Este conversor analógico-digital de 1943 forneceu comunicação de rádio que não pôde ser descriptografada.

Foto: Jon D. Paul

No início da década de 1940, a inteligência alemã poderia decodificar as comunicações de rádio americanas, apesar da disputa de frequências. Depois de Pearl Harbor, a principal prioridade foi o desenvolvimento de um decodificador de fala inquebrável, e foi criado em 1943. Pela primeira vez, um dispositivo chamado SIGSALY implementa muitas tecnologias críticas para a mídia digital moderna, incluindo um sistema de comunicação de sinal semelhante a ruído e o primeiro uso da modulação por código de pulso (PCM) para transmissão de voz.

O SIGSALY era um projeto extremamente secreto, portanto, ainda hoje é difícil encontrar informações sobre seu desenvolvimento. Estudei a história da tecnologia digital e da mídia digital por vinte anos, especialmente a SIGSALY, procurei revistas da IEEE e da Agência de Segurança Nacional (NSA), além de patentes da Bell Telephone Laboratories. No final, consegui encontrar o tenente Donald Mel, o técnico-operador da SIGSALY durante a Segunda Guerra Mundial, que prestou assistência inestimável. Em 2015, percebi que, com a ajuda de detalhes antigos, posso recriar o elemento-chave do SIGSALY - o quantizador.

O SIGSALY não pôde ser hackeado porque, ao contrário dos sistemas analógicos anteriores, embaralhou a voz usando uma chave de criptografia digital aleatória única. Antes de usar a tecla digital, você deve primeiro converter a voz do analógico para o digital. Isso foi feito pelo quantizador.

A conversão moderna de analógico para digital facilita a captura de todo o espectro sonoro. Usando as tecnologias disponíveis na época, os criadores do SIGSALY usaram 12 parâmetros de fala para otimizar a codificação. Os profissionais analisaram a voz e a apresentaram em 10 sub-bandas de frequência, além de um parâmetro de afinação e um bit “voz é / não” (sonora / não sonora).

O SIGSALY tinha 72 quantizadores idênticos para digitalizar 12 parâmetros do codificador de vocação e da chave de criptografia (era armazenado como ruído em um disco de vinil). A voz e a chave digitalizadas foram criptografadas pelo módulo de adição seis . Cinco tiratrons VT-109/2051 trabalharam em cada quantizador. Os tiratrons são um tipo de tubo de elétrons, mas diferem na medida em que respondem de maneira não linear: eles são desligados até que a tensão na rede exceda um determinado valor; então o gatilho dispara e um arco se forma. O tiratron "se rompe" e conduz eletricidade até que a corrente do ânodo caia para zero, diminuindo o tiratron. Cinco tiratrons formam um conversor paralelo, no qual o sinal de entrada é comparado com a tensão em vários pontos de derivação no circuito. No SIGSALY, a tensão analógica da entrada é fornecida a um divisor de tensão logarítmica de cinco derivações, cujas derivações controlam as grades de tiratron. À medida que a tensão de entrada aumenta, os gatilhos dos cinco tiratrons disparam sequencialmente (produzindo não um binário, mas um “código unário” logarítmico). Essas cinco saídas são amostradas a cada 20 milissegundos para formar um sinal de saída quantizada em seis níveis (são seis e não cinco níveis porque um nível é zero).



Divida e conquiste: no coração do conversor, encontra-se a escada do divisor de tensão [na foto acima e no diagrama abaixo], conectada com tiratrões. Na minha réplica, adicionei indicadores de neon. Foto: Jon D. Paul

Durante a reconstrução do quantizador SIGSALY, eu queria criar um dispositivo realmente funcional, que ao mesmo tempo se tornasse uma maravilhosa exibição em museu. O design inclui uma fonte de alimentação de 120/240 volts, um pré-amplificador de microfone, um gerador de dente de serra, um painel com display de conversão analógico para digital e cinco lâmpadas de neon que iluminam a sequência logarítmica. A primeira entrada é um microfone dinâmico: é conectado a um pré-amplificador no qual um triodo duplo 6SL7GT é instalado para amplificar o sinal de áudio em até 60 decibéis. Uma entrada alternativa é um sinal de dente de serra que sobe lentamente.

Meu projeto usa a mesma escada logarítmica de cinco ramos e o mesmo tipo de tiratrons que o SIGSALY. Em vez da seleção original de valores a cada 20 ms, colho o sinal de entrada nas interseções da tensão CA zero.

As informações completas sobre o design do quantizador não cabem nas páginas da [revista em papel], mas você pode encontrá-las no aplicativo on-line . Uma diferença crítica entre os tiratrons e seus descendentes modernos - tiristores e triacs - é que, para evitar danos antes de aplicar a tensão do ânodo, os filamentos de tiratron devem ser pré-aquecidos. O relé térmico dá às roscas 15 segundos para aquecer.

Alguns detalhes do quantizador foram encontrados em meu laboratório, onde coleciono eletrônicos antigos desde os anos 50. Os tiratrons VT-109/2051 originais e os suportes de lâmpadas de porcelana de oito pinos foram vendidos no eBay. Além disso, o dispositivo usava outros componentes dos anos 40 (por exemplo, resistores de volume Allen-Bradley), além de algumas peças modernas (por exemplo, transformadores de potência dupla) para suportar componentes eletrônicos que não estavam no quantizador original. Para tornar os componentes visíveis, fiz uma caixa plástica transparente de 49 × 17 × 8 cm para o quantizador.O custo total dos componentes foi de US $ 1.250.


Todo o misturador de voz SIGSALY é uma máquina gigantesca que opera muitos conversores de analógico para digital. Foto: NSA

O projeto e a construção demoraram mais de três anos e a depuração acabou sendo muito difícil, especialmente a 350 volts! Terminei a montagem e comecei a depurar apenas uma hora antes de voar da Califórnia para Paris, onde prometi demonstrar o quantizador em várias conferências sobre criptografia e segurança da informação. Quando adicionei resistores de energia para resolver alguns problemas com a tensão incandescente e corrigi alguns erros com a fiação, o quantizador começou a funcionar um pouco, mas apenas dois em cada cinco tiratrons funcionavam, o pré-amplificador de microfone mostrava oscilações em grande escala uma vez por segundo ( “barco a motor” em eletrônica), e a fonte de alimentação do ânodo foi seriamente sobrecarregada quando cada tiratron foi acionado.

Eu tive que parar de depurar e sair. Empacotei um quantizador com várias ferramentas e peças de reposição, e a Air France concordou em usar uma máquina tão frágil sob um protocolo especial. Em Paris, era necessário concluir a depuração sem um laboratório e instrumentos, exceto um voltímetro. Consegui peças e ferramentas nos mercados de pulgas de Paris (Marché aux Puces) e finalmente terminei a depuração na cabine de rádio amador de um velho amigo! Muitos problemas surgiram porque os tiratrons diferiam significativamente nos gatilhos de tensão (os mesmos problemas de incompatibilidade de tiratron foram resolvidos por engenheiros e técnicos do SIGSALY original nos anos 40).


O autor mostra sua réplica do inovador conversor SIGSALY

Agora a unidade está funcionando de maneira confiável. Segundo a NSA e os curadores do Museu Nacional de Criptologia, esta é a primeira tentativa de recriar qualquer fragmento do SIGSALY. Mas o mais notável é que esse dispositivo é igualmente impressionante para jovens e pessoas da geração mais velha. Tanto o público técnico quanto o não técnico entendem imediatamente os princípios fundamentais e a estreita conexão com a era digital moderna.

Informações Adicionais

Se você quiser ler sobre como as inovações do SIGSALY moldaram as modernas tecnologias de multimídia e telecomunicações, em 2006 escrevi um artigo [PDF] para a revista da Society of Sound Engineers e em 2014 publiquei um artigo na revista da Society of Film and Television Engineers. Para obter mais informações sobre os motivos da criação e operação do SIGSALY durante a Segunda Guerra Mundial, consulte o artigo histórico introdutório da NSA.

Se você prefere ouvir em vez de ler, em 2016, meus colegas e eu conversamos sobre vocoders e SIGSALY no podcast 99% invisível .