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DVI - Digital Visual Interface

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Mit dem Einzug von LCD- und Plasma-Bildschirmen, zuerst als Computer- Display , dann als TV-Bildschirm, wurde eine digitale Schnittstelle notwendig, die die Bild- bzw. Videoinformation so übertragen konnte, dass eine direkte pixelweise Ansteuerung des Displays möglich ist. Nur mit einem digitalen Datenstrom können diese neuen Anzeigen ihre Vorteile gegenüber den Bildröhren voll zur Geltung bringen. In den späten 1990ern erschienen mehrere Standards (z.B. Plug & Display und Digital Flat Panel) , wobei sich nur das 1999 von der DDWG (Digital Display Working Group -> Intel, IBM, Compaq, Fujitsu, NEC, Silicon Image ) vorgeschlagene DVI durchsetzen konnte.
Die DVI-Schnittstelle wurde so ausgelegt, dass auch eine Kompatibilität zur analogen VGA -Schnittstelle, dem zum Zeitpunkt der Einführung von DVI vorherrschenden Übertragungsstandard zwischen PCs und Monitoren, gewährleistet war. Somit wurde der Computer- und der Display-Industrie ein fließender Übergang zum neuen Standard ermöglicht. Einen weiteren Fortschritt in der Verbreitung machte DVI, als mit der Einführung von digitalen Quellen und HDTV in der CE von der Filmindustrie ein sicherer Kopierschutz gefordert wurde. Intels HDCP (High-bandwidth  Digital Content Protection) konnte leicht in den DVI-Standard integriert werden.
Der DVI-Standard wurde 1999 in der Version 1.0 veröffentlicht. Seitdem wurden an ihm keine Änderungen mehr vorgenommen. In der CE wurde DVI, da es keine Audiosignale übertragen kann, mittlerweile weitgehend vom HDMI-Standard verdrängt. Im Computer- und im industriellen Bereich wird DVI immer noch gegenüber HDMI bevorzugt, da sich DVI-Verbinder fest miteinander verschrauben lassen und sich somit eine mechanisch sichere Kopplung herstellen lässt.
Das beim Digital Visual Interface verwendete Datenübertragungsverfahren beruht auf einem von Silicon Image abgewandelten 8b/10b-Kodierverfahren, dem aus dem LVDS  ( LVDS =Low Voltage Differential Signalling) weiterentwickelten  TMDS ( TMDS=Transition Minimized Differential Signaling) und einem I2C-Bus-System für die DDC2 Plug & Play Funktionen. Ein sogenannter Single-Link DVI besteht aus vier Twisted Pair -Leitungspaaren (Rot, Grün, Blau und Clock). Die Farbauflösung beträgt 24 Bit. Werden eine höhere Bild- oder Farbauflösung gefordert, kann das DVI auch zum Dual-Link mit drei weiteren Leitungspaaren aufgerüstet werden.
Aus besagten Kompatibilitätsgründen kann ein analoges RGB-Signal mit H- und V-Sync gleichzeitig zum digitalen Signal auf separaten Leitungen mit übertragen werden.

2. DVI-Verbinder

Abb. 1: DVI-Buchse
Abb. 1: DVI-Buchse

Mit DVI ausgestattete Videoquellen (PC, DVD-Player, ...) stellen entweder nur eine digitale oder eine digitale und eine analoge Schnittstelle zur Verfügung. Der Verbinder auf der Systemseite bestimmt dessen Eigenschaften und stellt immer alle verfügbaren Signale bereit. Die Kontakte am DVI-Verbinder sind kodiert. Anzeigegeräte mit einem digitalen Eingang können zwischen dem digitalen und dem analogen Signal wählen. Analoge Monitore können nur mit den analogen Signalen und rein digitale Anzeigen nur mit den digitalen Signalen  verbunden werden. DVI-Verbindungskabel haben an beiden Enden identische Stecker.

Abb. 2 DVI-Stecker
Abb. 2 DVI-Stecker

DVI-Verbinder sind in drei Bereiche aufgeteilt. Der in drei Reihen mit bis zu 24 Kontakten bestückte Bereich ist für die digitalen Signale und die Plug & Play-Steuerung vorgesehen. Der ca. 1,9mm breite, flache Kontakt-Pin C5 ist immer vorhanden und im Stecker bestückt. Die vier ihn umgebenen Kontakte (" Microcross ") übertragen  ein analoges RGB-Signal mit Syncs.

Tabelle 1: Kontaktbelegung DVI-Verbinder
Tabelle 1: Kontaktbelegung DVI-Verbinder

Theoretisch können an DVI-kompatiblen Geräten bis zu fünf verschiedene Varianten auftreten. Um ein Wirrwarr um die Anschlüsse und die zu verwendenden Verbindungskabel zu vermeiden, sind bei den meisten Hersteller von DVI-kompatiblen Geräten alle Kontakte zwar vorhanden, aber nur die verwendeten sind bestückt, bzw. verbunden.


DVI-I (integrated)
DVI-I überträgt digitale und analoge Videosignale. Es gibt zwei Varianten: DVI-I mit einem Single Link und DVI-I mit Dual Link. Die analogen Signale können mit einem DVI -> VGA-Adapter (siehe Abb. 3) selektiert werden und z.B. auf einen analogen VGA-Eingang gegeben werden.

Abb. 3: DVI-VGA-Adapter
Abb. 3: DVI-VGA-Adapter
(Foto: InfoTip)

    



Abb. 4: DVI-I Single Link

Abb. 5: DVI-I Dual Link

DVI-D (digital)
Beim DVI-D-Anschluss werden ausschließlich die digitalen TMDS-Signale (und natürlich die Plug & Play-Signale) übertragen, je nach Ausstattung und Bedarf entweder als Single Link oder Dual Link. Da bei Single Link Anschlüssen der zweite DVI-Channel und das Microcross bei den Anschlussbuchsen durchaus auch nicht als  Aussparung vorhanden sein könnte, sollte bei Geräten mit solchen Anschlüssen stets ein passendes Anschlusskabel verwendet werden.
 

Abb. 6: DVI-D Single Link

Abb. 7: DVD-D Dual Link

DVI-A (analog)
Der DVI-A-Anschluss kommt als Ausgang sehr selten vor. Er dient in diesen Fällen meist nur zur Aufrechterhaltung der Kompatibilität zu älteren, rein analog arbeitenden Geräten. Mit Adaptern wie in Abb. 3 lassen sich analoge Anzeigegeräte über VGA oder BNC anschließen.
 

Abb. 8: DVI-A

 

3. Praktische Anwendung

TMDS / Digitales Ausgangssignal

Die Grafik- oder Videodaten können in drei digitalen 8-Bit breiten (= 24 Bit) parallelen Videoströmen oder als gemultiplexter Datenstrom an einen Videoprozessor ( Scaler / HD-Upconverter) geliefert werden. Sie werden unkomprimiert als unpaketierter Datenstrom zum Anzeigegerät weiter übertragen. Es werden immer komplette Bilder übertragen. Der Standard sieht zwar einen " Selective Refresh " vor, also einen Refresh nur von dem Bildinhalt, der sich gegenüber dem vorherigen Bild geändert haben. Dieses Feature ist aber nie in die Praxis umgesetzt worden.

Auflösung

Ein Standard Single Link-DVI hat einen maximalen Pixelclock von 165 MHz. Bezogen auf eine analoge Anzeige mit einer Bildröhre (" GTF = Generalized Timing Formula") würde dies eine maximale Auflösung von 1600 x 1200 Pixel bei 60Hz bedeuten. LCD- und Plasmaanzeigen arbeiten jedoch digital und beanspruchen nicht wie eine Braun'sche Röhre Vertikal- und Horizontalrücklaufzeiten (Blanking), um den Elektronenstrahl an den Bildanfang zu bringen. Durch die Nutzung dieser Austastzeiten (" CVT-RB = Coordinated Video Timings-Reduced Blanking") zur Übertragung von zusätzlichen Daten, können mit einer Single Link-Verbindung Auflösungen bis zu 1920x1200 (60 Hz) Pixel oder 3840x2400 (17 Hz) Pixel erreicht werden.
Werden zwei Links verwendet, darf die Clock-Frequenz auch 165 MHz überschreiten. Die Höhe der Auflösung ist dann nur noch von der Länge und der Qualität des Verbindungskabels abhängig. Tabelle 2 zeigt die Merkmale einiger Bildschirmauflösungen. Hierzu ist anzumerken, dass die physische Auflösung eines Displays auch durch eine Skalierung in den Anzeigegeräten interpoliert werden kann. Ein Datenstrom 1:1 mit der Pixelrate des Anzeigegerätes liefert aber immer die beste Bildqualität.
Die normale Kabellänge für Single Link-Verbindungen bei einer Auflösung von 1920x1200 Pixel ist ca. 5m. Bei einer reduzierten Auflösung auf 1280x1024 Pixel sind Kabellängen bis zu 15m möglich. Noch größere Längen können durch in die Kabelabschnitte zwischengeschalteten DVI- Booster, die die Leitungsverluste ausgleichen, erreicht werden.

Tabelle 2: Merkmale einiger Bildschirmauflösungen (Quellen: Silicon Image/DDWG/en.wikipedia.org)
Tabelle 2: Merkmale einiger Bildschirmauflösungen (Quellen: Silicon Image/DDWG/en.wikipedia.org)

Funktion der Plug & Play-Steuerung

Abbildung 9 zeigt ein typisches DVI-System bestehend aus einer Videoquelle, z.B. einem DVD-Player oder HDD-Recorder, und einem Anzeigegerät, z.B. einem LCD-TV. Die folgende Funktionsbeschreibung beruht auf einer vollen Implementierung des DVI-Standards in die Geräte. Es wird von der Situation ausgegangen, dass beide Geräte sich im Standby-Betrieb befinden, aber noch nicht miteinander verbunden sind. In diesem Zustand sind die System-Microcontroller in beiden Geräten eingeschaltet, die Prozessoren in den Videosignalwegen und die TMDS-Stufen sind abgeschaltet. Die Betriebsspannung 5V_DDC in der Videoquelle ist vorhanden. Die interne Betriebsspannung U_DDC ist abgeschaltet.
Werden beide Geräte mit einem DVI-I-Kabel verbunden, gelangt die POWER+5V (= 5V_DDC) in das Anzeigegerät. Über einen Widerstand entkoppelt entsteht aus ihr die Signalspannung HOT_PLUG_IN. Im Anzeigegerät geht diese zu dessen Microcontroller und löst den Einschaltvorgang des Anzeigegerätes aus. Das Anzeigegerät wechselt vom Standby-Betrieb in den Vollbetrieb.
HOT_PLUG_IN geht aber auch vom Anzeigegerät über die DVI-Verbindung wieder zurück zur Videoquelle. Mit der beim Verbinden der Geräte entstehenden positiven Flanke auf HOT_PLUG_IN weiß der Microcontroller in der Videoquelle, dass ein Anzeigegerät angeschlossen wurde. Über den seriellen DDC -Bus (Display Data Channel; DDC-SDA, DDC-SCL) kann er die Daten des EDID- (Extended Display Identification Data-) EEPROM im Anzeige-Gerät auslesen. Sollte die Betriebsspannung U_DDC konstruktiv nicht  vorgesehen oder aus anderen Gründen noch nicht vorhanden sein, wird das EEPROM aus der 5V_DDC versorgt. Das EDID-EEPROM kann von der Videoquelle also auch dann ausgelesen werden, wenn das Anzeigegerät nicht eingeschaltet ist.
Anhand der im EDID-EEPROM stehenden Daten kann der Microcontroller der Videoquelle die Videoprozessoren über den internen I2C-Bus konfigurieren und das Videoausgangssignal in Bezug auf Auflösung und Gamma-Einstellung optimal an das Anzeigegerät anpassen.
Bei Geräten mit HDCP dient der DDC-Bus zur Kommunikation bei der Authentifizierung des HDCP-Receivers gegenüber dem HDCP-Transmitter.

Analoge Ausgangssignale

In dem hier gezeigten Prinzipbild liefert die Videoquelle neben den digitalen Daten auf den TMDS-Verbindungen zusätzlich noch ein analoges RGB- oder Y/Pr/Pb-Signal über den DVI-Verbinder. Der Benutzer hat also am Anzeigegerät die Wahl zwischen dem digitalen DVI-Eingang, dem analogen DVI-Eingang und noch einem eventuell vorhandenen VGA-Eingang. Ein weiteres Y/Pr/Pb- oder Y/Cr/Cb-Ausgangssignal stellt die Videoquelle meist über Cinch-Buchsen zur Verfügung. Ob das aus einem digitalen HDTV-Signal abgeleitete analoge Ausgangssignal auch hochauflösend ist, kann über spezielle DRM (Digital Rights Management)-Verfahren oder Kopierschutzverfahren, die hier nicht dargestellt sind, festgelegt und ggf. beschränkt werden.

Abb. 9: Blockbild eines DVI-Systems
Abb. 9: Blockbild eines DVI-Systems

4. DVI mit HDCP

DVI ist als Verbindung zwischen Wiedergabegerät (Set-Top-Box, Blu-ray-Player, ...) und dem Anzeigegerät das letzte Glied in der Signalübertragungskette. Für die Vertreiber von digitalen, audiovisuellen Inhalten muss daher sichergestellt werden, dass an dieser Stelle keine 1:1-Kopien der Inhalte erstellt werden können oder eine unerlaubte Nutzung stattfinden kann. Um die Wirkung  von DRM- (Digital Rights Management-) Funktionen (z.B. CA = Conditional Access) und Kopierschutzsystemen (z.B. AACS ) durchzusetzen, bietet DVI die Möglichkeit die Übertragung der digitalen Videosignale mit HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) zu schützen. Hierzu verwendet HDCP Authentifizierungs- und Verschlüsselungsverfahren.
Ehe Videodaten über eine HDCP-geschützte Verbindung übertragen werden, initiiert der DVI-HDCP-Transmitter über den Master-I2C-Bus (DSDA/DSCL) einen Authentifizierungsprozess. Durch einen Schlüsselaustausch versichert sich der Transmitter, dass der angeschlossene DVI-HDCP-Receiver die Videosignale empfangen darf. Hierzu hat jeder Transmitter und Receiver 40 einzigartige 56 Bit lange geheime Schlüssel (HDCP KEYS) in einem (EE)PROM gespeichert. Der Identifizierungs- und Authentifizierungsprozess läuft in mehreren Stufen ab, bis nach einer Einigung auf einen Session Key (einen Einmalschlüssel), die mit dem Session Key verschlüsselten Daten über die TMDS-Verbindung übertragen werden. Alle 128 Bilder oder mindestens alle zwei Sekunden hat sich der Receiver beim Transmitter erneut zu authentifizieren.

Abb. 10: Blockbild eines DVI-Systems mit HDCP
Abb. 10: Blockbild eines DVI-Systems mit HDCP

REFERENZEN

Weblinks
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