¿Por qué el USB tiene 4 líneas en lugar de 3?

USB especifica 4 pines:

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

¿Por qué esto no es 3? ¿Podrían los Datos y el Poder no compartir un terreno común? ¿Estoy en lo correcto al entender que D-es la base D+?

No, D-no es tierra. Los datos se envían a través de una línea diferencial , lo que significa que D-es una imagen especular de D+, por lo que ambas líneas de datos llevan la señal. El receptor resta D-de D+. Si ambos cables captaran alguna señal de ruido, la resta la cancelará.

Entonces, la señalización diferencial ayuda a suprimir el ruido. También lo hace el tipo de cableado, a saber, el par trenzado . Si los cables corrieran en paralelo, formarían un bucle (estrecho) que podría captar interferencias magnéticas. Pero gracias a los giros, la orientación de los cables con respecto al campo cambia continuamente. Una corriente inducida será cancelada por una corriente con el signo opuesto medio giro más.
Suponga que tiene una perturbación trabajando verticalmente en el cable trenzado. Podrías considerar cada medio giro como un pequeño bucle que detecta la perturbación. Entonces es fácil ver que el siguiente bucle pequeño ve el campo opuesto (al revés, por así decirlo), de modo que cancela el primer campo. Esto sucede para cada par de medias vueltas.
Se produce un efecto de equilibrio similar para la capacitancia a tierra. En un par recto, un conductor muestra una capacitancia a tierra más alta que el otro, mientras que en un par trenzado cada cable mostrará la misma capacitancia.

editar Los
cables con varios pares trenzados como cat5 tienen una longitud de giro diferente para cada par para minimizar la diafonía.

Es una señal diferencial (o balanceada), en lugar de una señal de un solo extremo (no balanceada).

Esto significa que el receptor "mide" el voltaje entre ellos, en lugar de entre uno y tierra.
Digamos que D + está a 2V, y D- está a 1V. Ahora supongamos que el cable capta algo de ruido externo (RF, zumbido de red, etc.). Es muy probable que ambos cables capten la misma señal de ruido ya que están unidos y tienen la misma impedancia.
Digamos que recogemos 50mV de ruido. Así que ahora D + tiene 2050mV y D- tiene 1050mV; sin embargo, la diferencia entre ellos sigue siendo 1V (1000mV), y esto es lo que el receptor "verá".
Si esto se hubiera hecho con un cable de un solo extremo, entonces D + (sin D-) estaría a 1050mV, y la tierra aún estaría a 0V, por lo que el receptor vería 1050mV.

Esto es una simplificación excesiva (pero transmite el concepto básico): el suelo también podría captar algo de ruido (o tenerlo presente para comenzar), pero debido a la impedancia no coincidente entre él y la señal, la cantidad de ruido recogido en cada línea será diferente y esta diferencia se verá en el extremo receptor. También puede estar presente inicialmente (por ejemplo, bucle de tierra), que es un gran problema para los sistemas de un solo extremo.
Hacer coincidir las impedancias de las líneas en una conexión equilibrada es muy importante para un buen rechazo del modo común (es decir, el rechazo de la señal común a ambas señales), ya que solo funciona si ambas líneas captan exactamente la misma cantidad de ruido. Las señales no tienen que ser simétricas. Sin embargo, el ruido se crea, siempre que afecte ambas señales por igual, entonces el rechazo en modo común será muy bueno.

En realidad, eso se intentó una vez: el Apple Desktop Bus (ADB) se usó para conectar teclados y ratones a las computadoras Apple Macintosh desde 1986 hasta que Apple lo abandonó para USB en 1997 con el iMac.

Tenía cuatro cables: 5V, tierra, datos e interruptor de encendido. La línea del interruptor de encendido era solo para el botón de encendido del teclado, que conectaba la línea a tierra y le indicaba a la fuente de alimentación que iniciara la máquina. Tenía que ser su propio cable, por lo que aún funcionaba incluso si la línea de 5V estaba apagada.

Aparte de eso, la línea de datos llevaba todo ... muy lentamente. El bus realmente nunca progresó más allá de ser un bus de dispositivo de escritorio porque no solo tenía una señal de un solo extremo, sino que también tenía límites de longitud (obtienes reflejos desde el extremo del bus, ya que no está terminado en cada extremo).

Entonces Intel decidió usar la señalización diferencial para USB. Si desea una buena idea de lo que le compra la señalización diferencial, compare el rendimiento en ruido del bus RS-232 de extremo único con el bus RS-422 diferencial. RS-422 se puede conducir a través de un cable más largo con menos voltaje de fuente a una tasa de error de bits dada.

¿Por qué es esto? La versión larga toma una conferencia de un día en la clase de electromagnetismo. La versión corta es que una señal de ruido inducirá el mismo voltaje en ambos cables de un par diferencial, por lo que el comparador en el extremo del receptor lo cancela (rechaza muy bien el voltaje de modo común). Una línea de un solo extremo no tiene una garantía comparable, ya que no hay garantía de que la línea de tierra y la línea de señal capten la misma señal de ruido; incluso se puede conectar a tierra a través del chasis y la corriente de retorno tomará rutas completamente diferentes.

En realidad, una gran cantidad de USB tiene 5 líneas, no 4. (La quinta línea es para negociar quién es el maestro en las aplicaciones OTG. Tenga en cuenta que esto se limita a los conectores mini y micro USB).

Como otros ya han señalado, las líneas D + y D- son un par diferencial. Como un receptor puede ignorar el voltaje de modo común, un par diferencial proporciona una mejor inmunidad al ruido que una señal de un solo extremo. Lógicamente, las líneas D + y D- son una sola señal.

No puedo decir definitivamente que esta es la única consideración que se incluyó, pero eso no es para poner a tierra, es para la cancelación de EMI. Los cables de datos +/- son pares trenzados que transportan señales diferenciales.

Es exactamente como lo encontraría en un cable de teléfono doméstico o cable de red típico.

El mecanismo de transmisión de datos diferenciales D + D- se adopta para reducir el ruido afectado, por lo tanto, el ancho de banda de la transmisión se puede aumentar considerablemente.

Al igual que USB, hay varios otros protocolos de transmisión que usan capa física diferencial. Algunos ejemplos son RS485, Ethernet ...

Pero, incluso con datos diferenciales, hay momentos en los que se utiliza la señalización de un solo extremo en el USB: el final del paquete se señala con un cero de un solo extremo (SE0), es decir, tanto D + como D- en estado bajo . Este estado dura el tiempo de 2 bits. Si SE0 dura más de 10 ms, significa un reinicio del bus.

Esta señalización de un solo extremo hace que el USB sea bastante sensible a las interferencias electromagnéticas, como las que encontré recientemente cuando un motor de secador de cabello estaba causando muchas desconexiones en un periférico USB cercano. Y no se pueden usar efectivamente filtros de modo común porque pueden degradar la señal SE0 ... Otro estándar bien concebido ...

Beyond Logic tiene una descripción general de los puntos esenciales de la parte eléctrica de la especificación USB aquí (también en formato PDF aquí ):

... USB utiliza un par de transmisión diferencial para datos. Esto se codifica utilizando NRZI y se rellena un poco para garantizar transiciones adecuadas en el flujo de datos.

...

El receptor define un diferencial '1' como D + 200mV mayor que D- y un diferencial '0' como D + 200mV menor que D-. La polaridad de la señal se invierte dependiendo de la velocidad del bus.