ทำไม USB ถึงมี 4 สายแทน 3

USB ระบุ 4 พิน:

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

ทำไมนี่ไม่ใช่ 3 Data และ Power ไม่สามารถใช้พื้นที่ร่วมกันได้หรือไม่? ฉันถูกต้องในการทำความเข้าใจที่D-เป็นพื้นเพื่อD+?

ไม่D-ไม่ได้เป็นสายดิน ข้อมูลจะถูกส่งผ่านเส้นที่แตกต่างกันซึ่งหมายความว่าD-เป็นภาพสะท้อนของD+ดังนั้นเส้นข้อมูลทั้งสองจะส่งสัญญาณ รับหักจากD- D+หากสายสัญญาณทั้งคู่มีสัญญาณเสียงรบกวนการลบจะถูกยกเลิก

การส่งสัญญาณที่แตกต่างกันช่วยลดเสียงรบกวน ดังนั้นชนิดของสายไฟคือคู่บิด หากสายไฟวิ่งขนานกันพวกมันจะสร้างวง (แคบ) ซึ่งสามารถรับสัญญาณรบกวนจากแม่เหล็กได้ แต่ต้องขอบคุณการบิดตัวของสายไฟที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสนามอย่างต่อเนื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถูกยกเลิกโดยกระแสไฟฟ้าที่มีเครื่องหมายตรงข้ามเพิ่มขึ้นอีกครึ่งหนึ่ง
สมมติว่าคุณมีการรบกวนการทำงานในแนวตั้งบนลวดบิด คุณสามารถพิจารณาการบิดแต่ละครึ่งเป็นวงเล็ก ๆ ยกระดับการรบกวน จากนั้นมันง่ายที่จะเห็นว่าลูปเล็ก ๆ ถัดไปจะเห็นฟิลด์ตรงกันข้าม (กลับหัวลงเพื่อพูด) ดังนั้นจึงยกเลิกฟิลด์แรก สิ่งนี้เกิดขึ้นสำหรับแต่ละคู่ครึ่งบิด
เอฟเฟ็กต์การทรงตัวที่คล้ายกันเกิดขึ้นสำหรับความจุถึงพื้น ในตัวนำคู่ตรงตัวนำหนึ่งแสดงความจุที่สูงกว่ากับดินอื่น ๆ ในขณะที่คู่บิดแต่ละเส้นลวดจะแสดงความจุเดียวกัน

แก้ไข
สายเคเบิลที่มีคู่บิดหลายคู่เช่น cat5 มีความยาวการบิดที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละคู่เพื่อลด crosstalk

เป็นสัญญาณที่แตกต่าง (หรือสมดุล) แทนที่จะเป็นสัญญาณเดียวจบ (ไม่สมดุล)

ซึ่งหมายความว่าผู้รับ "วัด" แรงดันไฟฟ้าระหว่างพวกเขามากกว่าระหว่างหนึ่งและพื้นดิน
พูดว่า D + อยู่ที่ 2V และ D- อยู่ที่ 1V ทีนี้สมมติว่าลวดดึงสัญญาณรบกวนจากภายนอก (RF, mains hum, ฯลฯ ) เป็นไปได้มากว่าทั้งสองสายจะรับสัญญาณเสียงเดียวกันเนื่องจากพวกมันถูกบิดเข้าหากันและมีอิมพีแดนซ์เดียวกัน
สมมติว่าเรารับเสียง 50mV ดังนั้นตอนนี้ D + จะมี 2050mV และ D- มี 1,050mV - ความแตกต่างระหว่างพวกเขายังคงเป็น 1V (1000mV) และนี่คือสิ่งที่ผู้รับจะเห็น "
หากสิ่งนี้ถูกทำกับสายเคเบิลสิ้นสุดเดียวแล้ว D + (ไม่มี D-) จะอยู่ที่ 1,050mV และพื้นดินจะยังคงอยู่ที่ 0V ดังนั้นผู้รับจะเห็น 1,050mV

นี่เป็นบิตของการทำให้เข้าใจง่าย (แต่มีแนวคิดพื้นฐานข้าม) - พื้นดินอาจรับเสียงรบกวน (หรือให้เริ่มต้นด้วย) แต่เนื่องจากอิมพิแดนซ์ที่ไม่ตรงกันระหว่างมันกับสัญญาณปริมาณเสียงรบกวน หยิบขึ้นมาในแต่ละบรรทัดจะแตกต่างกันและความแตกต่างนี้จะเห็นได้ในตอนท้ายที่ได้รับ นอกจากนี้ยังอาจมีอยู่ในขั้นต้น (เช่นกราวด์ลูป) ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่สำหรับระบบที่สิ้นสุดเพียงครั้งเดียว
การจับคู่อิมพีแดนซ์ของเส้นในการเชื่อมต่อที่สมดุลเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการปฏิเสธโหมดทั่วไปที่ดี (เช่นการปฏิเสธสัญญาณที่ใช้ร่วมกันกับสัญญาณทั้งสอง) เนื่องจากมันทำงานเฉพาะเมื่อทั้งสองสายจับเสียงในปริมาณเท่ากัน สัญญาณไม่จำเป็นต้องสมมาตร อย่างไรก็ตามเสียงถูกสร้างขึ้นตราบใดที่มันมีผลต่อสัญญาณทั้งสองเท่า ๆ กันแล้วการปฏิเสธโหมดทั่วไปจะดีมาก

ที่จริงแล้วลองครั้งเดียว: Apple Desktop Bus (ADB) ถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อแป้นพิมพ์และเมาส์กับคอมพิวเตอร์ Apple Macintosh จากประมาณปี 1986 จนกระทั่ง Apple ได้ทิ้ง USB ในปี 1997 กับ iMac

มันมีสี่สาย: 5V พื้นข้อมูลและสวิตช์ไฟ บรรทัดสวิตช์เปิดปิดเป็นเพียงปุ่มเปิดปิดบนแป้นพิมพ์ซึ่งเชื่อมต่อสายกับพื้นและบอกแหล่งจ่ายไฟเพื่อเปิดเครื่อง มันต้องเป็นสายของตัวเองดังนั้นมันจึงยังใช้งานได้แม้ว่าสาย 5V จะปิด

นอกจากนั้นสายดาต้าดำเนินการทุกอย่าง ... ช้ามาก รถบัสไม่เคยก้าวหน้าเกินกว่าจะเป็นบัสบนอุปกรณ์เดสก์ท็อปเพราะมันไม่ได้มีเพียงสัญญาณเดียว แต่มีความยาว จำกัด (คุณได้รับการสะท้อนออกที่ส่วนท้ายของรถบัสเนื่องจากมันไม่ได้ถูกยกเลิกที่ปลายแต่ละด้าน)

ดังนั้น Intel จึงตัดสินใจใช้การส่งสัญญาณอนุพันธ์สำหรับ USB หากคุณต้องการความคิดที่ดีว่าการส่งสัญญาณต่างกันซื้อคุณให้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวนของบัส RS-232 แบบปลายเดียวกับบัส RS-422 ที่แตกต่างกัน RS-422 สามารถขับเคลื่อนผ่านสายเคเบิลที่ยาวกว่าโดยมีแรงดันแหล่งจ่ายน้อยลงในอัตราข้อผิดพลาดบิตที่กำหนด

ทำไมนี้ รุ่นยาวใช้เวลาหนึ่งวันในการบรรยายในวิชาแม่เหล็กไฟฟ้า รุ่นสั้นคือสัญญาณเสียงจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเดียวกันในทั้งสองสายของคู่ที่ต่างกันดังนั้นตัวเปรียบเทียบที่ตัวรับจะยกเลิกมันออก (มันจะปฏิเสธแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปได้เป็นอย่างดี) บรรทัดเดียวจบไม่มีการรับประกันที่เปรียบเทียบได้เนื่องจากไม่มีการรับประกันว่าสายกราวด์และสายสัญญาณจะรับสัญญาณเสียงเดียวกัน บริเวณอาจเชื่อมต่อผ่านกราวด์ของแชสซีและกระแสไฟไหลกลับจะใช้เส้นทางที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง

อันที่จริงแล้ว USB จำนวนมากมี 5 สายไม่ใช่ 4 (บรรทัดที่ 5 ใช้สำหรับเจรจาต่อรองว่าใครเป็นผู้เชี่ยวชาญในแอปพลิเคชั่น OTG โปรดทราบว่าข้อ จำกัด นี้มีไว้สำหรับช่องเสียบ mini และ micro USB)

ตามที่คนอื่น ๆ ได้ชี้ให้เห็นแล้วเส้น D + และ D- เป็นคู่ที่ต่างกัน เนื่องจากผู้รับสามารถเพิกเฉยต่อแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปคู่ต่างให้ภูมิคุ้มกันเสียงที่ดีกว่าสัญญาณสิ้นสุดเดียว ตามหลักเหตุผลเส้น D + และ D- เป็นสัญญาณเดียว

ฉันไม่สามารถบอกได้อย่างชัดเจนว่านี่เป็นข้อพิจารณาเดียวที่เข้ามา แต่นั่นไม่ใช่เพื่อการลงดิน แต่สำหรับการยกเลิก EMI ข้อมูล +/- สายจะบิดคู่แบกค่าสัญญาณ

มันเหมือนกับที่คุณพบในสายโทรศัพท์บ้านทั่วไปหรือสายเคเบิลเครือข่าย

กลไกการรับส่งข้อมูล D + D- แตกต่างกันถูกนำมาใช้เพื่อลดเสียงรบกวนที่ได้รับดังนั้นแบนด์วิธของการส่งสัญญาณสามารถเพิ่มขึ้นอย่างมาก

เช่นเดียวกับ USB มีโปรโตคอลการส่งอื่น ๆ ที่ใช้ชั้นกายภาพที่แตกต่างกัน ตัวอย่างบางส่วนคือ RS485, Ethernet ...

แต่ถึงแม้จะมีข้อมูลที่แตกต่างกันก็มีบางครั้งที่การส่งสัญญาณแบบปลายเดี่ยวใช้ใน USB: จุดสิ้นสุดของแพ็กเก็ตถูกส่งสัญญาณด้วย single-end-zero (SE0) นั่นคือทั้ง D + และ D- ในสภาวะต่ำ . สถานะนี้มีอายุการใช้งาน 2 บิต ถ้า SE0 มีอายุการใช้งานนานกว่า 10ms นั่นหมายถึงการรีเซ็ตบัส

การส่งสัญญาณแบบปลายเดียวนี้ทำให้ USB ค่อนข้างไวต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับที่ฉันค้นพบเมื่อไม่นานมานี้ และไม่มีตัวกรองโหมดทั่วไปที่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพเพราะสิ่งเหล่านี้สามารถลดสัญญาณ SE0 ... อีกมาตรฐานที่เข้าใจกันดี ...

Beyond Logic มีภาพรวมของจุดสำคัญของส่วนไฟฟ้าของสเปค USB ที่นี่ (รวมถึงในรูปแบบ PDF ที่นี่ ):

... USB ใช้คู่ส่งข้อมูลที่แตกต่างกันสำหรับข้อมูล นี่คือการเข้ารหัสโดยใช้ NRZI และยัดไส้บิตเพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนผ่านที่เพียงพอในกระแสข้อมูล

...

ผู้รับกำหนดดิฟเฟอเรนเชียล '1' เป็น D + 200mV มากกว่า D- และดิฟเฟอเรนซ์ '0' เป็น D + 200mV น้อยกว่า D- ขั้วของสัญญาณจะกลับด้านขึ้นอยู่กับความเร็วของบัส