Репликация первого в мире цифрового голосового скремблера

Этот аналогово-цифровой преобразователь 1943 года обеспечил радиосвязь, которую невозможно расшифровать

Фото: Jon D. Paul

В начале 1940-х немецкая разведка могла декодировать радиопереговоры американцев, несмотря на частотное скремблирование. После Перл-Харбора главным приоритетом стала разработка невзламываемого речевого скремблера, и его создали ^[1] в 1943 году. В устройстве под названием SIGSALY впервые реализованы многие технологии, критически важные для современных цифровых медиа, включая систему связи с шумоподобными сигналами и первый случай использования кодово-импульсной модуляции (PCM) для передачи голоса.

SIGSALY был совершенно секретным проектом, так что даже сегодня трудно найти информацию о его разработке. Я двадцать лет изучал историю цифровых технологий и цифровых медиа, особенно SIGSALY, искал журналы IEEE и Агентства национальной безопасности (АНБ), а также патенты Bell Telephone Laboratories. В конце концов, мне удалось найти лейтенанта Дональда Мела, техника-оператора SIGSALY в годы Второй мировой, который оказал неоценимую помощь. В 2015 году я понял, что с помощью старинных деталей могу воссоздать ключевой элемент SIGSALY — квантователь.

SIGSALY невозможно было взломать, потому что в отличие от прежних аналоговых систем он скремблировал голос с помощью одноразового случайного цифрового ключа шифрования. Перед применением цифрового ключа следовало сначала преобразовать голос из аналоговой в цифровую форму. Это делал квантователь.

Современное аналого-цифровое преобразование позволяет легко захватить весь звуковой спектр. С помощью технологий, доступных в то время, создатели SIGSALY использовали 12 речевых параметров для оптимального кодирования. Вокодеры ^[2] анализировали голос и раскладывали его на 10 частотных поддиапазонов, плюс параметр высоты тона и один бит «голос есть/нет» (voiced/unvoiced).

У SIGSALY было 72 идентичных квантователя для оцифровки 12 параметров вокодера и ключа шифрования (он хранился как шум на виниловой пластинке). Оцифрованный голос и ключ шифровались сложением по модулю шесть ^[3]. В каждом квантователе работали пять тиратронов VT-109/2051 ^[4]. Тиратроны — это разновидность электронных трубок, но отличаются тем, что реагируют нелинейно: они выключены, пока напряжение в сети не превышает определённого значения; затем срабатывает триггер и образуется дуга. Тиратрон «защёлкивается» и проводит электричество до тех пор, пока ток с анода не упадёт до нуля, сбросив тиратрон. Пять тиратронов образуют параллельный преобразователь, в котором входящий сигнал сравнивается с напряжением в ряде точек отвода в цепи. В SIGSALY аналоговое напряжение со входа подаётся в пятиотводный логарифмический делитель напряжения ^[5], отводы которого управляют решётками тиратронов. По мере увеличения входного напряжения последовательно срабатывают триггеры пяти тиратронов (производя не бинарный, а логарифмический «унарный код»). Эти пять выходов сэмплируются каждые 20 миллисекунд, чтобы сформировать шестиуровневый квантованный выходной сигнал (он шести-, а не пятиуровневый, потому что один уровень — это ноль).

Разделяй и властвуй: в сердце конвертера лежит лестница делителя напряжения [на фото вверху и схеме внизу], соединённая с тиратронами. В своей репплике я добавил неоновые индикаторы. Фото: Jon D. Paul

При реконструкции квантователя SIGSALY я хотел сделать реально работающее устройство, которое одновременно стало бы замечательным музейным экспонатом. Дизайн включает блок питания 120/240 вольт, предусилитель микрофона, генератор пилообразного напряжения, щиток с отображением аналого-цифрового преобразования и пять неоновых ламп, которые подсвечивают логарифмическую последовательность. Первый вход — динамический микрофон: он подключён к предусилителю, в котором установлен двойной триод 6SL7GT ^[6] для усиления звукового сигнала до 60 децибел. Альтернативный вход — медленно нарастающий пилообразный сигнал.

В моём дизайне используется та же пятиотводная логарифмическая лестница и тот же тип тиратронов, что у SIGSALY. Вместо оригинального отбора значений каждые 20 мс я сэмплирую входной сигнал на пересечениях нулевого напряжения переменного тока.

Полная информация о конструкции квантователя не поместится на страницах [бумажного журнала], но вы можете найти её в онлайн-приложении ^[7]. Одно критическое различие между тиратронами и их современными потомками — тиристорами и симисторами ^[8] — заключается в том, что для предотвращения повреждения перед подачей анодного напряжения тиратронные нити следует предварительно нагреть. Термореле даёт нити 15 секунд на разогрев.

Некоторые детали для квантователя нашлись в моей лаборатории, где я с 50-х годов собираю винтажную электронику. На eBay продавались оригинальные тиратроны VT-109/2051 и восьмиштырьковые фарфоровые патроны для трубок. Кроме того, в устройстве использованы другие компоненты 40-х годов (например, объёмные резисторы Allen-Bradley), а также некоторые современные детали (например, двойные силовые трансформаторы) для поддержки электроники, отсутствующей в оригинальном квантователе. Чтобы компоненты были видны, я сделал для квантователя прозрачный пластиковый корпус 49×17×8 см. Общая стоимость комплектующих составила $1250.

Голосовой скремблер SIGSALY целиком — гигантская машина, в которой работает много аналого-цифровых преобразователей. Фото: АНБ

Дизайн и конструкция заняли более трёх лет, и отладка оказалась очень непростой, особенно на 350 вольт! Я закончил сборку и начал отладку всего за один час до вылета из Калифорнии в Париж, где обещал продемонстрировать квантователь на нескольких конференциях по криптографии и информационной безопасности. Когда я добавил силовые резисторы для решения некоторых проблем с напряжением накаливания и исправил несколько ошибок с проводкой, то квантователь начал немного работать, но сработали только два из пяти тиратронов, предусилитель микрофона раз в секунду демонстрировал полномасштабные колебания («моторная лодка» ^[9] в электронике), а мощность питания анода серьёзно перегружалась при срабатывании каждого тиратрона.

Пришлось прекратить отладку и выезжать. Я упаковал квантователь с несколькими инструментами и запчастями, а авиакомпания Air France любезно согласилась пустить по особому протоколу столь хрупкую машину. В Париже пришлось завершать отладку без лаборатории и приборов, кроме вольтметра. Я раздобыл запчасти и инструменты на парижских блошиных рынках (Marché aux Puces) и, наконец, закончил отладку в любительской радиобудке старого друга! Много проблем возникло, потому что тиратроны значительно отличались по триггерам напряжения в сети (такие же проблемы несоответствия тиратронов решали инженеры и техники оригинального SIGSALY в 40-е годы).

Автор демонстрирует свою реплику инновационного конвертера SIGSALY

Теперь агрегат работает надёжно. По словам АНБ и кураторов Национального криптологического музея, это первая попытка воссоздать какой-либо фрагмент SIGSALY. Но самое замечательное, что это устройство одинаково впечатляет и молодёжь, и людей старшего поколения. И техническая и нетехническая аудитория сразу понимает основополагающие принципы и тесную связь с современным цифровым веком.

Дополнительная информация

Если вы хотите почитать о том, как инновации SIGSALY сформировали современные мультимедийные и телекоммуникационные технологии, в 2006 году я написал статью [PDF] ^[10] для журнала Общества звуковых инженеров, а в 2014 году вышла статья ^[11] в журнале Общества инженеров кино и телевидения. Для получения более подробной информации о причинах создания и работе SIGSALY во время Второй мировой см. вводную историческую статью ^[12] от АНБ.

Если предпочитаете слушать, а не читать, в 2016 году мы с коллегами рассказали про вокодеры и SIGSALY ^[13] в подкасте 99% Invisible.

Автор: m1rko

Источник ^[14]