Warum hat USB 4 Leitungen anstatt 3?

186

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+?

Mark Harrison
quelle
8
Nur damit Sie wissen: Es gibt Single-Wire-Protokolle, bei denen sogar + 5V und Daten gleich sind. Es wird nicht schnell und störungssicher sein, aber für einige Anwendungen ist weniger Drähte ein echter Nettogewinn. Andere, wie USB und Ethernet, fügen Kabel hinzu, um mehr Strom und Daten zu übertragen.
Macke
13
Wow, das ist eine überraschend beliebte Frage!
Rocketmagnet

Antworten:

291

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.

Bildbeschreibung hier eingeben

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.

Bildbeschreibung hier eingeben

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

stevenvh
quelle
6
@ pjc50 - Eigentlich habe ich es aus Wikipedia genommen , aber wenn ich es selbst zeichnen müsste, würde ich Adobe Illustrator verwenden.
Stevenvh
16
@ pjc50 oder Inkscape, die beliebteste (und wirklich gültige) freie Software-Alternative
clabacchio
1
Nun, ich bin neu in der Elektronik. Ich möchte Sie fragen, ob das Geräusch nur auf dem D + war, wie es abgebrochen werden könnte? Also, ich sage, gibt es eine Situation, in der das Rauschen nur auf dem D + oder D- ist?
Enes Unal
4
@Enes - Das ist aufgrund der Symmetrie der Verkabelung vernachlässigbar: Wenn Sie eine beliebige Kabellänge wählen, können Sie nicht erkennen, D+welche D-(abgesehen von der Farbcodierung natürlich) ist. Das bedeutet beides D+und D-wird in gleicher Weise der Störung ausgesetzt. Und wenn das Rauschen bei beiden Subtraktionen gleich ist, wird es fast vollständig aufgehoben.
Stevenvh
2
@EnesUnal Ein interessanter Punkt bei Twisted-Pair-Kabeln ist, dass kein Kabel dauerhaft näher am Rauschen oder an Störungen liegt als das andere Kabel. Ref: techtionary.com/members/slides/u/unbalun.swf
Subin Sebastian
58

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.

Oli Glaser
quelle
38

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.

Mike DeSimone
quelle
Sie sagen, RS-422 kann bei einer bestimmten Bitfehlerrate länger als RS = 232 betrieben werden. nehmen lange RS-232-Kabel zufällige Fehler auf? Ich hätte erwartet, dass es zwar an der Grenze zur Verwendbarkeit einige Längen geben könnte, bei denen eine bestimmte Nachricht eine 99% ige Chance hat, unverfälscht durchzukommen, es aber keinen großen Unterschied zwischen der Länge gibt, bei der eine komplexe Nachricht durchgelassen werden könnte mit einer 99% igen oder besseren Erfolgschance und der Länge, in der eine 99% ige Ausfallchance besteht. Ist der Rückgang überhaupt allmählich?
Supercat
4
Lange RS-232-Leitungen haben ein großes Problem, das RS-422 nicht hat: Da zur Demodulation des Signals auf "Masse" verwiesen wird, führt der kumulative Fehler in diesem "Masse" zu einer Verwüstung des Empfängers. Es wird noch schlimmer, wenn sich Empfänger und Treiber nicht auf derselben Masse befinden (z. B. an verschiedene Stromkreise angeschlossen) oder wenn andere Ströme als der Rückstrom des Signals auf dieser Masseleitung liegen. Jeder Spannungsabfall an der Masseleitung, aus welchem ​​Grund auch immer, verringert Ihren Rauschabstand, bis er einfach weg ist. Grundsätzlich ist "Masse" eine bequeme Fiktion, die bei langen Kabeln versagt.
Mike DeSimone
Der Abfall ist nicht wirklich so allmählich, da das Rauschen in den meisten Fällen viel geringer ist als die Spanne zwischen VOH / VOL und VIH / VIL. Was passiert, ist, dass Sie ab einer bestimmten (langen) Länge merkliche Fehler aufspüren, sobald die Rauschstärke gleich der Empfängerschwelle wird (dh die Spannung, die zum Anschlagen von A 0nach A 1oder umgekehrt benötigt wird), und dann als Kabel wird länger man bekommt viel mehr fehler, bis es komplett weg ist. Es ist nicht wie der Ausbreitungsverlust des Radios. (Zurück zum Thema, im Fall von ADB führt das Erdungskabel sowohl Signal- als auch Stromrückkehrstrom.)
Mike DeSimone
Ist das Problem typischer, dass die Rauschstärke zunimmt, oder ist das Problem typischer, dass das Signal entweder zu schwach wird, um die Erkennungsschwelle bei steigenden und fallenden Flanken konsistent zu erreichen? Ich habe das letztere Problem sicherlich mehr gesehen als Lärm bei hohen Geschwindigkeiten; wird Rauschen bei niedrigeren Geschwindigkeiten zum vorherrschenden Problem (mit den längeren Kabellängen, die niedrigere Geschwindigkeiten ermöglichen würden)? Ich denke, ADB wurde entwickelt, um Menschen davon abzuhalten, separate Kabel für Maus und Tastatur an ihren PC anzuschließen. Schade, dass moderne PC-Designer solche Dinge nicht berücksichtigen.
Supercat
2
In der Praxis war ADB nicht so zuverlässig, wenn Sie mehrere Geräte hatten. Ich hatte einen Joystick, ein Gaspedal, eine Tastatur und eine Maus, und wenn Sie sie nicht in der richtigen Reihenfolge bekämen, würden sie zufällig nicht funktionieren. Der Joystick und der Gashebel waren die Schuldigen; Sie hatten eine Menge Kabellänge eingebaut, und es summierte sich. Und ja, der Mac hatte kein RS-232 (deshalb habe ich überhaupt 422 verwendet), aber ein Trick bei RS-422 ist, dass Sie es mit dem Kabel in Single-Ended-RS-423 umwandeln können (TX- wird TX) ; TX + nicht angeschlossen, RX + an GND, RX- wird zu RX), und RS-423 ist über kurze Entfernungen mit RS-232 kompatibel.
Mike DeSimone
14

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.

Olin Lathrop
quelle
2
@Kortuk: Bei Mini-USB und Micro-USB gibt es einen 5. "ID" -Pin für USB On-the-Go, bei dem jedes Gerät als Host fungieren kann. secure.wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/USB#Physical_appearance
endolith
4
Der fünfte Pin ist nicht für Verhandlungen vorgesehen - er ist im Anschluss fixiert und erreicht das andere Ende nicht. Die Idee war, OTG-Geräten durch Anschließen des A-Endes anzuzeigen, wann sie die Host-Rolle übernehmen müssen. Es gibt auch ein Protokoll zum Rollenwechsel, aber das ist eine viel höhere Ebene.
Yann Vernier
11

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.

Nicholas Knight
quelle
9

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 ...

Saneesh AT
quelle
7

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 ...

Jesus Arias
quelle
Die Verwendung von Single-Ended-Signalen für einige Bedingungen, die kein genaues Timing erfordern (z. B. scheint die Verwendung für das Zurücksetzen des Busses eine gute Idee zu sein). Die Verwendung einer Zwei-Bit-Zeit SE0 scheint jedoch etwas schnell zu sein. Was sollen Empfänger tun, wenn sie einen Ein-Bit-SE0 sehen? Wenn der Sender eine Drei-Bit-Zeit SE0 sendet und der Empfänger nach mindestens zwei sucht, erscheint dies viel besser.
Supercat
3

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.

Prasanth
quelle
2
Wir schätzen Links als Extra, aber wenn die Links nicht mehr funktionieren, wird Ihre Antwort unbrauchbar. Könnten Sie hier eine Zusammenfassung geben?
Stevenvh
2
Dies ist eine viel bessere Antwort aufgrund der hinzugefügten Zusammenfassung - Vielen Dank dafür -, aber Sie müssen auch vorsichtig sein, um Plagarismus zu vermeiden. Der Inhalt in Ihrem ersten Absatz ist urheberrechtlich geschützt.
Kevin Vermeer
@ KevinVermeer: ​​Zitate sind keine Plagiate oder Urheberrechtsverletzungen.
Endolith
2
@endolith - Mit Zuschreibung sind sie kein Plagarismus oder Verstoß gegen das Urheberrecht. Ich habe die Antwort bearbeitet, um eine bessere Zuordnung zu demonstrieren. Bisher hätte niemand gewusst, dass es sich bei dem Absatz hauptsächlich um ein Zitat handelt. Jetzt ist es offensichtlich. Verwenden Sie bei der Erstellung eines Angebots die Funktionen für Blockzitate.
Kevin Vermeer
@endolith: Die Namensnennung schützt vor Plagiaten. Zugeschriebene Zitate können dennoch Urheberrechtsverletzungen darstellen.
Ben Voigt