ась маскировка речевых сигналов шумом.
Суть предлагаемого метода заключалась в том, что на передающей стороне радиолинии аналоговый речевой сигнал смешивался с псевдошумовым сигналом, а на приёмной стороне (в результате вычитания из принятого сигнала точной копии псевдошумового сигнала) происходило восстановление исходного речевого сообщения.
Основная сложность практической реализации данного метода заключалась в том, что маскировка речевого сигнала требовала достаточно высокого отношения сигнал/шум, что существенно осложняло его восстановление во время приёма.
Одновременно компанией «Bell Telephone Laboratories» проводились исследования по оценке возможности применения в интересах засекречивания телефонных разговоров «вокодера» (англ. vocoder — voice coder — голосовой кодировщик). Вокодер был создан американскими инженерами для сжатия полосы частот передаваемого речевого сигнала. Это устройство определяло основные параметры сигнала, кодировало их и передавало модулируемый радиосигнал в эфир в более узкой по сравнению с обычным телефонным сигналом полосе частот.
На приёмной стороне радиолинии осуществлялось декодирование параметров принятого сигнала и синтезирование на их основе специальным генератором исходного речевого сообщения, но поскольку звучание синтезированного языка на приёмной стороне лишь отдалённо напоминало голос, говорившего на передающей стороне радиолинии, вокодерная телефония в начале 1940-х годов широкого распространения не получила.
Анализ принципов функционирования вокодера натолкнул американских инженеров на мысль использовать при создании аппаратуры защиты телефонных переговоров принципиально новый метод, который заключался в шифровании речевых сигналов, предварительно преобразованных в цифровую форму.
Группой специалистов под руководством инженера Р. Поттера был разработан экспериментальный образец аппаратуры засекреченной радиотелефонной связи «Х-system», в которой совмещались принципы действия вокодера и устройства шифрования буквенноцифровых данных. Входной речевой сигнал поступал на десять полосовых фильтров и анализатор возбуждающего сигнала (последовательность импульсов с частотой основного тона речи для звонких звуков, или шумоподобная последовательность сигналов для глухих звуков).
В результате аналого-цифрового преобразования значения амплитуды сигнала в каждом из полосовых фильтров кодировались одной шестеричной цифрой, а частота и вид возбуждающего сигнала — двумя шестеричными цифрами. Одновременно с определением цифровых параметров речевого сигнала в разработанной аппаратуре генерировалась ключевая псевдослучайная последовательность шестеричных цифр.
В результате сложения по модулю шесть параметров телефонного сигнала с ключевой последовательностью происходило автоматическое шифрование передаваемого сообщения. Определение параметров речевого сигнала и генерация цифр ключевой последовательности осуществлялись одновременно с частотой 50 Гц.
Использование на приёмной стороне радиолинии той же ключевой последовательности позволяло расшифровать параметры и синтезировать исходный телефонный сигнал. В связи с особенностями функционирования вокодера звучание принятой речи существенно отличалось от голоса того, кто говорил на передающей стороне радиолинии. Возможность распознать говорившего больше основывалась на его манере разговора, чем на тембре голоса.
Министр обороны США Л. Стимсон, делясь своими впечатлениями после переговоров по аппаратуре засекреченной радиотелефонной связи с генералом Д. Маршаллом, рассказывал, что в телефонной трубке он услышал «роботоподобный голос, абсолютно не похожего на голос генерала Маршалла. Однако по характеру ведения разговора я мог понять, что говорю именно с ним».
Как показали испытания новой аппаратуры, разборчивость слов на приёмной стороне радиолинии в целом была достаточно хорошей и повышалась по мере привыкания слушающего лица к особенностям формирования звуков в вокодере.
Отдельные специалисты, которые испытали новое устройство, находили качество воспроизведённой речи неудовлетворительным. Тем не менее, у аппаратуры «Х-system» появилось достаточно много сторонников, готовых пожертвовать качеством звучания в обмен на гарантию секретности телефонных переговоров.
Возможно, что работы по созданию новой аппаратуры связи, проводившиеся компанией «Bell Telephone Laboratories», так и не вышли бы из стадии экспериментальных исследований, если бы не встреча Президента США и Премьер-министра Великобритании. Она состоялась 14 января 1942 года, в ходе которой Ф. Рузвельт указал на необходимость усовершенствовать засекреченный радиотелефонный канал связи между Вашингтоном и Лондоном.
И хотя присутствовавшие при встрече начальник штаба Армии США и Главнокомандующий ВМФ попробовали убедить Президента в том, что имеющиеся системы не позволяют обеспечить необходимый уровень секретности, по окончании встречи Президентом США было дано указание на активизацию работ по созданию надёжной засекреченной линии радиотелефонной связи между Вашингтоном и Лондоном.
Эти работы были поручены специальной группе специалистов компании «Bell Telephone Laboratories» в количестве 30 человек во главе с инженером Полом Блю. К участию в разработке новой аппаратуры, получившей условное название «SIGSALY», были привлечены такие известные в дальнейшем американские инженеры, как К. Шенон, Х. Найквист и ведущий специалист английского криптоаналитического центра Алан Тьюринг.
Первый образец станции «SIGSALY» был изготовлен в начале 1943 года в Манхеттене. При её создании в значительной степени были использованы технические идеи и решения, выработанные в процессе разработки экспериментального образца аппаратуры «Х-system».
Достаточно сложной проблемой, с которой столкнулись разработчики «SIGSALY», было получение и последующее использование при работе станции ключевой последовательности, обеспечивавшей автоматическое шифрование телефонных переговоров. Для получения такой последовательности было предложено использовать специальную парортутную лампу высотой 35 сантиметров и диаметром 10 сантиметров, генерировавшую шумовой сигнал со случайным значением амплитуды.
В результате периодической выборки (с интервалом 20 миллисекунд) и квантования шумового сигнала происходило формирование псевдослучайной последовательности сигналов, которые записывались на виниловый диск с числом уровней квантования амплитуды, равным шести.
Диск по своему виду напоминал обычную граммофонную пластинку, которая использовалась в студии звукозаписи. Первые оригиналы дисков, которые изготовлялись в помещении компании «Bell Telephone Laboratories», доставлялись под вооружённой охраной в одно из зданий компании «World Broadcasting System», где на их основе изготовлялись два полностью идентичные штампованные шифродиски диаметром 35 сантиметров. Оригинал при этом уничтожался.
Последующая доставка дисков для станций «SIGSALY» должна была осуществляться курьером и возлагалась на центр шифровальной службы Армии США.
Для ведения секретных переговоров на станциях «SIGSALY» заранее нужно было установить идентичные шифродиски, обеспечить одинаковую скорость их вращения и синхронность генерации ключевых последовательностей на обеих сторонах радиолинии. С этой целью включение механизма вращения дисков на станциях проводилось одновременно.
Время включения определялось обслуживающим персоналом по сигналам точного времени, которые передавались радиостанцией военно-морской обсерватории США, и заранее согласовывалось операторами по открытым каналам радиосвязи.
Синхронность вращения дисков на двух станциях достигалась за счёт передачи и приёма специальных сигналов синхронизации и фазовой настройки частоты вращения диска оператором одной из станций. Высокая стабильность частоты вращения дисков обеспечивалась за счёт усложнения схемы электропитания механизма вращения и использования в ней опорных генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, помещённых в специальные термостаты.
Считывание ключевой последовательности с шифродиска осуществлялось при его вращении в процессе перемещения головки звукоснимателя и превращения механических колебаний иглы в электрические сигналы с определенной амплитудой.
Для обеспечения надёжной разборчивости речи временная несинхронность ключевых последовательностей, которые генерировались шифродисками двух станций, не должна была превышать полсекунды. Каждая станция «SIGSALY» была оборудована двумя механизмами вращения дисков.
Таким образом, в случае необходимости по окончании работы одного диска включался другой, что обеспечивало возможность ведения достаточно длительных переговоров. В соответствии с установленными правилами шифродиски использовались только один раз, после чего подлежали уничтожению.
Разработчики станции «SIGSALY» были полностью уверены в том, что их аппаратура способна обеспечить секретность телефонных разговоров. Руководитель группы инженер Пол Блю считал, что даже в случае захвата и доставки станции в Берлин дешифровка телефонных переговоров противником при отсутствии у него копий шифродисков будет невозможной.
Первая станция «SIGSALY» была установлена в здании Министерства обороны США в марте 1943 года, а вторая — в мае того же года в Лондоне. Испытания работоспособности станций при ведении засекреченных телефонных переговоров по трансатлантическому радиоканалу Вашингтон — Лондон были завершены 29 июня 1943 года. Официальная церемония введения «SIGSALY» в эксплуатацию состоялась 15 июля 1943 года.
Всего за период Второй Мировой войны американской компанией «Bell Telephone Laboratories» было изготовлено около десяти таких станций, которые и образовали правительственную систему засекреченной радиотелефонной связи США. Кроме Вашингтона и Лондона, они были установлены в Алжире, Брисбене (Австралия), на Гавайских островах (форт Шафтер), в Окленде (штат Калифорния), Париже (после его освобождения от немецких войск), на острове Гуам (западная часть Тихого океана), в Берлине и Франкфурте (после их оккупации англо-американскими войсками).