Внутри есть только чип размером с песчинку и несколько витков тонкой металлической проволоки. Почему это работает?
Катушка как трансформатор
Внутри каждого смартфона с NFC живет плоская катушка — она генерирует переменное магнитное поле на частоте 13,56 МГц. Эта частота зафиксирована в стандарте ISO/IEC 14443 и не меняется у разных производителей: чуть выше или ниже — и метки перестанут читаться. Поле пульсирует 13,5 миллиона раз в секунду.
В метке тоже есть катушка: несколько витков проволоки или напыленного металла по периметру этикетки. Подносите метку к телефону — и две катушки вместе образуют трансформатор. Первичная обмотка в смартфоне, вторичная в метке. Сердечника нет, катушки разнесены в воздухе, но принцип тот же: переменное поле наводит в метке электродвижущую силу, чип получает питание и запускается. Все это занимает меньше миллисекунды.
Ответ без своего передатчика
Получив питание, чип должен отдать данные обратно. Собственного передатчика у него нет — так задумано: любой активный передатчик потребовал бы батарейку. Вместо этого метка использует модуляцию нагрузки (load modulation): транзистор внутри чипа быстро открывается и закрывается, меняя электрическое сопротивление катушки. Катушка то поглощает чуть больше энергии из поля телефона, то чуть меньше.
Смартфон непрерывно следит за током в своей катушке. Когда метка меняет нагрузку, ток чуть колышется — эти колебания смартфон расшифровывает как биты данных. Никакого отдельного радиосигнала от метки нет: есть только отражение, модифицированное нагрузкой. Скорость обмена — 106 килобит в секунду, этого хватает, чтобы передать URL или идентификатор за единицы миллисекунд.
Военная родня
Тот же принцип работал в военной авиации еще в годы Второй мировой. Британские инженеры создали систему IFF (Identification Friend or Foe) — опознавание «свой-чужой»: наземный радар посылал сигнал, самолет получал его и отвечал модифицированным кодом. Активного передатчика на борту для этого не нужно — транспондер брал энергию из самого радарного луча и отдавал ответ обратно. Оператор видел по рисунку отклика, кто перед ним.
В NFC дистанция сжалась с нескольких километров до нескольких сантиметров, энергия стала слабее на много порядков — но принцип не изменился. Источник поля и инициатор запроса на одной стороне, пассивный транспондер на другой.
Четыре сантиметра — это физика
Магнитное поле вблизи источника затухает очень быстро — с расстоянием его сила падает по кубическому закону. Это значит, что если отойти вдвое дальше, поле станет слабее не в два, а в восемь раз. А мощность, которую может «поймать» катушка-приемник, убывает еще быстрее — в шестой степени от расстояния, то есть в 64 раза при удвоении дистанции. На практике это означает: уже на расстоянии десяти сантиметров от телефона до NFC-метки через воздух проходит лишь ничтожная часть энергии — доли микроватта. Этого хватает только на один короткий сеанс связи.
Вот откуда берутся те самые 4–10 сантиметров в характеристиках любой NFC-метки. Bluetooth работает принципиально иначе: активный передатчик тратит энергию собственного аккумулятора и уверенно добивает на 10–15 метров. Пассивной метке брать энергию больше неоткуда — а поле слабеет слишком быстро, чтобы хватало на метр и дальше. Именно поэтому NFC не заменит Bluetooth для стриминга или для колонки через комнату — это задачи с разной физикой.
Почему метка не ломается
У чипа без батарейки нет химии, которая деградирует. Стандартная метка хранит данные до 10 лет и выдерживает до 100 000 циклов перезаписи — этого хватает на домашнюю автоматику, умные визитки и навигационные точки в офисах.
Единственное уязвимое место — катушка-антенна. Порвется проволока или отслоится металлическое напыление — метка перестанет принимать энергию. Чип при этом останется целым. Батарейка тут не спасла бы: данные надо было бы передать, а без антенны некуда.
На том же принципе работают умные кассеты с NFC, которые превращают смартфон в ретро-проигрыватель: чехол определяет по касанию, какой альбом запустить. Тринадцать с половиной мегагерц, катушка и миллисекунда заемного тока — больше ничего не нужно.