Dlaczego USB ma 4 linie zamiast 3?

USB określa 4 piny:

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

Dlaczego to nie 3? Czy dane i moc nie mogą mieć wspólnego stanowiska? Czy mam rację, rozumiejąc, że D-jest to podstawa D+?

Nie, D-nie ma ziemi. Dane przesyłane są linią różnicową , co oznacza, że D-jest odbiciem lustrzanym D+, więc obie linie danych przenoszą sygnał. Odbiornik odejmuje D-od D+. Jeśli jakiś sygnał szumu zostanie wychwycony przez oba przewody, odjęcie go anuluje.

Różnicowa sygnalizacja pomaga więc tłumić szumy. Podobnie rodzaj okablowania, a mianowicie skrętka . Gdyby druty przebiegały równolegle, tworzyłyby (wąską) pętlę, która mogłaby wychwytywać zakłócenia magnetyczne. Ale dzięki zwrotom orientacja drutów względem pola zmienia się w sposób ciągły. Indukowany prąd zostanie anulowany przez prąd o przeciwnym znaku o pół obrotu dalej.
Załóżmy, że masz zaburzenie działające pionowo na skręcony drut. Każdą połowę skrętu można traktować jako małą pętlę wychwytującą zakłócenia. Wtedy łatwo zauważyć, że następna mała pętla widzi przeciwne pole (że tak powiem) do góry nogami, więc anuluje pierwsze pole. Dzieje się tak dla każdej pary półkrętów.
Podobny efekt równoważenia występuje w przypadku pojemności do ziemi. W parze prostej jeden przewodnik wykazuje wyższą pojemność względem ziemi niż drugi, natomiast w parze skrętnej każdy drut będzie miał tę samą pojemność.

edytuj
Kable z kilkoma skręconymi parami, takimi jak cat5, mają inną długość skrętu dla każdej pary, aby zminimalizować przesłuch.

Jest to sygnał różnicowy (lub zbalansowany), a nie sygnał jednokierunkowy (niezbalansowany).

Oznacza to, że odbiornik „mierzy” napięcie między nimi, a nie między jednym a masą.
Powiedz, że D + jest przy 2 V, a D- jest przy 1 V. Powiedzmy teraz, że drut odbiera pewne szumy zewnętrzne (RF, szum sieci itp.) Jest bardzo prawdopodobne, że oba kable wychwycą ten sam sygnał szumu, ponieważ są skręcone razem i mają tę samą impedancję.
Powiedzmy, że odbieramy 50mV hałasu. Więc teraz D + ma na sobie 2050mV, a D- ma 1050mV - różnica między nimi wynosi jednak nadal 1V (1000mV) i to właśnie odbiornik „zobaczy”.
Gdyby to było zrobione za pomocą kabla z jednym końcem, wówczas D + (bez D-) byłby przy 1050mV, a masa byłaby nadal przy 0V, więc odbiornik widziałby 1050mV.

Jest to trochę przesadne uproszczenie (ale przenosi się na podstawową koncepcję) - ziemia może również wychwytywać hałas (lub mieć go na początku), ale z powodu niedopasowanej impedancji między nim a sygnałem ilość hałasu odebrane na każdej linii będą różne i ta różnica będzie widoczna na końcu odbierającym. Może być również początkowo obecny (np. Pętla uziemienia), co stanowi duży problem w przypadku systemów z jednym końcem.
Dopasowywanie impedancji linii w zbalansowanym połączeniu jest bardzo ważne dla dobrego odrzucenia trybu wspólnego (tj. Odrzucenia sygnału wspólnego dla obu sygnałów), ponieważ działa tylko wtedy, gdy obie linie wychwytują dokładnie taką samą ilość szumu. Sygnały nie muszą być symetryczne. Jednak szum powstaje, o ile jednakowo wpływa na oba sygnały, to odrzucenie trybu wspólnego będzie bardzo dobre.

Właściwie to wypróbowano raz: Apple Desktop Bus (ADB) był używany do łączenia klawiatur i myszy z komputerami Apple Macintosh od około 1986 roku, aż Apple porzucił go na USB w 1997 roku z komputerem iMac.

Miał cztery przewody: 5 V, masę, dane i wyłącznik zasilania. Linia przełącznika zasilania była tylko dla przycisku zasilania na klawiaturze, który łączył linię z ziemią i powiedział zasilaczowi, aby uruchomił maszynę. Musiał to być własny drut, więc nadal działał, nawet jeśli linia 5V była wyłączona.

Poza tym linia danych przenosiła wszystko ... bardzo powoli. Magistrala nigdy tak naprawdę nie wyszła poza magistralę urządzeń stacjonarnych, ponieważ nie tylko miała sygnał single-ended, ale miała ograniczenia długości (odbicia od końca magistrali, ponieważ nie są zakończone na każdym końcu).

Dlatego Intel zdecydował się na zastosowanie sygnalizacji różnicowej dla USB. Jeśli chcesz mieć dobry pomysł na to, co kupuje sygnalizacja różnicowa, porównaj wydajność w hałasie pojedynczej szyny RS-232 z różnicową szyną RS-422. RS-422 może być prowadzony dłuższym kablem o mniejszym napięciu źródłowym przy danym bitowym poziomie błędu.

Dlaczego to? Długa wersja zajmuje całodniowy wykład w klasie elektromagnetyki. Krótka wersja polega na tym, że sygnał szumowy indukuje to samo napięcie w obu przewodach pary różnicowej, więc komparator na końcu odbiornika go anuluje (bardzo dobrze odrzuca napięcie w trybie wspólnym). Pojedyncza linia nie ma porównywalnej gwarancji, ponieważ nie ma gwarancji, że linia uziemiająca i linia sygnałowa będą odbierać ten sam sygnał szumowy; uziemienia mogą być nawet połączone przez uziemienie podwozia, a prąd powrotny będzie przebiegał zupełnie innymi drogami.

W rzeczywistości wiele urządzeń USB ma 5 linii, a nie 4. (Piąta linia służy do negocjacji, kto jest mistrzem w aplikacjach OTG. Uwaga: ogranicza się to do złączy mini i micro USB).

Jak już zauważyli inni, linie D + i D- są parą różnicową. Ponieważ odbiornik może zignorować napięcie w trybie wspólnym, para różnicowa zapewnia lepszą odporność na szum niż pojedynczy sygnał zakończony. Logicznie, linie D + i D- są pojedynczym sygnałem.

Nie mogę definitywnie powiedzieć, że to jedyna uwaga, która się w to wzięła, ale to nie dotyczy uziemienia, ale anulowania EMI. Przez przewody DANYCH +/- są skręcone pary przenoszącym sygnały różnicowe.

Zupełnie jak w typowym domowym kablu telefonicznym lub kablowym.

Mechanizm różnicowej transmisji danych D + D- jest przyjęty w celu zmniejszenia wpływu szumu, dlatego szerokość pasma transmisji może zostać znacznie zwiększona.

Podobnie jak USB, istnieje kilka innych protokołów transmisji, które wykorzystują różnicową warstwę fizyczną. Niektóre przykłady to RS485, Ethernet ...

Ale nawet w przypadku danych różnicowych zdarzają się sytuacje, w których w USB jest używana sygnalizacja single-ended: koniec pakietu jest sygnalizowany przez single-ended-zero (SE0), mianowicie zarówno D +, jak i D- w stanie niskim . Ten stan trwa przez 2 bity. jeśli SE0 trwa dłużej niż 10 ms, oznacza to reset magistrali.

Ta jednoczęściowa sygnalizacja sprawia, że ​​USB jest dość wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, jak te, które ostatnio znalazłem, gdy silnik suszarki do włosów powodował wiele rozłączeń w pobliskim urządzeniu peryferyjnym USB. I nie można skutecznie zastosować filtrów wspólnego trybu, ponieważ mogą one obniżyć sygnał SE0 ... Kolejny dobrze pomyślany standard ...

Beyond Logic ma przegląd zasadniczych punktach części elektrycznej specyfikacją USB tutaj (także w formacie PDF tutaj ):

... USB wykorzystuje różnicową parę transmisji danych. Jest to kodowane przy użyciu NRZI i jest wypychane bitami, aby zapewnić odpowiednie przejścia w strumieniu danych.

...

Odbiornik definiuje różnicę „1” jako D + 200 mV większą niż D- i różnicę „0” jako D + 200 mV mniejszą niż D-. Biegunowość sygnału jest odwrócona w zależności od prędkości magistrali.