Konverter analog-ke-digital 1943 ini menyediakan komunikasi radio yang tidak dapat didekripsi.

Foto: Jon D. Paul

Pada awal 1940-an, intelijen Jerman dapat memecahkan kode komunikasi radio Amerika, meskipun sering berebut. Setelah Pearl Harbor, prioritas utama adalah pengembangan pengacak pidato yang tidak bisa dipecahkan, dan diciptakan pada tahun 1943. Untuk pertama kalinya, sebuah perangkat yang disebut SIGSALY mengimplementasikan banyak teknologi penting untuk media digital modern, termasuk sistem komunikasi sinyal seperti noise dan penggunaan pertama modulasi kode-pulsa (PCM) untuk transmisi suara.

SIGSALY adalah proyek rahasia, sehingga bahkan hari ini sulit untuk menemukan informasi tentang pengembangannya. Saya telah mempelajari sejarah teknologi digital dan media digital selama dua puluh tahun, terutama SIGSALY, mencari majalah IEEE dan National Security Agency (NSA), serta paten Bell Telephone Laboratories. Pada akhirnya, saya berhasil menemukan Letnan Donald Mel, operator teknisi SIGSALY selama Perang Dunia II, yang memberikan bantuan yang sangat berharga. Pada 2015, saya menyadari bahwa dengan bantuan detail lama saya dapat membuat ulang elemen kunci SIGSALY - quantizer.

SIGSALY tidak dapat diretas karena, tidak seperti sistem analog sebelumnya, ia mengacak suara menggunakan kunci enkripsi digital acak satu kali. Sebelum menggunakan tombol digital, Anda harus terlebih dahulu mengubah suara dari analog ke digital. Ini dilakukan oleh quantizer.

Konversi analog-ke-digital modern memudahkan untuk menangkap seluruh spektrum suara. Menggunakan teknologi yang tersedia pada saat itu, pencipta SIGSALY menggunakan 12 parameter ucapan untuk pengkodean yang optimal. Vocoder menganalisis suara dan meletakkannya di 10 subband frekuensi, ditambah parameter nada dan satu bit “suara adalah / tidak” (disuarakan / tidak disuarakan).

SIGSALY memiliki 72 quantizers identik untuk mendigitalkan 12 parameter dari vocoder dan kunci enkripsi (itu disimpan seperti suara pada rekaman vinil). Suara dan kunci digital dienkripsi dengan modulo enam tambahan. Lima thyratron VT-109/2051 bekerja di setiap quantizer. Thyratron adalah jenis tabung elektron, tetapi mereka berbeda karena mereka merespons secara non-linear: mereka dimatikan sampai tegangan dalam jaringan melebihi nilai tertentu; maka pemicu kebakaran dan bentuk busur. Thyratron “snaps” dan menghantarkan listrik hingga arus dari anoda turun menjadi nol, menjatuhkan thyratron. Lima thyratron membentuk konverter paralel, di mana sinyal input dibandingkan dengan tegangan pada sejumlah titik keran di sirkuit. Dalam SIGSALY, tegangan analog dari input disuplai ke pembagi tegangan logaritmik lima-tap, yang keran mengontrol gratings thyratron. Ketika tegangan input meningkat, pemicu lima tiratron secara berurutan memicu (menghasilkan bukan biner, tetapi "kode unary" logaritmik). Kelima keluaran ini disampling setiap 20 milidetik untuk membentuk sinyal keluaran terkuantisasi enam tingkat (enam dan bukan lima tingkat karena satu tingkat nol).



Membagi dan menaklukkan: di jantung konverter terletak tangga pembagi tegangan [dalam foto di atas dan diagram di bawah], terhubung dengan thyratron. Dalam replika saya, saya menambahkan indikator neon. Foto: Jon D. Paul

Selama rekonstruksi quantizer SIGSALY, saya ingin membuat perangkat yang benar-benar berfungsi, yang pada saat yang sama akan menjadi pameran museum yang luar biasa. Desainnya mencakup catu daya 120/240 volt, preamplifier mikrofon, generator tegangan gigi gergaji, pelindung dengan tampilan konversi analog ke digital, dan lima lampu neon yang menerangi urutan logaritmik. Input pertama adalah mikrofon dinamis: terhubung ke preamplifier di mana triode ganda 6SL7GT dipasang untuk memperkuat sinyal audio hingga 60 desibel. Input alternatif adalah sinyal gigi gergaji yang perlahan naik.

Desain saya menggunakan tangga logaritmik lima cabang yang sama dan tipe thyratron yang sama seperti SIGSALY. Alih-alih pemilihan nilai awal setiap 20 ms, saya mencicipi sinyal input di persimpangan tegangan AC nol.

Informasi lengkap tentang desain quantizer tidak akan muat di halaman [majalah kertas], tetapi Anda dapat menemukannya di aplikasi online . Satu perbedaan kritis antara thyratron dan keturunan modern mereka - thyristor dan triacs - adalah bahwa untuk mencegah kerusakan sebelum menerapkan tegangan anoda, filamen thyratron harus dipanaskan terlebih dahulu. Relay termal memberi waktu 15 detik untuk pemanasan.

Beberapa perincian untuk kuantizer ditemukan di laboratorium saya, tempat saya telah mengumpulkan barang elektronik sejak tahun 1950-an. Thyratron VT-109/2051 asli dan dudukan lampu delapan pin china dijual di eBay. Selain itu, perangkat menggunakan komponen lain dari tahun 40-an (misalnya, resistor volume Allen-Bradley), serta beberapa bagian modern (misalnya, transformator daya ganda) untuk mendukung elektronik yang tidak ada dalam kuantizer asli. Untuk membuat komponen terlihat, saya membuat wadah plastik transparan berukuran 49 × 17 × 8 cm untuk total biaya komponen adalah $ 1.250.


Seluruh pengacak suara SIGSALY adalah mesin raksasa yang menjalankan banyak konverter analog-ke-digital. Foto: NSA

Desain dan konstruksi memakan waktu lebih dari tiga tahun, dan debugging ternyata sangat sulit, terutama pada 350 volt! Saya menyelesaikan perakitan dan mulai men-debug hanya satu jam sebelum terbang dari California ke Paris, di mana saya berjanji untuk menunjukkan quantizer di beberapa konferensi tentang kriptografi dan keamanan informasi. Ketika saya menambahkan resistor daya untuk menyelesaikan beberapa masalah dengan voltase pijar dan memperbaiki beberapa kesalahan dengan perkabelan, quantizer mulai bekerja sedikit, tetapi hanya dua dari lima thyratron yang bekerja, preamplifier mikrofon menunjukkan osilasi skala penuh sekali per detik ( "perahu motor" dalam elektronik), dan catu daya anoda sangat kelebihan beban ketika masing-masing thyratron dipicu.

Saya harus berhenti debug dan pergi. Saya mengemas quantizer dengan beberapa alat dan suku cadang, dan Air France dengan senang hati setuju untuk menggunakan mesin yang rapuh di bawah protokol khusus. Di Paris, perlu menyelesaikan debugging tanpa laboratorium dan instrumen, kecuali voltmeter. Saya mendapatkan komponen dan alat di pasar loak Paris (Marché aux Puces) dan akhirnya selesai men-debug di stan radio amatir seorang teman lama! Banyak masalah muncul karena thyratron berbeda secara signifikan dalam pemicu tegangan (masalah ketidaksesuaian thyratron yang sama diselesaikan oleh para insinyur dan teknisi dari SIGSALY asli pada tahun 40-an).


Penulis menunjukkan replika konverter SIGSALY yang inovatif

Sekarang unit bekerja dengan andal. Menurut NSA dan kurator National Cryptological Museum, ini adalah upaya pertama untuk membuat ulang setiap fragmen SIGSALY. Tetapi hal yang paling luar biasa adalah bahwa perangkat ini sama-sama mengesankan bagi orang muda dan orang-orang dari generasi yang lebih tua. Baik audiens teknis dan non-teknis segera memahami prinsip-prinsip dasar dan hubungan erat dengan era digital modern.

Informasi tambahan

Jika Anda ingin membaca tentang bagaimana inovasi SIGSALY telah membentuk teknologi multimedia dan telekomunikasi modern, pada tahun 2006 saya menulis sebuah artikel [PDF] untuk jurnal Society of Sound Engineers, dan pada tahun 2014 saya menerbitkan sebuah artikel di jurnal Society of Film and Television Engineers. Untuk informasi lebih lanjut tentang alasan penciptaan dan operasi SIGSALY selama Perang Dunia II, lihat artikel sejarah pengantar dari NSA.

Jika Anda lebih suka mendengarkan daripada membaca, pada 2016 saya dan kolega saya berbicara tentang vocoders dan SIGSALY di 99% podcast yang tak terlihat .