Perché USB ha 4 linee invece di 3?

USB specifica 4 pin:

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

Perché questo non è 3? I dati e il potere non potrebbero condividere un terreno comune? Ho ragione nel capire che D-è il terreno per D+?

No, D-non è terreno. I dati vengono inviati su una linea differenziale , il che significa che D-è un'immagine speculare di D+, quindi entrambe le linee di dati trasportano il segnale. Il ricevitore sottrae D-da D+. Se un segnale di rumore viene rilevato da entrambi i fili, la sottrazione lo annullerà.

Quindi la segnalazione differenziale aiuta a sopprimere il rumore. Lo stesso vale per il tipo di cablaggio, vale a dire la coppia twistata . Se i fili corressero paralleli formerebbero un anello (stretto) che potrebbe captare interferenze magnetiche. Ma grazie ai colpi di scena l'orientamento dei fili rispetto al campo cambia continuamente. Una corrente indotta verrà annullata da una corrente con il segno opposto a mezzo giro in più.
Supponiamo che tu abbia un disturbo che lavora verticalmente sul filo intrecciato. Potresti considerare ogni mezzo giro come un piccolo anello che raccoglie il disturbo. Quindi è facile vedere che il prossimo piccolo ciclo vede il campo opposto (sottosopra, per così dire), in modo che annulli il primo campo. Questo accade per ogni coppia di mezze torsioni.
Un simile effetto di bilanciamento si verifica per la capacità a terra. In una coppia diritta un conduttore mostra una capacità di terra maggiore rispetto all'altro, mentre in una coppia attorcigliata ogni filo mostrerà la stessa capacità.

modifica I
cavi con più coppie intrecciate come cat5 hanno una lunghezza di torsione diversa per ciascuna coppia per ridurre al minimo la diafonia.

È un segnale differenziale (o bilanciato), piuttosto che un segnale a terminazione singola (non bilanciato).

Ciò significa che il ricevitore "misura" la tensione tra loro, piuttosto che tra una e la terra.
Dì che D + è a 2V e D- è a 1V. Ora supponiamo che il filo raccolga del rumore esterno (RF, ronzio di rete, ecc.) È molto probabile che entrambi i cavi raccolgano lo stesso segnale acustico poiché sono intrecciati insieme e della stessa impedenza.
Supponiamo di captare 50 mV di rumore. Quindi ora D + ha 2050mV e D- ha 1050mV - la differenza tra loro è comunque 1V (1000mV), e questo è ciò che il ricevitore "vedrà".
Se ciò fosse stato fatto con un cavo a terminazione singola, allora D + (no D-) sarebbe a 1050mV e la terra sarebbe ancora a 0V, quindi il ricevitore vedrebbe 1050mV.

Questo è un po 'una semplificazione eccessiva (ma fa passare il concetto di base) - il terreno potrebbe anche raccogliere un po' di rumore (o averlo presente per iniziare), ma a causa dell'impedenza non corrispondente tra esso e il segnale la quantità di rumore raccolto su ogni riga sarà diverso e questa differenza sarà vista alla fine della ricezione. Inoltre, potrebbe essere presente inizialmente (ad es. Ground loop), il che rappresenta un grosso problema per i sistemi single ended.
La corrispondenza delle impedenze delle linee in una connessione bilanciata è molto importante per un buon rifiuto del modo comune (cioè il rifiuto del segnale comune ad entrambi i segnali) poiché funziona solo se entrambe le linee raccolgono esattamente la stessa quantità di rumore. I segnali non devono essere simmetrici. Tuttavia, il rumore viene creato, purché influisca su entrambi i segnali allo stesso modo, il rifiuto della modalità comune sarà molto buono.

In realtà, è stato provato una volta: l'Apple Desktop Bus (ADB) è stato utilizzato per collegare tastiere e mouse ai computer Apple Macintosh dal 1986 circa fino a quando Apple non ha abbandonato USB nel 1997 con iMac.

Aveva quattro fili: 5 V, terra, dati e interruttore di alimentazione. La linea dell'interruttore di alimentazione era solo per il pulsante di accensione sulla tastiera, che collegava la linea a terra e diceva all'alimentatore di avviare la macchina. Doveva essere un filo proprio, quindi funzionava anche se la linea 5V era spenta.

A parte questo, la linea di dati trasportava tutto ... molto lentamente. Il bus non è mai realmente progredito oltre ad essere un bus del dispositivo desktop perché non solo aveva un segnale single-ended, ma aveva limiti di lunghezza (si ottengono riflessi dalla fine del bus, poiché non è terminato ad ogni estremità).

Quindi Intel ha deciso di utilizzare la segnalazione differenziale per USB. Se vuoi avere una buona idea di quale segnale differenziale ti compra, confronta le prestazioni in termini di rumore del bus RS-232 single-ended con il bus differenziale RS-422. RS-422 può essere pilotato su un cavo più lungo con meno tensione di alimentazione a un determinato tasso di errore bit.

Perchè è questo? La versione lunga prende una lezione di un giorno in classe elettromagnetica. La versione breve è che un segnale di rumore indurrà la stessa tensione in entrambi i fili di una coppia differenziale, quindi il comparatore all'estremità del ricevitore lo annulla (rifiuta molto bene la tensione di modo comune). Una linea single-ended non ha garanzie comparabili, dal momento che non esiste alcuna garanzia che la linea di terra e la linea di segnale captino lo stesso segnale di rumore; i motivi potrebbero anche essere collegati tramite terra del telaio e la corrente di ritorno prenderà percorsi completamente diversi.

In realtà un sacco di USB ha 5 linee, non 4. (La 5a linea è per negoziare chi è il padrone delle applicazioni OTG. Nota che questo è limitato ai connettori mini e micro USB.)

Come altri hanno già sottolineato, le linee D + e D- sono una coppia differenziale. Poiché un ricevitore può ignorare la tensione di modo comune, una coppia differenziale fornisce una migliore immunità al rumore rispetto a un segnale a terminazione singola. Logicamente, le linee D + e D- sono un singolo segnale.

Non posso dire definitivamente che questa è l' unica considerazione che è stata presa in considerazione, ma non è per la messa a terra, è per la cancellazione dell'IME. I cavi dati +/- sono doppini intrecciati che trasportano segnali differenziali.

È proprio come se lo avessi trovato in un tipico cavo telefonico domestico o cavo di rete.

Il meccanismo di trasmissione dati D + D- differenziale è adottato per ridurre il rumore interessato, quindi la larghezza di banda della trasmissione può essere notevolmente aumentata.

Come USB ci sono molti altri protocolli di trasmissione che utilizzano un livello fisico differenziale. Alcuni esempi sono RS485, Ethernet ...

Ma, anche con dati differenziali, ci sono momenti in cui viene utilizzata la segnalazione single-ended nell'USB: la fine del pacchetto viene segnalata con uno zero singolo (SE0), vale a dire sia D + che D- in stato basso . Questo stato dura il tempo di 2 bit. se SE0 dura per più di 10ms significa che un bus viene ripristinato.

Questo segnale single-ended rende l'USB abbastanza sensibile alle interferenze elettromagnetiche, come quelle che ho trovato di recente quando un motore per asciugacapelli stava causando molte disconnessioni in una periferica USB vicina. E nessun filtro di modo comune può essere utilizzato in modo efficace perché può degradare il segnale SE0 ... Un altro standard ben concepito ...

Beyond Logic ha una panoramica dei punti essenziali della parte elettrica delle specifiche USB qui (anche in formato PDF qui ):

... USB utilizza una coppia di trasmissione differenziale per i dati. Questo è codificato usando NRZI ed è un po 'imbottito per garantire transizioni adeguate nel flusso di dati.

...

Il ricevitore definisce un differenziale '1' come D + 200mV maggiore di D- e un differenziale '0' come D + 200mV inferiore a D-. La polarità del segnale viene invertita in base alla velocità del bus.