Fixed Rate Link (FRL) und TMDS

TMDS und FRL sind die beiden Verfahren, mit denen ein HDMI-Kabel Bild und Ton überträgt. TMDS — Transition Minimized Differential Signaling — ist das ältere und stammt noch aus der DVI-Zeit. FRL — Fixed Rate Link — kam mit der Spezifikation 2.1 dazu und ist das Verfahren, mit dem die hohen Bandbreiten überhaupt erst möglich wurden.

Welches von beiden auf einer konkreten Verbindung läuft, entscheiden Quelle und Senke beim Einschalten unter sich.

TMDS: acht Bit werden zehn

Das ältere Verfahren wurde nicht für HDMI erfunden. Es steht schon in der DVI-Spezifikation von 1999 und stammt von Silicon Image; HDMI hat es mitsamt der Steckerbelegung übernommen.

Der Aufbau ist übersichtlich: drei Datenkanäle und ein eigener Taktkanal. Über die drei Datenkanäle laufen die drei Grundfarben, der vierte gibt den Takt vor, an dem sich der Empfänger ausrichtet.

Der interessante Teil ist die Kodierung, und der Name des Verfahrens sagt bereits, worum es geht: Aus acht Bit Nutzdaten macht der Sender ein zehn Bit breites Zeichen, das zwei Eigenschaften hat — möglichst wenige Pegelwechsel (transition minimized) und über die Zeit gleich viele Einsen wie Nullen (DC balanced). Zwei zusätzliche Bit je Byte klingen nach Verschwendung, und sie kaufen drei Dinge ein, die die Spezifikation ausdrücklich benennt: geringere Störabstrahlung über Kupferkabel, Gleichspannungsfreiheit für die optische Übertragung, und eine Taktrückgewinnung im Empfänger, die auch bei zeitlich auseinanderlaufenden Kanälen noch funktioniert — die Voraussetzung dafür, dass längere Kabel überhaupt möglich sind.

Der Preis dieser Kodierung ist der Nutzanteil: Von zehn übertragenen Bit sind acht Nutzdaten, also 80 Prozent. Und die Bandbreite skaliert allein über die Taktfrequenz. Schon DVI kannte deshalb die Grenze: Ein einzelner Link durfte höchstens 165 MHz Takt fahren; wer mehr brauchte, musste einen zweiten Link danebenlegen. HDMI hat diesen Weg nicht genommen, sondern den Takt schrittweise erhöht — bis er nicht mehr weiter erhöhbar war.

FRL: der Taktkanal wird zum vierten Datenkanal

Der Bruch besteht aus drei Änderungen, und alle drei gehen in dieselbe Richtung.

Erstens verschwindet der eigene Taktkanal. Der Empfänger gewinnt den Takt aus dem Datenstrom selbst zurück — ein Verfahren, das in der Datenübertragung längst üblich ist. Der frei gewordene Kanal wird zur vierten Datenspur. Aus drei Nutzkanälen werden vier, ohne dass sich am Kabel etwas ändert.

Zweitens wird die Kodierung umgestellt: 16 Bit Nutzdaten werden zu 18 Bit statt 8 zu 10. Der Nutzanteil steigt damit von 80 auf knapp 89 Prozent — rund neun Prozent mehr Nutzdaten bei gleicher Leitungsrate.

Drittens ist die Rate nicht mehr stufenlos an die Bildfrequenz gekoppelt, sondern eine feste Größe aus einer kleinen Liste. Daher der Name.

Die 48 Gbit/s in der letzten Zeile sind die Zahl, die als Bandbreitengrenze der Spezifikation 2.1 bekannt ist. Für die Spezifikation 2.2 beschreibt der HDMI Licensing Administrator eine weiterentwickelte Fixed-Rate-Link-Technik, die bis 96 Gbit/s reicht.

Wie die Umschaltung abläuft — und was daraus folgt

Zwischen beiden Verfahren liegt ein Aushandlungsvorgang, das FRL Link Training. Quelle und Senke prüfen dabei nicht nur, ob beide FRL beherrschen, sondern ermitteln, welche Rate die Verbindung tatsächlich schafft. Fällt das Ergebnis ungünstig aus, bleibt die Verbindung bei TMDS oder landet auf einer niedrigeren FRL-Stufe.

Das ist die praktisch wichtigste Aussage dieses Eintrags, und sie erklärt ein Verhalten, das in der Fehlersuche regelmäßig für Verwirrung sorgt: Die erreichte Bandbreite ist eine Eigenschaft der Strecke, nicht der Geräte. Zwei Geräte, die beide 48 Gbit/s beherrschen, landen über ein grenzwertiges Kabel auf einer niedrigeren Stufe — und weil das Bild dann trotzdem kommt, nur eben in einem sparsameren Format, fällt es niemandem auf. Kein Fehler, keine Meldung, nur ein Bild, das weniger kann als bezahlt.

Genau deshalb ist die Kabelklasse in der Planung die entscheidende Angabe und die Versionsnummer der Geräte die nachrangige. Was eine Klasse tatsächlich zusagt und warum die Zertifizierung an Modell und Länge hängt, steht auf der Seite HDMI-Kabelklassen.

Häufiges Missverständnis

„Mein Gerät hat HDMI 2.1, also habe ich 48 Gbit/s." Die Versionsnummer sagt, welche Fassung der Spezifikation ein Hersteller umgesetzt hat — und die meisten ihrer Merkmale sind optional. Ein Gerät kann 2.1 auf dem Karton führen und intern eine FRL-Stufe darunter arbeiten. Der HDMI Licensing Administrator hat aus diesem Grund auf Funktionsnamen umgestellt; die Bandbreite eines Geräts heißt heute Ultra96 oder gar nichts.

„FRL ist die Kompression." Nein, und die Verwechslung ist verständlich, weil beides zur selben Zeit dazukam. FRL ist die Übertragung — wie die Bits über die Leitung kommen. Kompression heißt bei HDMI Display Stream Compression und ist ein davon unabhängiges Verfahren, das die Datenmenge vor der Übertragung verkleinert. Ein Bild kann komprimiert oder unkomprimiert über FRL laufen.

„Mehr Spuren heißt mehr Kabel." Die vierte Datenspur ist keine neue Ader. Es ist die Ader, die vorher den Takt geführt hat. Der Steckverbinder von HDMI hat sich dafür nicht geändert — und genau deshalb kann ein Kabel, das für hohe Frequenzen sauber genug gebaut ist, die neuen Verfahren übertragen, ohne dass jemand einen neuen Stecker erfinden musste.

Nicht zu verwechseln mit

• HDMI-Versionsnummer: bezeichnet eine Fassung der Spezifikation, keine Eigenschaft. Kabel tragen ohnehin Klassennamen, siehe HDMI-Kabelklassen.
• Kabelklasse: die geprüfte Bandbreite eines konkreten Artikels in einer konkreten Länge. Das ist die Angabe, die in eine Planung gehört.
• DSC: Kompression des Bildinhalts. Sie senkt die nötige Datenrate, FRL erhöht die verfügbare.
• HDCP: die Berechtigungsprüfung. Sie läuft über dieselbe Strecke und ist ein anderer Vorgang, siehe HDCP.
• CEC und DDC: Steuerkanal und Datenkanal auf eigenen Adern desselben Kabels. Sie haben mit der Bildübertragung nichts zu tun, siehe HDMI CEC und EDID.

Bei der Fehlersuche

Ein Kinoprojektor an einer vierzehn Meter langen Strecke zeigt Bild, aber der Zuspieler bietet die höchste Bildrate nicht an. Alle Geräte sind neu, alle Datenblätter nennen die volle Bandbreite.

Was hier hilft, ist nicht die Frage nach dem defekten Gerät, sondern die nach der ausgehandelten Stufe: Welche FRL-Rate steht auf dieser Verbindung tatsächlich? Weil das Link Training die erreichbare Rate selbst ermittelt und still auf eine niedrigere zurückfällt, ist ein laufendes Bild kein Beleg für die volle Bandbreite. Manche Zuspieler und Fernseher zeigen die ausgehandelte Rate in einem Servicemenü an, sonst braucht es ein Messgerät.

Steht die Stufe fest, ist die Ursachenkette kurz und in dieser Reihenfolge abzuarbeiten: die Strecke selbst — Länge, Klasse, Zertifizierung für genau diese Länge —, dann die Zwischengeräte, denn jeder Verteiler und jeder Extender handelt eigenständig aus und ist damit ein zweites Nadelöhr, und erst zuletzt die Endgeräte. Bei einer Strecke jenseits der zehn Meter liegt die Ursache selten am Ende der Kette.

Was daraus für die Planung folgt, ist die unbequeme Version derselben Aussage: Eine Bandbreite lässt sich nur zusagen, wenn ein konkreter Artikel in der konkreten Länge geprüft ist. Alles andere ist eine Erwartung.

Verknüpfte Inhalte

Welche Kabelklasse welche Bandbreite zusagt und warum die Zertifizierung an Modell und Länge hängt, steht auf der Seite HDMI-Kabelklassen; die fünfte Klasse und die Spezifikation dahinter behandelt Ultra96 und HDMI 2.2. Warum ein Bild trotz passender Strecke schwarz bleiben kann, klären EDID und HDCP; den Tonrückweg behandelt eARC und ARC, die Bild-Ton-Synchronisation über mehrere Geräte Latency Indication Protocol. Für lange Strecken sind AOC und DAC und HDBaseT die Anschlusspunkte.

Quellen

Aufbau und Zweck von TMDS — die Umkodierung von acht auf zehn Bit, die drei Datenkanäle mit eigenem Taktkanal, die Begründung mit Störabstrahlung, Gleichspannungsfreiheit und Taktrückgewinnung sowie die 165-MHz-Grenze eines Einzellinks — stammen aus der DVI-Spezifikation Revision 1.0 von 1999, die für diese Seite im Volltext eingesehen wurde; dort ist auch die Herkunft von Silicon Image vermerkt. Die Angaben zu FRL — vier Datenspuren ohne eigenen Taktkanal, die Umstellung auf 16b/18b mit rund neun Prozent höherer Effizienz, die Ratentabelle und das Link Training — stammen von Allion Labs, einem für HDMI autorisierten Prüflabor. Die 96 Gbit/s der weiterentwickelten FRL-Technik und die Bandbreiten der Kabelklassen sind beim HDMI Licensing Administrator belegt.