Pourquoi l'USB a-t-il 4 lignes au lieu de 3?

USB spécifie 4 broches:

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

Pourquoi n'est-ce pas 3? Les données et le pouvoir ne pourraient-ils pas partager un terrain d'entente? Ai-je raison de comprendre que D-c'est la raison D+?

Non, ce D-n'est pas la terre. Les données sont envoyées sur une ligne différentielle , ce qui signifie qu'il D-s'agit d'une image miroir de D+sorte que les deux lignes de données transportent le signal. Le récepteur soustrait D-de D+. Si un signal de bruit est capté par les deux fils, la soustraction l’annulera.

La signalisation différentielle aide donc à supprimer le bruit. Il en va de même pour le type de câblage, à savoir une paire torsadée . Si les fils étaient juste parallèles, ils formeraient une boucle (étroite) pouvant capter les interférences magnétiques. Mais grâce aux torsions, l'orientation des fils par rapport au champ change continuellement. Un courant induit sera annulé par un courant avec le signe opposé une demi-torsion plus loin.
Supposons que vous ayez une perturbation travaillant verticalement sur le fil torsadé. Vous pourriez considérer chaque demi-tour comme une petite boucle détectant le dérangement. Ensuite, il est facile de voir que la prochaine petite boucle voit le champ opposé (à l'envers, pour ainsi dire), de sorte que le premier champ est annulé. Cela se produit pour chaque paire de demi-torsions.
Un effet d'équilibrage similaire se produit pour la capacité à la terre. Dans une paire droite, un conducteur présente une capacité de mise à la terre supérieure à celle de l'autre, tandis que dans une paire torsadée, chaque fil indique la même capacité.

edit Les
câbles avec plusieurs paires torsadées comme cat5 ont une longueur de torsion différente pour chaque paire afin de minimiser la diaphonie.

C'est un signal différentiel (ou équilibré), plutôt qu'un signal à une seule extrémité (asymétrique).

Cela signifie que le récepteur "mesure" la tension entre eux, plutôt qu'entre la terre et la terre.
Disons que D + est à 2V et D- à 1V. Supposons maintenant que le fil capte un bruit externe (RF, secteur ronflant, etc.) Il est très probable que les deux câbles captent le même signal de bruit car ils sont torsadés et de même impédance.
Disons que nous captons 50 mV de bruit. Donc maintenant D + a 2050mV dessus, et D- 1050mV - la différence entre eux est toujours de 1V (1000mV) cependant, et c’est ce que le récepteur "verra".
Si cela avait été fait avec un câble à une extrémité, alors D + (no D-) serait à 1050mV et la masse serait toujours à 0V, de sorte que le récepteur verrait 1050mV.

C'est un peu une simplification excessive (mais comprend le concept de base) - le sol peut également capter un peu de bruit (ou le présenter au départ), mais en raison de l'impédance inadéquate entre elle et le signal, la quantité de bruit repris sur chaque ligne sera différent et cette différence sera vu à la réception. En outre, il peut être présent initialement (par exemple, une boucle de masse), ce qui pose un gros problème pour les systèmes asymétriques.
Faire correspondre les impédances des lignes dans une connexion équilibrée est très important pour une bonne réjection de mode commun (c'est-à-dire une réjection du signal commun aux deux signaux), car cela ne fonctionne que si les deux lignes captent exactement la même quantité de bruit. Les signaux ne doivent pas nécessairement être symétriques. Cependant, le bruit est créé, tant qu'il affecte les deux signaux de manière égale, la réjection en mode commun sera très bonne.

En fait, cela a déjà été essayé une fois: le bus de bureau Apple (ADB) a été utilisé pour connecter des claviers et des souris à des ordinateurs Apple Macintosh à partir de 1986 environ, jusqu'à ce qu’Apple le remplace par USB en 1997 avec l’iMac.

Il avait quatre fils: 5V, terre, données et interrupteur d'alimentation. La ligne de l'interrupteur d'alimentation était uniquement destinée au bouton d'alimentation du clavier, qui connectait la ligne à la terre et demandait à l'alimentation de démarrer la machine. Il devait s'agir de son propre câble, donc il fonctionnait toujours même si la ligne 5V était désactivée.

À part cela, la ligne de données transportait tout ... très lentement. Le bus n’a jamais vraiment dépassé le stade de bus de bureau car il n’avait pas seulement un signal unipolaire, mais aussi une limite de longueur (vous obtenez des réflexions à la fin du bus, car il n’est pas terminé à chaque extrémité).

Intel a donc décidé d'utiliser la signalisation différentielle pour l'USB. Si vous voulez avoir une bonne idée de ce que la signalisation différentielle vous achète, comparez les performances en bruit du bus RS-232 asymétrique au bus RS-422 différentiel. Le RS-422 peut être commandé sur un câble plus long avec une tension source inférieure à un taux d'erreur binaire donné.

Pourquoi est-ce? La version longue prend une journée de cours en classe d'électromagnétique. La version courte est qu'un signal de bruit induira la même tension dans les deux fils d'une paire différentielle, de sorte que le comparateur côté récepteur l'annule (il rejette très bien la tension de mode commun). Une ligne asymétrique n'a aucune garantie comparable, car rien ne garantit que la ligne de terre et la ligne de signal capteront le même signal de bruit; les terres peuvent même être connectées via la masse du châssis et le courant de retour empruntera des chemins complètement différents.

En réalité, beaucoup de ports USB ont 5 lignes, pas 4 (la 5e ligne sert à négocier qui est le maître dans les applications OTG. Notez que cela est limité aux connecteurs mini et micro USB.)

Comme d'autres l'ont déjà souligné, les lignes D + et D sont une paire différentielle. Puisqu'un récepteur peut ignorer la tension de mode commun, une paire différentielle offre une meilleure immunité au bruit qu'un signal à une seule extrémité. Logiquement, les lignes D + et D- constituent un seul signal.

Je ne peux pas dire avec certitude que c'est la seule considération qui a été prise en compte, mais ce n'est pas pour l'échec, mais pour l'annulation d'IME. Les fils de données +/- sont des paires torsadées portant des signaux différentiels.

C'est comme si vous trouviez un cordon téléphonique ou un câble réseau typique.

Le mécanisme de transmission de données différentielles D + D- est adopté pour réduire le bruit affecté. La bande passante de la transmission peut donc être fortement augmentée.

Comme l'USB, il existe plusieurs autres protocoles de transmission utilisant la couche physique différentielle. Quelques exemples sont RS485, Ethernet ...

Cependant, même avec des données différentielles, il est parfois utilisé une signalisation asymétrique sur le port USB: la fin de paquet est signalée avec un zéro asymétrique (SE0), à savoir D + et D- à l'état bas . Cet état dure le temps de 2 bits. si SE0 dure plus de 10 ms, cela signifie une réinitialisation du bus.

Cette signalisation asymétrique rend le port USB très sensible aux interférences électromagnétiques, comme ceux que j'ai récemment découverts lorsqu'un moteur de sèche-cheveux provoquait de nombreuses déconnexions sur un périphérique USB à proximité. Et aucun filtre de mode commun ne peut être utilisé efficacement car il peut dégrader le signal SE0 ... Un autre standard bien conçu ...

Au-delà de Logic a un aperçu des points essentiels de la partie électrique de la spécification USB ici (également au format PDF ici ):

... USB utilise une paire de transmission différentielle pour les données. Ceci est codé en utilisant NRZI et est bourré de bits pour assurer des transitions adéquates dans le flux de données.

...

Le récepteur définit un différentiel '1' égal à D + 200 mV supérieur à D- et un différentiel '0' à D + 200 mV inférieur à D-. La polarité du signal est inversée en fonction de la vitesse du bus.