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

No, D-no está molido. 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 transportan la señal. El receptor resta D-de D+. Si ambos cables captaran alguna señal de ruido, la resta la cancelará.

Entonces, la señalización diferencial ayuda a suprimir el ruido. Lo mismo ocurre con el tipo de cableado, es decir, par trenzado . Si los cables fueran paralelos, formarían un bucle (estrecho) que podría captar interferencias magnéticas. Pero gracias a los giros la orientación de los hilos con respecto al campo cambia continuamente. Una corriente inducida será cancelada por una corriente de signo opuesto media vuelta más.
Suponga que tiene una perturbación trabajando verticalmente en el cable trenzado. Podría considerar cada medio giro como un pequeño bucle que capta la perturbación. Entonces es fácil ver que el siguiente bucle pequeño ve el campo opuesto (al revés, por así decirlo), por lo que cancela el primer campo. Esto sucede para cada par de medios giros.
Se produce un efecto de equilibrio similar para la capacitancia a tierra. En un par recto, un conductor muestra una mayor capacitancia a tierra que el otro, mientras que en un par trenzado, cada cable mostrará la misma capacitancia.

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

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 digamos 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 trenzados y tienen la misma impedancia.
Digamos que captamos 50mV de ruido. Así que ahora D+ tiene 2050 mV y D- tiene 1050 mV; sin embargo, la diferencia entre ellos sigue siendo de 1 V (1000 mV), y esto es lo que "verá" el receptor.
Si esto se hubiera hecho con un cable de un solo extremo, entonces D+ (sin D-) estaría a 1050 mV, y la tierra todavía estaría a 0 V, por lo que el receptor vería 1050 mV.

Esta es una simplificación un poco excesiva (pero transmite el concepto básico): el suelo también podría captar algo de ruido (o tenerlo presente para empezar), 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 (p. ej., bucle de tierra), lo que es un gran problema para los sistemas de un solo extremo.
Hacer coincidir las impedancias de las líneas en una conexión balanceada es muy importante para un buen rechazo de 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, se crea el ruido, siempre que afecte a ambas señales por igual, el rechazo del modo común será muy bueno.

En realidad, eso se intentó una vez: el Apple Desktop Bus (ADB) se usó para conectar teclados y ratones a computadoras Apple Macintosh desde aproximadamente 1986 hasta que Apple lo abandonó por 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 en el teclado, que conectaba la línea a tierra y le decía a la fuente de alimentación que encendiera la máquina. Tenía que ser su propio cable para que aún funcionara incluso si la línea de 5V estaba apagada.

Aparte de eso, la línea de datos transportaba 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 (obtiene reflejos en el extremo del bus, ya que no termina en cada extremo).

Entonces Intel decidió usar señalización diferencial para USB. Si quiere tener una buena idea de lo que le ofrece la señalización diferencial, compare el rendimiento en ruido del bus RS-232 de terminación única 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 determinada.

¿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; las tierras pueden incluso estar conectadas a través de la tierra del chasis y la corriente de retorno tomará rutas completamente diferentes.

En realidad, muchos USB tienen 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 ya han señalado otros, las líneas D+ y D- son un par diferencial. Dado que 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.

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

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

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

Al igual que USB, existen varios otros protocolos de transmisión que utilizan una capa física diferencial. Algunos ejemplos son RS485, Ethernet...

Pero, incluso con datos diferenciales, hay ocasiones en las 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 el motor de un secador de pelo estaba causando muchas desconexiones en un periférico USB cercano. Y no se pueden usar filtros de modo común de manera efectiva porque pueden degradar la señal SE0... Otro estándar bien concebido...

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 mediante NRZI y se rellena con bits 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.