¿Por qué el USB tiene 4 líneas en lugar de 3?


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USB especifica 4 pines:

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

¿Por qué esto no es 3? ¿Podrían los Datos y el Poder no compartir un terreno común? ¿Estoy en lo correcto al entender que D-es la base D+?


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Para que lo sepas: hay protocolos de un solo cable donde incluso + 5V y los datos son los mismos. No será rápido y seguro contra interferencias, pero para algunas aplicaciones, menos cables es una verdadera ganancia neta. Otros, como USB y Ethernet, agregan cables para obtener más potencia y datos.
Macke

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¡Guau, esta es una pregunta sorprendentemente popular!
Rocketmagnet

Respuestas:


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No, D-no es tierra. Los datos se envían a través de una línea diferencial , lo que significa que D-es una imagen especular de D+, por lo que ambas líneas de datos llevan la señal. El receptor resta D-de D+. Si ambos cables captaran alguna señal de ruido, la resta la cancelará.

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Entonces, la señalización diferencial ayuda a suprimir el ruido. También lo hace el tipo de cableado, a saber, el par trenzado . Si los cables corrieran en paralelo, formarían un bucle (estrecho) que podría captar interferencias magnéticas. Pero gracias a los giros, la orientación de los cables con respecto al campo cambia continuamente. Una corriente inducida será cancelada por una corriente con el signo opuesto medio giro más.
Suponga que tiene una perturbación trabajando verticalmente en el cable trenzado. Podrías considerar cada medio giro como un pequeño bucle que detecta la perturbación. Entonces es fácil ver que el siguiente bucle pequeño ve el campo opuesto (al revés, por así decirlo), de modo que cancela el primer campo. Esto sucede para cada par de medias vueltas.
Se produce un efecto de equilibrio similar para la capacitancia a tierra. En un par recto, un conductor muestra una capacitancia a tierra más alta que el otro, mientras que en un par trenzado cada cable mostrará la misma capacitancia.

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editar Los
cables con varios pares trenzados como cat5 tienen una longitud de giro diferente para cada par para minimizar la diafonía.


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@ pjc50 - En realidad, lo recogí de Wikipedia , pero si tuviera que dibujarlo yo mismo usaría Adobe Illustrator.
stevenvh

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@ pjc50 o Inkscape, que es la alternativa de software libre más popular (y realmente válida)
clabacchio

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Bueno, soy nuevo en electrónica. Quiero preguntarle, si el ruido era solo en el D +, ¿cómo podría cancelarse? Entonces, digo, ¿hay una situación en la que el ruido es solo en D + o D-?
Enes Unal

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@Enes: eso será insignificante debido a la simetría del cableado: si toma una longitud arbitraria de cable, no puede saber a primera vista cuál es D+y cuál es D-(aparte de la codificación de colores, por supuesto). Eso significa ambos D+y D-estará expuesto a la perturbación de la misma manera. Y cuando el ruido es el mismo en ambas sustracciones, lo cancelará casi por completo.
stevenvh

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@EnesUnal Un punto interesante sobre el cable de par trenzado es que ninguno de los cables está permanentemente más cerca del ruido o la interferencia que el otro cable. Ref: techtionary.com/members/slides/u/unbalun.swf
Subin Sebastian

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Es una señal diferencial (o balanceada), en lugar de una señal de un solo extremo (no balanceada).

Esto significa que el receptor "mide" el voltaje entre ellos, en lugar de entre uno y tierra.
Digamos que D + está a 2V, y D- está a 1V. Ahora supongamos que el cable capta algo de ruido externo (RF, zumbido de red, etc.). Es muy probable que ambos cables capten la misma señal de ruido ya que están unidos y tienen la misma impedancia.
Digamos que recogemos 50mV de ruido. Así que ahora D + tiene 2050mV y D- tiene 1050mV; sin embargo, la diferencia entre ellos sigue siendo 1V (1000mV), y esto es lo que el receptor "verá".
Si esto se hubiera hecho con un cable de un solo extremo, entonces D + (sin D-) estaría a 1050mV, y la tierra aún estaría a 0V, por lo que el receptor vería 1050mV.

Esto es una simplificación excesiva (pero transmite el concepto básico): el suelo también podría captar algo de ruido (o tenerlo presente para comenzar), pero debido a la impedancia no coincidente entre él y la señal, la cantidad de ruido recogido en cada línea será diferente y esta diferencia se verá en el extremo receptor. También puede estar presente inicialmente (por ejemplo, bucle de tierra), que es un gran problema para los sistemas de un solo extremo.
Hacer coincidir las impedancias de las líneas en una conexión equilibrada es muy importante para un buen rechazo del modo común (es decir, el rechazo de la señal común a ambas señales), ya que solo funciona si ambas líneas captan exactamente la misma cantidad de ruido. Las señales no tienen que ser simétricas. Sin embargo, el ruido se crea, siempre que afecte ambas señales por igual, entonces el rechazo en modo común será muy bueno.


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En realidad, eso se intentó una vez: el Apple Desktop Bus (ADB) se usó para conectar teclados y ratones a las computadoras Apple Macintosh desde 1986 hasta que Apple lo abandonó para USB en 1997 con el iMac.

Tenía cuatro cables: 5V, tierra, datos e interruptor de encendido. La línea del interruptor de encendido era solo para el botón de encendido del teclado, que conectaba la línea a tierra y le indicaba a la fuente de alimentación que iniciara la máquina. Tenía que ser su propio cable, por lo que aún funcionaba incluso si la línea de 5V estaba apagada.

Aparte de eso, la línea de datos llevaba todo ... muy lentamente. El bus realmente nunca progresó más allá de ser un bus de dispositivo de escritorio porque no solo tenía una señal de un solo extremo, sino que también tenía límites de longitud (obtienes reflejos desde el extremo del bus, ya que no está terminado en cada extremo).

Entonces Intel decidió usar la señalización diferencial para USB. Si desea una buena idea de lo que le compra la señalización diferencial, compare el rendimiento en ruido del bus RS-232 de extremo único con el bus RS-422 diferencial. RS-422 se puede conducir a través de un cable más largo con menos voltaje de fuente a una tasa de error de bits dada.

¿Por qué es esto? La versión larga toma una conferencia de un día en la clase de electromagnetismo. La versión corta es que una señal de ruido inducirá el mismo voltaje en ambos cables de un par diferencial, por lo que el comparador en el extremo del receptor lo cancela (rechaza muy bien el voltaje de modo común). Una línea de un solo extremo no tiene una garantía comparable, ya que no hay garantía de que la línea de tierra y la línea de señal capten la misma señal de ruido; incluso se puede conectar a tierra a través del chasis y la corriente de retorno tomará rutas completamente diferentes.


Usted dice que RS-422 puede manejarse más tiempo que RS = 232 para una tasa de error de bit dada; Por qué los cables largos RS-232 comienzan a detectar errores aleatorios? Hubiera esperado que, si bien podría haber algunas longitudes, justo en el límite de la usabilidad, donde un mensaje dado podría tener un 99% de posibilidades de pasar sin corrupción, no habría mucha diferencia entre la longitud donde podría pasar un mensaje complejo con un 99% o más de posibilidades de éxito, y la longitud en la que tendría un 99% de posibilidades de fracaso. ¿La caída es gradual?
supercat

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Las líneas RS-232 largas tienen un gran problema que RS-422 no tiene: dado que se hace referencia a "tierra" para demodular la señal, el error acumulativo en esta "tierra" causa estragos en el receptor. La situación empeora aún más cuando el receptor y el controlador no están en la misma tierra (conectados a diferentes circuitos de alimentación, por ejemplo), o cuando las corrientes que no sean la corriente de retorno de la señal están en esa línea de tierra. Cualquier caída de voltaje en la línea de tierra, por cualquier razón, reduce su margen de ruido, hasta que se acaba. Básicamente, "tierra" es una ficción conveniente que falla para cables largos.
Mike DeSimone

La caída no es realmente tan gradual, ya que en la mayoría de los casos el ruido es mucho menor que el margen entre VOH / VOL y VIH / VIL. Lo que sucede es que, a una cierta (longitud larga), comienzas a detectar errores notables, justo cuando la intensidad del ruido comienza a igualar el umbral del receptor (es decir, el voltaje necesario para golpear 0a a 1o viceversa), luego como el cable cada vez más, obtienes muchos más errores, hasta que desaparece por completo. No es como la pérdida de difusión r ^ -2 de la radio. (Volviendo al tema, en el caso de ADB, el cable de tierra transporta tanto la señal como la corriente de retorno de potencia.)
Mike DeSimone

¿Es el problema más típicamente que la intensidad del ruido aumenta, o es el problema más típicamente que la señal se debilita demasiado para alcanzar el umbral de detección consistentemente en los bordes ascendentes y descendentes? Ciertamente he visto el último problema más que el ruido a altas velocidades; ¿El ruido se convierte en el problema predominante a velocidades más bajas (con las longitudes de cable más largas permitirían velocidades más bajas)? En cuanto a ADB, creo que fue diseñado para evitar que las personas tengan cables separados conectados a su PC para el mouse y el teclado. Lástima que los diseñadores modernos de PC no consideren tales cosas.
supercat

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En la práctica, ADB no era tan confiable cuando tenía múltiples dispositivos. Tenía un joystick, acelerador, teclado y mouse, y si no los colocaba en el orden correcto, no funcionarían al azar. El joystick y el acelerador fueron los culpables; tenían una gran longitud de cable incorporada, y se sumó. Y sí, la Mac no tenía RS-232 (es por eso que usé 422), pero un truco con RS-422 es que puedes convertirla en RS-423 de un solo extremo con el cable (TX- se convierte en TX ; TX + no está conectado, RX + a GND, RX- se convierte en RX), y RS-423 es compatible con RS-232 en distancias cortas.
Mike DeSimone

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En realidad, una gran cantidad de USB tiene 5 líneas, no 4. (La quinta línea es para negociar quién es el maestro en las aplicaciones OTG. Tenga en cuenta que esto se limita a los conectores mini y micro USB).

Como otros ya han señalado, las líneas D + y D- son un par diferencial. Como un receptor puede ignorar el voltaje de modo común, un par diferencial proporciona una mejor inmunidad al ruido que una señal de un solo extremo. Lógicamente, las líneas D + y D- son una sola señal.


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@Kortuk: en mini y micro USB hay un quinto pin "ID" para USB On-the-Go, donde cualquiera de los dispositivos puede actuar como host. secure.wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/USB#Physical_appearance
endolith

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El quinto pin no es para negociación como tal: está fijo en el conector y no llega al otro extremo. La idea era indicar a los dispositivos OTG cuándo necesitan tomar el rol de host conectando el extremo A. También hay un protocolo para cambiar de roles, pero ese es un nivel mucho más alto.
Yann Vernier

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No puedo decir definitivamente que esta es la única consideración que se incluyó, pero eso no es para poner a tierra, es para la cancelación de EMI. Los cables de datos +/- son pares trenzados que transportan señales diferenciales.

Es exactamente como lo encontraría en un cable de teléfono doméstico o cable de red típico.


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El mecanismo de transmisión de datos diferenciales D + D- se adopta para reducir el ruido afectado, por lo tanto, el ancho de banda de la transmisión se puede aumentar considerablemente.

Al igual que USB, hay varios otros protocolos de transmisión que usan capa física diferencial. Algunos ejemplos son RS485, Ethernet ...



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Pero, incluso con datos diferenciales, hay momentos en los que se utiliza la señalización de un solo extremo en el USB: el final del paquete se señala con un cero de un solo extremo (SE0), es decir, tanto D + como D- en estado bajo . Este estado dura el tiempo de 2 bits. Si SE0 dura más de 10 ms, significa un reinicio del bus.

Esta señalización de un solo extremo hace que el USB sea bastante sensible a las interferencias electromagnéticas, como las que encontré recientemente cuando un motor de secador de cabello estaba causando muchas desconexiones en un periférico USB cercano. Y no se pueden usar efectivamente filtros de modo común porque pueden degradar la señal SE0 ... Otro estándar bien concebido ...


El uso de la señalización de un solo extremo para algunas condiciones que no requieren una sincronización precisa (por ejemplo, usarlo para restablecer el bus parece una idea perfecta). Sin embargo, usar un SE0 de dos bits parece un poco rápido; ¿Qué deben hacer los receptores si ven un SE0 de un bit? Hacer que el transmisor envíe un SE0 de tres bits y que el receptor busque al menos dos parecería mucho mejor.
supercat

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Beyond Logic tiene una descripción general de los puntos esenciales de la parte eléctrica de la especificación USB aquí (también en formato PDF aquí ):

... USB utiliza un par de transmisión diferencial para datos. Esto se codifica utilizando NRZI y se rellena un poco para garantizar transiciones adecuadas en el flujo de datos.

...

El receptor define un diferencial '1' como D + 200mV mayor que D- y un diferencial '0' como D + 200mV menor que D-. La polaridad de la señal se invierte dependiendo de la velocidad del bus.


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Apreciamos los enlaces como un extra, pero si los enlaces mueren, su respuesta se vuelve inútil. ¿Podría dar un resumen aquí?
stevenvh

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Esta es una respuesta mucho mejor debido al resumen agregado: gracias por hacerlo, pero también debe tener cuidado para evitar el plagarismo. El contenido de su primer párrafo tiene derechos de autor.
Kevin Vermeer

@KevinVermeer: ​​Las citas no son plagio ni violación de derechos de autor.
endolito

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@endolith: con atribución, no son plagarismo ni violación de derechos de autor. He editado la respuesta para demostrar una mejor atribución. Anteriormente, nadie habría sabido que el párrafo era principalmente una cita. Ahora es obvio. Al hacer una cotización, use las funciones de cotización en bloque.
Kevin Vermeer

@endolith: la atribución protege contra el plagio, pero las citas atribuidas PUEDEN ser violaciones de derechos de autor.
Ben Voigt