Почему USB имеет 4 строки вместо 3?

Нет, D - не заземлен. Данные отправляются по дифференциальной линии , что означает, что D - является зеркальным отображением D +, поэтому обе строки данных несут сигнал. Приемник вычитает D - из D +. Если какой-либо сигнал шума будет поднят обоими проводами, вычитание отменяет его.

Это дифференциальный (или сбалансированный) сигнал, а не один разовый (неуравновешенный) сигнал.

Это означает, что приемник «измеряет» напряжение между ними, а не между ним и землей.
Скажем, D + находится на 2V, а D - на 1V. Теперь скажите, что провод забирает некоторый внешний шум (RF, сетевой шум и т. Д.). Очень вероятно, что оба кабеля будут получать один и тот же шумовой сигнал, так как они скручены вместе и имеют одинаковый импеданс.
Скажем, мы получаем 50 мВ шума. Итак, теперь D + имеет на нем 2050 мВ, а D- имеет 1050 мВ - разница между ними по-прежнему равна 1V (1000 мВ), и это то, что получатель «увидит».
Если бы это было сделано с помощью кабеля с одним концом, тогда D + (без D-) будет на 1050 мВ, а земля все равно будет равна 0 В, поэтому приемник увидит 1050 мВ.

Это немного упрощает (но понимает основную концепцию) - земля может также поднять некоторый шум (или заставить его начинать с), но из-за несоответствующего сопротивления между ним и сигналом количество шума, поднятого на каждой линии, будет разным, и эта разница будет видна на принимающей стороне. Также он может присутствовать первоначально (например, контур заземления), что является большой проблемой для одноконтактных систем.
Согласование импедансов линий в сбалансированном соединении очень важно для хорошего отклонения общего режима (т. Е. Отклонения сигнала, общего для обоих сигналов), поскольку он работает только в том случае, если обе линии получают ровно столько же шума. Сигналы не должны быть симметричными. Однако шум создается, если он одинаково влияет на оба сигнала, тогда отказ от общего режима будет очень хорошим.

Собственно, это было проверено один раз: Apple Desktop Bus (ADB) использовалась для подключения клавиатур и мышей к компьютерам Apple Macintosh примерно с 1986 года, пока Apple не отбросила его для USB в 1997 году с iMac.

У него было 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 говорила об источнике питания для запуска машины. Это должен был быть собственный провод, поэтому он все еще работал, даже если линия 5 В была выключена.

Кроме того, линия данных несла все ... очень медленно. Шина никогда не продвигалась дальше, не являясь шиной настольного устройства, потому что она имела не только односторонний сигнал, но и ограничения по длине (вы получаете отражения от конца шины, так как она не заканчивается на каждом конце).

Итак, Intel решила использовать дифференциальную сигнализацию для USB. Если вам нужна хорошая идея о том, какая дифференциальная сигнализация покупает вас, сравните производительность в шуме несимметричной шины RS-232 с дифференциальной шиной RS-422. RS-422 может управляться более длинным кабелем с меньшим напряжением источника при заданной частоте ошибок.

Почему это? В длинной версии проходит лекция дня в классе электромагнетизма. Короткий вариант заключается в том, что шумовой сигнал будет вызывать одинаковое напряжение в обоих проводах дифференциальной пары, поэтому компаратор на конце приемника отменяет его (он очень хорошо отказывается от синфазного напряжения). Односторонняя линия не имеет сопоставимой гарантии, поскольку нет гарантии, что линия заземления и сигнальная линия будут получать один и тот же шумовой сигнал; основания могут быть даже подключены через землю шасси, а обратный ток будет проходить совершенно по-разному.

На самом деле много USB имеет 5 строк, а не 4. (5-я строка предназначена для переговоров, кто является ведущим в OTG-приложениях. Обратите внимание, что это ограничивается мини-и микро-USB-разъемами.)

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

Я не могу сказать окончательно, что это рассмотренное только соображение, но это не для заземления, это для отмены EMI. данные +/- провода являются витая пара , несущая дифференциальные сигналы.

Это так же, как в обычном домашнем телефонном шнуре или сетевом кабеле.

D + D-дифференциальный механизм передачи данных принимается для уменьшения затронутого шума, поэтому ширина полосы пропускания может быть значительно увеличена.

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

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

Эта однонаправленная сигнализация делает USB довольно чувствительным к электромагнитным помехам, как те, которые я обнаружил недавно, когда двигатель фена вызывал много разъединений в соседней периферии USB. И никакие фильтры синфазного режима не могут быть эффективно использованы, поскольку они могут ухудшить сигнал SE0 ... Другой хорошо продуманный стандарт ...

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

  

... USB использует дифференциальную пару передачи данных. Это кодируется с использованием NRZI и   бит, заполненный для обеспечения адекватных переходов в потоке данных.

     

...

     

Ресивер определяет дифференциал â € ~ 1, как D + 200mV больше D-, а дифференциал â € ~ 0 как D + 200mV меньше, чем   D-. Полярность сигнала инвертируется в зависимости от скорости шины.