Untersuchung des Testverfahrens einer Input-Lag-Messung
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Pinbelegung des analogen DVI-I Steckers (DVI-A)

Da die meisten verkauften modernen Grafikkarten inzwischen nur noch DVI-I Anschlüsse mitbringen, werden wir die verwendeten Pins der Messung, sowie die relevanten Pins für die Bilddarstellung kurz nennen und deren Position in der folgenden Grafik darstellen.

Der DVI-I (dual-link) Anschluss bietet 24+5 Kontakte, die sowohl für die digitale als auch analoge Bildübertragung genutzt werden und ist in den DVI-Spezifikationen genauestens definiert, mechanisch als auch elektrisch. Werden die Pins für die digitale Übertragung ausgelassen, so handelt es sich um einen DVI-A-Stecker. Pin 8 ist für diesen Test der wichtigste, da er das V-Sync-Signal im analogen Betrieb übermittelt. Der breite Kontakt C5 ist eine Masseleitung, während die vier umliegenden Pins C1 bis C4 für die drei Grundfarben und die horizontale Synchronisation, also Zeilensynchronisation, verantwortlich sind.

Wir haben Pin 8 (V-Sync), C1 (Rot) und C5 (Masse) auf eine TriMode Messspitze aufgelegt, so dass sowohl V-Sync als auch die Bilddaten für Rot einzeln, oder auch überlagert dargestellt werden konnten.

Schematische Darstellung DVI-I 24+5 Anschluss mit eingezeichnet relevanten Pins für die Messungen
Eingezeichnet sind die relevanten Pins für die Messungen

Nicht eingezeichnet sind die Kontakte, die für Plug&Play und DDC/CI verwendet werden, da sie für diesen Test nicht weiter relevant sind.

Da die analogen Signale die geringsten Bandbreiten beanspruchen, wurde hier aus den umfangreich bestückten Sortimentkästen der Tastspitzen eine „TriMode Micro Coax Tip“ mit einer Bandbreite von 4 GHz gewählt. Diese bietet mehr als genug Bandbreite und ist durch die vormontierten kleinen Widerstände leicht am Stecker anzulöten. In Kombination mit einem Tastkopf des Typs Tektronix P7506 ergibt dies einen ebenso einfachen wie auch funktionalen Aufbau.

Bei den ersten Versuchen ist schnell klar geworden, dass die feinen anzulötenden Drähte der Tastspitzen mit einer Dicke von 0,2 mm oder 0,1 mm für eine stationäre Verwendung auf einer Platine gedacht sind und selbst bei äußerst behutsamer Handhabung an einem Stecker, der gelegentlich umgesteckt werden muss, schnell brechen. Um zumindest eine gewisse Haltbarkeit des Aufbaus zu gewährleisten, musste die Messspitze gestützt und in Schrumpfschlauch eingeschweißt werden.

Der selbstgebaute DVI-A Stecker mit geöffnetem Gehäuse
Der selbstgebaute DVI-A Stecker mit geöffnetem Gehäuse

Die somit abgegriffenen Signale sind problemlos auf dem Oszilloskop darstellbar.

Darstellung der V-Sync Signale

Eine alternative Möglichkeit der Signalzuspielung besteht, wenn man ein sogenanntes BNC-Kabel verwendet. Bei dieser Variante sind bereits die Signale R, G, B, H-Sync und V-Sync als einzelne Kabel ozilloskopfreundlich mit BNC-Anschluss versehen.

Im direkten Vergleich bei einer Auflösung von 1.280 x 1.024 Bildpunkten und 60 Hz sieht das an einer GeForce 4 4200Ti dann wie im folgenden Screenshot aus. Der Bildausschnitt stellt den fünfzigsten Bruchteil einer Sekunde dar.

Messung und Vergleich von V-Sync über BNC gegen V-Sync über unseren modifizierten Stecker
V-Sync über BNC gegen V-Sync über unseren modifizierten Stecker

In diesem Bild ist nun auch zu erkennen, dass die angezeigten Signale über die Zeitspanne von 153 Messungen ermittelt wurden. Die relativen Positionen waren stets konstant, also im Wesentlichen synchron. Wie man erkennen kann, sind die gemessenen Frequenzen mit (60,021±0,002) Hz identisch und sehr konstant.

Die Signale sind, was man bei dieser Auflösung nicht erkennen kann, jedoch nicht absolut gleichzeitig. Bei genauerer Betrachtung, der einzelnen Signale wird dies deutlicher. „Genauer“ heißt hier bereits, dass der zweite der folgenden beiden Screenshots den hunderttausendsten Bruchteil einer einzelnen Sekunde darstellt.

Die Verschiebung beträgt dabei jedoch nur unwesentliche (491,6±0,3) ns und blieb bei den hier durchgeführten 1.838 Messungen ausgesprochen stabil.

Messung: Während bei einer Skalenteilung von 10 µs eine Verschiebung der Pulse nur zu erahnen ist
Während bei einer Skalenteilung von 10 µs eine Verschiebung der Pulse nur zu erahnen ist
Messung: Bei 100 ns pro Skalenteil der zeitliche Versatz sehr deutlich
Bei 100 ns pro Skalenteil der zeitliche Versatz sehr deutlich

Das verschliffene Signal in der orangefarbenen Kurve ist dabei das von dem selbst modifizierten DVI-A Stecker, welcher über einen Y-Adapter parallel zu einem Monitor angeschlossen wurde. In der Signalkette befanden sich also diverse Übergänge unbekannter Güte. Dies hat keine Auswirkung auf die gemessenen Zeiten, jedoch offensichtlich auf die Signalqualität. Es ist in den Spezifikationen auch nicht vorgesehen über Y-Adapter Videosignale bei gleichbleibender Qualität aufzuspalten.

Aus dieser annähernd perfekten Synchronisation der Signale darf man keine voreiligen Schlüsse ziehen, denn hier wurden nur die analogen V-Sync Signale miteinander verglichen.

Die einzig vorhandene Latenz bei dieser Messung ist die Signallaufzeit in den Kabeln. Da sich elektrische Signale annähernd mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ergibt sich für eine Kabellänge von 1 m eine ungefähre Signallaufzeit von 3*10^(-9) s, also 3 ns, was sechs Größenordnungen unterhalb der relevanten Größenordnung liegt und somit unerheblich ist. Zudem sind die Differenzen der Kabellängen mit 1 m bereits sehr großzügig nach oben abgeschätzt. Zur Erinnerung sei gesagt, dass es um Input Lag Zeiten im Millisekundenbereich geht.

Zum direkten Vergleich:
1 ms = 1.000.000 ns oder auch andersherum betrachtet 1 ns = 0,000001 ms.

Wenn hier also die Messungen selbst im Bereich von rund 500 Nanosekunden liegen, die Fehler dieser Messungen inklusive der Kabellängen bei maximal 3 ns, so ist dies um einen Faktor 2000 zu niedrig um relevante Einflüsse im Millisekundenbereich zu haben.

Die Zeitspanne bis zum ersten Pixel

Das vertikale Synchronisationssignal ist jedoch nicht identisch mit dem tatsächlichen Bildanfang. Jedes dargestellte Bild wird von einem unsichtbaren Rahmen umgeben, der dem Monitor die Zeit gibt den Elektronenstrahl neu zu positionieren.

Der Randbereich, in Grau symbolisiert, ist weder nutzbar noch sichtbar für den Benutzer. Der Bereich in Schwarz, der sogenannte Blanking-Bereich oder auch die Austastlücke, wird dafür genutzt, um die Elektronenkanone am Ende einer Zeile abzuschalten und auf die nächste Position, also den Anfang der nächsten Zeile, auszurichten.

Nach der letzten Zeile wird ebenso die Zeit der Austastlücke für eine Neupositionierung von der rechten unteren Ecke zur linken oberen Ecke genutzt. In diesen Bereichen, die nicht zur Bilddarstellung genutzt werden, sind die Synchronisationssignale eingebettet.

Schematische Darstellung des sichtbaren Bildschirmbereiches, eingefasst von den nicht sichtbaren aber dennoch übertragenen Bereichen
Schematische Darstellung des sichtbaren Bildschirmbereiches, eingefasst von den nicht sichtbaren aber dennoch übertragenen Bereichen

Zwischen dem Impuls zur Synchronisation und den tatsächlichen Bilddaten liegt dabei eine zeitliche Differenz, die wir bei dieser Untersuchung nicht unter den Tisch fallen lassen können.

Messung: V-Sync Signal und analoge Bilddaten überlagert
V-Sync Signal und analoge Bilddaten überlagert

Hier, am Beispiel der Auflösung 1.600 x 1.080 bei 60 Hz, ist zu erkennen, wie das V-Sync-Signal vor einem Großteil der Austastlücke gesendet wird und erst 510 µs später das Bild anfängt. Der Fehler dieser Messung ergibt sich aus der Standardabweichung von 122 Picosekunden über 572 aufgenommene Messwerte und ist derartig gering, dass der Messwert von 510 µs als Exakt angesehen werden kann.

Die Messung des Input Lags bei einem CRT

Die Zeitliche Differenz von ca. 510 µs, also einer halben Millisekunde, ist nicht nur bereits in einer Größenordnung, die berücksichtigt werden muss, wenn verschiedene Videosignale anhand der vertikalen Synchronisation in Bezug gesetzt werden sollen, sondern auch ausgesprochen wichtig für die erste tatsächliche Messung des Input Lags eines CRTs. Getriggert wird auf den V-Sync Impuls und ebenso an dieser Stelle die Messung gestartet. Gestoppt wird an dem Zeitpunkt, wenn der Fotodetektor den ersten Lichtpuls aufnimmt.

Messung: V-Sync des analogen Signals gegen das Signal des Fotodetektors
V-Sync des analogen Signals gegen das Signal des Fotodetektors

Wie man an den Werten erkennen kann, ist die Genauigkeit beachtlich. Zwischen dem V-Sync Impuls und der ersten wahrgenommenen Helligkeitsveränderung an der oberen linken Ecke des Monitors vergehen (510,67±0,04) µs.

Im direkten Vergleich zur vorherigen Messung von 510 µs zum Anfang des tatsächlichen Bildsignals, die von den 510,67 µs abgezogen werden müssen, erkennen wir also, dass der erste Pixel des CRTs mit einer Verzögerung von irrelevanten 670 ns erstrahlt. Diese Verzögerung setzt sich nun auch noch aus der Verzögerung des Fotoempfängers und der Verzögerung, die durch die Trägheit des Phosphors entsteht, zusammen.

Ergebnis der Bestimmung des Input Lags eines CRTs

Das Ergebnis der ersten Messung ist absolut eindeutig: Der verwendete CTX EX1200 21 Zoll CRT Monitor kann tatsächlich als frei von jeglichem relevanten Input Lag gewertet werden. Durch die durchgeführte Messung wurde es bewiesen und nicht mehr nur behauptet, wie es bisher der Fall war.

Dies ist aus dem einfachen Grunde entscheidend, da nur so ein Vergleich zu diesem Monitor überhaupt sinnvoll durchgeführt werden kann. Wäre, aus welchem Grund auch immer, vielleicht sogar eine Signalwandlung, digitale Bildaufbereitung und erneute Signalwandlung in diesem Monitor vorgenommen worden, so wäre er selbst höchstwahrscheinlich mit einem messbaren Input Lag geschlagen und für jegliche Vergleiche nur bedingt einsetzbar.

Die Frage, warum zuvor eine negative Input Lag Zeit im Vergleich zu einem TFT gemessen werden konnte, rückt nun durch dieses Ergebnis in den Vordergrund. Der CRT ist nicht ausschlaggebend für diesen Effekt, wie gerade bewiesen wurde, somit muss eine andere Begründung gefunden werden.

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