Почему USB имеет 4 линии вместо 3?

Нет, D-не грунтован. Данные передаются по дифференциальной линии , что означает, что D-она является зеркальным отражением D+линии , поэтому сигнал передается по обеим линиям данных. Получатель вычитает D-из D+. Если какой-то шумовой сигнал будет улавливаться обоими проводами, вычитание аннулирует его.

Таким образом, дифференциальная передача сигналов помогает подавлять шум. Так же как и тип проводки, а именно витая пара . Если бы провода шли параллельно, они образовали бы (узкую) петлю, которая могла бы улавливать магнитные помехи. Но благодаря скруткам ориентация проводов по отношению к полю постоянно меняется. Наведенный ток будет компенсирован током с противоположным знаком на полвитка дальше.
Предположим, у вас есть возмущение, работающее вертикально на скрученном проводе. Вы можете рассматривать каждый полуоборот как маленькую петлю, улавливающую возмущение. Тогда легко увидеть, что следующий крошечный цикл видит противоположное поле (так сказать, перевернутое), так что первое поле отменяется. Это происходит для каждой пары полувитков.
Аналогичный эффект уравновешивания имеет место для емкости по отношению к земле. В прямой паре один проводник имеет большую емкость по отношению к земле, чем другой, в то время как в витой паре каждый провод имеет одинаковую емкость.

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

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

Это означает, что приемник «измеряет» напряжение между ними, а не между ними и землей.
Скажем, D+ на 2 В, а D- на 1 В. Теперь предположим, что провод улавливает некоторые внешние шумы (РЧ, фон сети и т. д.). Весьма вероятно, что оба кабеля будут улавливать один и тот же шумовой сигнал, поскольку они скручены вместе и имеют одинаковое сопротивление.
Скажем, мы улавливаем 50 мВ шума. Итак, теперь на D+ 2050 мВ, а на D- 1050 мВ - разница между ними все еще составляет 1 В (1000 мВ), и это то, что «увидит» приемник.
Если бы это было сделано с односторонним кабелем, то D+ (без D-) был бы на уровне 1050 мВ, а земля по-прежнему была бы на уровне 0 В, поэтому приемник увидел бы 1050 мВ.

Это немного упрощение (но передает основную концепцию) - земля также может улавливать некоторый шум (или иметь его с самого начала), но из-за несоответствия импеданса между ним и сигналом количество шума полученные на каждой линии будут разными, и эта разница будет видна на принимающей стороне. Также он может присутствовать изначально (например, контур заземления), что является большой проблемой для несимметричных систем.
Согласование импедансов линий при симметричном соединении очень важно для хорошего подавления синфазного сигнала (т. е. подавления сигнала, общего для обоих сигналов), поскольку оно работает только в том случае, если обе линии улавливают одинаковое количество шума. Сигналы не обязательно должны быть симметричными. Однако создается шум, если он одинаково влияет на оба сигнала, подавление синфазного сигнала будет очень хорошим.

На самом деле, это уже пробовали однажды: шина Apple Desktop Bus (ADB) использовалась для подключения клавиатур и мышей к компьютерам Apple Macintosh примерно с 1986 года, пока Apple не отказалась от нее в пользу USB в 1997 году с iMac.

У него было четыре провода: 5 В, земля, данные и выключатель питания. Линия выключателя питания предназначалась только для кнопки питания на клавиатуре, которая соединяла линию с землей и сообщала источнику питания запустить машину. Это должен был быть отдельный провод, поэтому он все еще работал, даже если линия 5 В была отключена.

Кроме этого, линия передачи данных передавала все... очень медленно. Шина так и не вышла за пределы шины для настольных устройств, потому что она не только имела несимметричный сигнал, но и имела ограничения по длине (вы получаете отражения от конца шины, поскольку она не имеет оконечной нагрузки на каждом конце).

Поэтому Intel решила использовать дифференциальную сигнализацию для USB. Если вы хотите получить хорошее представление о том, что дает вам дифференциальная сигнализация, сравните шумовые характеристики несимметричной шины RS-232 и дифференциальной шины RS-422. RS-422 может передаваться по более длинному кабелю с меньшим напряжением источника при заданной частоте битовых ошибок.

Почему это? Длинная версия занимает дневную лекцию в классе электромагнетизма. Короткая версия заключается в том, что шумовой сигнал индуцирует одинаковое напряжение в обоих проводах дифференциальной пары, поэтому компаратор на стороне приемника компенсирует его (он очень хорошо подавляет синфазное напряжение). Несимметричная линия не имеет сопоставимой гарантии, поскольку нет гарантии, что линия заземления и сигнальная линия будут принимать один и тот же шумовой сигнал; заземление может быть даже подключено через заземление шасси, и обратный ток пойдет по совершенно другим путям.

На самом деле многие USB имеют 5 линий, а не 4. (5-я линия предназначена для согласования того, кто является ведущим в приложениях OTG. Обратите внимание, что это ограничено разъемами mini и micro USB.)

Как уже указывали другие, линии D+ и D- представляют собой дифференциальную пару. Поскольку приемник может игнорировать синфазное напряжение, дифференциальная пара обеспечивает лучшую помехоустойчивость, чем несимметричный сигнал. Логически линии D+ и D- являются одним сигналом.

Я не могу с уверенностью сказать, что это единственное соображение, которое учитывалось, но это не заземление, а подавление электромагнитных помех. Провода данных +/- представляют собой витую пару , по которой проходят дифференциальные сигналы.

Он такой же, как в обычном бытовом телефонном или сетевом кабеле.

Механизм дифференциальной передачи данных D+ D- используется для снижения уровня шума, поэтому пропускная способность передачи может быть значительно увеличена.

Как и USB, существует несколько других протоколов передачи, использующих дифференциальный физический уровень. Некоторые примеры: RS485, Ethernet...

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

Эта несимметричная сигнализация делает USB довольно чувствительным к электромагнитным помехам, подобным тем, которые я обнаружил недавно, когда двигатель фена вызывал много отключений в ближайшем периферийном USB-устройстве. И никакие синфазные фильтры не могут быть эффективно использованы, потому что они могут ухудшить сигнал SE0... Еще один хорошо продуманный стандарт...

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

... USB использует дифференциальную пару для передачи данных. Это кодируется с использованием NRZI и заполняется битами, чтобы обеспечить адекватные переходы в потоке данных.

...

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