Replicación del primer codificador digital de voz del mundo

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



Foto: Jon D. Paul

A principios de la d√©cada de 1940, la inteligencia alemana pod√≠a decodificar las comunicaciones de radio estadounidenses, a pesar de la frecuencia. Despu√©s 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 tecnolog√≠as cr√≠ticas para los medios digitales modernos, incluido un sistema de comunicaci√≥n de se√Īal similar al ruido y el primer uso de la modulaci√≥n de c√≥digo de pulso (PCM) para la transmisi√≥n de voz.

SIGSALY fue un proyecto de alto secreto, por lo que incluso hoy es dif√≠cil encontrar informaci√≥n sobre su desarrollo. He estudiado la historia de la tecnolog√≠a digital y los medios digitales durante veinte a√Īos, especialmente SIGSALY, busqu√© revistas IEEE y la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), as√≠ como las patentes de Bell Telephone Laboratories. Al final, logr√© encontrar al teniente Donald Mel, el t√©cnico-operador de SIGSALY durante la Segunda Guerra Mundial, que me brind√≥ 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 ten√≠a 72 cuantificadores id√©nticos para digitalizar 12 par√°metros del codificador de voz y la clave de cifrado (se almacen√≥ como ruido en un disco de vinilo). La voz y la clave digitalizadas se cifraron mediante la adici√≥n del m√≥dulo 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 tiratr√≥n "encaja" y conduce electricidad hasta que la corriente del √°nodo cae a cero, dejando caer el tiratr√≥n. Cinco tirratrones forman un convertidor paralelo, en el cual la se√Īal de entrada se compara con el voltaje en varios puntos de toma del circuito. En SIGSALY, el voltaje anal√≥gico de la entrada se suministra a un divisor de voltaje logar√≠tmico de cinco tomas, cuyas tomas controlan las rejillas de tiratr√≥n. A medida que aumenta el voltaje de entrada, los disparadores de los cinco tirtrones se disparan secuencialmente (produciendo no un binario, sino un "c√≥digo unario" logar√≠tmico). Estas cinco salidas se muestrean cada 20 milisegundos para formar una se√Īal 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 reconstrucci√≥n del cuantificador SIGSALY, quer√≠a hacer un dispositivo realmente funcional, que al mismo tiempo se convertir√≠a en una maravillosa exhibici√≥n de museo. El dise√Īo incluye una fuente de alimentaci√≥n de 120/240 voltios, un preamplificador de micr√≥fono, un generador de diente de sierra, un tablero con pantalla de conversi√≥n de anal√≥gico a digital y cinco l√°mparas de ne√≥n que iluminan la secuencia logar√≠tmica. La primera entrada es un micr√≥fono din√°mico: est√° conectado a un preamplificador en el que se instala un doble triodo 6SL7GT para amplificar la se√Īal de audio hasta 60 decibelios. Una entrada alternativa es una se√Īal de diente de sierra que sube lentamente.

Mi dise√Īo utiliza la misma escalera logar√≠tmica de cinco ramas y el mismo tipo de tiratrones que SIGSALY. En lugar de la selecci√≥n original de valores cada 20 ms, muestreo la se√Īal de entrada en las intersecciones del voltaje de CA cero.

La informaci√≥n completa sobre el dise√Īo del cuantificador no cabe en las p√°ginas de la [revista en papel], pero puede encontrarla en la aplicaci√≥n en l√≠nea . Una diferencia cr√≠tica entre los tirratrones y sus descendientes modernos (tiristores y triacs ) es que para evitar da√Īos antes de aplicar el voltaje del √°nodo, los filamentos de tiratr√≥n deben precalentarse. El rel√© t√©rmico le da a los hilos 15 segundos para calentarse.

Algunos detalles para el cuantificador se encontraron en mi laboratorio, donde he estado recolectando productos electr√≥nicos antiguos desde la d√©cada de 1950. Los tiratrones VT-109/2051 originales y los portal√°mparas de porcelana de ocho clavijas se vendieron en eBay. Adem√°s, el dispositivo utilizaba otros componentes de los a√Īos 40 (por ejemplo, resistencias de volumen Allen-Bradley), as√≠ como algunas partes modernas (por ejemplo, transformadores de potencia dual) para admitir dispositivos electr√≥nicos que no estaban en el cuantificador original. Para hacer visibles los componentes, hice un estuche de pl√°stico transparente de 49 √ó 17 √ó 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 dise√Īo y la construcci√≥n tomaron m√°s de tres a√Īos, y la depuraci√≥n result√≥ ser muy dif√≠cil, ¬°especialmente a 350 voltios! Termin√© el ensamblaje y comenc√© a depurar solo una hora antes de volar de California a Par√≠s, donde promet√≠ demostrar el cuantificador en varias conferencias sobre criptograf√≠a y seguridad de la informaci√≥n. Cuando agregu√© resistencias de potencia para resolver algunos problemas con el voltaje incandescente y correg√≠ algunos errores con el cableado, el cuantificador comenz√≥ a funcionar un poco, pero solo dos de cada cinco tirtrones funcionaron, el preamplificador de micr√≥fono mostr√≥ oscilaciones a gran escala una vez por segundo ( "bote a motor" en electr√≥nica), y la fuente de alimentaci√≥n del √°nodo se sobrecarg√≥ seriamente cuando se activ√≥ cada tiratr√≥n.

Tuve que dejar de depurar y salir. Empaqu√© un cuantificador con varias herramientas y repuestos, y Air France accedi√≥ amablemente a utilizar una m√°quina tan fr√°gil bajo un protocolo especial. En Par√≠s, era necesario completar la depuraci√≥n sin un laboratorio e instrumentos, a excepci√≥n de un volt√≠metro. ¬°Obtuve piezas y herramientas en los mercados de pulgas de Par√≠s (March√© aux Puces) y finalmente termin√© de depurar en la cabina de radio amateur de un viejo amigo! Surgieron muchos problemas debido a que los tirtrones difer√≠an significativamente en los disparadores de voltaje (los ingenieros y t√©cnicos del SIGSALY original resolvieron los mismos problemas de falta de coincidencia del tir√≥n en los a√Īos 40).


El autor muestra su réplica del innovador convertidor SIGSALY

Ahora la unidad funciona de manera confiable. Seg√ļn la NSA y los curadores del Museo Criptol√≥gico Nacional, este es el primer intento de recrear cualquier fragmento de SIGSALY. Pero lo m√°s notable es que este dispositivo es igualmente impresionante para los j√≥venes y las personas de la generaci√≥n anterior. Tanto el p√ļblico t√©cnico como el no t√©cnico entienden de inmediato los principios fundamentales y la estrecha conexi√≥n 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 .

Source: https://habr.com/ru/post/438364/


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