Ce convertisseur analogique-numérique de 1943 a fourni une communication radio qui n'a pas pu être déchiffrée.

Photo: Jon D. Paul

Au début des années 40, les services de renseignements allemands pouvaient décoder les communications radio américaines, malgré le brouillage des fréquences. Après Pearl Harbor, la principale priorité était le développement d'un brouilleur de parole incassable, et il a été créé en 1943. Pour la première fois, un appareil appelé SIGSALY met en œuvre de nombreuses technologies essentielles pour les médias numériques modernes, notamment un système de communication de signaux de type bruit et la première utilisation de la modulation par impulsions codées (PCM) pour la transmission vocale.

SIGSALY était un projet top secret, donc encore aujourd'hui il est difficile de trouver des informations sur son développement. J’ai étudié l’histoire de la technologie numérique et des médias numériques depuis vingt ans, en particulier SIGSALY, recherché les magazines IEEE et National Security Agency (NSA), ainsi que les brevets des Bell Telephone Laboratories. Finalement, j'ai réussi à trouver le lieutenant Donald Mel, le technicien-opérateur SIGSALY pendant la Seconde Guerre mondiale, qui m'a fourni une aide inestimable. En 2015, j'ai réalisé qu'avec l'aide d'anciens détails, je pouvais recréer l'élément clé de SIGSALY - le quantificateur.

SIGSALY n'a pas pu être piraté car, contrairement aux systèmes analogiques précédents, il a brouillé sa voix à l'aide d'une clé de cryptage numérique aléatoire unique. Avant d'utiliser la clé numérique, vous devez d'abord convertir la voix de l'analogique au numérique. Cela a été fait par le quantificateur.

La conversion analogique-numérique moderne facilite la capture de l'ensemble du spectre sonore. En utilisant les technologies disponibles à l'époque, les créateurs de SIGSALY ont utilisé 12 paramètres de parole pour un codage optimal. Les vococodeurs ont analysé la voix et l'ont disposée sur 10 sous-bandes de fréquences, plus un paramètre de hauteur et un bit «la voix est / non» (voix / non voix).

SIGSALY avait 72 quantificateurs identiques pour numériser 12 paramètres du vocodeur et de la clé de cryptage (il était stocké comme du bruit sur un disque vinyle). La voix et la clé numérisées ont été chiffrées par l'addition modulo six . Cinq thyratrons VT-109/2051 fonctionnaient dans chaque quantificateur. Les thyratrons sont un type de tubes électroniques, mais ils diffèrent en ce qu'ils répondent de manière non linéaire: ils sont éteints jusqu'à ce que la tension dans le réseau dépasse une certaine valeur; puis la gâchette se déclenche et un arc se forme. Le thyratron se «claque» et conduit l'électricité jusqu'à ce que le courant de l'anode tombe à zéro, faisant chuter le thyratron. Cinq thyratrons forment un convertisseur parallèle, dans lequel le signal d'entrée est comparé à la tension à un certain nombre de points de prise dans le circuit. Dans SIGSALY, la tension analogique de l'entrée est fournie à un diviseur de tension logarithmique à cinq prises, dont les prises contrôlent les réseaux de thyratrons. À mesure que la tension d'entrée augmente, les déclencheurs des cinq thyratrons se déclenchent séquentiellement (produisant non pas un binaire, mais un «code unaire» logarithmique). Ces cinq sorties sont échantillonnées toutes les 20 millisecondes pour former un signal de sortie quantifié à six niveaux (il s'agit de six et non de cinq niveaux car un niveau est nul).



Diviser pour mieux régner: au cœur du convertisseur se trouve l'échelle du diviseur de tension [sur la photo ci-dessus et le schéma ci-dessous], relié aux thyratrons. Dans ma réplique, j'ai ajouté des indicateurs au néon. Photo: Jon D. Paul

Lors de la reconstruction du quantificateur SIGSALY, j'ai voulu réaliser un appareil vraiment fonctionnel, qui deviendrait en même temps une magnifique exposition muséale. La conception comprend une alimentation 120/240 volts, un préampli microphone, un générateur en dents de scie, un tableau de bord avec affichage de conversion analogique-numérique et cinq lampes néon qui illuminent la séquence logarithmique. La première entrée est un microphone dynamique: il est connecté à un préamplificateur dans lequel une double triode 6SL7GT est installée pour amplifier le signal audio jusqu'à 60 décibels. Une autre entrée est un signal en dents de scie qui monte lentement.

Ma conception utilise la même échelle logarithmique à cinq branches et le même type de thyratrons que SIGSALY. Au lieu de la sélection d'origine des valeurs toutes les 20 ms, j'échantillonne le signal d'entrée aux intersections de la tension alternative nulle.

Les informations complètes sur la conception du quantificateur ne figureront pas dans les pages du [magazine papier], mais vous pouvez les trouver dans l'application en ligne . Une différence critique entre les thyratrons et leurs descendants modernes - thyristors et triacs - est que pour éviter les dommages avant d'appliquer la tension d'anode, les filaments de thyratrons doivent être préchauffés. Le relais thermique donne aux fils 15 secondes pour se réchauffer.

Certains détails du quantificateur ont été trouvés dans mon laboratoire, où je collectionne des appareils électroniques vintage depuis les années 1950. Les thyratrons VT-109/2051 et les supports de lampe en porcelaine à huit broches d'origine ont été vendus sur eBay. En outre, l'appareil a utilisé d'autres composants des années 40 (par exemple, des résistances de volume Allen-Bradley), ainsi que certaines pièces modernes (par exemple, des transformateurs de puissance doubles) pour prendre en charge des composants électroniques qui n'étaient pas dans le quantificateur d'origine. Pour rendre les composants visibles, j'ai fait un boîtier en plastique transparent de 49 × 17 × 8 cm pour le quantificateur. Le coût total des composants était de 1250 $.


L'ensemble du brouilleur de voix SIGSALY est une machine gigantesque qui exécute de nombreux convertisseurs analogique-numérique. Photo: NSA

La conception et la construction ont pris plus de trois ans et le débogage s'est avéré très difficile, surtout à 350 volts! J'ai terminé l'assemblage et commencé le débogage juste une heure avant de voler de la Californie à Paris, où j'ai promis de démontrer le quantificateur lors de plusieurs conférences sur la cryptographie et la sécurité de l'information. Lorsque j'ai ajouté des résistances de puissance pour résoudre certains problèmes de tension incandescente et corrigé quelques erreurs de câblage, le quantificateur a commencé à fonctionner un peu, mais seulement deux thyratrons sur cinq fonctionnaient, le préamplificateur de microphone a montré des oscillations à grande échelle une fois par seconde ( «bateau à moteur» dans l'électronique), et l'alimentation électrique de l'anode était sérieusement surchargée lors du déclenchement de chaque thyratron.

J'ai dû arrêter le débogage et partir. J'ai emballé un quantificateur avec plusieurs outils et pièces de rechange, et Air France a aimablement accepté d'utiliser une machine aussi fragile sous un protocole spécial. A Paris, il a fallu achever le débogage sans laboratoire ni instruments, à l'exception d'un voltmètre. J'ai acheté des pièces et des outils sur les marchés aux puces de Paris (Marché aux Puces) et j'ai finalement terminé le débogage dans la cabine de radio amateur d'un vieil ami! De nombreux problèmes sont survenus parce que les thyratrons différaient considérablement dans les déclencheurs de tension (les mêmes problèmes de non-concordance des thyratrons ont été résolus par les ingénieurs et les techniciens du SIGSALY d'origine dans les années 40).


L'auteur montre sa réplique du convertisseur innovant SIGSALY

Maintenant, l'unité fonctionne de manière fiable. Selon la NSA et les conservateurs du National Cryptological Museum, il s'agit de la première tentative de recréer un fragment de SIGSALY. Mais le plus remarquable est que cet appareil est tout aussi impressionnant pour les jeunes et les personnes âgées. Le public technique et non technique comprend immédiatement les principes fondamentaux et le lien étroit avec l'ère numérique moderne.

Information additionnelle

Si vous souhaitez lire comment les innovations SIGSALY ont façonné les technologies modernes du multimédia et des télécommunications, j'ai écrit en 2006 un article [PDF] pour le journal de la Society of Sound Engineers, et en 2014 j'ai publié un article dans le journal de la Society of Film and Television Engineers. Pour plus d'informations sur les raisons de la création et du fonctionnement de SIGSALY pendant la Seconde Guerre mondiale, voir l' article historique d'introduction de la NSA.

Si vous préférez écouter plutôt que lire, en 2016, mes collègues et moi avons parlé des vocoders et de SIGSALY dans le podcast 99% Invisible .