bei den für DVI und HDMI verwendeten Twisted Pair-Kabeln gibt es zwei Arten von Laufzeitdifferenz. Ab einem gewissen Ausmaß sorgen diese für Taktfehler und verursachen Datenausfälle. Folgende Laufzeitdifferenzen können auftreten: Differenzen innerhalb eines Aderpaares oder Differenzen zwischen den Aderpaaren eines Kabels.

Abb. 3 zeigt das Skew-Budget für alle Komponenten eines Systems, welches 1080p TMDS-Video transportiert, einschließlich des Kabels. Beachten Sie, dass die insgesamt zulässige Laufzeitdifferenz im Kabelpaar nur 0,8 einer Bitzelle oder ca. 4,8 Pikosekunden beträgt. Die Laufzeitdifferenz zwischen den Kabelpaaren darf nicht mehr als 1,2 mal so lang sein wie ein Pixel benötigt bzw. ungefähr 7,2 Nanosekunden. Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Fernübersprechen (FEXT). Dieses ist bei STP normalerweise sehr gering, aber am Endpunkt des Empfängers ist besondere Sorgfalt geboten. Für einen zuverlässigen Betrieb muss mindestens ein Spielraum von 5-6 dB zwischen Kabelverlust und FEXT gewährleistet sein.

Mit diesen Einschränkungen sollte es deutlich sein, dass der Kabelaufbau für DVI und HDMI von entscheidender Bedeutung ist. Die übliche Laufzeitdifferenz zwischen Kabelpaaren bei Kabeln der Kategorie 5 ist häufig größer als 7,2 Nanosekunden, aber in diesem Kabel dient die Laufzeitdifferenz dazu, Übersprechen zu minimieren. Es ist die Aufgabe des Datenempfängers, die Laufzeitdifferenz innerhalb von Netzwerken auszugleichen. Aber wie sieht es mit größeren Strecken aus? Wir brauchen zweifellos eine noch bessere Lösung als HDMI. Lesen Sie weiter.

Bekämpfen Sie Ängste anstatt Piraten

HDCP steht für High-Bandwidth Digital Content Protection, welches ein weiteres Teilsystem von HDMI darstellt. HDCP wurde 2000 veröffentlicht und direkt in DVI gemappt. Es gewährleistet Datensicherheit für die Schnittstelle und räumt die Ängste der Anbieter digitaler Inhalte vor Produktpiraterie hoffentlich aus. Das HDCP-Protokoll wird teilweise über eine bidirektionale Kommunikationsverbindung innerhalb der I2C-Schnittstelle implementiert. Diese wird vom Display Data Channel (DDC) und den High-Speed TMDS-Verbindungen zur Übertragung von Bildinformationen genutzt. Über die DDC-Verbindung des DVI kommuniziert das Grafiksystem der Quelle mit dem Display-Gerät, um dessen Auflösungen zu ermitteln.

HDCP ist stabil und konkurriert mit dem komplexen TCP/IP SSL (Secure Socket Layer), welches für die Internetsicherheit verwendet wird. Ein autorisiertes HDMI-Gerät besitzt geheime Schlüsselwerte und einen speziellen Identifikator, den Key Selection Vector (KSV). Diese Werte oder Codes werden von Digital Content Protection, LLC bereitgestellt. Sie wurden als dritte Instanz damit beauftragt, Hersteller HDMI-lizenzierter Produkte mit vertrauenswürdigen Schlüsseln zu versorgen. Jedes Mal, wenn ein HDMI-Gerät an ein System angeschlossen wird, erfolgt automatisch eine dreiteilige Authentifizierungsroutine. Zuerst werden gemeinsame Werte oder Codes zwischen den Geräten ausgetauscht, dann wird der KSV jedes Empfängers an die Quelle weitergegeben. Danach werden Bild-für-Bild-Verschlüsselungen zur Dekodierung der Daten an die Empfänger gesendet.

HDCP unterstützt die Verbindung von Geräten über eine Abfolge von Quellen, Zielgeräten oder Empfängern und Repeatern (siehe Abb. 4). Alle Geräte in einem HDCP-System kommunizieren über ein Protokoll. Dieses sorgt dafür, dass digitale Inhalte nur an die Geräte gesendet werden, die laut der Quelle autorisiert sind, solche Inhalte zu erhalten. Die Hierarchie unterstützt nur eine begrenzte Anzahl von Repeatern und Geräten insgesamt. Repeater leiten HDCP-Protokolle nur in beide Richtungen zwischen Quellen und Empfängern weiter, ohne die Daten zu bearbeiten. Allerdings muss die Quelle einen Repeater authentifizieren, um zu gewährleisten, dass er zur Verarbeitung sicherer Inhalte autorisiert ist.

Behalten Sie die Kontrolle

Durch die CTA 861-G wurden die Grenzen optionaler Steuerungsfunktionen, die in HDMI integriert sind, für Verbraucher und auch uns AV-Systemtechniker ganz neu definiert. Die integrierte Consumer Electronics Control (CEC) bietet aktuell vierzehn Funktionen zur Plug-and-Play-Steuerung für Endverbraucherprodukte. Die CEC-Funktion in HDMI wird durch eine separate Kabelverbindung gewährleistet und enthält ein eigenes Protokoll und eine eigene Quality of Service (QOS).

In einer Installation, in der alle Geräte HDMI verwenden, kann mit dem Verfahren der Reihenschaltung ein Blu-ray-Player über einen AV-Tuner/-Empfänger an einen Fernseher angeschlossen werden. Dann kann der Endanwender sämtliche nachgeschalteten Geräte über den Blu-ray-Player einschalten, zum richtigen Eingang wechseln und den Film einfach über PLAY-Funktion des Blu-ray Players starten. Das Prinzip von CEC ist einfach, aber der Aufwand, alle Funktionen in HDMI zu integrieren, ist beträchtlich, auch wenn die Umsetzung von CEC optional ist. Dieses Konzept erfordert Interoperabilitätstest in irgendeiner Form.

Kann hier von Kompatibilität die Rede sein?

Hersteller, die HDMI verwenden, sind an eine Übereinkunft gebunden. Bevor ein Produkt mit dem HDMI-Logo versehen werden darf, müssen bestimmte Kompatibilitätstests absolviert werden.

Das Authorized Testing Center (ATC) ist eine unabhängige Organisation, welche die ersten Konformitätstests für Produkte innerhalb ihrer jeweiligen Kategorie durchführt. Im Rahmen der HDMI-Spezifikationen wird ein Produkt in eine dieser Kategorien eingeordnet: Zielgerät, Quelle, Repeater oder Kabel. Sobald ein Produkt von der ATC getestet wurde, können alle Nachfolgeprodukte derselben Kategorie vom Hersteller selbst getestet und zertifiziert werden. Die Interoperabilität Innerhalb der HDMI-Spezifikationen muss gewährleistet sein.

Ein Leben jenseits von 23 Metern

Ja, es gibt für Systemdesigner ein Leben nach 23 Metern. Es gibt viele HDMI/DVI-Extender, die die Lauflänge praktisch verdoppeln oder vervierfachen. Man hat eine ganze Reihe neuer Verlängerungskomponenten entwickelt, um billige und leicht zu terminierende CATx-Kabel nutzen zu können. Inzwischen sind sogar für 4K-Video Kabelstrecken bis zu 100 m für DVI- und HDMI-Verbindungen möglich. In Anwendungen, die keine CATx-Kabel mit einer Distanz von 70 m oder 100 m erfordern oder wenn die Installation neuer Kabel nicht praktikabel ist, können HDMI-Kabel-Equalizer am Ende einer Kabelstrecke installiert werden, um die Signalintegrität wieder herzustellen.

Wenn sehr große Strecken benötigt werden, gibt es mehrere relativ preiswerte Glasfaser-Lösungen für Entfernungen bis ungefähr 90 m. Mit Singlemode-Glasfaser sind bis zu 30 Kilometer möglich. Einige dieser auf Laserdioden basierenden Schnittstellen bleiben im Niedrigpreissegment durch eine feste Verbindung der Glasfaser mit der Steckereinheit der Schnittstelle. Diese Lösungen sind nicht sehr installationsfreundlich bei Strecken, die Kabelkanäle erfordern. In Anwendungen, in denen das Glasfaserkabel ungeschützt verlaufen kann, können sie funktionieren. Etwas teurere Lösungen verwenden den normalen LC-Glasfaseranschluss für einfache und zuverlässige Verbindungen und Installationen in Kabeltrassen und ‑kanälen mit dem Glasfaserkabel Ihrer Wahl.

HDMI vs. DVI – oder vielleicht beides?

DVI hat TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) eingeführt, aber der DVI-Standard selber wurde nie aktualisiert. HDMI hingegen erweitert das TMDS-Format. Es ist ein aktiv gepflegter Standard, der mit jeder neuen Überarbeitung weitere Funktionen erhält und die AV-Technik durch den Support von höheren Auflösungen, Mehrkanal-Audio und Qualitätssteigerungen wie HDR weiterentwickelt. Sie finden DVI nicht mehr an vielen neuen Displays, aber der physikalische DVI-Anschluss hat den Vorteil, dass er mechanisch sicher ist. Der normale HDMI-Anschluss hingegen hat keinen Verriegelungsmechanismus. Diejenigen unter Ihnen, die den erweiterten Funktionsumfang von HDMI benötigen, aber die stabilere DVI-Verbindung bevorzugen, werden sich darüber freuen, dass Extron-Produkte mit DVI-Anschlüssen auch HDMI-Funktionen unterstützen. Da das zugrundeliegende digitale Übertragungsverfahren für DVI und HDMI dasselbe ist, gibt es preiswerte Adapter, die zwischen den beiden Formaten konvertieren.

Für weitere Informationen

HDMI Organization – Spezifikationen downloaden: www.hdmi.org

DVI-Spezifikationen – Download: en.wikipedia.org/wiki/Digital_Visual_Interface

TMDS-Information: www.siimage.com

Video Electronic Standards Association: www.vesa.org