LTTPR (Link-Training Tunable PHY Repeater)

Ein LTTPR ist ein Zwischenglied auf einer DisplayPort-Strecke, das das Signal auffrischt und sich dabei am Verbindungsaufbau beteiligt. Ausgeschrieben: Link-Training Tunable PHY Repeater — ein PHY-Repeater, dessen Ausgang sich beim Link Training einstellen lässt. Genau diese Einstellbarkeit unterscheidet ihn von einem gewöhnlichen Verstärker. Aus ihr folgt die Eigenschaft, an der für die Planung alles hängt: Eine Strecke mit LTTPR zerfällt in mehrere Abschnitte, die einzeln ausgehandelt werden.

Ausführliche Erklärung

Erst der PHY-Repeater, dann die Einstellbarkeit

Ein PHY-Repeater enthält nur die unterste Ebene einer Verbindung: den Empfängerteil und den Sendeteil der physikalischen Schicht, dazu einen Retimer, der das Signal auf einen sauberen Takt zurücksetzt. Was er nicht enthält, ist ebenso wichtig — er hat keine Verschlüsselungsschicht und keine Kenntnis vom Bildinhalt. Er sieht Flanken, keine Bilder. Seine einzige Aufgabe ist es, die Verformungen auszubügeln, die Kabel, Steckverbinder und Leiterbahnen dem Signal zufügen.

Ein solcher Repeater kann stumm arbeiten: nehmen, aufbereiten, weitergeben, mit fest eingestellten Parametern. Dann bekommt weder die Quelle noch die Senke mit, dass er überhaupt da ist. Für kurze Strecken reicht das. Für 8,1 Gbit/s je Spur reicht es nicht mehr, weil die richtige Einstellung von Vorverzerrung und Pegel davon abhängt, was hinter dem Repeater kommt — und das weiß beim Entwurf niemand.

Deshalb der zweite Schritt: Ein Repeater, der seinen Ausgang während des Link Training einstellen lässt, ist ein LTTPR. Die Quelle kann ihm sagen, mit welchem Pegel und welcher Vorverzerrung er senden soll, und sie kann es Schritt für Schritt ausprobieren, bis der nächste Abschnitt sauber läuft. Was ein LTTPR dafür mitbringt: bis zu vier Spuren des Main-Link und die vollen Kombinationen aus Voltage Swing und Pre-Emphasis, also denselben Stellbereich, den auch eine Quelle hat.

Zwei Betriebsarten, und die Quelle entscheidet

Ein LTTPR kennt zwei Betriebsarten, und beide betreffen nur den Hilfskanal AUX — die schmale bidirektionale Leitung, über die DisplayPort seine Verwaltungsdaten austauscht.

Transparent reicht er alle AUX-Zugriffe unverändert durch. Er hört dabei den Bereich der Verbindungskonfiguration mit und stellt seinen Ausgang selbstständig nach. Für Quelle und Senke sieht die Verbindung aus wie eine einzige Strecke; der Repeater arbeitet mit, ohne aufzutauchen.

Nicht-transparent antwortet er selbst — auf die Zugriffe, die den LTTPR-eigenen Registern gelten, während er alle übrigen weiterreicht. Erst in dieser Betriebsart ist er ein eigener Gesprächspartner, und erst dann lässt er sich einzeln trainieren. Wer die Betriebsart setzt, ist festgelegt: die Quelle, nicht der Repeater und nicht die Senke.

Die Register dafür liegen in einem eigenen Adressbereich der DisplayPort-Konfigurationsdaten, F0000h bis F028Fh, mit einem eigenen Block je Repeater — Repeater 1 antwortet nur auf seinen Block, Repeater 2 nur auf seinen. So lassen sich mehrere Glieder derselben Kette einzeln ansprechen, obwohl sie physikalisch alle auf demselben Draht sitzen.

Wie die Quelle erfährt, wie viele es sind

Die Zählung läuft ohne Zutun ab, und sie erklärt nebenbei, warum an einem LTTPR nichts einzustellen ist.

Nach dem Anstecken meldet die Senke sich über Hot Plug Detect (HPD), und alle Repeater reichen dieses Signal durch. Dann liest die Quelle die ersten Bytes des Repeater-Bereichs. Jeder LTTPR auf der Strecke erhöht dabei den Zähler und hinterlegt seine eigenen Fähigkeiten. Was am Ende bei der Quelle ankommt, ist die Anzahl der Glieder samt ihren Fähigkeiten — ermittelt ohne Adressvergabe und ohne Einrichtung. Erst danach fragt die Quelle die Senke nach ihren eigenen Fähigkeiten ab.

Die Kette hat eine Obergrenze: bis zu acht LTTPR dürfen zwischen Quelle und Senke liegen.

Trainiert wird abschnittsweise, von vorn nach hinten

Ohne Repeater handelt eine DisplayPort-Verbindung im Link Training zwischen zwei Beteiligten aus, wie viele Spuren mit welcher Rate laufen. Mit LTTPR wird daraus eine Folge von Verhandlungen: Die Quelle trainiert jeden Repeater vollständig, angefangen beim quellennächsten; zuletzt ist der senkennächste an der Reihe. Ist der durch, trainiert sie zum Schluss die Senke.

Daraus folgt der Satz, der für die Planung zählt: Die Rate der Verbindung ist die des schwächsten Abschnitts. Ein Kabel, das nominell die höchste Übertragungsstufe UHBR20 schafft, hilft nicht, wenn der Abschnitt davor — die Leiterbahn im Rechner, der Übergang in der Dockingstation — die Rate nicht sauber schafft. Und ein Abschnitt kann scheitern, ohne dass der Rest ein Problem hat. Das Verfahren hat es genau so vorgesehen: Ein Fehler bleibt lokal, statt sich über die ganze Strecke zu verteilen.

Warum LTTPR überhaupt eingebaut wird

Der Anlass ist banal und wird trotzdem regelmäßig unterschätzt. Bei 8,1 Gbit/s je Spur verlangt DisplayPort ab etwa zwei Metern Kabellänge ein aktives Kabel mit PHY-Repeatern; ein USB-Type-C-Kabel über einem Meter braucht sie, um seine volle Leistung zu bringen. Das trifft ausgerechnet die Längen, die im Wohn- und Arbeitsbereich normal sind — ein Schreibtischkabel ist zwei Meter lang, weil der Rechner unter dem Tisch steht.

Dazu kommen die Stellen, an denen die Strecke innerhalb eines Geräts lang wird: Dockingstationen und Mini-Docks, in denen das Signal über Leiterbahnen, zwei Steckverbinder und ein weiteres Kabel läuft. Wer eine solche Kette anschaut, sieht schnell mehr als zwei Repeater hintereinander — und versteht, warum die Spezifikation acht zulässt.

VESA hat dem Merkmal inzwischen auch formal Gewicht gegeben: Für die Zertifizierung auf DisplayPort 2.1b muss ein Gerät mindestens die Übertragungsstufe HBR2 und die Kompression DSC beherrschen, dazu mindestens eines von vier wahlweisen Merkmalen: die schnelleren UHBR-Stufen mit 128b/132b-Codierung, AdaptiveSync Secondary Data Packets, LTTPR oder Panel Replay. Ein Gerät kann also auf 2.1b zertifiziert sein, weil es LTTPR unterstützt, und dabei keine einzige UHBR-Stufe beherrschen. Aus der Versionsnummer allein lässt sich die Rate eines Geräts damit nicht ablesen; welche Rate hinter HBR2 und den UHBR-Stufen steht, steht unter DisplayPort.

Häufiges Missverständnis

„Aktiv ist besser als passiv, also nimm im Zweifel das aktive Kabel." Der Satz stimmt für die Reichweite und geht am Rest vorbei. Ein LTTPR verlängert die mögliche Strecke tatsächlich, aber er kauft das mit drei Dingen ein: Er braucht Strom, er ist richtungsgebunden, und er erzeugt eine zusätzliche Verhandlung beim Einschalten, die schiefgehen kann. Ein passives Kabel, das kurz genug ist, hat keinen dieser drei Punkte. Zu fragen ist deshalb zuerst: Ist die Strecke kurz genug für passiv? Wenn ja, ist die Frage nach dem aktiven Kabel schon erledigt — und die einfachere Lösung fällt seltener aus.

Der zweite Irrtum betrifft das Fehlerbild. Ein Bildschirm, der nach dem Aufwachen schwarz bleibt oder erst beim zweiten Ein- und Ausstecken kommt, wird gern als Bandbreitenproblem gedeutet — zu hohe Auflösung, zu schwaches Kabel. Auf einer Strecke mit Repeatern ist es häufiger eine gescheiterte Aushandlung: Ein Abschnitt hat sein Training nicht bestanden, oder die Reihenfolge ist beim Aufwachen aus dem Tritt geraten. Das erkennt man daran, dass dasselbe Gerät mit derselben Auflösung manchmal funktioniert und manchmal nicht. Eine Bandbreitengrenze verhält sich nicht launisch, eine Aushandlung schon.

Und der dritte: die Vorstellung, ein Repeater verstärke Bandbreite. Er fügt nichts hinzu, er hält, was da ist. Kein Repeater der Welt macht aus HBR2 ein UHBR20; er sorgt dafür, dass die ausgehandelte Rate über einen Abschnitt kommt, der sie sonst nicht überstanden hätte.

Nicht zu verwechseln mit

• Redriver: verstärkt und entzerrt das Signal analog, ohne den Takt zurückzugewinnen und ohne sich am Link Training zu beteiligen. Für die Quelle ist er unsichtbar — und damit definitionsgemäß kein LTTPR, denn die Einstellbarkeit im Training ist genau das Merkmal, das den Namen ausmacht.
• HDCP-Repeater: arbeitet auf der Verschlüsselungsschicht und wird in die Schlüsselverwaltung einbezogen. Ein PHY-Repeater hat diese Schicht gar nicht; er ist für HDCP nicht vorhanden.
• MST-Hub oder Branch Device: verteilt mehrere Bildströme aus einem Anschluss auf mehrere Anzeigen — MST steht für Multi-Stream Transport. Das ist eine Aufgabe auf der Protokollebene, kein Auffrischen eines Abschnitts — auch wenn dasselbe Gehäuse beides enthalten kann.
• Extender für HDMI oder HDBaseT: Sender und Empfänger bilden eine eigene Übertragungsstrecke mit eigenem Verfahren, beschrieben unter HDBaseT. Ein LTTPR wechselt das Übertragungsverfahren nicht, er bleibt innerhalb von DisplayPort.
• AOC: ein fertig konfektioniertes aktives Kabel, beschrieben unter AOC und DAC. Ein LTTPR kann in einem solchen Kabel sitzen, aber die Begriffe liegen auf verschiedenen Ebenen — das eine ist eine Bauform, das andere eine Funktion.

In der Planung

Ein Medien-PC steht im Technikschrank, die Anzeige im Raum, dazwischen rund vier Meter über eine bereits verlegte Leerrohrstrecke. Die Quelle gibt DisplayPort aus, die Anzeige nimmt es an — technisch passt es also, und die naheliegende Lösung ist ein vier Meter langes DisplayPort-Kabel mit dem Vermerk „aktiv" im Katalog.

Vor der Kabelwahl steht eine andere Frage: Soll auf dieser Strecke überhaupt DisplayPort liegen? DisplayPort ist eine Schnittstelle der Rechnerwelt und für Verbindungen im Meterbereich entworfen; in der festen Installation ist die Frage meist, ob das Signal am Gerät in ein Verfahren gewandelt wird, das für Gebäudestrecken gemacht ist. Fällt die Entscheidung so, ist LTTPR kein Thema mehr — der Wandler steht neben dem Rechner, und die Strecke dahinter ist eine andere.

Bleibt es bei DisplayPort, stehen passiv und aktiv zur Wahl. Passiv heißt kurz und einfach, und das ist bei vier Metern nur zu haben, wenn die geforderte Rate niedrig genug ist — mit DSC oder einer geringeren Bildwiederholrate kommt man dort weiter, als es die Auflösung vermuten lässt. Aktiv heißt: Auf der Strecke liegen Repeater, die Richtung ist festgelegt, und beim Fehlersuchen kommen zu den beiden Enden noch die Übergänge dazwischen dazu.

Erst danach kommt der Artikel, und dann sind die Fragen kurz: zertifiziert in genau dieser Länge, Richtung an beiden Enden lesbar beschriftet, Steckerkopf passt durch das vorhandene Rohr, und die Repeater-Anzahl notiert für den Fall, dass in drei Jahren jemand einen sporadischen Bildausfall sucht. Dieser letzte Punkt kostet beim Einbau eine Minute und spart bei der Störung einen halben Tag.

Verknüpfte Inhalte

Was DisplayPort als Schnittstelle ausmacht — Spuren, Pakete, UHBR-Stufen, Kabelzertifizierung — steht unter DisplayPort; die Kontaktbelegung und der AUX-Kanal am Stecker unter DisplayPort-Steckverbinder. Das entsprechende Aushandlungsverfahren auf der HDMI-Seite ist unter FRL und TMDS beschrieben. Warum ein Signal über eine Strecke überhaupt unbrauchbar wird und wie sich das messen lässt, behandeln Augendiagramm und Jitter und Taktrückgewinnung. Die Bauform, in der ein Repeater am häufigsten steckt, ist unter AOC und DAC beschrieben.

Quellen

Die Beschreibung des Bauteils, seiner beiden Betriebsarten, des DPCD-Registerbereichs, der Obergrenze von acht Repeatern sowie der Reihenfolge von Erkennung und Training stammt aus einem Foliensatz von Unigraf, einem Hersteller von DisplayPort-Prüfgeräten; die Längenangaben zu aktiven Kabeln ebenfalls. Dass LTTPR eines von vier wahlweisen Merkmalen der DisplayPort-2.1b-Zertifizierung ist, steht in der FAQ von VESA. Der Normtext selbst liegt hinter der Adopter-Mitgliedschaft und wurde nicht eingesehen.