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

No, D- no es tierra. Los datos se envían a través de una línea diferencial , lo que significa que D- es una imagen reflejada de D+ , por lo que ambas líneas de datos llevan la señal. El receptor resta D- de D+ . Si los dos cables captan alguna señal de ruido, la resta la cancelará.

Asíquelaseñalizacióndiferencialayudaasuprimirelruido.Lomismoocurreconeltipodecableado,asaber,partrenzado.Siloscablesfueranparalelos,formaríanunbucle(estrecho)quepodríadetectarlainterferenciamagnética.Perograciasalosgiroslaorientacióndeloscablesrespectoalcampocambiacontinuamente.Unacorrienteinducidaserácanceladaporunacorrienteconelsignoopuestomediogiromás.
Supongamosquetieneunaperturbaciónquetrabajaverticalmenteenelcabletrenzado.Podríasconsiderarcadamediogirocomounpequeñobuclequerecogelaperturbación.Entoncesesfácilverqueelsiguientebuclepequeñoveelcampoopuesto(bocaabajo,porasídecirlo),demodoquesecancelaelprimercampo.Estosucedeparacadapardegirosmedios.
Unefectodeequilibriosimilarocurreparalacapacitanciaatierra.Enunparrecto,unconductormuestraunacapacitanciaatierramásaltaqueelotro,mientrasqueenunpartrenzadocadacablemostrarálamismacapacitancia.

editar
Los cables con varios pares trenzados como cat5 tienen una longitud de torsión diferente para cada par para minimizar la interferencia.

Es una señal diferencial (o equilibrada), en lugar de una señal de un solo extremo (desequilibrada).

Esto significa que el receptor "mide" la tensión 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 la red, etc.) Es muy probable que ambos cables capten la misma señal de ruido ya que están torcidos y tienen la misma impedancia. Digamos que recogemos 50mV de ruido. Así que ahora D + tiene 2050mV, y D- tiene 1050mV, la diferencia entre ellos sigue siendo 1V (1000mV), y esto es lo que el receptor "verá". Si esto se hubiera hecho con un cable de un solo extremo, entonces D + (sin D-) estaría a 1050mV, y la tierra aún estaría a 0V, por lo que el receptor verá 1050mV.

Esto es un poco más de una simplificación excesiva (pero entiende el concepto básico): el suelo también puede captar algo de ruido (o tenerlo presente para comenzar), pero debido a la impedancia no coincidente entre él y la señal, la cantidad de ruido captado en cada línea será diferente y esta diferencia se verá en el extremo receptor. También puede estar presente inicialmente (por ejemplo, bucle de tierra), que es un gran problema para los sistemas de terminación única. Hacer coincidir las impedancias de las líneas en una conexión equilibrada es muy importante para un buen rechazo del 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, el ruido se crea, 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 las computadoras Apple Macintosh desde 1986 hasta que Apple lo abandonó en 1997 con el iMac.

Tenía cuatro cables: 5V, tierra, datos y interruptor de encendido. La línea del interruptor de alimentación era solo para el botón de encendido del teclado, que conectaba la línea a tierra y le decía a la fuente de alimentación que iniciara la máquina. Tenía que ser su propio cable, por lo que aún funcionaba incluso si la línea de 5V estaba apagada.

Aparte de eso, la línea de datos lo llevó todo ... muy lentamente. El bus nunca progresó realmente más allá de ser un bus de dispositivo de escritorio porque no solo tenía una señal de un solo extremo, sino que tenía límites de longitud (se obtienen reflejos en el extremo del bus, ya que no está terminado en cada extremo).

Entonces, Intel decidió utilizar la señalización diferencial para USB. Si desea una buena idea de lo que le compra la señalización diferencial, compare el rendimiento en ruido del bus RS-232 de un solo extremo con el bus RS-422 diferencial. El RS-422 se puede conducir sobre un cable más largo con menos voltaje de fuente a una tasa de error de bit dada.

¿Por qué es esto? La versión larga toma una conferencia de un día en clase de electromagnética. 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; los terrenos pueden incluso conectarse a tierra del chasis y la corriente de retorno tomará rutas completamente diferentes.

En realidad, una gran cantidad de USB tiene 5 líneas, no 4. (La quinta línea es para negociar quién es el maestro en las aplicaciones OTG. Tenga en cuenta que esto está limitado a los conectores mini y micro USB).

Como ya lo 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 terminación única. Lógicamente, las líneas D + y D son una sola señal.

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

Es como encontraría en un cable telefónico o de red típico de una casa.

El mecanismo de transmisión de datos diferenciales 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 el 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 que se utiliza la señalización de extremo único en el USB: el final del paquete se señaliza con un cero de extremo único (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 muy sensible a las interferencias electromagnéticas, como las que encontré recientemente cuando el motor de un secador de pelo causaba 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 visión general de los puntos esenciales de la parte eléctrica de la especificación USB aquí ( también en formato PDF aquí ):

  

... USB usa un par de transmisión diferencial para datos. Esto se codifica utilizando NRZI y es   poco relleno para asegurar transiciones adecuadas en el flujo de datos.

     

...

     

El receptor define un '1' diferencial como D + 200mV mayor que D- y un '0' diferencial como D + 200mV menos que   RE-. La polaridad de la señal se invierte dependiendo de la velocidad del bus.