Warum hat USB 4 Leitungen anstatt 3?

USB spezifiziert 4 Pins:

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

Warum ist das nicht 3? Könnten Daten und Strom keine gemeinsame Basis haben? Habe ich Recht, wenn ich verstehe, warum das so D-ist D+?

Nein, D-ist nicht gemahlen. Daten werden über eine differentielle Leitung gesendet , was bedeutet, dass D-es sich um ein Spiegelbild handelt D+, sodass beide Datenleitungen das Signal übertragen. Der Empfänger subtrahiert D-von D+. Wenn ein Rauschsignal von beiden Kabeln aufgenommen wird, wird es durch die Subtraktion gelöscht.

Die differentielle Signalübertragung hilft also, Rauschen zu unterdrücken. Ebenso die Art der Verdrahtung, nämlich Twisted Pair . Wenn die Drähte nur parallel verlaufen würden, würden sie eine (schmale) Schleife bilden, die magnetische Interferenzen aufnehmen könnte. Dank der Verdrillungen ändert sich die Ausrichtung der Drähte in Bezug auf das Feld jedoch kontinuierlich. Ein induzierter Strom wird durch einen Strom mit dem entgegengesetzten Vorzeichen eine halbe Drehung weiter aufgehoben.
Angenommen, Sie haben eine Störung, die vertikal am verdrillten Draht arbeitet. Sie könnten jede halbe Drehung als eine kleine Schleife betrachten, die die Störung aufnimmt. Dann ist es leicht zu sehen, dass die nächste winzige Schleife das gegenüberliegende Feld sieht (sozusagen auf dem Kopf stehend), so dass das erste Feld gelöscht wird. Dies geschieht für jedes Paar halber Drehungen.
Ein ähnlicher Ausgleichseffekt tritt für die Kapazität zur Erde auf. Bei einem geraden Leiterpaar weist ein Leiter eine höhere Kapazität zur Erde als der andere auf, während bei einem verdrillten Leiterpaar jeder Draht die gleiche Kapazität aufweist.

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Kabel mit mehreren verdrillten Paaren wie CAT5 einen unterschiedlichen Verdrillungslänge für jedes Paar Übersprechen zu minimieren.

Es ist ein differentielles (oder symmetrisches) Signal und kein unsymmetrisches (unsymmetrisches) Signal.

Dies bedeutet, dass der Empfänger die Spannung zwischen ihnen "misst" und nicht zwischen eins und Masse.
Sagen wir, D + liegt bei 2V und D- liegt bei 1V. Sagen wir nun, der Draht nimmt etwas externes Rauschen auf (HF, Netzbrummen usw.). Es ist sehr wahrscheinlich, dass beide Kabel dasselbe Rauschsignal empfangen, da sie miteinander verdrillt sind und dieselbe Impedanz aufweisen.
Nehmen wir an, wir nehmen 50 mV Rauschen auf. Jetzt hat D + also 2050 mV und D- 1050 mV - der Unterschied zwischen beiden liegt jedoch immer noch bei 1 V (1000 mV), und dies wird der Empfänger "sehen".
Wenn dies mit einem einpoligen Kabel gemacht worden wäre, wäre D + (kein D-) bei 1050 mV und die Masse wäre immer noch bei 0 V, so dass der Empfänger 1050 mV sehen würde.

Dies ist ein wenig zu stark vereinfacht (vermittelt aber das Grundkonzept) - der Boden könnte auch etwas Rauschen aufnehmen (oder anfangs vorhanden sein), aber aufgrund der fehlangepassten Impedanz zwischen ihm und dem Signal die Menge an Rauschen Das Aufnehmen in jeder Zeile ist unterschiedlich, und dieser Unterschied wird am empfangenden Ende sichtbar. Es kann auch anfänglich vorhanden sein (z. B. Erdschleife), was ein großes Problem für Single-Ended-Systeme darstellt.
Das Anpassen der Impedanzen der Leitungen in einer symmetrischen Verbindung ist sehr wichtig für eine gute Gleichtaktunterdrückung (dh die Unterdrückung des Signals, das beiden Signalen gemeinsam ist), da dies nur funktioniert, wenn beide Leitungen genau das gleiche Rauschen aufnehmen. Die Signale müssen nicht symmetrisch sein. Das Rauschen wird jedoch erzeugt, solange es beide Signale gleichermaßen beeinflusst, und die Gleichtaktunterdrückung wird sehr gut sein.

Eigentlich wurde das einmal versucht: Mit dem Apple Desktop Bus (ADB) wurden ab 1986 Tastaturen und Mäuse an Apple Macintosh-Computer angeschlossen, bis Apple ihn 1997 mit dem iMac für USB ablegte.

Es hatte vier Drähte: 5 V, Masse, Daten und Netzschalter. Die Netzschalterleitung war nur für den Netzschalter auf der Tastatur vorgesehen, der die Leitung mit Masse verband, und wies die Stromversorgung an, die Maschine zu starten. Es musste ein eigenes Kabel sein, damit es auch dann funktioniert, wenn die 5-V-Leitung ausgeschaltet war.

Ansonsten trug die Datenleitung alles ... sehr langsam. Der Bus entwickelte sich nie wirklich zu einem Desktop-Gerätebus, da er nicht nur ein Single-Ended-Signal, sondern auch Längenbeschränkungen aufwies (Sie erhalten Reflexionen am Ende des Busses, da er nicht an jedem Ende terminiert ist).

Daher entschied sich Intel für die Verwendung der differentiellen Signalübertragung für USB. Wenn Sie eine gute Vorstellung davon haben möchten, welche Differenzialsignale Sie kaufen, vergleichen Sie die Rauschleistung des unsymmetrischen RS-232-Busses mit dem differenziellen RS-422-Bus. RS-422 kann über ein längeres Kabel mit weniger Quellenspannung bei einer bestimmten Bitfehlerrate betrieben werden.

Warum ist das? Die Langfassung dauert einen Tag Vorlesung im Elektromagnetikunterricht. Die kurze Version ist, dass ein Rauschsignal in beiden Adern eines Differentialpaares die gleiche Spannung induziert, so dass der Komparator auf der Empfängerseite diese ausschaltet (Gleichtaktspannung wird sehr gut zurückgewiesen). Eine einseitige Leitung hat keine vergleichbare Garantie, da nicht garantiert werden kann, dass die Masseleitung und die Signalleitung dasselbe Rauschsignal empfangen. Die Erdung kann sogar über die Chassismasse erfolgen, und der Rückstrom verläuft auf völlig anderen Wegen.

Tatsächlich hat ein Großteil von USB 5 Leitungen, nicht 4. (Die 5. Leitung dient zum Aushandeln, wer Master in OTG-Anwendungen ist. Beachten Sie, dass dies auf Mini-USB- und Micro-USB-Anschlüsse beschränkt ist.)

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den D + - und D- -Leitungen um ein Differenzpaar. Da ein Empfänger die Gleichtaktspannung ignorieren kann, bietet ein Differenzpaar eine bessere Störfestigkeit als ein unsymmetrisches Signal. Logischerweise sind die D + und D- Leitungen ein einzelnes Signal.

Ich kann nicht definitiv sagen, dass dies die einzige Überlegung ist, die angestellt wurde, aber dies dient nicht der Erdung, sondern der EMI-Löschung. Die Daten +/- Drähte sind paarweise verdrillt und führen Differenzsignale.

Es ist wie in einem typischen Telefon- oder Netzwerkkabel für den Haushalt.

Der D + D-Differential-Datenübertragungsmechanismus wird angewendet, um das betroffene Rauschen zu verringern, weshalb die Bandbreite der Übertragung stark erhöht werden kann.

Wie bei USB gibt es mehrere andere Übertragungsprotokolle, die die differentielle physikalische Schicht verwenden. Einige Beispiele sind RS485, Ethernet ...

Aber auch bei differentiellen Daten gibt es Zeiten, in denen Single-Ended-Signalisierung im USB verwendet wird: Das Paketende wird mit einer Single-Ended-Null (SE0) signalisiert, und zwar sowohl D + als auch D- im Low-Zustand . Dieser Zustand dauert die Zeit von 2 Bits. Wenn SE0 länger als 10 ms dauert, bedeutet dies ein Zurücksetzen des Busses.

Diese einseitige Signalisierung macht den USB sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, wie ich sie kürzlich festgestellt habe, als ein Fönmotor in einem nahe gelegenen USB-Peripheriegerät viele Unterbrechungen verursachte. Und keine Gleichtaktfilter können effektiv verwendet werden, da diese das SE0-Signal verschlechtern können ... Ein weiterer gut durchdachter Standard ...

Darüber hinaus Logic hat einen Überblick über die wesentlichen Punkte des elektrischen Teils der USB - Spezifikation hier (auch im PDF - Format hier ):

... USB verwendet ein differentielles Übertragungspaar für Daten. Dies wird unter Verwendung von NRZI codiert und ist bitgestopft, um angemessene Übergänge im Datenstrom sicherzustellen.

...

Der Empfänger definiert eine Differenz "1" als D + 200 mV größer als D- und eine Differenz "0" als D + 200 mV kleiner als D-. Die Polarität des Signals wird abhängig von der Geschwindigkeit des Busses umgekehrt.