Este convertidor analógico a digital de 1943 proporcionaba comunicación por radio que no podía descifrarse.

Foto: Jon D. Paul

A principios de la década de 1940, la inteligencia alemana podía decodificar las comunicaciones de radio estadounidenses, a pesar de la frecuencia. Después de Pearl Harbor, la principal prioridad fue el desarrollo de un codificador de voz irrompible, y fue creado en 1943. Por primera vez, un dispositivo llamado SIGSALY implementa muchas tecnologías críticas para los medios digitales modernos, incluido un sistema de comunicación de señal similar al ruido y el primer uso de la modulación de código de pulso (PCM) para la transmisión de voz.

SIGSALY fue un proyecto de alto secreto, por lo que incluso hoy es difícil encontrar información sobre su desarrollo. He estudiado la historia de la tecnología digital y los medios digitales durante veinte años, especialmente SIGSALY, busqué revistas IEEE y la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), así como las patentes de Bell Telephone Laboratories. Al final, logré encontrar al teniente Donald Mel, el técnico-operador de SIGSALY durante la Segunda Guerra Mundial, que me brindó una asistencia invaluable. En 2015, me di cuenta de que, con la ayuda de detalles antiguos, puedo recrear el elemento clave de SIGSALY: el cuantificador.

SIGSALY no pudo ser pirateado porque, a diferencia de los sistemas analógicos anteriores, codificó la voz con una clave de cifrado digital aleatorio de una sola vez. Antes de usar la tecla digital, primero debe convertir la voz de analógico a digital. Esto fue hecho por el cuantificador.

La conversión moderna de analógico a digital facilita la captura de todo el espectro de sonido. Utilizando las tecnologías disponibles en ese momento, los creadores de SIGSALY utilizaron 12 parámetros de voz para una codificación óptima. Los vocoders analizaron la voz y la presentaron en 10 subbandas de frecuencia, más un parámetro de tono y un bit "voice is / not" (sonoro / sordo).

SIGSALY tenía 72 cuantificadores idénticos para digitalizar 12 parámetros del codificador de voz y la clave de cifrado (se almacenó como ruido en un disco de vinilo). La voz y la clave digitalizadas se cifraron mediante la adición del módulo seis . Cinco tiratrones VT-109/2051 trabajaron en cada cuantificador. Los tiratrones son un tipo de tubos de electrones, pero difieren en que responden de forma no lineal: se apagan hasta que el voltaje en la red excede un cierto valor; entonces se dispara el gatillo y se forma un arco. El tiratrón "encaja" y conduce electricidad hasta que la corriente del ánodo cae a cero, dejando caer el tiratrón. Cinco tirratrones forman un convertidor paralelo, en el cual la señal de entrada se compara con el voltaje en varios puntos de toma del circuito. En SIGSALY, el voltaje analógico de la entrada se suministra a un divisor de voltaje logarítmico de cinco tomas, cuyas tomas controlan las rejillas de tiratrón. A medida que aumenta el voltaje de entrada, los disparadores de los cinco tirtrones se disparan secuencialmente (produciendo no un binario, sino un "código unario" logarítmico). Estas cinco salidas se muestrean cada 20 milisegundos para formar una señal de salida cuantificada de seis niveles (es seis y no cinco porque un nivel es cero).



Divide y vencerás: en el corazón del convertidor se encuentra la escalera del divisor de voltaje [en la foto de arriba y el diagrama de abajo], conectado con los tirtrones. En mi réplica, agregué indicadores de neón. Foto: Jon D. Paul

Durante la reconstrucción del cuantificador SIGSALY, quería hacer un dispositivo realmente funcional, que al mismo tiempo se convertiría en una maravillosa exhibición de museo. El diseño incluye una fuente de alimentación de 120/240 voltios, un preamplificador de micrófono, un generador de diente de sierra, un tablero con pantalla de conversión de analógico a digital y cinco lámparas de neón que iluminan la secuencia logarítmica. La primera entrada es un micrófono dinámico: está conectado a un preamplificador en el que se instala un doble triodo 6SL7GT para amplificar la señal de audio hasta 60 decibelios. Una entrada alternativa es una señal de diente de sierra que sube lentamente.

Mi diseño utiliza la misma escalera logarítmica de cinco ramas y el mismo tipo de tiratrones que SIGSALY. En lugar de la selección original de valores cada 20 ms, muestreo la señal de entrada en las intersecciones del voltaje de CA cero.

La información completa sobre el diseño del cuantificador no cabe en las páginas de la [revista en papel], pero puede encontrarla en la aplicación en línea . Una diferencia crítica entre los tirratrones y sus descendientes modernos (tiristores y triacs ) es que para evitar daños antes de aplicar el voltaje del ánodo, los filamentos de tiratrón deben precalentarse. El relé térmico le da a los hilos 15 segundos para calentarse.

Algunos detalles para el cuantificador se encontraron en mi laboratorio, donde he estado recolectando productos electrónicos antiguos desde la década de 1950. Los tiratrones VT-109/2051 originales y los portalámparas de porcelana de ocho clavijas se vendieron en eBay. Además, el dispositivo utilizaba otros componentes de los años 40 (por ejemplo, resistencias de volumen Allen-Bradley), así como algunas partes modernas (por ejemplo, transformadores de potencia dual) para admitir dispositivos electrónicos que no estaban en el cuantificador original. Para hacer visibles los componentes, hice un estuche de plástico transparente de 49 × 17 × 8 cm para el cuantificador. El costo total de los componentes fue de $ 1250.


El codificador de voz SIGSALY completo es una máquina gigantesca que ejecuta muchos convertidores analógico a digital. Foto: NSA

El diseño y la construcción tomaron más de tres años, y la depuración resultó ser muy difícil, ¡especialmente a 350 voltios! Terminé el ensamblaje y comencé a depurar solo una hora antes de volar de California a París, donde prometí demostrar el cuantificador en varias conferencias sobre criptografía y seguridad de la información. Cuando agregué resistencias de potencia para resolver algunos problemas con el voltaje incandescente y corregí algunos errores con el cableado, el cuantificador comenzó a funcionar un poco, pero solo dos de cada cinco tirtrones funcionaron, el preamplificador de micrófono mostró oscilaciones a gran escala una vez por segundo ( "bote a motor" en electrónica), y la fuente de alimentación del ánodo se sobrecargó seriamente cuando se activó cada tiratrón.

Tuve que dejar de depurar y salir. Empaqué un cuantificador con varias herramientas y repuestos, y Air France accedió amablemente a utilizar una máquina tan frágil bajo un protocolo especial. En París, era necesario completar la depuración sin un laboratorio e instrumentos, a excepción de un voltímetro. ¡Obtuve piezas y herramientas en los mercados de pulgas de París (Marché aux Puces) y finalmente terminé de depurar en la cabina de radio amateur de un viejo amigo! Surgieron muchos problemas debido a que los tirtrones diferían significativamente en los disparadores de voltaje (los ingenieros y técnicos del SIGSALY original resolvieron los mismos problemas de falta de coincidencia del tirón en los años 40).


El autor muestra su réplica del innovador convertidor SIGSALY

Ahora la unidad funciona de manera confiable. Según la NSA y los curadores del Museo Criptológico Nacional, este es el primer intento de recrear cualquier fragmento de SIGSALY. Pero lo más notable es que este dispositivo es igualmente impresionante para los jóvenes y las personas de la generación anterior. Tanto el público técnico como el no técnico entienden de inmediato los principios fundamentales y la estrecha conexión con la era digital moderna.

Información adicional

Si desea leer acerca de cómo las innovaciones de SIGSALY han dado forma a las tecnologías multimedia y de telecomunicaciones modernas, en 2006 escribí un artículo [PDF] para la revista de la Sociedad de Ingenieros de Sonido, y en 2014 publiqué un artículo en la revista de la Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión. Para obtener más información sobre los motivos de la creación y el funcionamiento de SIGSALY durante la Segunda Guerra Mundial, consulte el artículo histórico introductorio de la NSA.

Si prefiere escuchar en lugar de leer, en 2016 mis colegas y yo hablamos de vocoders y SIGSALY en el podcast 99% Invisible .