为什么USB有4条线而不是3条?

电器工程 USB 沟通 数字通信
2022-01-05 22:00:44

USB 指定 4 个引脚:

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

为什么不是3?数据和权力不能共享一个共同点吗?我的理解D-是正确的D+吗?

4个回答

不,D-不是地面。数据通过差分线发送,这意味着它D-是 的镜像D+,因此两条数据线都承载信号。接收方减去D-D+如果两条线都接收到一些噪声信号,则减法将消除它。

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所以差分信号有助于抑制噪声。接线类型也是如此,即双绞线如果电线只是平行运行,它们会形成一个(狭窄的)回路,可以吸收磁干扰。但是由于扭曲,电线相对于磁场的方向不断变化。感应电流将被带有相反符号的电流进一步抵消一半。
假设你在绞合线上有一个垂直工作的干扰。您可以将每半个扭曲视为拾取干扰的小循环。然后很容易看到下一个小循环看到相反的字段(可以说是颠倒的),因此取消了第一个字段。这发生在每对半扭曲上。
对地电容也会产生类似的平衡效应。在直线对中,一根导体对地的电容比另一根高,而在双绞线中,每根导线的电容都相同。

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具有多对双绞线的电缆,例如 cat5,每对具有不同的绞合长度,以最大程度地减少串扰。

它是差分(或平衡)信号,而不是单端(不平衡)信号。

这意味着接收器“测量”它们之间的电压,而不是一个与地之间的电压。
假设 D+ 为 2V,D- 为 1V。现在说电线拾取了一些外部噪声(RF、电源嗡嗡声等) 两条电缆很可能会拾取相同的噪声信号,因为它们被绞在一起并且具有相同的阻抗。
假设我们拾取了 50mV 的噪声。所以现在 D+ 上有 2050mV,而 D- 有 1050mV——尽管它们之间的差异仍然是 1V (1000mV),这就是接收器将“看到”的内容。
如果这是使用单端电缆完成的,那么 D+(没有 D-)将处于 1050mV,而接地仍将处于 0V,因此接收器将看到 1050mV。

这有点过于简化了(但基本概念得到了理解) - 接地也可能会拾取一些噪声(或一开始就存在),但由于它与信号之间的阻抗不匹配,噪声量每条线路上的拾取会有所不同,并且这种差异将在接收端看到。它最初也可能存在(例如接地回路),这对于单端系统来说是一个大问题。
匹配平衡连接中的线路阻抗对于良好的共模抑制(即抑制两个信号共有的信号)非常重要,因为它仅在两条线路拾取完全相同数量的噪声时才有效。信号不必是对称的。然而,噪声是会产生的,只要它对两个信号的影响相同,那么共模抑制就会非常好。

实际上,这种方法曾尝试过一次:从 1986 年左右开始,Apple 桌面总线 (ADB) 被用于将键盘和鼠标连接到 Apple Macintosh 计算机,直到 1997 年 Apple 在 iMac 上放弃了它,转而使用 USB。

它有四根线:5V、地线、数据线和电源开关。电源开关线只是键盘上的电源按钮,将线接地,并告诉电源启动机器。它必须是自己的电线,所以即使 5V 线路断开,它仍然可以工作。

除此之外,数据线承载着一切……非常缓慢。该总线从未真正超越桌面设备总线的发展,因为它不仅具有单端信号,而且具有长度限制(您会从总线末端获得反射,因为它没有在每一端终止)。

因此英特尔决定为 USB 使用差分信号。如果您想了解差分信号能为您带来什么,请将单端 RS-232 总线与差分 RS-422 总线的噪声性能进行比较。RS-422 可以通过更长的电缆在给定的误码率下以更少的源电压驱动。

为什么是这样?长版需要一天的电磁课讲座。简而言之,噪声信号会在差分对的两条线上产生相同的电压,因此接收器端的比较器将其抵消(它很好地抑制了共模电压)。单端线没有可比的保证,因为不能保证地线和信号线会拾取相同的噪声信号;接地甚至可能通过机箱接地连接,并且返回电流将采用完全不同的路线。

实际上很多 USB 有 5 条线,而不是 4 条。(第 5 条线用于协商 OTG 应用程序中谁是主控。请注意,这仅限于 mini 和 micro USB 连接器。)

正如其他人已经指出的那样,D+ 和 D- 线是差分对。由于接收器可以忽略共模电压,差分对比单端信号提供更好的抗噪性。从逻辑上讲,D+ 和 D- 线是一个信号。