"Wir hatten zwei SKUs, die sich das gleiche 2,4-GHz-Band teilten – eines mit einem reinen WLAN-Modul, das andere mit WLAN+BLE. Sie standen bei der BETT 2026 nur durch eine Wand getrennt auf einem Demo-Tisch, und jedes Mal, wenn wir das BLE-fähige Gerät einsteckten, riss der YouTube-Stream auf dem reinen WLAN-Gerät für 14 s ab. Wir konnten es schließlich auf eine 12-MHz-SDIO-Taktharmonische bei 2,412 GHz vom WLAN-Lesestift zurückführen. Nachdem wir den Pull-down-Widerstand dieses Takts verschoben und einen 4,7-nF-Durchführungs-Kondensator hinzugefügt hatten, sank der Aussetzer auf 200 ms."
— Smart Reading Pen HF-Feldanwendungsingenieur
Dieser 14-Sekunden-Aussetzer an einem 229 $-Demo-Tisch vor einem Einkäufer des britischen Bildungsministeriums zeigt, warum SDIO- und 2,4-GHz-WLAN-Koexistenz ein tägliches Ärgernis ist. Der Lesestift ist ein batteriebetriebenes, tragbares Single-SoC- + WLAN/BT-Combo-Gerät, dessen WLAN-Funk mit dem SDIO-Takt, der BLE-Verbindung innerhalb des Combo-IC, dem Tablet-Hotspot und den Werksprüfvorrichtungen koexistieren muss. Wenn eines davon ausfällt, ist das Symptom dasselbe – TTS-Aussetzer, Wörterbuch-Abfragen laufen in einen Timeout, das Tablet des Elternteils verliert die Kopplung – aber die Ursache liegt fast immer in einer Layout- oder Filterentscheidung, die Wochen zuvor getroffen wurde. Dieses Playbook hält alle 11 Lesestift-SKUs (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6) auf derselben WLAN-Ebene.
1. Warum SDIO- und WLAN-Koexistenz das härteste Problem bei einem Lesestift ist
Der Lesestift-SoC (RK3326 oder Allwinner V3s bei Einstiegs-SKUs; A311D oder RK3566 bei T2 und Y6) sitzt auf der Hauptplatine mit einem SDIO-Bus, der mit 50 MHz bis 150 MHz läuft und ihn mit einem WLAN/BT-Combo-Modul (RTL8723DU, RTL8822CS oder BCM43455) verbindet. Der 2,4-GHz-WLAN-Funk und der 12- bis 50-MHz-SDIO-Takt leben im gleichen Gehäuse, getrennt durch weniger als 18 mm FR4. Die 48. Harmonische eines 50-MHz-SDIO-Takts liegt bei 2,400 GHz, exakt auf WLAN-Kanal 1. Die 24. Harmonische eines 100-MHz-SDIO-Takts liegt bei 2,400 GHz. Die 16. Harmonische eines 150-MHz-SDIO-Takts liegt bei 2,400 GHz.
Das 2,4-GHz-ISM-Band reicht von 2,400 GHz bis 2,4835 GHz: 83,5 MHz in 13 überlappenden 22-MHz-Kanälen. Auf einer schlecht designten Platine liegen die 47. und 48. Harmonischen eines 50-MHz-SDIO-Takts bei 2,350 GHz und 2,400 GHz mit -42 dBm bis -38 dBm innerhalb des WLAN-Passbands, wo die Rauschzahl eines WLAN-Empfängers (4 dB bis 5 dB) anfängt, Pakete zu verlieren. BLE, das über 40 Kanäle mit 2 MHz Bandbreite von 2,402 GHz bis 2,480 GHz hüpft, ist noch stärker betroffen, weil sein Schmalband-Energiedetektor eine periodische SDIO-Störspitze nicht herausmitteln kann. Lesestifte mit externem WLAN-Modul (RTL8723DU auf B1, K7, P2) können keine In-Chip-Koexistenz nutzen und sind auf PCB-Layout und Filterung angewiesen.
2. SDIO-Bus-Topologie über die 11 SKUs hinweg
| SKU | SoC | WLAN/BT-Modul | Schnittstelle | SDIO-Takt | Antenne |
|---|---|---|---|---|---|
| B1 | Allwinner V3s | RTL8723DU | SDIO 1-Bit + UART BT | 50 MHz | Chip |
| B2 | Allwinner V3s | RTL8723DU | SDIO 1-Bit + UART BT | 50 MHz | Chip |
| F8 | RK3326 | RTL8822CS | SDIO 4-Bit + UART BT | 100 MHz | PCB |
| K7 | Allwinner V3s | RTL8723DU | SDIO 1-Bit + UART BT | 50 MHz | Chip |
| KF1 | RK3326 | RTL8822CS | SDIO 4-Bit + UART BT | 100 MHz | PCB |
| L5 | Allwinner V3s | RTL8723DU | SDIO 1-Bit + UART BT | 50 MHz | Chip |
| P2 | Allwinner V3s | RTL8723DU | SDIO 1-Bit + UART BT | 50 MHz | Chip |
| Q6 | RK3326 | RTL8822CS | SDIO 4-Bit + UART BT | 100 MHz | PCB |
| Q8 | RK3326 | RTL8822CS | SDIO 4-Bit + UART BT | 100 MHz | PCB |
| T2 | A311D | BCM43455 | SDIO 4-Bit + UART BT | 150 MHz | PCB |
| Y6 | RK3566 | BCM43455 | SDIO 4-Bit + UART BT | 150 MHz | PCB |
| Stufe | SKUs | Oberwellen im WLAN-Band | Störspitze bei 2.400 GHz (Referenz-Revision B) | BOM-Kosten für Filternetzwerk |
|---|---|---|---|---|
| 50 MHz | B1, B2, K7, KF1, L5, P2 | 1 (48.) | -47 dBm bis -49 dBm | 0,04 $ |
| 100 MHz | F8, KF1, Q6, Q8 | 2 (24., 48.) | -51 dBm bis -52 dBm | 0,08 $ |
| 150 MHz | T2, Y6 | 3 (16., 32., 48.) | -54 dBm | 0,30 $ |
Bei der 50-MHz-Einstiegsstufe legt das typische PCB-Layout die SDIO-Taktleitung 4 mm bis 6 mm von der WLAN-Antenneneinspeisung entfernt mit einer 50-Ohm-GCPW und einem 33-Ohm-Serien-Ferrit auf der SoC-Seite. Die Oberwelle an der Antenneneinspeisung beträgt -44 dBm bei 2.400 GHz; bei einem Wunschsignal von -65 dBm liegt der Rauschpegel des WLAN-Empfängers bei -104 dBm, was 60 dB Spitzenrauschabstand und MCS 7 bei 5 Metern mit 70 Prozent Erfolg ergibt. Bei der 100-MHz-Stufe ergibt die gleiche GCPW -41 dBm bei 2.400 GHz; eine 4,7-nF-Durchführung in der Mitte der Leitung bildet mit 8 nH parasitärer Induktivität ein Pi-Filter und dämpft die Oberwelle um 8 dB, wodurch die Störspitze bei F8 auf -49 dBm sinkt. Bei der 150-MHz-Stufe dämpft ein BLM18PG471SN1-Ferrit (470 Ohm bei 100 MHz) die 2.400-GHz-Oberwelle um 12 dB, was mit 1 dB Verlust an Taktflankensteilheit erkauft wird und durch eine Erhöhung des SDIO-Treibers auf 8 mA kompensiert wird.
3. Layoutregeln für SDIO-Takt
Der SDIO-Takt und die vier Datenleitungen werden als 50-Ohm-GCPW-Bus mit 4-mil-Leiterbahnbreite und 8-mil-Abstand auf der Top-Lage eines 4-Lagen-FR4-Aufbaus (1 oz Kupfer, 0,2 mm Kern, 0,8 mm Prepreg) geführt. Regel 1 — den SDIO-Bus innerhalb von 30 mm zu den SDIO-Pins des WLAN-Moduls halten; jede zusätzliche 10 mm Länge fügen 8 nH und 1 dB Oberwellenabstrahlung hinzu. Regel 2 — den SDIO-Takt niemals über einem Power-Plane-Split führen; die Referenzebene muss eine durchgehende, ununterbrochene Massefläche auf Lage 2 direkt unter dem Bus sein. Regel 3 — innerhalb von 5 mm zum SoC-Pin einen 33-Ohm-BLM18PG330SN1-Serien-Ferrit am SoC-Ende platzieren. Regel 4 — die SDIO-Taktleitung 8 mm von der WLAN-Antenneneinspeisung entfernt halten. Regel 5 — die Masse-Via jedes Abblockkondensators innerhalb von 1 mm zu seinem Pad platzieren; Via-Induktivität fügt 1,5 nH pro Millimeter hinzu, und eine 1,5-mm-Via fügt 4,5 nH hinzu, was eine 4-dB-Spitze in der Kondensatorimpedanz bei 2.400 GHz erzeugt.
4. WLAN/BT-Koexistenz-Scheduling
Die WLAN/BT-Kombi-Module implementieren Packet Traffic Arbitration (PTA) im Silizium. Auf F8, KF1, Q6, Q8, T2, Y6 (RTL8822CS und BCM43455) arbeitet die PTA im 3-Draht-Modus mit TX_CONF-, RX_CONF- und STATUS-Signalen und gewichteter Prioritätsreihenfolge: BT-Sprache gewinnt über A2DP-Audio gewinnt über WLAN-Datentransfer gewinnt über WLAN-Scan. Die Freigabeentscheidung wird in 200 Mikrosekunden getroffen. Auf B1, B2, K7, L5, P2 (RTL8723DU) arbeitet die PTA im 1-Draht-Modus: der BT-Die aktiviert PTA_REQUEST 50 Mikrosekunden vor jedem WLAN-Sendevorgang, und der WLAN-Die tastet ihn ab. Der WLAN-Durchsatz sinkt um 18 Prozent bis 22 Prozent, wenn BT auf Einstiegs-SKUs aktiv ist; deshalb unterstützen diese kein gleichzeitiges WLAN-Streaming und BT-Audio.
BLE springt in einem pseudozufälligen Muster über 37 Datenkanäle. Auf F8 und KF1 beträgt das BLE-Verbindungsintervall 30 ms (für HID-Events vom OCR-Auslöser), und die Kanalkarte deckt alle 37 Kanäle ab. Auf T2 und Y6 beträgt das Verbindungsintervall 15 ms (für Stiftspitzen-Events mit niedriger Latenz), und die Kanalkarte ist auf 8 Kanäle um 2.440 GHz beschränkt, um die stark frequentierten Schul-WLAN-Kanäle 6 und 11 zu meiden. Die eingeschränkte Karte wird beim Pairing ausgehandelt und im NVM des Moduls gespeichert.
5. Filterabstimmung und Antennenisolation
Das WLAN/BT-Modul sitzt hinter einem Bandpassfilter, das 2.400 GHz bis 2.4835 GHz durchlässt: eine dreipolige LC-Leiter auf F8, KF1, Q6, Q8 und eine fünfpolige LC-Leiter auf T2 und Y6. Ziel sind eine Einfügungsdämpfung von 1,2 dB bei 2.450 GHz, eine Rückflussdämpfung von -18 dB und eine Unterdrückung von 35 dB bei 1.800 GHz. Auf F8 Rev C erhöhte ein Spulentausch von 2,2 nH auf 2,7 nH die Einfügungsdämpfung von 1,4 dB auf 1,6 dB; wir kompensierten an der Antenneneinspeisung, und der EVM bei 54 Mbps (64-QAM) stieg von 2,1 Prozent auf 2,4 Prozent, weiterhin unter der 3-Prozent-Grenze für MCS 7. Das fünfpolige Filter auf T2 und Y6 verwendet einen Hochpassabschnitt (4,7 nF in Serie, 2,2 nH gegen Masse) und einen Tiefpassabschnitt (1,5 nH in Serie, 1,2 pF gegen Masse). Seine 1,8-GHz-Unterdrückung beträgt 38 dB, 10 dB besser als die 28 dB des dreipoligen Filters.
Die WLAN-Antenne ist ein 50-Ohm-PCB-Monopol bei 2.450 GHz (14 mm Länge, 1,5 mm Breite) an der Oberkante mit einer Massefläche auf Lage 2, die sich 8 mm unterhalb der Einspeisung erstreckt. Die Isolation zwischen SDIO-Bus und WLAN-Antenne, gemessen als S21, ist die wichtigste Layout-Kennzahl. Ziel sind 45 dB bei 2.450 GHz. Auf F8 Rev A betrug die Isolation 38 dB; Rev B verlagerte den Takt 12 mm von der Antenne weg, und die Isolation stieg auf 47 dB. Auf K7 Rev A betrug die Isolation 41 dB, weil der Takt einen Power-Plane-Split kreuzte; Rev B wurde darum herumgeführt, und die Isolation stieg auf 48 dB. Ohne BT-Verkehr erreicht F8 65 Mbps bei MCS 7 in 2 Metern; mit BLE-HID sinkt der Durchsatz auf 52 Mbps; mit A2DP-Audio sinkt der Durchsatz auf 38 Mbps. T2 und Y6 unterstützen 256-QAM bei 2,4 GHz und heben die PHY-Rate von 72 Mbps auf 96 Mbps auf einem sauberen Kanal.
| Stufe | SKUs | Filterpole | Einfügungsdämpfung bei 2.450 GHz | Unterdrückung bei 1.8 GHz | BOM-Kosten |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 MHz | B1, B2, K7, L5, P2 | keine | 0,6 dB | 8 dB | 0,04 $ |
| 100 MHz | F8, KF1, Q6, Q8 | 3 | 1,2 dB | 28 dB | 0,08 $ |
| 150 MHz | T2, Y6 | 5 | 0,9 dB | 38 dB | 0,30 $ |
6. Visualisierung des SDIO-Busses
Das erste Diagramm zeigt den 2,400-GHz-Störpegel jedes SKUs auf dem Referenz-PCB Rev. B; das zweite zeigt die BLE-Kanalhopping-Dichte für F8 gegenüber T2.
Das erste Diagramm zeigt, dass die 150-MHz-Klasse (T2 und Y6) mit -54 dBm die niedrigste 2,400-GHz-Störung aufweist, 5 dB besser als die 100-MHz-Klasse (F8, KF1, Q6, Q8) und 5 dB besser als die 50-MHz-Klasse. KF1 hat die gleiche -52-dBm-Störung wie F8, da beide den RTL8822CS bei 100 MHz verwenden. Das zweite Diagramm zeigt, dass das BLE-Kanalhopping von F8 die Ereignisse gleichmäßig über alle 37 Kanäle verteilt, während T2 70 Prozent der Ereignisse in 8 Kanäle zwischen Kanal 12 und 22 (2,440 GHz bis 2,446 GHz) konzentriert.
7. Fehlermodi und Kostenabwägung
Der häufigste Fehlermodus ist ein WiFi-Durchsatzstillstand, der durch eine 2,400-GHz-SDIO-Taktharmonische auf der Mitte des WiFi-Kanals verursacht wird und sich als Lücke von 200 ms bis 14 s im TTS-Stream oder als Lücke von 30 s bis 60 s beim OTA-Firmware-Download äußert. Die Ursache ist eine von drei Möglichkeiten: die SDIO-Taktleitung zu nahe an der Antenneneinspeisung, die Leitung kreuzt einen Massetrennschlitz oder die Serien-Ferrit wurde aus der Stückliste gelassen. Der zweithäufigste Fehlermodus ist ein BLE-Audioabbruch, der dadurch entsteht, dass das WiFi-Funkmodul einem BLE-Sende-Slot Vorrang gewährt; er äußert sich als Lücke von 20 ms bis 100 ms im A2DP-Stream. Die Lösung ist der Sprachprioritätsmodus der WiFi/BT-Coexistenz, der A2DP über die Dateiübertragung stellt, mit einem WiFi-Durchsatzverlust von 5 Prozent. Die 50-MHz-Klasse verwendet eine einzelne Ferrite für 0,04 $; die 100-MHz-Klasse ergänzt einen 4,7-nF-Durchführungskondensator für 0,08 $; die 150-MHz-Klasse ergänzt einen BLM18PG471SN1-Ferrit und ein Fünf-Pol-Filter, insgesamt 0,30 $. OTA-Firmware-Updates sind die eigentliche Bewährungsprobe: Ein 12 MB bis 28 MB großes Image lädt mit 1,5 MB/s bis 3,5 MB/s auf einem sauberen Kanal, sinkt auf 1,2 MB/s bis 2,8 MB/s bei aktivem BLE und dauert auf einem gestörten Kanal 45 s bis 90 s länger. Wir liefern jedes Hochvolumen-SKU mit einem 4,7-nF-Durchführungskondensator als Absicherung gegen WiFi-Stillstände.
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