Link Training (Aushandlung der Übertragungsstrecke)

Link Training ist der Vorgang, mit dem zwei Geräte beim Aufbau einer digitalen Bildverbindung herausfinden, was die Strecke zwischen ihnen wirklich schafft. Ausgehandelt werden die Zahl der genutzten Datenspuren, die Rate je Spur und die Einstellung des Senders. Das Ergebnis beschreibt die Verbindung aus Kabel, Steckverbindern und allem, was dazwischen sitzt; aus den Datenblättern der beiden Geräte lässt es sich nicht ablesen.

Ausführliche Erklärung

Was ausgehandelt wird

Vier Größen stehen zur Verhandlung, und sie hängen zusammen.

Die Spurenzahl. Beide großen Schnittstellen führen die Bilddaten über mehrere parallele Datenspuren. DisplayPort nutzt eine bis vier davon, HDMI im Verfahren Fixed Rate Link drei oder vier. Fällt eine Spur aus oder kommt sie nicht sauber durch, kann die Verbindung mit weniger Spuren weiterlaufen — langsamer, aber stabil.

Die Rate je Spur. Sie stammt aus einer kleinen Liste fester Stufen. Welche Stufen es gibt, steht bei DisplayPort und bei FRL und TMDS; für den Vorgang selbst kommt es nur darauf an, dass die Liste endlich ist und von oben nach unten abgearbeitet werden kann.

Der Sendepegel — im Englischen Voltage Swing — bestimmt, wie kräftig der Sender die Signalflanken aufs Kabel legt. Zu schwach kommt am anderen Ende nichts Lesbares an; zu kräftig erzeugt Reflexionen und Übersprechen auf kurzen Strecken.

Die Vorverzerrung — Pre-Emphasis — hebt die schnellen Anteile des Signals gezielt an, weil ein Kabel gerade diese am stärksten dämpft. Der Sender verzerrt also absichtlich, damit am Empfänger etwas Geradliniges ankommt. Wie stark er das tut, hängt davon ab, wie lang und wie gut die Strecke ist — und das weiß beim Entwurf des Geräts niemand.

Warum überhaupt verhandelt wird

Ein Hersteller könnte all das fest einstellen. Der Grund, warum es niemand tut, liegt in einer einfachen Rechnung: Die Strecke ist zur Entwurfszeit unbekannt. Zwischen Quelle und Senke liegen ein Kabel unbekannter Länge und Güte, zwei bis vier Steckverbinder, dazu Leiterbahnen in beiden Geräten und womöglich ein Verteiler, ein Umschalter oder ein Extender. Eine feste Einstellung wäre auf der 0,5-Meter-Strecke im Rack zu aggressiv und auf der Fünfzehn-Meter-Strecke zum Projektor zu schwach.

Also probiert die Quelle. Sie schickt Prüfmuster über die Datenspuren und fragt über einen schmalen Rückkanal ab, ob die Gegenstelle diese sauber liest. Meldet die Gegenstelle einen Fehler, verändert die Quelle eine Stellgröße und versucht es erneut. Der Ablauf hat zwei Stufen: Erst muss der Empfänger den Takt aus dem Datenstrom zurückgewinnen — ohne Takt ist alles Weitere sinnlos —, danach wird die Entzerrung so lange nachgeführt, bis die Muster fehlerfrei durchkommen. Bleibt beides erfolglos, geht die Quelle eine Stufe herunter: weniger Spuren oder eine niedrigere Rate. Und beginnt von vorn.

Daraus folgt der Satz, um den es hier eigentlich geht: Die erreichte Bandbreite ist eine Eigenschaft der Strecke. Zwei Geräte, die beide die höchste Stufe beherrschen, landen über ein grenzwertiges Kabel auf einer niedrigeren — ohne Meldung, ohne Fehlereintrag, ohne dass jemand es bemerkt.

Derselbe Vorgang auf beiden Schnittstellenwelten

DisplayPort und HDMI kommen aus verschiedenen Gremien und lösen die Aufgabe verschieden im Detail. Der Mechanismus ist derselbe.

Bei DisplayPort läuft die Verhandlung über den AUX-Kanal, eine schmale bidirektionale Leitung neben den Datenspuren, über die auch die Fähigkeitsabfrage und die HDCP-Aushandlung laufen. Ergebnis sind Spurenzahl und Rate. Danach überwacht die Verbindung ihre eigene Qualität weiter und kann neu trainieren, wenn sie aus dem Tritt gerät. Liegen trainierbare Repeater auf der Strecke, zerfällt sie in Abschnitte, die einzeln ausgehandelt werden; das ist unter LTTPR beschrieben und läuft auf denselben Befund hinaus — die Rate der Verbindung ist die des schwächsten Abschnitts.

Bei HDMI heißt der Vorgang FRL Link Training und entscheidet zusätzlich über etwas, das DisplayPort so nicht kennt: den Wechsel des Übertragungsverfahrens. Gelingt das Training nicht, bleibt die Verbindung beim älteren TMDS oder landet auf einer niedrigeren FRL-Stufe. Beide Rückfälle sind still.

Der Unterschied, der in der Praxis zählt, ist also weniger technischer als organisatorischer Art: Auf der HDMI-Seite steckt zwischen Quelle und Senke häufiger noch etwas — ein Receiver, ein Verteiler, ein Extender über HDBaseT. Jedes dieser Geräte handelt auf seinen beiden Seiten eigenständig aus. Eine Kette aus Zuspieler, Receiver und Projektor führt damit zwei Aushandlungen statt einer, und beide können einzeln misslingen.

Wie ein gescheitertes Training aussieht

Es gibt zwei Fehlerbilder, und das zweite ist das gefährlichere.

Das laute ist ein schwarzer Bildschirm bei gesteckter Verbindung. Die Aushandlung ist so weit misslungen, dass gar kein Bildstrom zustande kommt. Typische Varianten: Bild erst beim zweiten Ein- und Ausstecken; Bild nach dem Einschalten, aber nicht nach dem Aufwachen aus dem Bereitschaftsbetrieb; Bild nur, wenn die Geräte in einer bestimmten Reihenfolge eingeschaltet werden. Der gemeinsame Nenner dieser Varianten ist Unregelmäßigkeit — dasselbe Gerät im selben Format geht mal und mal nicht.

Das stille ist ein Bild, das kommt. Die Aushandlung hat funktioniert, nur eben auf einer niedrigeren Stufe. Der Zuspieler bietet daraufhin die anspruchsvollen Formate gar nicht erst an, weil die ausgehandelte Rate sie nicht hergibt. Niemand sieht einen Fehler, alle sehen ein Bild — und die höhere Bildrate oder die größere Farbtiefe, für die die Anlage bezahlt wurde, taucht in keinem Menü auf.

Aushandlung oder Bandbreite — woran sich das unterscheiden lässt

Beide Ursachen führen zu „geht nicht", und sie verlangen verschiedene Maßnahmen. Drei Unterscheidungsmerkmale helfen weiter:

Wiederholbarkeit. Eine überschrittene Bandbreite ist stur: Dasselbe Format scheitert bei jedem Versuch an derselben Stelle, ein Format eine Stufe darunter läuft immer. Eine gescheiterte Aushandlung ist launisch, weil sie von Zufälligkeiten des Einschaltmoments abhängt. Wer dieselbe Konfiguration fünfmal neu startet und dreimal ein Bild bekommt, hat kein Bandbreitenproblem.

Die Reaktion aufs Neustecken. Ein Aus- und Einstecken stößt die Aushandlung neu an und ändert an der Bandbreite der Strecke nichts. Kommt das Bild danach, war es die Aushandlung.

Die ausgehandelte Stufe selbst. Das ist die belastbarste Auskunft, und sie ist die einzige, die nicht auf Indizien beruht. Manche Zuspieler und Anzeigen zeigen die Stufe in einem Servicemenü; sonst braucht es ein Messgerät. Steht die Stufe unter dem Erwartbaren, obwohl das Bild läuft, ist der stille Rückfall belegt.

Erst danach kommt die Ursachensuche, und sie hat eine Reihenfolge: zuerst die Strecke selbst — Länge, Klasse, Zertifizierung für genau diese Länge —, dann die Zwischengeräte, weil jedes von ihnen eine eigene Aushandlung führt, und zuletzt die Endgeräte. Bei langen Strecken liegt die Ursache selten an den Enden der Kette.

Häufiges Missverständnis

„Beide Geräte können die volle Bandbreite, also habe ich sie auch." Das ist die verbreitetste Fehlannahme zum Thema, und sie ist deshalb so hartnäckig, weil sie bei kurzen Kabeln fast immer stimmt. Die Datenblätter beschreiben, was die Geräte anbieten. Was ankommt, entscheidet die Aushandlung — und die verhandelt über die Strecke, die dazwischen liegt. Die Kabelklasse ist in der Planung deshalb die entscheidende Angabe und die Versionsnummer der Geräte die nachrangige, siehe HDMI-Kabelklassen.

„Das Bild ist da, also stimmt die Verbindung." Ein laufendes Bild belegt, dass die Aushandlung zu einem Ergebnis gekommen ist — nicht, welches. Der stille Rückfall auf eine niedrigere Stufe ist der Normalfall des Verfahrens und ausdrücklich so vorgesehen: Lieber ein schlechteres Bild als gar keines.

„Dann tausche ich das Kabel." Oft hilft das, und ebenso oft nicht. Ein Kabeltausch ändert einen Abschnitt der Strecke. Sitzt das Problem in einem Zwischengerät, in der Einschaltreihenfolge oder im Aufwachverhalten, bleibt der Fehler nach dem dritten Kabel derselbe. Vor dem Tausch steht die Frage, ob das Fehlerbild überhaupt zu einem Kabelproblem passt — also stur oder launisch.

Nicht zu verwechseln mit

• EDID-Abfrage: Dabei liest die Quelle aus, welche Formate die Senke darstellen kann. Das ist eine Auskunft über ein Gerät und sagt nichts darüber, was die Strecke schafft. Beide Vorgänge laufen kurz hintereinander ab und werden deshalb leicht verwechselt, siehe EDID.
• HDCP-Aushandlung: die Berechtigungsprüfung für geschützte Inhalte. Sie läuft über dieselbe Verbindung, prüft aber Schlüssel und keine Signalqualität; ihr Fehlerbild ähnelt dem des gescheiterten Trainings bis zur Verwechselbarkeit, siehe HDCP.
• Autonegotiation bei Ethernet: derselbe Grundgedanke — zwei Seiten einigen sich beim Verbindungsaufbau auf eine Geschwindigkeit. Verfahren, Größen und Fehlerbilder sind andere; die Begriffe lassen sich nicht übertragen.
• Bandbreite der Strecke: die physikalische Obergrenze dessen, was über eine Leitung geht. Das Training ermittelt sie näherungsweise, erzeugt sie aber nicht, siehe Bandbreite.
• DSC: die Kompression des Bildinhalts. Sie senkt die nötige Datenrate, während das Training die verfügbare feststellt — beide Größen treffen sich in der Frage, ob ein Format läuft, siehe Display Stream Compression.

Bei der Fehlersuche

Ein Kunde meldet, der Projektor zeige nach dem Einschalten der Anlage etwa jedes dritte Mal kein Bild. Ausstecken und wieder einstecken hilft immer. Alle Geräte sind neu, alle Datenblätter nennen die volle Bandbreite, die Strecke liegt fest in der Decke.

Die naheliegende Reaktion — ein besseres Kabel bestellen — kommt zu früh. Zuerst steht die Konzeptfrage: Ist das ein Bandbreiten- oder ein Aushandlungsproblem? Das Fehlerbild beantwortet sie schon. Ein Kabel, das die Bandbreite nicht schafft, schafft sie bei jedem Einschalten nicht; „jedes dritte Mal" und „nach dem Neustecken geht es" sind die Handschrift einer Aushandlung.

Dann die Verfahrensfrage: Wo wird ausgehandelt? Zwischen Zuspieler und Projektor liegt ein Receiver, also gibt es zwei Verhandlungen statt einer. Und der Receiver ist zugleich das Gerät, das beim Einschalten am längsten braucht — was die Vermutung nahelegt, dass die Geräte in einer ungünstigen Reihenfolge hochlaufen und die Quelle verhandelt, bevor die Gegenstelle bereit ist.

Zuletzt das Gerät, und das ist schnell geklärt: die tatsächlich ausgehandelte Stufe an beiden Abschnitten auslesen, die Einschaltreihenfolge über die Steuerung festlegen, den Zwischenschritt über den Receiver versuchsweise überbrücken. Bestätigt sich das Bild, ist die Lösung eine Frage der Einschaltlogik und kostet kein Material. Bestätigt es sich nicht, ist die Strecke wieder im Spiel — dann aber mit einem Befund statt einer Vermutung.

Verknüpfte Inhalte

Welche Raten und Stufen die beiden Schnittstellen kennen, steht bei DisplayPort und bei FRL und TMDS; den AUX-Kanal am Stecker beschreibt der DisplayPort-Steckverbinder. Was passiert, wenn die Strecke in Abschnitte zerfällt, behandelt LTTPR. Warum ein Signal über eine Strecke überhaupt unlesbar wird und wie sich das messen lässt, klären Augendiagramm und Jitter und Taktrückgewinnung. Die beiden anderen Vorgänge, die beim Einschalten ablaufen, stehen unter EDID und HDCP. Für lange Strecken sind AOC und DAC und HDBaseT die Anschlusspunkte, für die Zusagefähigkeit einer Bandbreite die HDMI-Kabelklassen.

Quellen

Der Aufbau einer DisplayPort-Verbindung aus Main-Link, AUX-Kanal und Hot Plug Detect sowie die Aushandlung von Spurenzahl und Rate mit anschließender Qualitätsüberwachung stammen von VESA. Dass das FRL Link Training bei HDMI die tatsächlich erreichbare Rate ermittelt und still auf eine niedrigere Stufe oder auf TMDS zurückfällt, ist bei Allion Labs belegt, einem für HDMI autorisierten Prüflabor. Die Stellgrößen Voltage Swing und Pre-Emphasis sowie die abschnittsweise Reihenfolge bei mehreren Repeatern stammen aus einem Foliensatz von Unigraf, einem Hersteller von DisplayPort-Prüfgeräten. Alle drei Quellen sind für diesen Eintrag nicht erneut abgerufen worden — sie sind mit eigenem Prüfdatum in den AVITECT-Einträgen zu DisplayPort, FRL und TMDS sowie LTTPR geführt, aus denen die Angaben übernommen sind. Die Normtexte selbst liegen hinter Mitgliedschaft beziehungsweise Lizenz und wurden nicht eingesehen.