Почему у USB 4 линии вместо 3?

USB определяет 4 контакта:

1.   VBUS   +5V
2.   D-     Data-
3.   D+     Data+
4.   GND    Ground

Почему это не 3? Могут ли Данные и Власть не разделить общую почву? Правильно ли я понимаю, для чего D-это основание D+?

Нет, D-это не земля. Данные передаются по дифференциальной линии , что означает, что D-это зеркальное отображение D+, поэтому обе строки данных передают сигнал. Получатель вычитает D-из D+. Если какой-либо шумовой сигнал будет воспринят обоими проводами, вычитание отменит его.

Таким образом, дифференциальная сигнализация помогает подавить шум. Так же как и тип проводки, а именно витая пара . Если бы провода проходили параллельно, они образовали бы (узкую) петлю, которая могла бы улавливать магнитные помехи. Но благодаря поворотам ориентация проводов относительно поля постоянно меняется. Индуцированный ток будет отменен током с противоположным знаком на пол-оборота дальше.
Предположим, у вас есть помехи, работающие вертикально на витой проволоке. Вы можете рассматривать каждую половину закрутки как маленькую петлю, улавливающую возмущение. Тогда легко увидеть, что следующий крошечный цикл видит противоположное поле (так сказать, вверх ногами), так что первое поле отменяется. Это происходит для каждой пары половинных поворотов.
Подобный эффект уравновешивания происходит для емкости к земле. В прямой паре один проводник показывает более высокую емкость относительно земли, чем другой, в то время как в витой паре каждый провод будет иметь одинаковую емкость.

edit
Кабели с несколькими витыми парами, такими как cat5, имеют разную длину скручивания для каждой пары, чтобы минимизировать перекрестные помехи.

Это дифференциальный (или сбалансированный) сигнал, а не несимметричный (несимметричный) сигнал.

Это означает, что приемник «измеряет» напряжение между ними, а не между ним и землей.
Скажем, D + на 2В, а D- на 1В. Теперь предположим, что провод воспринимает некоторый внешний шум (РЧ, сетевой шум и т. Д.) Очень вероятно, что оба кабеля будут воспринимать один и тот же шумовой сигнал, поскольку они скручены вместе и имеют одинаковое сопротивление.
Скажем, мы подхватили 50 мВ шума. Так что теперь D + имеет 2050 мВ, а D- имеет 1050 мВ - разница между ними по-прежнему составляет 1 В (1000 мВ), и это то, что «увидит» приемник.
Если бы это было сделано с помощью одножильного кабеля, то D + (без D-) был бы на 1050 мВ, а заземление все равно было бы на 0 В, поэтому приемник будет видеть 1050 мВ.

Это немного упрощает (но передает основную концепцию) - земля может также воспринимать некоторый шум (или иметь его для начала), но из-за несовпадающего импеданса между ним и сигналом количество шума выбранный на каждой линии будет отличаться, и эта разница будет видна на принимающей стороне. Также он может присутствовать изначально (например, контур заземления), что является большой проблемой для несимметричных систем.
Сопоставление импедансов линий в сбалансированном соединении очень важно для хорошего подавления синфазного сигнала (то есть отклонения сигнала, общего для обоих сигналов), поскольку оно работает только в том случае, если обе линии воспринимают одинаковое количество шума. Сигналы не должны быть симметричными. Однако шум создается, если он одинаково влияет на оба сигнала, тогда подавление синфазного сигнала будет очень хорошим.

Фактически, это было опробовано однажды: шина Apple Desktop Bus (ADB) использовалась для подключения клавиатур и мышей к компьютерам Apple Macintosh примерно с 1986 года, пока в 1997 году Apple не подключила его к USB для iMac.

Он имел четыре провода: 5 В, земля, данные и выключатель питания. Линия выключателя питания была предназначена только для кнопки питания на клавиатуре, которая соединяла линию с землей и сообщала блоку питания о запуске машины. Это должен был быть собственный провод, чтобы он работал, даже если линия 5 В была отключена.

Кроме этого, линия передачи данных несла все ... очень медленно. Шина на самом деле никогда не развивалась, за исключением того, что она была шиной настольного устройства, потому что у нее был не только односторонний сигнал, но и ограничения по длине (вы получаете отражения от конца шины, поскольку она не заканчивается на каждом конце).

Поэтому Intel решила использовать дифференциальную сигнализацию для USB. Если вы хотите получить четкое представление о том, какую дифференциальную сигнализацию вы покупаете, сравните производительность по шуму несимметричной шины RS-232 с дифференциальной шиной RS-422. RS-422 может управляться по более длинному кабелю с меньшим напряжением источника с заданной частотой ошибок по битам.

Почему это? Длинная версия занимает дневную лекцию в классе электромагнетизма. Короткая версия состоит в том, что шумовой сигнал будет индуцировать одинаковое напряжение в обоих проводах дифференциальной пары, поэтому компаратор на стороне приемника подавляет его (он очень хорошо отклоняет синфазное напряжение). На несимметричную линию нет сопоставимой гарантии, поскольку нет гарантии, что линия заземления и сигнальная линия будут воспринимать один и тот же шумовой сигнал; заземления могут быть даже подключены через заземление шасси, и обратный ток будет проходить по совершенно другим маршрутам

На самом деле у большого количества USB есть 5 линий, а не 4. (5-ая строка предназначена для согласования того, кто является мастером в приложениях OTG. Обратите внимание, что это ограничено разъемами mini и micro USB.)

Как уже отмечали другие, линии D + и D- являются дифференциальной парой. Поскольку приемник может игнорировать синфазное напряжение, дифференциальная пара обеспечивает лучшую помехоустойчивость, чем односторонний сигнал. Логически, D + и D- линии представляют собой один сигнал.

Я не могу сказать однозначно, что это единственное соображение, которое вошло в это, но это не для обоснования, это для отмены EMI. Data +/- провод являются витой парой , несущей дифференциальных сигналы.

Это как в обычном домашнем телефонном кабеле или сетевом кабеле.

Дифференциальный механизм передачи данных D + D- используется для уменьшения влияния шума, следовательно, ширина полосы передачи может быть значительно увеличена.

Как и USB, есть несколько других протоколов передачи, которые используют дифференциальный физический уровень. Некоторые примеры RS485, Ethernet ...

Но, даже с дифференциальными данными, бывают случаи, когда в USB используется односторонняя сигнализация: конец пакета сигнализируется нулем с нулевым концом (SE0), а именно D + и D- в низком состоянии , Это состояние длиться 2 бита. если SE0 длится более 10 мс, это означает сброс шины.

Эта несимметричная сигнализация делает USB весьма чувствительным к электромагнитным помехам, как те, которые я обнаружил недавно, когда двигатель фена вызывал много отключений в соседней периферии USB. И никакие синфазные фильтры не могут быть эффективно использованы, потому что они могут ухудшить сигнал SE0 ... Еще один хорошо продуманный стандарт ...

Beyond Logic имеет обзор основных моментов электрической части спецификации USB здесь (также в формате PDF здесь ):

... USB использует пару дифференциальных данных для передачи данных. Это кодируется с использованием NRZI и содержит биты для обеспечения адекватных переходов в потоке данных.

...

Приемник определяет дифференциал «1» как D + 200 мВ больше, чем D-, а дифференциал «0» как D + 200 мВ меньше, чем D-. Полярность сигнала инвертируется в зависимости от скорости шины.