Dieser Analog-Digital-Wandler von 1943 bot Funkkommunikation, die nicht entschlüsselt werden konnte.

Foto: Jon D. Paul

In den frühen 1940er Jahren konnte der deutsche Geheimdienst die amerikanische Funkkommunikation trotz Frequenzverschlüsselung entschlüsseln. Nach Pearl Harbor war die Hauptpriorität die Entwicklung eines unzerbrechlichen Sprach-Scramblers, der 1943 geschaffen wurde. Zum ersten Mal implementiert ein Gerät namens SIGSALY viele Technologien, die für moderne digitale Medien von entscheidender Bedeutung sind, einschließlich eines rauschähnlichen Signalkommunikationssystems und der ersten Verwendung der Pulscodemodulation (PCM) für die Sprachübertragung.

SIGSALY war ein streng geheimes Projekt, daher ist es auch heute noch schwierig, Informationen über seine Entwicklung zu finden. Ich habe zwanzig Jahre lang die Geschichte der digitalen Technologie und der digitalen Medien studiert, insbesondere SIGSALY, nach IEEE- und National Security Agency (NSA) -Magazinen sowie nach Patenten der Bell Telephone Laboratories gesucht. Am Ende gelang es mir, Leutnant Donald Mel, den Techniker und Bediener von SIGSALY während des Zweiten Weltkriegs, zu finden, der unschätzbare Hilfe leistete. 2015 wurde mir klar, dass ich mit Hilfe alter Details das Schlüsselelement von SIGSALY - den Quantisierer - nachbauen kann.

SIGSALY konnte nicht gehackt werden, da es im Gegensatz zu früheren analogen Systemen die Stimme mit einem einmaligen zufälligen digitalen Verschlüsselungsschlüssel verschlüsselt hat. Bevor Sie den digitalen Schlüssel verwenden, sollten Sie zuerst die Stimme von analog zu digital konvertieren. Dies wurde vom Quantisierer durchgeführt.

Die moderne Analog-Digital-Wandlung erleichtert die Erfassung des gesamten Klangspektrums. Unter Verwendung der damals verfügbaren Technologien verwendeten die Entwickler von SIGSALY 12 Sprachparameter für eine optimale Codierung. Vocoder analysierten die Stimme und verteilten sie auf 10 Frequenz-Teilbändern sowie einem Tonhöhenparameter und einem Bit „Stimme ist / nicht“ (stimmhaft / stimmlos).

SIGSALY hatte 72 identische Quantisierer zum Digitalisieren von 12 Parametern des Vocoders und des Verschlüsselungsschlüssels (dieser wurde wie Rauschen auf einer Schallplatte gespeichert). Die digitalisierte Stimme und der Schlüssel wurden durch Addition Modulo 6 verschlüsselt. In jedem Quantisierer arbeiteten fünf Thyratrons VT-109/2051 . Thyratrons sind eine Art Elektronenröhre, unterscheiden sich jedoch darin, dass sie nicht linear reagieren: Sie werden ausgeschaltet, bis die Spannung im Netzwerk einen bestimmten Wert überschreitet. dann zündet der Abzug und es bildet sich ein Lichtbogen. Das Thyratron „schnappt“ und leitet Elektrizität, bis der Strom von der Anode auf Null abfällt, wodurch das Thyratron abfällt. Fünf Thyratrons bilden einen Parallelwandler, bei dem das Eingangssignal an mehreren Abgriffspunkten der Schaltung mit der Spannung verglichen wird. In SIGSALY wird die analoge Spannung vom Eingang einem logarithmischen Spannungsteiler mit fünf Abgriffen zugeführt, dessen Abgriffe die Thyratron-Gitter steuern. Mit zunehmender Eingangsspannung werden die Trigger der fünf Thyratrons nacheinander ausgelöst (wobei kein binärer, sondern ein logarithmischer „unärer Code“ erzeugt wird). Diese fünf Ausgänge werden alle 20 Millisekunden abgetastet, um ein quantisiertes Ausgangssignal mit sechs Pegeln zu bilden (es ist sechs- und nicht fünfstufig, da ein Pegel Null ist).



Teilen und erobern: Im Herzen des Wandlers liegt die Leiter des Spannungsteilers [auf dem Foto oben und im Diagramm unten], die mit Thyratrons verbunden ist. In meiner Replik habe ich Neonindikatoren hinzugefügt. Foto: Jon D. Paul

Während der Rekonstruktion des SIGSALY-Quantisierers wollte ich ein wirklich funktionierendes Gerät herstellen, das gleichzeitig zu einer wunderbaren Museumsausstellung werden würde. Das Design umfasst ein 120/240-Volt-Netzteil, einen Mikrofonvorverstärker, einen Sägezahnspannungsgenerator, eine Abschirmung mit einer Analog-Digital-Wandlungsanzeige und fünf Neonlampen, die die logarithmische Sequenz beleuchten. Der erste Eingang ist ein dynamisches Mikrofon: Er ist an einen Vorverstärker angeschlossen, in dem eine 6SL7GT- Doppeltriode installiert ist , um das Audiosignal auf bis zu 60 Dezibel zu verstärken. Ein alternativer Eingang ist ein langsam ansteigendes Sägezahnsignal.

Mein Design verwendet dieselbe logarithmische Leiter mit fünf Zweigen und dieselbe Art von Thyratrons wie SIGSALY. Anstelle der ursprünglichen Auswahl von Werten alle 20 ms tastete ich das Eingangssignal an den Schnittpunkten der Null-Wechselspannung ab.

Vollständige Informationen zum Design des Quantisierers passen nicht auf die Seiten des [Papiermagazins], finden Sie jedoch in der Online-Bewerbung . Ein kritischer Unterschied zwischen Thyratrons und ihren modernen Nachkommen - Thyristoren und Triacs - besteht darin, dass Thyratronfilamente vorgewärmt werden müssen, um Schäden vor dem Anlegen einer Anodenspannung zu vermeiden. Das Thermorelais gibt den Gewinden 15 Sekunden Zeit zum Aufwärmen.

Einige Details für den Quantisierer wurden in meinem Labor gefunden, wo ich seit den 1950er Jahren Vintage-Elektronik sammle. Die originalen VT-109/2051 Thyratrons und achtpoligen Porzellanlampenfassungen wurden bei eBay verkauft. Darüber hinaus verwendete das Gerät andere Komponenten der 40er Jahre (z. B. Allen-Bradley-Volumenwiderstände) sowie einige moderne Teile (z. B. Dual-Power-Transformatoren), um Elektronik zu unterstützen, die nicht im ursprünglichen Quantisierer enthalten war. Um die Komponenten sichtbar zu machen, habe ich ein transparentes Kunststoffgehäuse mit einer Größe von 49 × 17 × 8 cm für den Quantisierer hergestellt. Die Gesamtkosten der Komponenten betrugen 1250 USD.


Der gesamte SIGSALY Voice Scrambler ist eine gigantische Maschine, auf der viele Analog-Digital-Wandler laufen. Foto: NSA

Design und Konstruktion dauerten mehr als drei Jahre, und das Debuggen erwies sich als sehr schwierig, insbesondere bei 350 Volt! Ich beendete die Montage und begann nur eine Stunde vor dem Flug von Kalifornien nach Paris mit dem Debuggen, wo ich versprach, den Quantisierer auf mehreren Konferenzen über Kryptographie und Informationssicherheit zu demonstrieren. Als ich Leistungswiderstände hinzufügte, um einige Probleme mit der Glühspannung zu lösen und einige Fehler mit der Verkabelung zu beheben, begann der Quantisierer ein wenig zu arbeiten, aber nur zwei von fünf Thyratrons arbeiteten, der Mikrofonvorverstärker zeigte einmal pro Sekunde Schwingungen im vollen Maßstab ( „Motorboot“ in der Elektronik). und die Stromversorgung der Anode war ernsthaft überlastet, als jedes Thyratron ausgelöst wurde.

Ich musste aufhören zu debuggen und gehen. Ich habe einen Quantisierer mit mehreren Werkzeugen und Ersatzteilen verpackt, und Air France hat freundlicherweise zugestimmt, eine so zerbrechliche Maschine unter einem speziellen Protokoll zu verwenden. In Paris war es notwendig, das Debuggen ohne Labor und Instrumente abzuschließen, mit Ausnahme eines Voltmeters. Ich habe Teile und Werkzeuge auf den Pariser Flohmärkten (Marché aux Puces) bekommen und endlich das Debuggen in der Amateurfunkkabine eines alten Freundes beendet! Viele Probleme traten auf, weil sich Thyratrons in den Spannungsauslösern signifikant unterschieden (die gleichen Probleme der Thyratron-Fehlanpassung wurden in den 40er Jahren von Ingenieuren und Technikern des ursprünglichen SIGSALY gelöst).


Der Autor zeigt seine Nachbildung des innovativen SIGSALY-Konverters

Jetzt arbeitet das Gerät zuverlässig. Laut der NSA und den Kuratoren des National Cryptological Museum ist dies der erste Versuch, ein Fragment von SIGSALY nachzubilden. Das Bemerkenswerteste ist jedoch, dass dieses Gerät für junge Menschen und Menschen der älteren Generation gleichermaßen beeindruckend ist. Sowohl das technische als auch das nichttechnische Publikum verstehen sofort die Grundprinzipien und die enge Verbindung zum modernen digitalen Zeitalter.

Weitere Informationen

Wenn Sie lesen möchten, wie SIGSALY-Innovationen moderne Multimedia- und Telekommunikationstechnologien geprägt haben, habe ich 2006 einen Artikel [PDF] für die Zeitschrift der Society of Sound Engineers geschrieben und 2014 einen Artikel in der Zeitschrift der Society of Film and Television Engineers veröffentlicht. Weitere Informationen zu den Gründen für die Gründung und den Betrieb von SIGSALY während des Zweiten Weltkriegs finden Sie im einleitenden historischen Artikel der NSA.

Wenn Sie lieber zuhören als lesen möchten, haben meine Kollegen und ich 2016 im 99% Invisible- Podcast über Vocoder und SIGSALY gesprochen .