Главная » Хабрахабр » [Перевод] Репликация первого в мире цифрового голосового скремблера

[Перевод] Репликация первого в мире цифрового голосового скремблера

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


Фото: Jon D. Paul

После Перл-Харбора главным приоритетом стала разработка невзламываемого речевого скремблера, и его создали в 1943 году. В начале 1940-х немецкая разведка могла декодировать радиопереговоры американцев, несмотря на частотное скремблирование. 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 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. В 2015 году я понял, что с помощью старинных деталей могу воссоздать ключевой элемент SIGSALY — квантователь. В конце концов, мне удалось найти лейтенанта Дональда Мела, техника-оператора SIGSALY в годы Второй мировой, который оказал неоценимую помощь.

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

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

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

В своей репплике я добавил неоновые индикаторы.

Разделяй и властвуй: в сердце конвертера лежит лестница делителя напряжения [на фото вверху и схеме внизу], соединённая с тиратронами. Paul Фото: Jon D.

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. При реконструкции квантователя SIGSALY я хотел сделать реально работающее устройство, которое одновременно стало бы замечательным музейным экспонатом. Альтернативный вход — медленно нарастающий пилообразный сигнал. Первый вход — динамический микрофон: он подключён к предусилителю, в котором установлен двойной триод 6SL7GT для усиления звукового сигнала до 60 децибел.

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

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

На eBay продавались оригинальные тиратроны VT-109/2051 и восьмиштырьковые фарфоровые патроны для ламп. Некоторые детали для квантователя нашлись в моей лаборатории, где я с 50-х годов собираю винтажную электронику. Чтобы компоненты были видны, я сделал для квантователя прозрачный пластиковый корпус 49×17×8 см. 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. Общая стоимость комплектующих составила $1250.

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

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. Дизайн и конструкция заняли более трёх лет, и отладка оказалась очень непростой, особенно на 350 вольт! 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» в электронике), а мощность питания анода серьёзно перегружалась при срабатывании каждого тиратрона.

Я упаковал квантователь с несколькими инструментами и запчастями, а авиакомпания Air France любезно согласилась пустить по особому протоколу столь хрупкую машину. Пришлось прекратить отладку и выезжать. Я раздобыл запчасти и инструменты на парижских блошиных рынках (Marché aux Puces) и, наконец, закончил отладку в любительской радиобудке старого друга! В Париже пришлось завершать отладку без лаборатории и приборов, кроме вольтметра. 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

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

Если вы хотите почитать о том, как инновации SIGSALY сформировали современные мультимедийные и телекоммуникационные технологии, в 2006 году я написал статью [PDF] для журнала Общества звуковых инженеров, а в 2014 году вышла статья 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 от АНБ.

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


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Как изучение критической уязвимости DHCP в Windows 10 привело к обнаружению еще двух ошибок безопасности

Изображение: Unsplash А в некоторых случаях таких новых уязвимостей оказывается больше одной. Как было описано в предыдущей статье про CVE-2019-0726, иногда поиск деталей об уже известной уязвимости приводит к обнаружению новой уязвимости. Как всегда происходит при поиске уязвимостей, даже если ...

Быстрорастворимое проектирование

Люди учатся архитектуре по старым книжкам, которые писались для Java. Книжки хорошие, но дают решение задач того времени инструментами того времени. Время поменялось, C# уже больше похож на лайтовую Scala, чем Java, а новых хороших книжек мало. Увидим обзор типовых ...