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REPORTAGE: Inputlag Teil 3


Eine Verzögerung der Bildausgabe am TFT würde bei analoger Zuspielung eintreten, da das analog zugespielte Signal erst wieder digitalisiert werden müsste, bevor der Monitor damit die einzelnen Transistoren ansteuern kann.

Die ersten Probleme hierbei sind die korrekte Anzeige des digitalen Signals und das Ausmachen eines festen Bezugspunktes, welcher als zeitliche Referenz dient.

Das digitale Signal

Während in der Vergangenheit die digital vom Grafikchip generierten Bildsignale in analoge gewandelt und üblicherweise per D-Sub HD15 oder BNC vom PC zum Monitor übertragen wurden, war es nötig für die benötigten hohen Bandbreiten einer digitalen Datenübertragung bei zunehmend wachsenden Auflösungen einen neuen und zugleich kosteneffizienten Standard zu etablieren. Nur so konnten zusätzliche Qualitätsverluste, die bei einer erneuten Digitalisierung der Signale im Monitor aufgetreten wären, verhindert werden.

Die Digital Display Working Group, kurz DDWG, wurde 1998 von den Unternehmen Compaq, Fujitsu, HP, IBM, Intel, NEC und Silicon Image gegründet. Aufgabe der DDWG war es, den neuen Übertragungsstandard in eine verbindliche Spezifikation zu gießen, die alle relevanten Elemente für die Signalübertragung abdeckt. Beginnend mit der Wandlung auf der Grafikkarte bis zur Dekodierung im Monitor, was natürlich auch Stecker, Kabel, Protokolle und die elektrischen Eckdaten der Signale beinhaltet. Im April 1999 wurde diese Spezifikation für das Digital Visual Interface veröffentlicht und ist seither gültig und unter dem Kürzel DVI bekannt.

Um ein grundlegendes Verständnis zu schaffen, was überhaupt während der Messungen passiert, müssen zumindest einige dieser Elemente etwas näher vorgestellt werden.

T.M.D.S. und 8b/10b Codierung

Als Protokoll für die Datenübertragung wird das von Silicon Image entwickelte T.M.D.S verwendet. Die Abkürzung TMDS steht hierbei für Transition Minimized Differential Signaling, eine besondere Form der differentiellen Signalübertragung, die eine 8b/10b Codierung verwendet und besonders stabile Datentransfers über günstig zu realisierende Kabel erlauben soll.

Zunächst folgt nun eine kurze Erläuterung, was die 8b/10b Codierung ist und warum aus 8 Bit Nutzdaten 10 Bit generiert werden, was erst mal einen höheren Bandbreitenbedarf verursacht und somit kontraproduktiv zu sein scheint.

Für jeden einzelnen Bildpunkt werden von der Grafikkarte 24 Bit parallel ausgegeben, bestehend aus drei 8 Bit Blöcken, die die Farbinformationen für jede der drei Grundfarben tragen. Anschließend werden die parallelen 8-Bit-Blöcke serialisiert und dabei kontrolliert, wie viele Bitwechsel, englisch: Transitions, stattfinden. Jeder dieser hochfrequenten Bitwechsel von 0 zu 1 oder 1 zu 0 führt zu elektromagnetischen Abstrahlungen und somit zum Übersprechen zwischen einzelnen Leitungen, also der Induktion von Störsignalen, englisch kurz EMI. Die Zahl der Bitwechsel zu minimieren führt also zu verringerten Abstrahlungen und somit zu einer höheren Signalqualität, was höhere Bandbreiten und Kabellängen ermöglicht.

Abbildung 0: Generierung, Wandlung, Übermittlung und Rückwandlung der Bildsignale.

Als Beispiel sei eine 8-Bit-Farbinformation für Rot gewählt: 01010101. Es sind somit offensichtlich sieben Bitwechsel vorhanden. Der TMDS-Algorithmus transformiert nun jedes Bit mittels XOR oder XNOR, je nachdem, wodurch weniger Bitwechsel übrig bleiben. Aus "01010101" wird "00110011". Zusätzlich wird ein neuntes Bit angehängt, welches anzeigt, dass eine Transformation durchgeführt wurde. Dieses neunte Bit wird auch "encoding bit" genannt. Die zuvor genannte 8-Bit-Folge aus sieben Bitwechseln wird in die 9-Bit-Folge: 001100111 gewandelt und weist somit nur noch drei Bitwechsel auf.

Das zehnte Bit ist für die Eingrenzung eines weiteren Problems gedacht, das bei der Übermittlung von zu vielen gleichartigen Zuständen entsteht: Der Aufbau eines elektrischen Potentials. Um dies zu verhindern, werden in langen monotonen Bitfolgen, also wenn z.B. nur der Zustand "1" übermittelt werden würde, gelegentlich die ersten acht Bit des 10-Bit-Wortes invertiert, so dass das Potential im zeitlichen Mittel neutral ist.

Das zuvor Beschriebene ist an einem Beispiel leichter nachzuvollziehen:

Folgende Bitfolge soll übertragen werden (zur Vereinfachung ohne die Bits neun und zehn): 11111111111111111111111111

Die ursprünglichen 8 Bit eines zu übertragenden Bitwortes lauten somit: 11111111.

Die Anzahl der Bitwechsel beträgt 0, weswegen keine Minimierung benötigt wird. Das Encoding-Bit ist daher eine 0: 111111110.

Da bei dem zweiten Bitwort die Invertierung durchgeführt werden muss, ist das letzte Bit eine 1 und die ersten acht werden invertiert. Das 10 Bit breite Ergebnis für dieses ursprüngliche 8 Bit breite Wort lautet also: 0000000001 und somit die oben genannte Folge, zur Vereinfachung wieder ohne die Bits neun und zehn: 111111110000000011111111.

Aus diesem Verfahren ergeben sich 460 gültige 10-Bit-Kombinationen für die gebräuchliche 8-Bit-Farbdarstellung, da viele der 256 möglichen Abstufungen durch zwei gültige Werte repräsentiert werden können, andere jedoch nur durch einen.

Vertikale Synchronisation

Vier 10-Bit-Kombinationen werden verwendet, um eindeutige Markierungen für die horizontale Synchronisation, kurz H-Sync, beziehungsweise vertikale Synchronisation, kurz V-Sync, in das Signal einbetten zu können, so dass auch bei Verlust der Synchronisation oder einer Signalunterbrechungen eine erneute Synchronisation des TMDS-Signalencoders und somit auch der Bildaufbau wiederhergestellt werden kann.

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