Untersuchung des Testverfahrens einer Input-Lag-Messung
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Vergleich von analogen und digitalen Bildsignalen

Wie bereits in Screenshots zuvor belegt, ist die aktuelle Position des Bildaufbaus auf den Fotos für die Foto-Methode bei beiden Monitoren häufig unterschiedlich. Allein für diesen Testbericht wurden rund 700 dieser Aufnahmen ausgewertet, einige weitere hundert für die zuvor beispielhaft genannten Monitore und deren Input Lag Werte. Es ist also keine Seltenheit, sondern eher die Regel.

Schematische Darstellung des Testaufbaus des Vergleiches analoger und digitaler Bildsignale
Schematische Darstellung des Testaufbaus des Vergleiches analoger und digitaler Bildsignale

Es liegt nahe als Ursache, also ganz ohne Überprüfung, den Input lag heranzuziehen, oder aber eine asynchrone Bildausgabe zu vermuten. Dieses wird als nächstes anhand von acht unterschiedlichen Grafikkarten Untersucht. Wie zuvor beim analogen Signal, dessen Triggerpunkt, also eine Flanke des V-Sync-Signals, inzwischen bekannt ist, muss nun noch der genaue Triggerpunkt im digitalen Signal definiert werden. Anschließend können die unterschiedlichen Signale beider Ausgänge der Grafikkarte über das Oszilloskop miteinander verglichen werden.

Pinbelegung des digitalen DVI-I Steckers (DVI-D)

Es wird der gleiche mechanische Stecker verwendet, also DVI-I (dual link) mit 24+5 Kontakten, jedoch werden diesmal Kontakte ausgewählt, die die differentiellen digitalen Signale übertragen.

Aufgelegt in unserem Test-Stecker werden diesmal die Leitungen für den Datenkanal 0, bestehend aus den Kontakten 17, 18 und 19, der die Daten für den blauen Farbkanal überträgt, zum Vergleich der Kanal 1, bestehend aus den Kontakten neun, zehn und elf, sowie das Taktsignal auf den Pins 22, 23 und 24.

Jeweils mit einer TriMode Messspitze, die im Differentiellen Modus betrieben wird. Die für die Messung nicht relevanten Kontakte wurden frei gelassen.

Schematische Darstellung der relevante Pinbelegung eines DVI-I Steckers für die digitale Bildübertragung
Relevante Pinbelegung eines DVI-I Steckers für die digitale Bildübertragung

An den Kanälen für Blau und Grün kamen hierfür Tektronix Tastspitzen des Typs P75TLRST zum Zuge, die in Verbindung mit einem Tastkopf des Typs P7508 eine Bandbreite von 8 GHz abdecken können. Dem blauen Kanal wurde hierbei stets der 8 GHz Messkopf spendiert, während der grüne Kanal, sofern er denn benutzt wurde, an einen der 6 GHz Messköpfe angeschlossen wurde.

Diese Unterschiede sind in diesem Testbericht nur auf dem Papier vorhanden, da der Messaufbau keine derartig präzisen Messungen zulässt. Hinreichend präzise für den Test, jedoch nicht, um die Gerätschaften von Tektronix auch nur annähernd an ihre Grenzen zu bringen.

Das Taktsignal, welches eine Frequenz von lediglich einem Zehntel der Datenrate auf den anderen Kanälen aufweist, wurde über eine „TriMode High Temp Tip“ mit einer nominellen Bandbreite von 6 GHz verbunden.

Bei Frequenzen zwischen 100 MHz und maximal 165 MHz ist dies weit mehr als ausreichend. Die Datenraten können hingegen bis zu 1,65 GBit betragen und sind wesentlich schwieriger sauber darzustellen.

V-Sync im digitalen Signal als Triggerpunkt

Die benötigten V-Sync-Signale werden nicht in allen verfügbaren Kanälen oder einem separaten übertragen, sondern in die bereits erwähnte Austastlücke des blauen Signals während der TMDS-Codierung in der Grafikkarte eingebaut.

Detaillierte schematische Darstellung der Kanalzuweisung
Detaillierte schematische Darstellung der Kanalzuweisung
Detaillierte schematische Darstellung der Timings
Detaillierte schematische Darstellung der Timings
Dieses Signal muss also im TMDS-codierten Datenstrom gefunden werden. Das Oszilloskop überwacht hierbei jeden einzelnen Bitwechsel und wartet ab, bis aus der Abfolge von weit über einer Milliarde Bits pro Sekunde genau diese, vom Bediener des Gerätes vorzugebende, eindeutige Bitfolge erkannt wird.

Genau an diesem Punkt ist höchst wahrscheinlich die Begründung versteckt, warum dieser ganze Test nicht bereits von anderen Personen durchgeführt wurde. Um eine solche Bitfolge bei diesen hohen Datenraten erfolgreich triggern zu können, ist die Verfügbarkeit eines extrem hochwertigen und somit auch teuren Oszilloskops zwingend erforderlich.

Da solche Geräte nicht auf Zuruf verteilt werden, ist es selbst für Personen mit dem nötigen Fachwissen kaum möglich diese Tests aus Neugier durchzuführen. Das Tektronix DSA71254 hat keine Probleme, selbst bei der Einfachheit des vorgestellten Messaufbaus, bei Datenraten von ca. 1,3 GHz die vorgegebenen Bitmuster sicher zu erkennen.

Setupmenü für die Triggerung auf serielle Bitmuster
Setup für die Triggerung auf serielle Bitmuster

Würde man den Testaufbau deutlich erweitern, so wären auch die höchsten Bitraten der höheren Auflösungen problemlos möglich. Da dies aber über die Möglichkeiten dieses Tests geht, beschränken wir uns auf etwas niedrigere Auflösungen mit reduzierten Blanking-Intervallen, die noch messbare Datenraten produzieren.

Darstellung des digitalen Signals

Betrachtet man sich nun eine Aufnahme eines längeren Zeitraums der Bitmuster im digitalen Datenstrom, so werden auch gleich für den Laien grobe Muster sichtbar, die sogar leicht zuzuordnen sind. Zunächst eine Darstellung von 40 ms des Datenstroms. Hier sind Abfolgen der wechselnden Bildinhalte „komplett schwarz“ und „komplett weiß“ dargestellt. Allerdings ist dies exakt invers zur dargestellten Helligkeit. Bitte vergessen Sie nicht, dass hier Bitmuster, also folgen von Nullen und Einsen repräsentiert werden und nur durch Überlagerungen dieser Millionen von Bitwechseln scheinbar Helligkeiten zu erkennen sind.

Messung: Daten 1 (oben) gegen Daten 0 (unten), 4 ms pro Skalenteil
Daten 1 (oben) gegen Daten 0 (unten), 4 ms pro Skalenteil

1. Es ist offensichtlich ein eindeutiger Unterschied in den Bitmustern zu erkennen, wenn sich der Bildschirminhalt ändert.

2. Zwischen den Bildern sind die Austastlücken zu erkennen

3. Die Daten auf unterschiedlichen Kanälen laufen Synchron, was auch bei höheren zeitlichen Auflösungen auf dem Oszilloskop und abweichenden Monitorauflösungen kontrolliert wurde.

Betrachtet man nun einen Ausschnitt, der nur noch 1 ms Umfasst und grob auf einer Austastlücke liegt, so erkennt man eine Feinstruktur innerhalb des Bildes, da nach jeder Zeile ebenfalls eine Austastlücke folgt. Innerhalb der Austastlücke zwischen zwei Bildern in Kanal 0 findet sich ein Bereich, der in keinem anderen Kanal zu finden ist.

Messung: Daten 1 (oben) gegen Daten 0 (unten), 100 µs pro Skalenteil
Daten 1 (oben) gegen Daten 0 (unten), 100 µs pro Skalenteil

In diesem Bereich muss die eindeutige Bitfolge zu finden sein, die die vertikale Synchronisation festlegt.

Messung: Gleiche Darstellung wie zuvor, nur in einem anderen Farbschema, um die unterschiedlichen Bereiche deutlicher hervorzuheben
Gleiche Darstellung wie zuvor, nur in einem anderen Farbschema, um die unterschiedlichen Bereiche deutlicher hervorzuheben

In diesen Bildern wird bereits auf diese eindeutige Bitfolge getriggert. Die vertikale Achse liegt also exakt auf dem Punkt, der diese Bitfolge enthält. Bei einer Auflösung von 1.600 x 1.080 bei 60 Hz mit reduziertem Blanking beträgt die Datenrate in diesem Beispiel 1,18 GBit/s. Wenn man nun an dem Oszilloskop eine hinreichend hohe Abtastrate einstellt und extrem stark an diese Stelle hereinzoomt, so werden die einzelnen Bits sichtbar, die die eindeutige Bitfolge bilden.

Messung: Triggerpunkt samt eindeutiger Bitfolge für 1.600 x 1.200 und 1.600 x 1.080
Triggerpunkt samt eindeutiger Bitfolge für 1.600 x 1.200 und 1.600 x 1.080

Die eindeutigen Bitfolgen sind von unterschiedlichen Einstellungen innerhalb der Grafikkartentreiber abhängig und können je nach Einstellung abweichend sein. In diesem Test haben wir für die Auflösungen 1.600 x 1.200 und 1.600 x 1.080, jeweils mit einer Wiederholrate von 60 Hz, die eindeutige Bitfolge 11 | 0010101011 | 0010101011 | 11 ausgemacht. Die senkrechten Striche sind hierbei nur als Hilfestellung beim Lesen zur Trennung der 10-Bit-Worte zu verstehen.

Die Datenrate beträgt in diesem Screenshot bei einer Auflösung von 1.600 x 1.200 mit reduziertem Blanking 1,30 GBit/s. Die Bitfolge ist passend unter das Signal geschrieben, wobei die rote Ziffer der angezeigten Triggerposition entspricht. Jedes sichtbare einzelne Bit entspricht somit einer Zeitspanne von 7,7*10^(-10) s = 0,77 ns.

Für 1.280 x 1.024 war durch die geringere anfallende Datenrate keine Verwendung von reduziertem Blanking erforderlich. Das eindeutige Bitmuster wurde zu 0010101010 | 1101010101 | 11 bestimmt.

Messung: Triggerpunkt samt eindeutiger Bitfolge bei 1.280 x 1.024
Triggerpunkt samt eindeutiger Bitfolge bei 1.280 x 1.024

Wie in der vorherigen Abbildung zu erkennen war, liegt eine zeitliche Differenz zwischen V-Sync-Signal und Bildanfang, vergleichbar mit den Erkenntnissen, die zuvor für analoge Bildsignale erlangt wurden.

Für eine Auflösung von 1.600 x 1.080 Bildpunkten wurde diese Differenz zu 420,626 µs bestimmt.

Messung: Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen V-Sync-Signal und Bildanfang
Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen V-Sync-Signal und Bildanfang

Mit Hilfe dieses Wertes kann das Oszilloskop einen Delay-Trigger verwenden. Hierfür wird zu jedem Triggerereignis automatisch die bestimmte Zeit hinzugezählt und der sich daraus resultierende verschobene Punkt als neue Lage des Nullpunktes gewählt.

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