게시일: 1월 20, 2022 - 23 조회수

리딩펜 SDIO 버스와 2.4 GHz WiFi 공존: 채널 호핑, 필터 튜닝, 안테나 격리

저희는 동일한 2.4 GHz 대역을 공유하는 두 가지 SKU를 보유하고 있었습니다. 하나는 WiFi 전용 모듈이었고, 다른 하나는 WiFi+BLE 모듈이었습니다. 두 기기는 BETT 2026 전시 부스의 데모 테이블에서 벽 하나를 사이에 두고 나란히 놓여 있었는데, BLE가 장착된 기기를 전원에 연결할 때마다 WiFi 전용 기기에서 재생 중이던 데모 YouTube 스트리밍이 14초간 멈추는 현상이 반복적으로 발생했습니다. 결국 WiFi 전용 펜에서 발생하는 12 MHz SDIO 클럭의 2.412 GHz 고조파가 원인임을 밝혀냈습니다. 해당 클럭의 풀다운 저항을 변경하고 4.7 nF 피드스루를 추가한 뒤, 스트리밍 멈춤 현상은 200 ms 수준으로 줄어들었습니다.

— 스마트 Reading 펜 RF 필 어업 엔지니어

영국 교육부 바이어 앞에서, $229짜리 데모 테이블 위에서 발생한 그 14초짜리 끊김은 SDIO와 2.4 GHz WiFi 공존이 왜 일상적인 골치거리인지를 정확히 보여줍니다. 리딩펜은 배터리로 동작하는 휴대용 단일 SoC + WiFi/BT 콤보 기기로서, WiFi 무선은 SDIO 클럭, 콤보 IC 내부의 BLE 링크, 태블릿 핫스팟, 공장 테스트 고정 장치와 공존해야 합니다. 이 중 어느 하나라도 깨지면 증상은 동일합니다 — TTS가 끊기고, 사전 조회 시간이 초과되며, 부모 태블릿의 페어링이 해제됩니다 — 하지만 근본 원인은 대개 몇 주 전에 내려진 레이아웃 또는 필터 선택입니다. 본 플레이북은 모든 11개 리딩펜 SKU(B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6)를 동일한 WiFi 설계 원칙 위에 유지합니다.

1. 리딩펜에서 SDIO와 WiFi 공존이 가장 어려운 문제인 이유

리딩펜 SoC(엔트리급 SKU는 RK3326 또는 Allwinner V3s, T2와 Y6는 A311D 또는 RK3566)는 메인 보드에 있으며, WiFi/BT 콤보 모듈(RTL8723DU, RTL8822CS 또는 BCM43455)과 50 MHz ~ 150 MHz의 SDIO 버스로 연결됩니다. 2.4 GHz WiFi 무선과 12 ~ 50 MHz SDIO 클럭은 FR4 18 mm 이내의 동일한 엔클로저 안에 함께 배치됩니다. 50 MHz SDIO 클럭의 48차 하모닉은 2.400 GHz로 WiFi 채널 1과 정확히 일치합니다. 100 MHz SDIO 클럭의 24차 하모닉은 2.400 GHz입니다. 150 MHz SDIO 클럭의 16차 하모닉은 2.400 GHz입니다.

2.4 GHz ISM 대역은 2.400 GHz ~ 2.4835 GHz, 즉 13개의 겹치는 22 MHz 채널에 걸쳐 총 83.5 MHz입니다. 레이아웃이 잘못된 보드에서는 50 MHz SDIO 클럭의 47차 및 48차 하모닉이 2.350 GHz 및 2.400 GHz에서 발생하여 WiFi 통과대역 내에 -42 dBm ~ -38 dBm 수준으로 유입되며, WiFi 수신기의 잡음 지수(4 dB ~ 5 dB)가 패킷 손실을 유발하기 시작합니다. BLE은 2.402 GHz ~ 2.480 GHz에서 40개의 2 MHz 대역폭 채널을 호프핑하므로, 협대역 에너지 검출기가 주기적인 SDIO 스퍼를 평균화할 수 없어 더 큰 영향을 받습니다. 외부 WiFi 모듈을 사용하는 리딩펜(B1, K7, P2의 RTL8723DU)은 칩 내부 공존을 구현할 수 없으므로 PCB 레이아웃과 필터링에 의존합니다.

2. 11개 SKU에 걸친 SDIO 버스 토폴로지

SKU SoC WiFi/BT 모듈 인터페이스 SDIO 클럭 안테나
B1 Allwinner V3s RTL8723DU SDIO 1-bit + UART BT 50 MHz 칩
B2 Allwinner V3s RTL8723DU SDIO 1-bit + UART BT 50 MHz 칩
F8 RK3326 RTL8822CS SDIO 4-bit + UART BT 100 MHz PCB
K7 Allwinner V3s RTL8723DU SDIO 1-bit + UART BT 50 MHz 칩
KF1 RK3326 RTL8822CS SDIO 4-bit + UART BT 100 MHz PCB
L5 Allwinner V3s RTL8723DU SDIO 1-bit + UART BT 50 MHz 칩
P2 Allwinner V3s RTL8723DU SDIO 1-bit + UART BT 50 MHz 칩
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
Tier SKUs WiFi 대역의 고조파 2.400 GHz에서의 스퍼 (기준 rev B) 필터 네트워크의 BOM 비용
50 MHz B1, B2, K7, KF1, L5, P2 1 (48번째) -47 dBm ~ -49 dBm $0.04
100 MHz F8, KF1, Q6, Q8 2 (24번째, 48번째) -51 dBm ~ -52 dBm $0.08
150 MHz T2, Y6 3 (16번째, 32번째, 48번째) -54 dBm $0.30

50 MHz 엔트리 티어의 경우, 일반적인 PCB 레이아웃은 SDIO 클록 트레이스를 WiFi 안테나 피드로부터 4 mm ~ 6 mm 거리에 배치하고, 50 ohm GCPW와 SoC 측에 33 ohm 직렬 페라이트를 사용합니다. 안테나 피드에서의 고조파는 2.400 GHz에서 -44 dBm이며, -65 dBm의 희망 신호에 대해 WiFi 수신기의 노이즈 플로어는 -104 dBm이므로, 스퍼 대 노이즈는 60 dB이고 5 m 거리에서 MCS 7이 70% 성공률로 동작합니다. 100 MHz 티어에서는 동일한 GCPW가 2.400 GHz에서 -41 dBm을 제공하며, 트레이스 중간 지점의 4.7 nF 피드스루가 8 nH의 기생 인덕턴스와 함께 pi 필터를 형성하여 고조파를 8 dB 롤오프시키고, F8에서 스퍼를 -49 dBm으로 낮춥니다. 150 MHz 티어에서는 BLM18PG471SN1 페라이트(100 MHz에서 470 ohm)가 1 dB의 클록 에지 선명도 손실을 대가로 2.400 GHz 고조파를 12 dB 감쇠시키며, 이는 SDIO 드라이브를 8 mA로 높여 보상합니다.

3. SDIO 클록 레이아웃 규칙

SDIO 클록과 4개의 데이터 라인은 4 mil 트레이스 폭과 8 mil 클리어런스로 4층 FR4 스택업(1 oz 구리, 0.2 mm 코어, 0.8 mm 프리프레그)의 최상위 층에 50 ohm GCPW 버스로 라우팅됩니다. 규칙 1 — SDIO 버스를 WiFi 모듈의 SDIO 핀으로부터 30 mm 이내에 유지할 것. 길이가 10 mm 추가될 때마다 8 nH와 1 dB의 고조파 방사가 추가됩니다. 규칙 2 — SDIO 클록을 파워 플레인 스플릿 위로 절대 라우팅하지 말 것. 기준 플레인은 버스 바로 아래 2층에 위치한 끊김 없는 단일 그라운드 포어여야 합니다. 규칙 3 — SoC 핀으로부터 5 mm 이내에 SoC 측에 33 ohm BLM18PG330SN1 직렬 페라이트를 배치할 것. 규칙 4 — SDIO 클록 트레이스를 WiFi 안테나 피드로부터 8 mm 떨어지게 유지할 것. 규칙 5 — 모든 디커플링 캡의 그라운드 비아를 해당 패드로부터 1 mm 이내에 배치할 것. 비아 인덕턴스는 mm당 1.5 nH를 추가하며, 1.5 mm 비아는 4.5 nH를 추가하여 2.400 GHz에서 캡 임피던스에 4 dB 피크를 발생시킵니다.

4. WiFi/BT 공존 스케줄링

WiFi/BT 콤보 모듈은 실리콘 내부에서 PTA(Packet Traffic Arbitration)를 구현합니다. F8, KF1, Q6, Q8, T2, Y6(RTL8822CS 및 BCM43455)에서는 PTA가 3-와이어 모드로 동작하며, TX_CONF, RX_CONF, STATUS 신호와 가중치 우선순위(음성 BT > A2DP 오디오 > 파일 전송 WiFi > 스캔 WiFi)를 사용합니다. 그랜트 결정은 200 마이크로초 내에 내려집니다. B1, B2, K7, L5, P2(RTL8723DU)에서는 PTA가 1-와이어 모드로 동작합니다. BT 다이 측이 각 WiFi 송신 50 마이크로초 전에 PTA_REQUEST를 어서트하고, WiFi 다이 측이 이를 샘플링합니다. BT가 활성화되면 엔트리 SKU의 WiFi 처리량은 18% ~ 22% 감소하며, 이 때문에 동시 WiFi 스트리밍과 BT 오디오는 지원되지 않습니다.

BLE는 37개의 데이터 채널에서 의사 랜덤 패턴으로 홉합니다. F8와 KF1에서 BLE 연결 간격은 30 ms(OCR 트리거의 HID 이벤트용)이며 채널 맵은 37개 채널 전부를 커버합니다. T2와 Y6에서 연결 간격은 15 ms(저지연 펜 팁 이벤트용)이며 채널 맵은 학교 WiFi 채널 6 및 11의 혼잡을 회피하기 위해 2.440 GHz 주변의 8개 채널로 제한됩니다. 제한된 맵은 페어링 시점에 협상되어 NVM에 저장됩니다.

5. 필터 튜닝 및 안테나 절연

WiFi/BT 모듈은 2.400 GHz ~ 2.4835 GHz를 통과시키는 대역 통과 필터 뒤에 위치합니다. F8, KF1, Q6, Q8은 3단 LC 래더이고, T2, Y6은 5단 LC 래더입니다. 목표는 2.450 GHz에서 삽입 손실 1.2 dB, 반사 손실 -18 dB, 1.800 GHz에서 35 dB의 감쇠입니다. F8 rev C에서 인덕터를 2.2 nH에서 2.7 nH로 교체하자 삽입 손실이 1.4 dB에서 1.6 dB로 상승했습니다. 안테나 피드에서 보상한 결과 54 Mbps(64-QAM)에서 EVM이 2.1%에서 2.4%로 상승했지만 MCS 7의 3% 한계 이내입니다. T2와 Y6의 5단 필터는 고역 통과 섹션(4.7 nF 직렬, 2.2 nH 대지)과 저역 통과 섹션(1.5 nH 직렬, 1.2 pF 대지)으로 구성됩니다. 1.8 GHz 감쇠는 38 dB이며, 3단 필터의 28 dB보다 10 dB 우수합니다.

WiFi 안테나는 2.450 GHz(길이 14 mm, 폭 1.5 mm)에서 50 ohm PCB 모노폴이며, 최상위 엣지에 위치하고 2층에 피드 아래로 8 mm 연장된 그라운드 플레인을 갖습니다. S21로 측정된 SDIO 버스와 WiFi 안테나 간의 절연은 가장 중요한 레이아웃 지표입니다. 2.450 GHz에서 목표는 45 dB입니다. F8 rev A에서 절연은 38 dB였으며, rev B에서 클록을 안테나로부터 12 mm 이동시키자 절연이 47 dB로 상승했습니다. K7 rev A에서 클록이 파워 플레인 스플릿을 횡단했기 때문에 절연은 41 dB였습니다. rev B에서 이를 우회하여 라우팅한 결과 절연이 48 dB로 상승했습니다. BT 트래픽이 없을 때 F8은 2 m 거리에서 MCS 7로 65 Mbps를 달성합니다. BLE HID 사용 시 처리량은 52 Mbps로 감소하며, A2DP 오디오 사용 시 처리량은 38 Mbps로 감소합니다. T2와 Y6은 2.4 GHz에서 256-QAM을 지원하여 깨끗한 채널에서 PHY 레이트를 72 Mbps에서 96 Mbps로 높입니다.

Tier SKUs 필터 단수 2.450 GHz에서의 삽입 손실 1.8 GHz에서의 감쇠 BOM 비용
50 MHz B1, B2, K7, L5, P2 없음 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. SDIO 버스 시각화

첫 번째 차트는 기준 PCB rev B에서 각 SKU의 2.400 GHz 스퓨리어스 레벨을 보여주며, 두 번째 차트는 F8과 T2의 BLE 채널 호핑 밀도를 보여줍니다.

2.400 GHz Spur by SKU

BLE Channel Hopping: F8 vs T2

첫 번째 차트는 150 MHz 등급(T2 및 Y6)이 2.400 GHz 스퓨리어스에서 -54 dBm으로 가장 낮으며, 100 MHz 등급(F8, KF1, Q6, Q8) 대비 5 dB, 50 MHz 등급 대비 5 dB 더 우수하다는 것을 보여줍니다. KF1은 F8과 동일하게 100 MHz에서 RTL8822CS를 사용하기 때문에 -52 dBm의 동일한 스퓨리어스를 보입니다. 두 번째 차트에서 F8의 BLE 채널 호핑은 37개 전체 채널에 걸쳐 이벤트를 고르게 분산시키는 반면, T2는 이벤트 70%를 채널 12~22(2.440 GHz~2.446 GHz) 사이의 8개 채널에 집중시킵니다.

7. 고장 모드 및 비용 트레이드오프

가장 일반적인 고장 모드는 WiFi 채널 중심에 떨어지는 2.400 GHz SDIO 클럭 하모닉으로 인해 발생하는 WiFi 처리량 정지이며, TTS 스트림에서 200 ms~14 s의 끊김 또는 OTA 펌웨어 다운로드에서 30 s~60 s의 끊김으로 나타납니다. 근본 원인은 다음 세 가지 중 하나입니다. 안테나 피드에 너무 가까운 SDIO 클럭 트레이스, 전력 평면 분할을 가로지르는 트레이스, BOM에서 누락된 시리즈 페라이트. 두 번째로 흔한 고장 모드는 BLE 전송 슬롯에 양보하는 WiFi 라디오로 인해 발생하는 BLE 오디오 드롭아웃이며, A2DP 스트림에서 20 ms~100 ms의 끊김으로 나타나며, 해결책은 WiFi 처리량 5% 비용으로 파일 전송보다 A2DP를 우선시하는 WiFi/BT 공존의 음성 우선 모드입니다. 50 MHz 등급은 $0.04짜리 단일 페라이트를 사용하고, 100 MHz 등급은 $0.08짜리 4.7 nF 피드스루 커패시터를 추가하며, 150 MHz 등급은 BLM18PG471SN1 페라이트와 5단 필터를 추가하여 총 $0.30입니다. OTA 펌웨어 업데이트가 진짜 시험입니다. 12 MB~28 MB 이미지는 깨끗한 채널에서 1.5 MB/s~3.5 MB/s로 다운로드되며, BLE 활성 시 1.2 MB/s~2.8 MB/s로 떨어지고, 잡음 채널에서는 45 s~90 s 더 오래 걸립니다. 모든 대량 생산 SKU에는 WiFi 정지에 대비해 4.7 nF 피드스루 커패시터를 기본 장착하여 출하합니다.

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Frequently Asked Questions

50 MHz SDIO 버스에서 2.4 GHz WiFi 대역에 떨어지는 지배적인 SDIO 클럭 하모닉은 무엇입니까?
48번째 하모닉인 2.400 GHz가 WiFi 채널 1의 중심 주파수에 해당합니다. 47번째 하모닉인 2.350 GHz는 대역보다 50 MHz 낮고, 49번째 하모닉인 2.450 GHz는 하모닉 감쇠로 인해 더 낮은 진폭으로 채널 9에 위치합니다. 50 MHz SDIO 클럭은 B1, B2, K7, KF1, L5 및 P2에서 사용됩니다.
F8과 KF1은 동일한 RTL8822CS 모듈과 100 MHz SDIO 클럭을 사용하는데 왜 현장에서 WiFi 처리량이 달라집니까?
두 제품 모두 RK3326 SoC를 사용하지만, 처리량 차이는 안테나에 의해 결정됩니다. F8은 +2.1 dBi 최대 이득의 14 mm PCB 안테나를 사용하고, KF1은 +1.8 dBi 최대 이득의 12 mm PCB 안테나를 사용합니다. 이는 KF1 하우징의 WiFi 윈도우가 더 작기 때문입니다. 0.3 dB 이득 차이는 MCS 7에서 1 m ~ 2 m의 추가 범위로 이어집니다.
리딩 펜의 SDIO 버스를 WiFi/BT 모듈용 USB 버스로 교체하여 클럭 하모닉 위험을 줄일 수 있습니까?
아닙니다. USB 2.0 고속은 480 MHz에서 동작하며 5번째 하모닉이 2.400 GHz, 즉 WiFi 채널 1 중심에 정확히 위치하기 때문입니다. 480 MHz 기본파의 5번째 하모닉은 하모닉 진폭이 차수가 높아질수록 감소하므로 SDIO 클럭의 48번째 하모닉보다 더 강한 스퍼입니다. RTL8723DU의 USB 버스는 BT 전용이며, WiFi는 SDIO를 사용합니다. SDIO는 동일 처리량에서 USB보다 더 낮은 스퍼 플로어를 제공합니다.
T2와 Y6의 BLE 채널 맵 제한은 무엇이며 왜 2.440 GHz 주변의 8개 채널로 설정되어 있습니까?
BLE 채널 맵 제한은 페어링 시 협상되어 WiFi/BT 모듈의 비휘발성 메모리에 저장됩니다. T2와 Y6은 채널 12 ~ 22(2.440 GHz ~ 2.446 GHz)를 포괄하는 기본 채널 맵으로 출하됩니다. 이 대역은 WiFi 채널 6(2.437 GHz)과 겹치지만 BLE 적응 주파수 hopping이 혼잡한 채널 6을 피할 수 있을 만큼 좁기 때문입니다. 이 제한은 802.11n 액세스 포인트가 있는 학교에서 BLE 재전송률을 40% 줄여줍니다.
현장에서 리딩 펜의 WiFi 처리량 정체는 어떻게 진단합니까?
3단계 절차입니다. 1단계: 액세스 포인트 syslog로 WiFi 패킷 로그를 캡처하고 재전송률이 8%를 초과하는지 확인합니다. 2단계: SDIO 클럭이 활성 상태에서 펜의 WiFi 안테나 피드에 대해 스펙트럼 분석기 스윕을 실행하고 WiFi 대역에서 -75 dBm을 초과하는 스퍼를 찾습니다. 3단계: 펌웨어에서 SoC의 SDIO 클럭 주파수 스케일링을 활성화하고 스퍼의 중심 주파수를 확인합니다. 스퍼가 2.400 GHz에 있고 SDIO 클럭에 따라 변한다면 해당 스퍼가 48번째 하모닉이며, 해결책은 레이아웃 변경 또는 시리즈 페라이트 적용입니다.
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