USBに3行ではなく4行があるのはなぜですか？

USBは4つのピンを指定します：

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

なぜこれは3ではないのですか？データと電力は共通の基盤を共有できませんか？私はそれD-が根拠であると理解して正しいD+ですか？

いいえ、D-地面ではありません。データは差動ラインを介して送信されます。これD-はの鏡像でD+あるため、両方のデータラインが信号を伝送します。受信者はD-から減算しD+ます。ノイズ信号が両方のワイヤで拾われる場合、減算によりキャンセルされます。

したがって、差動シグナリングはノイズの抑制に役立ちます。配線の種類、つまりツイストペアも同様です。ワイヤーがちょうど平行に走った場合、磁気干渉を拾う可能性のある（狭い）ループを形成します。しかし、ねじれのおかげで、フィールドに対するワイヤの方向は連続的に変化します。誘導電流は、反対の符号が半ねじれた電流によって相殺されます。
ねじれたワイヤに垂直方向に作用する妨害があるとします。各ハーフツイストは、外乱を拾う小さなループと見なすことができます。次に、次の小さなループが反対のフィールド（逆さまに言うと、いわば）を見ることが容易であるため、最初のフィールドがキャンセルされます。これは、ハーフツイストのペアごとに発生します。
同様のバランス効果は、接地容量に対しても発生します。ストレートペアでは、1つの導体が他のコンダクタよりも大きな接地容量を示しますが、ツイストペアでは、各ワイヤは同じ容量を示します。

編集
cat5のような複数のツイストペアを持つケーブルは、クロストークを最小限に抑えるためにペアごとに異なるツイスト長を持っています。

これは、シングルエンド（不平衡）信号ではなく、差動（または平衡）信号です。

これは、レシーバーが1とグランドの間ではなく、それらの間の電圧を「測定」することを意味します。
D +が2Vで、D-が1Vであるとします。ここで、ワイヤが外部ノイズ（RF、電源ハムなど）を拾うとしましょう。両方のケーブルが撚り合わされて同じインピーダンスであるため、両方のケーブルが同じノイズ信号を拾う可能性が非常に高くなります。
50mVのノイズを拾ったとしましょう。したがって、D +には2050mVが、D-には1050mV がありますが、それらの差はまだ1V（1000mV）であり、これがレシーバーが「見る」ものです。
これがシングルエンドケーブルで行われた場合、D +（D-なし）は1050mVになり、グランドは0Vのままなので、受信機は1050mVになります。

これは少し単純化しすぎています（ただし、基本的な概念は理解しています）-地面もノイズを拾う可能性があります（または最初から存在している可能性があります）各回線で取得される値は異なり、この差は受信側で見られます。また、最初に存在する可能性があり（たとえば、グランドループ）、これはシングルエンドシステムにとって大きな問題です。
平衡接続のラインのインピーダンスを一致させることは、両方のラインがまったく同じ量のノイズを拾う場合にのみ機能するため、良好なコモンモード除去（つまり、両方の信号に共通する信号の除去）にとって非常に重要です。信号は対称である必要はありません。ただし、両方の信号に等しく影響を与える限り、ノイズが発生し、コモンモード除去は非常に良好になります。

実際、それは一度試されました。AppleDesktop Bus（ADB）は、1986年からAppleがiMacで1997年にUSBを捨てるまで、キーボードとマウスをApple Macintoshコンピューターに接続するために使用されました。

4本のワイヤがありました：5V、グランド、データ、および電源スイッチ。電源スイッチラインは、キーボードの電源ボタン専用で、ラインをアースに接続し、電源装置にマシンの起動を指示しました。5Vラインがオフの場合でも動作するように、それは独自のワイヤである必要がありました。

それ以外は、データラインがすべてを運んだ...非常にゆっくり。バスは、シングルエンドの信号を持つだけでなく、長さの制限があるため、デスクトップデバイスバスを超えることはありませんでした（両端で終端されていないため、バスの端から反射が得られます）。

そのため、IntelはUSBに差動信号を使用することにしました。差動信号方式で何が得られるかをよく知りたい場合は、シングルエンドRS-232バスと差動RS-422バスのノイズ性能を比較してください。RS-422は、所定のビットエラーレートで、より低い電源電圧でより長いケーブルで駆動できます。

どうしてこれなの？長いバージョンでは、電磁気学のクラスで1日の講義が行われます。短いバージョンでは、ノイズ信号が差動ペアの両方のワイヤに同じ電圧を誘導するため、レシーバー側のコンパレータがそれをキャンセルします（コモンモード電圧を非常によく除去します）。グランドラインと信号ラインが同じノイズ信号を拾うという保証はないため、シングルエンドラインには同等の保証はありません。アースはシャーシアースを介して接続される場合もあり、リターン電流はまったく異なるルートを取ります。

実際、多くのUSBには4行ではなく5行があります（5行目は、OTGアプリケーションで誰がマスターであるかをネゴシエートするためのものです。これは、ミニおよびマイクロUSBコネクタに限定されます。）

他の人がすでに指摘しているように、D +とD-ラインは差動ペアです。レシーバはコモンモード電圧を無視できるため、差動ペアはシングルエンド信号よりも優れたノイズ耐性を提供します。論理的には、D +およびD-ラインは単一の信号です。

これが唯一の考慮事項であると断言することはできませんが、それは接地のためではなく、EMIキャンセルのためです。データ+/-ワイヤはれる一対ねじら差動信号を搬送します。

典型的な家庭用電話コードやネットワークケーブルにあるようなものです。

D + D-差動データ伝送メカニズムは、影響を受けるノイズを低減するために採用されているため、伝送の帯域幅を大幅に増やすことができます。

USBのように、差分物理層を使用する他の伝送プロトコルがいくつかあります。いくつかの例は、RS485、イーサネット...

ただし、差動データであっても、USBでシングルエンドシグナリングが使用される場合があります。パケットの終わりは、シングルエンドゼロ（SE0）、つまりD +とD-の両方がロー状態でシグナリングされます。 。この状態は2ビットの時間続きます。SE0が10ミリ秒以上続く場合、バスリセットを意味します。

このシングルエンドシグナリングにより、USBは電磁干渉の影響を非常に受けやすくなります。たとえば、ヘアドライヤーモーターが近くのUSB周辺機器で多くの切断を引き起こしていたときに私が最近見つけたものです。また、コモンモードフィルタは、SE0信号を劣化させる可能性があるため、効果的に使用できません...

Beyond Logicには、USB仕様の電気部分の重要なポイントの概要があります（PDF形式もあります）。

... USBはデータに差動伝送ペアを使用します。これはNRZIを使用してエンコードされ、データストリームの適切な遷移を確保するためにビットスタッフィングされます。

...

レシーバは、差動「1」をD +より200mV大きいD +として定義し、差動「0」をD +より200mV小さいD +として定義します。信号の極性は、バスの速度に応じて反転します。