Por que o USB tem 4 linhas em vez de 3?

USB especifica 4 pinos:

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

Por que isso não é 3? Os dados e a energia não poderiam compartilhar um terreno comum? Estou correto ao entender que D-é o motivo D+?

Não, D-não é chão. Os dados são enviados por uma linha diferencial , o que significa que D-é uma imagem espelhada D+, de modo que ambas as linhas de dados transmitem o sinal. O receptor subtrai D-de D+. Se algum sinal de ruído for captado pelos dois fios, a subtração o cancelará.

Portanto, a sinalização diferencial ajuda a suprimir o ruído. O mesmo acontece com o tipo de fiação, ou seja, par trançado . Se os fios funcionassem paralelamente, formariam um laço (estreito) que poderia captar interferência magnética. Mas, graças às torções, a orientação dos fios em relação ao campo muda continuamente. Uma corrente induzida será cancelada por uma corrente com o sinal oposto mais meia volta.
Suponha que você tenha uma perturbação trabalhando verticalmente no fio torcido. Você pode considerar cada meia torção como um pequeno laço captando a perturbação. Então é fácil ver que o próximo loop minúsculo vê o campo oposto (de cabeça para baixo, por assim dizer), de modo que cancela o primeiro campo. Isso acontece para cada par de meias voltas.
Um efeito de balanceamento semelhante ocorre para a capacitância aterrar. Em um par reto, um condutor mostra uma capacitância mais alta do que o outro, enquanto que em um par trançado, cada fio mostra a mesma capacitância.

editar
Cabos com vários pares trançados como cat5 têm um comprimento de torção diferente para cada par para minimizar a diafonia.

É um sinal diferencial (ou balanceado), em vez de um sinal de extremidade única (desbalanceada).

Isso significa que o receptor "mede" a tensão entre eles, e não entre um e o terra.
Digamos que D + esteja em 2V e D- esteja em 1V. Agora diga que o fio capta algum ruído externo (RF, zumbido da rede elétrica, etc.) É muito provável que os dois cabos captem o mesmo sinal de ruído, uma vez que são torcidos juntos e com a mesma impedância.
Digamos que captemos 50mV de ruído. Então agora o D + tem 2050mV e D- tem 1050mV - a diferença entre eles ainda é de 1V (1000mV), e é isso que o receptor "verá".
Se isso tivesse sido feito com um cabo de extremidade única, então D + (sem D-) estaria em 1050mV e o terra ainda estaria em 0V, para que o receptor visse 1050mV.

Isso é um pouco de simplificação demais (mas transmite o conceito básico) - o solo também pode captar algum ruído (ou tê-lo presente para começar), mas devido à impedância incompatível entre ele e o sinal, a quantidade de ruído apanhados em cada linha serão diferentes e essa diferença será vista no lado receptor. Também pode estar presente inicialmente (por exemplo, loop de aterramento), o que é um grande problema para sistemas de extremidade única.
Combinar as impedâncias das linhas em uma conexão balanceada é muito importante para uma boa rejeição no modo comum (ou seja, rejeição do sinal comum a ambos os sinais), pois só funciona se ambas as linhas captam exatamente a mesma quantidade de ruído. Os sinais não precisam ser simétricos. No entanto, o ruído é criado, desde que afete ambos os sinais igualmente e a rejeição do modo comum será muito boa.

Na verdade, isso foi tentado uma vez: o Apple Desktop Bus (ADB) foi usado para conectar teclados e mouses a computadores Apple Macintosh desde 1986 até a Apple abandonar o USB em 1997 com o iMac.

Ele tinha quatro fios: 5V, terra, dados e comutador de energia. A linha do botão liga / desliga era apenas para o botão liga / desliga do teclado, que conectava a linha ao terra, e dizia à fonte de alimentação para iniciar a máquina. Tinha que ser o seu próprio fio, para que continuasse a funcionar mesmo que a linha de 5V estivesse desligada.

Fora isso, a linha de dados carregava tudo ... muito lentamente. O barramento nunca realmente progrediu além de ser um barramento de dispositivo de desktop, porque não apenas tinha um sinal de extremidade única, mas também tinha limites de comprimento (você obtém reflexos no final do barramento, pois não termina em cada extremidade).

Então a Intel decidiu usar a sinalização diferencial para USB. Se você deseja ter uma boa idéia de qual sinal diferencial compra, compare o desempenho em ruído do barramento RS-232 de extremidade única com o barramento diferencial RS-422. O RS-422 pode ser acionado por um cabo mais longo com menos tensão de fonte a uma determinada taxa de erro de bit.

Por que é isso? A versão longa faz uma palestra de um dia na aula de eletromagnetismo. A versão curta é que um sinal de ruído induz a mesma tensão nos dois fios de um par diferencial; portanto, o comparador na extremidade do receptor o cancela (ele rejeita muito bem a tensão no modo comum). Uma linha de extremidade única não tem garantia comparável, pois não há garantia de que a linha de terra e a linha de sinal captem o mesmo sinal de ruído; os terraços podem até ser conectados via terra do chassi e a corrente de retorno seguirá rotas completamente diferentes.

Na verdade, muito USB possui 5 linhas, e não 4. (A quinta linha é para negociar quem é mestre em aplicativos OTG. Observe que isso é limitado a conectores mini e micro USB.)

Como outros já apontaram, as linhas D + e D- são um par diferencial. Como um receptor pode ignorar a tensão no modo comum, um par diferencial fornece melhor imunidade a ruídos do que um sinal de extremidade única. Logicamente, as linhas D + e D- são um único sinal.

Não posso dizer definitivamente que essa é a única consideração a ser feita, mas isso não é para fundamentar, é para cancelamento de EMI. Os dados +/- fios são par trançado carregando sinais diferenciais.

É como você encontra em um cabo telefônico doméstico comum ou cabo de rede.

O mecanismo de transmissão de dados diferencial D + D- é adotado para reduzir o ruído afetado, portanto, a largura de banda da transmissão pode ser altamente aumentada.

Como o USB, existem vários outros protocolos de transmissão que usam camada física diferencial. Alguns exemplos são RS485, Ethernet ...

Mas, mesmo com dados diferenciais, há momentos em que a sinalização de extremidade única é usada no USB: O final do pacote é sinalizado com um zero de extremidade única (SE0), ou seja, D + e D- no estado baixo . Esse estado dura o tempo de 2 bits. se o SE0 durar mais de 10 ms, significa uma redefinição do barramento.

Essa sinalização de extremidade única torna o USB bastante sensível à interferência eletromagnética, como as que encontrei recentemente quando um motor de secador de cabelo estava causando muitas desconexões em um periférico USB próximo. E nenhum filtro de modo comum pode ser usado com eficácia, pois pode degradar o sinal SE0 ... Outro padrão bem concebido ...

O Beyond Logic tem uma visão geral dos pontos essenciais da parte elétrica da especificação USB aqui (também em formato PDF aqui ):

... O USB usa um par de transmissão diferencial para dados. Isso é codificado usando NRZI e é pouco preenchido para garantir transições adequadas no fluxo de dados.

...

O receptor define um diferencial '1' como D + 200mV maior que D- e um diferencial '0' como D + 200mV menor que D-. A polaridade do sinal é invertida dependendo da velocidade do barramento.