Tại sao USB có 4 dòng thay vì 3?

USB chỉ định 4 chân:

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

Tại sao đây không phải là 3? Dữ liệu và Sức mạnh có thể không chia sẻ một điểm chung? Tôi có đúng trong sự hiểu biết đó D-là nền tảng cho D+?

Không, D-không phải là mặt đất. Dữ liệu được gửi qua một dòng vi sai , có nghĩa D-là hình ảnh phản chiếu D+, vì vậy cả hai dòng Dữ liệu đều mang tín hiệu. Người nhận trừ D-từ D+. Nếu một số tín hiệu nhiễu sẽ được chọn bởi cả hai dây, phép trừ sẽ hủy nó.

Vì vậy, tín hiệu vi sai giúp triệt tiêu tiếng ồn. Các loại dây, cụ thể là xoắn đôi . Nếu các dây chạy song song, chúng sẽ tạo thành một vòng (hẹp) có thể thu được nhiễu từ. Nhưng nhờ các vòng xoắn, hướng của dây liên quan đến trường thay đổi liên tục. Một dòng điện cảm ứng sẽ bị hủy bởi một dòng điện với dấu hiệu ngược lại nửa vòng xoắn.
Giả sử bạn có một nhiễu làm việc theo chiều dọc trên dây xoắn. Bạn có thể coi mỗi nửa xoắn như một vòng lặp nhỏ nhặt sự xáo trộn. Sau đó, thật dễ dàng để thấy rằng vòng lặp nhỏ tiếp theo nhìn thấy trường đối diện (lộn ngược, có thể nói), do đó hủy bỏ trường đầu tiên. Điều này xảy ra cho mỗi cặp xoắn một nửa.
Một hiệu ứng cân bằng tương tự xảy ra cho điện dung với mặt đất. Trong một cặp thẳng, một dây dẫn cho thấy điện dung tiếp đất cao hơn dây kia, trong khi ở một cặp xoắn, mỗi dây sẽ hiển thị cùng một điện dung.

chỉnh sửa
Cáp có nhiều cặp xoắn như cat5 có độ dài xoắn khác nhau cho mỗi cặp để giảm thiểu nhiễu xuyên âm.

Đó là tín hiệu vi sai (hoặc cân bằng), thay vì tín hiệu kết thúc (không cân bằng).

Điều này có nghĩa là máy thu "đo" điện áp giữa chúng, chứ không phải giữa một và mặt đất.
Nói D + là 2V và D- là 1V. Bây giờ nói rằng dây thu một số nhiễu bên ngoài (RF, nguồn chính, v.v.) Rất có khả năng cả hai cáp sẽ nhận cùng một tín hiệu nhiễu do chúng bị xoắn với nhau và có cùng trở kháng.
Nói rằng chúng tôi nhận được 50mV tiếng ồn. Vì vậy, bây giờ D + có 2050mV trên đó và D- có 1050mV - sự khác biệt giữa chúng vẫn là 1V (1000mV), và đây là những gì người nhận sẽ "nhìn thấy".
Nếu điều này đã được thực hiện với một cáp kết thúc duy nhất, thì D + (không có D-) sẽ ở mức 1050mV, và mặt đất vẫn ở mức 0V, vì vậy máy thu sẽ nhìn thấy 1050mV.

Đây là một chút của sự đơn giản hóa quá mức (nhưng có khái niệm cơ bản xuyên suốt) - mặt đất cũng có thể thu được một số nhiễu (hoặc có mặt để bắt đầu), nhưng do trở kháng không khớp giữa nó và tín hiệu lượng nhiễu nhặt trên mỗi dòng sẽ khác nhau và sự khác biệt này sẽ được nhìn thấy ở phần cuối nhận. Ngoài ra, nó có thể xuất hiện ban đầu (ví dụ: vòng lặp mặt đất), đây là một vấn đề lớn đối với các hệ thống đơn đã kết thúc.
Việc kết hợp các trở kháng của các đường trong một kết nối cân bằng là rất quan trọng đối với việc loại bỏ chế độ chung tốt (nghĩa là loại bỏ tín hiệu chung cho cả hai tín hiệu) vì nó chỉ hoạt động nếu cả hai đường truyền có cùng một lượng nhiễu. Các tín hiệu không phải là đối xứng. Tuy nhiên, nhiễu được tạo ra, miễn là nó ảnh hưởng đến cả hai tín hiệu như nhau thì việc loại bỏ chế độ chung sẽ rất tốt.

Trên thực tế, điều đó đã được thử một lần: Apple Desktop Bus (ADB) đã được sử dụng để kết nối bàn phím và chuột với máy tính Apple Macintosh từ khoảng năm 1986 cho đến khi Apple bỏ nó vào USB vào năm 1997 với iMac.

Nó có bốn dây: 5V, nối đất, dữ liệu và công tắc nguồn. Đường dây chuyển đổi nguồn chỉ dành cho nút nguồn trên bàn phím, kết nối đường dây với mặt đất và bảo nguồn điện khởi động máy. Nó phải là dây riêng của nó để nó vẫn hoạt động ngay cả khi dòng 5V bị tắt.

Ngoài ra, dòng dữ liệu mang mọi thứ ... rất chậm. Xe buýt không bao giờ thực sự tiến bộ ngoài việc là xe buýt thiết bị để bàn vì nó không chỉ có tín hiệu một đầu mà còn có giới hạn về chiều dài (bạn nhận được phản xạ từ cuối xe buýt, vì nó không bị ngắt ở mỗi đầu).

Vì vậy, Intel quyết định sử dụng tín hiệu vi sai cho USB. Nếu bạn muốn biết về tín hiệu vi sai nào sẽ mua cho bạn, hãy so sánh hiệu suất trong tiếng ồn của xe buýt RS-232 một đầu với xe buýt RS-422 khác biệt. RS-422 có thể được điều khiển qua cáp dài hơn với điện áp nguồn ít hơn với tỷ lệ lỗi bit nhất định.

Tại sao lại thế này? Phiên bản dài mất một ngày giảng trong lớp điện từ. Phiên bản ngắn là tín hiệu nhiễu sẽ tạo ra cùng một điện áp trong cả hai dây của một cặp vi sai, do đó bộ so sánh ở đầu thu sẽ loại bỏ nó (nó loại bỏ điện áp ở chế độ chung rất tốt). Đường một đầu không có bảo đảm có thể so sánh được, vì không có gì đảm bảo rằng đường mặt đất và đường tín hiệu sẽ nhận cùng một tín hiệu nhiễu; căn cứ thậm chí có thể được kết nối thông qua mặt đất khung gầm và dòng trở lại sẽ có các tuyến hoàn toàn khác nhau.

Trên thực tế, rất nhiều USB có 5 dòng chứ không phải 4. (Dòng thứ 5 dành cho việc đàm phán ai là chủ trong các ứng dụng OTG. Lưu ý điều này chỉ giới hạn ở các đầu nối mini và micro USB.)

Như những người khác đã chỉ ra, các dòng D + và D- là một cặp vi sai. Vì một máy thu có thể bỏ qua điện áp chế độ chung, một cặp vi sai cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu kết thúc duy nhất. Theo logic, các đường D + và D- là một tín hiệu duy nhất.

Tôi không thể nói dứt khoát rằng đây là sự cân nhắc duy nhất đi vào nó, nhưng đó không phải là căn cứ, đó là cho việc hủy bỏ EMI. Các dây dữ liệu +/- là cặp xoắn mang tín hiệu vi sai.

Nó giống như bạn tìm thấy trong một dây điện thoại gia đình hoặc cáp mạng thông thường.

Cơ chế truyền dữ liệu vi sai D + D- được áp dụng để giảm nhiễu ảnh hưởng, do đó băng thông của truyền có thể tăng cao.

Giống như USB, có một số giao thức truyền khác sử dụng lớp vật lý vi sai. Một số ví dụ là RS485, Ethernet ...

Nhưng, ngay cả với dữ liệu vi sai, có những lúc tín hiệu một đầu được sử dụng trong USB: Gói cuối được báo hiệu bằng một đầu cuối không (SE0), cụ thể là cả D + và D- ở trạng thái thấp . Trạng thái này kéo dài thời gian 2 bit. nếu SE0 kéo dài hơn 10ms thì có nghĩa là thiết lập lại bus.

Tín hiệu một đầu này làm cho USB khá nhạy cảm với nhiễu điện từ, giống như những gì tôi tìm thấy gần đây khi một động cơ máy sấy tóc đang gây ra nhiều sự ngắt kết nối trong một thiết bị ngoại vi USB gần đó. Và không có bộ lọc chế độ chung nào có thể được sử dụng một cách hiệu quả bởi vì những bộ lọc này có thể làm giảm tín hiệu SE0 ... Một tiêu chuẩn khác được hình thành ...

Beyond Logic có tổng quan về các điểm thiết yếu của phần điện của thông số kỹ thuật USB tại đây (cũng ở định dạng PDF tại đây ):

... USB sử dụng cặp truyền vi sai cho dữ liệu. Điều này được mã hóa bằng NRZI và được nhồi một chút để đảm bảo chuyển đổi đầy đủ trong luồng dữ liệu.

...

Máy thu xác định chênh lệch '1' là D + 200mV lớn hơn D- và chênh lệch '0' khi D + 200mV nhỏ hơn D-. Cực tính của tín hiệu được đảo ngược tùy thuộc vào tốc độ của xe buýt.