UNCLASSIFIED AD  NUMBER ADA800206 CLASSIFICATION  CHANGES TO   FROM   unclassified secret LIMITATION  CHANGES TO Approved  for  public  release   distribution unlimited FROM Distribution  authorized  to  U S   Gov't agencies  and  their  contractors Administrative Operational  Use   OCT  1944 Other  requests  shall  be  referred  to  Office of  Scientific  Research  and  Development NRDC   Div   13   Washington   DC AUTHORITY Secretary  of  Defense  memo  dtd  2  Aug  1960 Secretary  of  Defense  memo  dtd  2  Aug  1960 THIS PAGE  IS UNCLASSIFIED S G OVERN MENT   IS  ABSOLVED FROM  ANY  LITIGATION   WHICH  MAY ENSUE  FROM  THE  CONTRACTORS  IN FRINGING  ON  THE  FOREIGN  PATENT RIGHTS  WHICH  MAY  BE  INVOLVED WRIGHT  FIELD   DAYTON   OHIO ARE MISSING UV ORIGINAL PAGES 7  I SECRET NATIONAL  DEFENSE  RESEARCH  COMMITTEE  _ OFFICE  OF  SCIENTIFIC  RESEARCH  AND  DEVELOPMENT T '  •  DIVISION  13  SECTION___ OEMsr ­ 435 FINAL  REPORT ON PROJECT  C 43 Continuation  of  Decoding  Speech  Codes PART  I ­ SPEECH  PRIVACY  SYSTEMS­ INTERCEPTION   DIAGNOSIS   DECODING   EVALUATION THIs  DOCUM ENT  CON­  ALNS  ILNFORMATION  AFFECT­ ING  THE  NATIONAL  DFVSE OF TIM UN Tr  STATES WrTrIN  THE  MEANING  OF  THE  ESPIONAGE  ACT U S C   50 31  AND  32   Mrs TrLANSMIMON  OR  THZ REVELATION  OF  rr3  OONTEN•S  •N ANY  ' ANXER  TO AN  UNAUTHORJW  PERSON  IS  PROHIBITED  BY  LAW S R D   NO  ­ SECTION  1 0   COPY  NO   4 2  DAT  Oct   12   1944 BELL  TELEPHONE  LABORATORIES   INCORPORATED NEW  YORK   N   Y SECRET Communioations  Division National  Defense  Research  Committee of  the Office  of  Scientific  Research  and  Development Section  3 Division  13  flNAIT REPORT ON PROECT  C­43 Continuation  of  Decodinma  Speech  Codes PAKT  I   SPiCHE  PRIVACY  SYSTEMS INTIRCd•IMON  DIAGN'OSIS   DICODIVO   EVALUATION October  12   1944 I SECRET Contract  No     Ol r­435 Contractor   Western  Aleotrio  Company  Inc 120  Broadway   New  York  5   N   T Project  Supervisor   C   H  G   GRAY Teohnical  Report  Prepared  by   W  KOVf•G BILL  T•LAPEON3  LABORATORIlS   INC 463  West  St   New  York  14   N T 4 TABLE  OF  CONTNTS EiSTORY  oF  PROacT  1 ZUTRODUCTION  TO  2 TEGSICAL  WORT  CaA PTE  I  ­ IN•C 7TI0 1 1  Types  of  Radio  Systems  3 2  Intercepted  Signal  Quality  3 3  4  Reoeiving  Sets  Types  of  Radio  Transmission  4 4 5  Reoordin  5 6  Decoding  Tools  6 ORA MR  II  ­ THE  SO  E0TO0RAPR 1  History  7 2  Operation  7 3  Level  Comprussion  11 4  Possible  Inproversts  11 S  Amplitude  Representation  14 C11APR III  ­ SPISCH'SCML YMT1  15TIOflS 1  Systems  Involving  Single  Ucaulation  15 2  Systems  Involvin  Double  Modulation  16 3  Triple  Modulation  ­ Reentrant  Band  Shift  17 4  5  Band­splitting  Systems  Tine  Division  Lultiplex  17 18 6  Systems  Using  Tape  Recording  19 7  8  Co binations  of  Tine  and  Frequenoy  Scrambling  Wave  Form  Lodifioation  21 22 9  Masking  Systems  22 10  Voooaer  Systems  24 11  Channel  Liuzng  Systems  24 12  Summary  26 CHAPTER  IV  ­ DIAOGT0SIS  OF  U1TE'rTF  1  'easurezents  2  3  •  i­­  on  Speotrograze  Illustrations  of Soranbled  Speech  Systems  Not  Illustrated  II S­SYSTEM 27 27 30 tilL   ­ ­­   ­­ 'TABIZ  Q   C01 T 3TS  Contid 4  secCU R 7  ­ set  ONGRYPTNOWE•  C  TOOLS  AND O  oTHOS or  Yunotional  Equivalent  1  Captured  2  Compromise  Deooding  Methods  34 3  Automatic  Decoding  37 CEAPMTR  VI  ­ CRYPTOW APHIC  TOCIS AND  LZMT  I  33 S a  Program  Determination  Matching  Spectrograms  41 41 3  Latohing  Variable  Area  Patterns  47 4  Matohin  Osoilloarams  5  indicator  Methods  47 49 6  Application  to  Table  1  7  Determination  of  the  Uessage  CHAPTEBR  VII  ­ PRACTICAL  BVALUATIO0  52 54 OP  PRIVACY  SYSTMIX 1  Cracking  Tim  37 2  ilonrepeated  Code  Systems  57 3  Code  Ansalyss  a8 4  Yield  Evaluation  58 TABIL  I  ­ SPZBCH  SCAULING DMCXS  2AlLE  II  NONCRYPTOGRAPHIC  DECODING  IMMMS  ­ TABlLE  III  103 ­ II­  IN  PART  LIST  OF PRELIUIQY  REPO3  105 APPENIX  106 LIST  OF  ILLUSTRATIONS Figure 1  D­165529  Sound  Spoetrograph  8 2  Illustrating  the  Operation  of  the  bound  Speotrograpt  9 3  Spectrograws  of  Normal  Speech  10 4  Amplitude  Representation  by  Dot  Spacing  12 5  Amplitude  Representation  by  Contours  13 6  Modulators  15 7  Single  Modulation  16 8  Split  Phase  Multiplex  16 9  10  11  12  Double  Uodulation  Reentrant  Inversion  One  7orm  of  Split  Band  Systea  One  Form  of  Tias Division  Uultiplex  16 17 18 19 13  Variable  Subband  Delay  20 14  One  Form  of  Time  Division  Scramble  20 15  Speed  Wobble  21 16  Time  Inversion  21 17  Wave  Multiplication  22 18  Level  Modulation  22 19  Subband  Level  Modulation  23 20  Noise  Masking  Using  Two  Channels  23 21  Masking  Noise  Applied  at  Receiving  End  23 22  23  vocoder  Systex  Channel  Mixing  25 25 24  Subband  Channel  Uixins  26 25  Calibration  of  Spectrograph  Soales  28 26  Tine  and  Frequency  Measurements  29 27  Illustrating  Aided  Tracking  33 28  Band  Shift  Filter  34 29  Variable  Bartd  Paso  Filter  34 30  Peak  Choppers  and  Compressor  35 31  Rectifiers  35 32  Illustrating  Action  of  Rectifier  35 33  One  Forn  of  Superposition  Decoding  36 34  35  Directional  Disorimination  37 Automatic  Decoding  ­ Total  Eneruy  37  36  Sidebands  37  in  Two  Position  Displace ent  System  Automatic  Decoding  ­ Energy  Frequency  Distribution  38 38  Matohing  Speotrograph  Patterns  of  Hoarepeated  Code  TDS  42  IV 37 LIST  OF  ILLUSTRATION S  Cont'd Figure 39  Illustrating  Inversion  of  Time  and  Frequency  Scales  in  $  Spa ot rorama 43 40  Matohina  Spectrograph  Patterns  of  Two­dimensional  Scramble  44 41  Latohing  Variable  Area  Patterns  of  Nonrepeated  Code  TDS  46 42  43  Osaillographio  Traces  of  Vocoder  Channel  Signals  Showing  Effect  of  Rectification  on  Normal  and  Band  Shifted  Speeoh 48 44  51 46  Band  Shift  Detector  Adaptation  of  Spectrograph  for  Decoding  Switched  Split  Band  Scramble Illustrating  Repeated  Code  Lultiplication  Systes  47  48  Illustrating  Uodulation  Sidebands  Sinple  Inversion  81 683 Alternate  Inversion  65 50  Fixed  Displaoement  67 51  Wobbled  Displacement  69 52  Reentrant  Inversion  71 53  54  Fixed  Split  Band  Soranble  73 Rapidly  Switohed  Split  Band  Scramble  ­ Ixample  1  75 55  Rapidly  Switched  Split  Band  Scramble  ­ Example  2  77 56  Tine  Division  Multiplex  79 57  Tim  Division  Uultiplez  with  Noise  Ohanal  81 58  Subbands  Variously  Delayed  83 59  60  Time  Division  Scranmbling   TDS   Combination  of  TDS  and  Rapidly  Switched  Split  Band  85 87 61  llonsynohrnnoue  Combinations  of  TDS  and  Split  Band  Scramble  89 62  Test  for  Two­dimonsional  Scramble  91 63  Speed  Wobble  93 64  Baokwards  95 65  Ulultiplioation  97 66  Time  Division  Channel  UIxing  67  Subband  Channel  Uixing  45  S49    4­•  %  Scramble • 50 51 53 99 101 RISTORY  OF PROTECT a  This  report  covers  work  carried  out  for  the  National  Defense  Research  Committee  un­  der  Contract  No   O Mer­435  with  the  Western  Electric  Company   Laboratories   Iny   Ina   by  the  Bell  Telephone pro­ided  with  suitable  equipment  and  could  oh­ tain  trained  personnel   Based  on  the  needs  of the  military  this  project  was  thrice  extended Under  the  guidanee  of  the  Subsection on  Speech  Secrecy   Seotion  13 3 of  N D R C   the Early  in  October   1940  there  was  set  up  in  the  Communications  Division  of  IT D R C   a  subcommittee  on  Speech  Secrecy   This  group  was  to  consider  both  the  sorambling  and  un­  scrambling  of  telephone  signals   It  was  soon  recognized  by  thea  that  the  decoding  problem  was  of  primary  importance  both  as  a  means  for  evalu­  ating  privacy  systems  for  possible  use  by  the  Services  and  for  decoding  possible  enemy  signals   Rualizine  that  the  ear has  very  limited  capabilities  for  anslyzing  scrambled  speech  Mr   R   K   Potter invented  the  sound  speotroaraph  to provide  speech  patterns  which  could  be  interpreted  by  the  eye   Early  in  1941  a  rouGh  laboratory  model  of  the  sound  spectrograph  became  available  in  Bell  Telephone  Laboratories  Inc   Throujh  Dr   0   S   Buckley   chairman  of  the  Speech  Secrecy  Section  of  N D R C   arrangements  were  made  for  a  demon­  stration  of  the  sound  spectroGraph  to  various  N D R C   representatives  including  Dr   7   Bush   emphasis  was  placed  at  any  given  time  on  what was deemed  to  be  most  urgent   This  is  reflected in  the  subject  matter  of  the  Preliminary  Reports which  were  issued  from  time  to  time  and  which form  the  appendix  to  this  report   In  addition to  the  specific  investigations  covered  by  these Preliminary  Reports  much  work  was  carried  on  as the  basis  for  more  general  coverage  of  the  field of  interception   diagnosis   decodina  and  evalua­ tion  of  speech  privacy  systems described As  a  result  of  the  above  demonstration  and  subsequent  Committee  action  Project  C­32   the  forerunner  of  Project  C­43 wae  organized  in  the  fall  of  1941  with  the  immediate  objective  of  producing  a  sound  speotrograph  in  such  form  that  it  would  be  useful  for  diagnosing  and  decoding  speech  sorambling  systems   In  Pro­  jest  C­32   Privacy  Cracking   a  finished  model  of  the  sound  spectrograph  was  constructed  and  its  applioation  to  decoding  work  was  successfully  demonstrated  to  representatives  of  the  Army   Navy  and  V D R C   Upon  the  termination  of  C­32  on  Febru­  ary  1   1942   it  was  decided  that  the  work initiated  under  that  project  should  be  continued   Accordingly  Project  C­43   Continuation  of  De­  coding  Speech  Codes   was  authorized  for  one  year   effective  February  2   1942   The  project  anticipated  some  routine  decoding   the  production  of  duplicate  equipment  to  be  used  by  the  Army  and  Navy  intelligence  servioes  and  further  studies  of  decoding  tools  and  methods   At  that time  the  Army  and  Navy  military  officers  were  relying  almost  entirely  upon  this  project  to  furnish  the  above  services  until  they  could  be  mentioned  above  dedodint  equiptent  was  developed moneae  equiment  ded to  the  was  lavy   dvlp and  no dels  furnished  Army  and  This decoding  equipment  included  1   two  models  of the  sound  spectrograph   2   a  variable  area  pat­ tern  machine  and  3   equipment  for  decoding  two new  enemy  privacy  systems  intercepted  by  the project  personnel  at  Point  Reyes   California In  each  case  Army  and  Navy  personnel  were  in­ struoted  in  the  operation  and  maintenance  of these  equipment s Interceot  activities  of  the  project personnel  included  1   the  study  of  recording submitted  early  in  the  project  by  the  Federal Cozzunications  Commission   2   ezploratory  work at  the  Bell  Telephone  Laboratories  experimental radio  reoeiving  station  at  Holzdel   New  Tersey and  8   exploratory  work  and  routine  interception of  radio  telephone  transtissiour  at  the  American Telephone  and  Telegraph  Co   radio  receiving  eta­ tion  at  Point  Reyes   California   Reports  of  the results  of  the  above  studies  and  recordings  of intercepted  material  were  submitted  directly  to the  interested  military  authorities Lany  speech  privacy  schemes  were  sub­ mitted  through  N D R C   during  the  course  of this  project   These  were  studied  and  evaluated This  work  led  directly  to  the  continued  improve­ ments  of  the  sound  spectrograph  and  the  develop­ ment  of  supplementary  decoding  tools  and techniques Ls  the  Army  and  Navy  became  able  to carry  on  decoding  activities  themselves  with  the aid  of  equipment  and  information  furnished  by N D R O   as  the  result  of  work  outlined  above   the  activity  on  this  project  gradually  decreased   the  Preliminary  Reports   covers  all  phases  of the  work  on  this  project  and  constitutes  a  re­ The  technical  repott  which  follows   together  with  the  Appendix  which  includes  all  of  feranms  work  for  future  studies  of  speech  pri­ vacy  systems   INTMROUOTION  TO  TZONHIOAL  •0RT This  report  sunmarises  the  results  of  about  three  years'  experience  in  diagnosing   do­  coding   and  evaluatinG  speech  privacy  systeas  submitted  for  study  on  this  project  by  the  Army   Navy  and  Ir D R O   Some  of  the  results  of  these  studies  have  been  described  in  a  series  of  Pre­  liminary  Reports  which  were  issued  from  time  to  tiM­  to  cover  specific  studies   A  great  deal  of  acounulated  experience   however   has  never  been  reported  in  this  manner   This  final  report   therefore   is  intended  to  make  available  infer­  mation   both  positive  and  negative   which  would  have  to  be  accumulated  by  another  croup  if  they analysis  and  cryptography   which  apply  to  tele­ graph  types  of  comunication   very  little  has been  written  on  speech  privacy  systems  or  deood­ ing  methods  applying  to  then   Two  moderately comprehensive  articles  have  been  published   One appeared  in  the  Post  Office  Engineers  Journal October   1933   The  other  appeared  in  the  Brown Boveri  Review  for  Decenber   1941   The  latter has  been  reproduced  and  discussed  in  Preliminary Report  No   5   It  covers  a  number  of  basic  types of  scrambling  systems   and  in  addition  discloses one  that  is  new The  immediate  pressure  behind  these  studies  was  caused   of  course   by  the  War   The  material  here  recorded  should  therefore  be  of  service  if  a  similar  energency  should  arise  in  the  future   To  keep  up  with  the  ever­ohanging  art  of  oomzunication   these  studies  should  be  continued  under  Government  auspices  during  peace­  time   cover  rather  completely  speech  soranbling  methods in  wLioh  the  original  seecoh  is  transmitted  with its  parts  nodified   displaced  or  interchanged When  more  detailed  technical  inforaation  is  de­ sired   reference  may  be  made  to  the  Preliminary Reports   These  are  separately  bound  and  fora  an appendix  to  this  report   All  of  this  material should  be  helpful  in  the  development  of  prao­ In  contrast  to  a  rather  extensive  literature  on  code  and  cipher  systems   on  crypt­  tical   effective  privacy  systems   and  the  eval­ uation  of  the  security  which  they  afford The  present  report  is  intended  to were  to  embark  on  a  similar  project   2 L SINT' CEPTTON Speech  privacy  systems  may  be  used  in  connection with  radio  telephone  systems  or  with  nals  can  not  generally  be  picked  up  at  great distances   and  whatever  equipment  an  interceptor wire  systems   The  unauthorized  interception  of  wire  comnunioations  in  wartime   however   is  be­  yond  the  scope  of  the  present  report   This  chapter  will  therefore  be  confined  to  radio  interception  problems  and  expands  the  material  in  Preliminary  Report  No   25   The  decoding  techniques  to  be  described  subsequently   of  might  use  to  oraok  the  privacy  must  also  be  mc­ bile   Furthermore   the  decoding  equipment  must be  operated  by  military  personnel   a  large  num­ ber  of  whom  may  be  required  if  the  enemy  is making  extensive  use  of  mobile  privacy   'kether it  is  worth  while  to  attempt  to  decode  a  large number  of  small  mobile  communications  is  ques­ tions   Chapter  VII 1   Radio  telephone  systems  range  in  size  and  complexity  from  high  power  point  to  point  stations  operatinS  over  great  distances  to  the  low  power   short  range  sets  carried  by  indivi­  Intermediate  types  of  radio  systems are used  for  the  higher  echelons  of  comand   For such  applications   the  radio  equipment  is  semi­ mobile   It  can  be  transported  in  trucks  and  set up  very  rapidly   and  may  have  a  conviderable range   For  such  applications   a  high  degree  of of  inherent  privacy  in  mobile  equipment   it should  be  noted  that  the  very  mobility  of  such  systems  adds  to  the  security   because  the  sig­  In  this  connection  it  might  be  noted that  it  is  very  desirable  to  be  able  to  hear  both course   apply  to  wire  as  well  as  radio  connumic­  i  tionable   as  discussed  in  greater  detail  in Types  of  Radio  Systems  dual  soldiers   The  high  power  systems  are  usu­  privacy  is  required   and  a truckload  of  equipment ally  designed  to  operate  between  specific  points   right  be  justified   because  the  enemy  could  af­ assigned  feiote  frequencies   They  are  ford  to  devote  considerable  time   personnel   and qu e  using  specific  with elboat  whichrone aonsineras   Sequipped  with  elaborate  fixed  antennas   which  equipment  to  decoding  the  kind  of  messages  which are  usually  of  the  directive  type   Privacy  would  be  transmitted  over  such  systens equipment  associated  with  such  terminals  may  be as  large  and  complex  as  desired  to  achieve  vir­  2   Intercepted  Signal  Quality tual  secrecy   A major  consideration  in  such systems   of  course   which  adds  to  size  and  oom­ decoding   the  material  from  this  point  on  will plexity   is  that  the  privacy  must  not  degrade  be  written  from  the  point  of  view  of  the  unau­ the  quality  of  the  received  speech  to  any  appre­  tiable  extent  h  thorized  rather  than  the  authorized  listener   It is  first  of  all  desirable  to  get  a  good  signal On  the  other  hand   any  one  can  iu­  as  free  as  possible  from  interference   There  are tercept  these  hiGhpower  signals  at  great  dis­  several  reasons  for  this   First  the  process tanoes   where  he  can  have  a  well­equipped  which  unscrambles  the  speech  also  scrambles  any centralized  deoodina  laboratory   with  no  limits­  noise  such  as  static  which  has  been  superposed tion  on  the  size  and  complexity  of  the  decoding  on  the  scrambled  signal   This  changes  the  time equipment  he  micht  bring  to  bear   This  labora­  or  frequency  distribution  of  the  noise   breaks  up tory  can  be  adequately  manned  by  a  relatively  harmonic  relationships   etc   thereby  increasing few  highly  trained  decoding  specialists  not  the  interferin4  effect  of  the  noise   Second   the necessarily  members  of  the  arred  services   decoding  is  apt  to  be  less  perfectly  accomplished than  at  the  authorized  terminals   which  tends  to no_  ortrast  wit  ts  sitain  the  make  the  speech  harder  to  understand   Finally lot'  power   short  range  radio  sets  used  in  nil­  there  are  usually  language  differences  which tary  operations  are  severely  restricted  as  to  still  further  add  to  the  difficulty  of  under­ size  and  tieight   and  these  restrictions  also  ap­  standing  the  message   Conversations  can  be  oar­ ply  to  privacy  equipment   The  smallest  privacy set  submittedtoed  on  under  extremely  unfavorable  conditions a  10  inch  cube   and  was  designed  for  mobile  ap­  by  people  speaking  their  own  language   but  noise and  poor  quality  rapidly  degrade  the  intelligi­ plications  like  tanks   planes   and  command  cars   bility  of  a  language  foreign  to  the  listener ih•ile  it  is  difficult  to  achieve  a  high  degree  3 4  sides  of  the  conversation  without  interruptions   in  order  to  follow  the  context   In  the  case  of  in  general the  point  to  point  systems   this  will  directions  two  the  because  require  two  receivers  are  transmitted  over  separate  channels  at  differ­  eant  frequencies   If  the  two  outputs  are  mixed  for  listening  or  recording   however   it  shouldbe  kept  in  mind  that  the  noise  on  the  weaker  signal  will  be  superposed  on  the  stronger  signal  and  say  seriouis  it   Putting  the  two  signals on  seriously  degrade  two  headphones  will  improve  this  situation   be­  cause  noise  in  one ear  does  not  seriously  affect  the  intelligibility  of  a  signal  in  the  other  ear   This  problem  does  not  arise  in  the  case  of  the  smaller  radio  systems   because  these  are  gener­  ally  operated  on  the  basis  of  switching  betieen  transmitting  and  receiving  conditions  on  the  sa   carrier  frequency   al  i  Lev'_   ­i  A ­  Usthods  of  obtaining  a  good  signal  are  the  sane  for  the  interceptor  as  for  the  in­  tended  receiver   A few  of  the  important  oonsid­  erations  are  listed  here   further  information  on  o  any  or  all  of  them  can  be  had  from  radio  refer­ once  works   1   Point  to  point  systems  usually  on  tat  iterept  station  he  intercept  diectve  the  atenas   emply  Semploy  directsive  antenas   threo  near  along  or  be  located  therefore  should  line  of  the  radio  been   2  In  locating  ate­ tioms  to  intercept  radio  transmissions  in  the  HF   raeng   account  should  be  taken  of  the  skip  die­  tances  of  the  frequencies  involved   Better sig­  neals  will  sometimes  be  obtained  y  moving  farther  away  from  the  transmitter  rather  than  closer   3   The  use  of  directive  antennas   directed  to­  wards  the  transmitter  being  monitored   will  in­  prove  the  signal  to  noise  ratio  by  discriminating  against  noise  which  is non­directional   These  antennas  of  course  should  be  designed  for  the  frequency  and  polarization  of  the  signal   and  properly  coupled  to  the  receiving  set   4   Stronger  radio  signals  will  be  received  if  the  antennas  are  located  in  the  open   with  no  trees  or  other  obstructions  in  the  foreground   This  is  particularly  important  in  the  VU range   5   Radio  signals  increase  in  intensity  as  the  height  of  the  antenna  above  the  immediate  foreground  is  increased   particularly  for  VU transmission   Thus  better  results  are  obtained  with  the  anten­ nas  located  on  high  masts  or  on  hills  overlooking  the  foreground  in  the  direction  from  which  the signal  is  arriving   If  the  signal  is  in  the  VHF  range  and  other  measures  are  inadequate   it  may  even  be  desirable  to  consider  receiving  the  sig­  nal  in  an  airplane  and  recording  it  or  retrans­  mittiag  it  for  decoding   6   Noise  improvement  can  generally  be  obtained  by  keeping  the  receivrig  equipment  away  from  sources  of  man  made  noise   such  as  ignition  systems  and  power  lines   3 '  Reoeiving  Sets with  regard  to  the  receiving  sets   a distinctioa  must  be  made  between  the  various  as­ tivities  of  an  intercept  station   One  important activity  is  searching  for  possible  enemy  trans­ mission  channels   The  object  is  to  deternine  all the  channels  in  use   the  location  of  their  ter­ minals   the  type  of  business  transacted   and prelimieary form  Qf  privacy chanel  thei  special  uesred  any  Some  whether  all   of  on   most  e  preliminary is eace on  the  channel   Soa  searcheportisos  te  are  described  in  Prelivi­ nary  Reports  has   2  and  23   If  no  privacy  is used   other  than  the  usual  commercial  types   it is  unlikely  that  information  of  military  impor­ taene  is  transmitted  over  the  channel   and  it may  not  be  necessary  to  monitor  it  continuously If  a  new  privacy  system  is located   however   it is  very  likely  to  be  worth  monitoring  and  deood­ in$ continuously or  the  searching  and  scanning  activi­ ties   the  ordinary  oomeroial  sets  of  the  com­ munications   type   equipped  with  a  beat  frequey oscillator   will  serve  very  well  for  all  types f transuission   Zveu  the  suppressed  carrier type  can  be  handled  very  well  provided  the  sig­ l nal  is  fairly  strong   It  may  require  continual umnual  adjustment  of  the  looca  oscillator   but sufficiently  good  reception  can  be  obtained  to determine  the  nature  of  the  channel   Oases  of extreme  spread  band  transmission  can  also  be hndled  in  this  % or If  a  particular  channel  employing  sup­ pressed  carrier  is  deternined  to  be  worth  memi­ tortn6  continuously   then  a  single  sideband receiver  will  give  improved  reception   These receivers  are  equipped  to  amplify  the  partly suppressed  carrier   or  supply  a  new  one  with great  stability   and  they  may  provide  as  such  as 15  db  improvement  in  signal  to  noise  ratio  in some  oases   They  also  permit  selecting  either the  upper  or  the  lower  sideband  of  double  side­ band  systems   which  may  be  of  advantage  in  cases where  interference  occurs  on  one  or  the  other sideband  of  such  systems   However   these  re­ oeivers  are  not  suitable  for  searching 4   Types  of  Radio  Transmission A knowledge  of  the  types  of  radio transsmission  which  may  be  encountered  is  very important  to  the  personnel  of  an  intercept  sta­ tion   Bxperience  has  shown  that  without  such knowledge   the  nature  of  intercepted  signals  nay be  completely  misinterpreted   It  is  possible to  mistake  certain  norma   types  of  transmission for  new  systems   or  conversely  to  fail  to  recog­ nize  new  systems  which  should  be  monitored  at  once   The  commonest  type  of  transmission  the  double  sideband  type  in  which  the Sis  carrier  in transmitted  along  with  the  sidebande   which  are  usually  about  3 000  cycles  in  width   and  are  located  immediately  adjacent  to  the  crrrier   These  are  readily  demodulated  by  the  ordinary  receiver   This  is  true  even  if  the  carrier  is  rapidly  wobbled   provided  the  wobble  does  not  cover  too  great  a  frequency  range   Such  wobbles  are  sometimes  used  in  combination  with  simple  inversion   to  prevent  reinverting  with  a  locally  supplied  carrier  at  the  edge  of  one  aideband In  the  so­called  spread  band  system   some  or  all  of  the  sidebands  are  displaced  from  the  carrier   Demodulated  signals  of  this  tym will  cover  an  audio  frequency  range  greater  than  3 000  cycles   usually  as  high  as  6 000  cycles   It  is  essential   therefore   that  the  receiver  be  capable  of  handling  such  a  band   To  obtain  the  intelligence   the  signals  must  be  further  demodulated  as  described  subsequently  Bl  in  Table  I   In  the  ordinary  transmissions  described  above   the  carrier  level  is  high  compared  to  the  speech  sidebands   In  order  to  avoid  loading  up  the  transmitter  with  carrier   and  thereby  permit radiating  a  higher  sideband  level   many  channels  operate  on  the  suppressed  carrier   basis   In  this  system  the  carrier  is  either  eliminated  completely   or  transmitted  with  greatly  reduced  level   To  demodulate  such  sienals properly   the  weak  carrier  must  first  be  greatly  amplified   or  a  new  one  supplied  locally   If  this  is  not  done  the  siGnals  will  demodulate  themselves  around  whichever  component  in  the  sideband  happens  to  be  predominant   producing  thoroughly  scrambled  speech  which  can  thereafter  not  be  restored   This  condition  can  be  recognized  by  its  ohurac­  teristio  sound  to  the  ear   toGether  with  wide  syllabic  fluctuations  of  the  meter  which  ordina­  rily  indicates  the  carrier  level   With  suppressed  carrier  systems   usu­  ally  only  one  of  the  speech  sidebands  is  trans­ mittod   However   a  second  sideband   transmitting  a  second  speech  channel   is  sotetimes  added   usually  displaced  from  the  carrier  by  about  3 000  cycles   to  avoid  crosstalk  between  thechan­  nels   This  is  called  twin  channel   operation   and  gives  on  demodulation  an  audio  siGnal  covering  about  6  ko   The  two  channels  must  be  separated  and  placed  in  their  normal  positions  by  the  methods  previously  cited  under  spread  band  systems   The  above  systems  are  the  main  types of  radio  transmission  used  commerolally  with amplitude  modulation   In  addition   in  the  VE range  and  above   there  are  frequency  modulation systems   and  also  pulse  modulation  systems   both of  which  require  receivers  specially  designed  to handle  their  particular  types  of  signals   This is  too  large  a  subject  to  cover  here   and  refer­ ence  must  again  be  made  to  the  radio  literature Finally  it  should  be  mentioned  that  in addition  to  speech  a  great  deal  of  telegraph addition  to  s  of  are  telerah transmission  will e a  be  found  Thde  There  several types  of  telegraph  signals   including  hand  keyed such  as  Morse  code   or  machine  keyed  such  as Boshne  and  teletype   Any  of  these  types  may  be transmitted  by  keying  the  carrier   or  by  keying a  tone  modulated  on  the  carrier   The  marks  and spaces  may  be  represented  by  changing  the  azpli­ tude  on  ­ off   or  by  changing  the  frequency two­tone   Finally   since  telegraph  requires a  much  smaller  band  than  speech   it  is  often operated  on  a  multichannel  basis   that  is   a voice  channel  will  be  divided  into  a  number  of telegraph  channels   In  addition   there  are facsimile  transmission  systems   which  also  may be  operated  on  an  AZ  or  Fn basis   If  a  new  sig­ nal  is  encountered  whose  nature  is  in  doubt these  possibilities  should  be  kept  in  mind  for further  investigation  when  the  need  arises 5   RecordinA The  sane  considerations   discussed  in section  2 above   which  make  it desirable  to  ob­ tain  a  good  intercepted  signal   apply  also  to recording  and  reproducing  scrambled  speech   In addition  to  the  requirements  as  to  quality  and noise   there  is  an  even  more  serious  one  con­ erning  speed  regulation   In general   systems designed for  a high  degree  of privacy  require  a high  degroe  of  synchronization   and  in  many oases  ordinary  recording  methods  are  not  good enouih   not  only  in  long  time  average  speed regulation   but  in  the  steadiness  of  the  instan­ taneous  speed   In  the  case  of  some  of  the  sys­ tens  described  in  Chapter  III   for  instance   the requirements  are  so  severe  that  even  the  best conmercial  recorders  will  not  meet  them The  best  solution  of  this  problem  is to  decode  before  recording   This  will  be  possi­ ble  in  many  oases   although  it  may  sometimes entail  the  loss  of  parts  of  the  messase  while adjustments  are  being  made  or  the  code  is  being determined   It  happens  that  some  of  the  systems described  in  Chapter  III  which  impose  the severest  requirements  on  speed  regulation   B3 in  Table   can  be  handled  in  this  way   Ahen prepared  to  diagnose  and  decode  intercepted  ene my  signals   must  be  equipped  with  a  considerable variety  of  special  tools   These  should  include of  course   such  well­known  devices  as  oscillo­ graphs  and  oscilloscopes   amplifiers   oscilla­ tors   modulators   rectifiers   fixed  and  variable filters   and  a  supply  of  components  for  con­ structing  special  circuits  that  may  be  required Some  of  the  less  wsll­known  devices   whose  ma­ ture  and  usefulness  will  be  made  clear  in  subse­ quent  chapters   include  magnetio  tape  or  wire recording  and  reproduoina  equipment  in  the  form of  loops  with  multiple  pickups   commutators  for sweep  or  timing  circuits   variable  speed  drive mechanisms   channel  shifters   the  variable  area pattern  machine   and  the  sound  spectrograph There  should  also  be  models  of  the  more  iapor­ tant  types  of  existing  speech  privacy  systems Finally   and  perhaps  most  important  of  all   then should  be  stationed  at  the  intercept  location  a Group  of  highly  trained  technicians   who  should be  thoroughly  familiar  with  radio  transmission problems   radio  facilities   oryptanalytio  pro­ this  method  is  feasible   even  poor  quality  re­  corders   such  as  those  designed  to  record  a  Vast deal  of  material  in  a  izall  area   nay  be  good  enough   In  some  of  the  systems  to  be  described   it will  not  be  possible  to  decode  before  record­  img   It happens   however   that  in the  case  of  the  Only  kIown  system  for  which  this  is  tre  the  requirements  as  to  quality  73 in Table  I   and  speed  can  easily  be  met by  good  commercial  type  recordings   The  matter  of  convenience  or  ease  of  use  of  the  reproducing  system  is  very  important  in  decoding  work   In  this  respect  also   the  require­  sents  are  different  for  different  privacy  sys­  tems   The  recording  systems  using  the embossing  process   for  instance   are  convenient  because  they  produce  no  thread   and  they  require  little  attention   However   they  all  suffer  from  poor  tracking  during  reproduction   which can  be  exceed­  ingly  burdensome   especially  where  the  material  must  be  reproduced  many  tines  over   Recording  magnetically  on  wire  is attractive  from  the standpoint  of  convenience  and  also  quality   but  back­tracking  is  very  time­oonmmuing  and laborious   cedures  ad  diagnosing  and  decodin  methods If  these  technicians  are  not  oonversant  with  the lanCuaGe  encountered  in  intercepted  communic­ itreesshudeooiuoay tions   interpreters  should  be  continuously available The  best  solution   at  the  presentton  writing   appears  to  be  disk  recording  on  acetate   with  a  machine  capable  of  recording  at  v rious  speeds   Low  speeds  oa  be  used  where  quality  need  not  be  too  good   and  a  long  record  is  de­  sired   Higher  speeds  can  be  used  where  better  quality  is  needed   Such  recording  systems  are  commercially  available   8   Decodina  Tools  Even  with  a l  of  the  special  tools  and sth  to  a s e  ial  even  it  all of  personnel   decodin  in  many  instances  will  be  a difficult  problem   and  patience  and  painstaking effort  will  bu  required  to  obtain  useful  infor­ mation  from  scrambled  speech   Unless  the  needs have  been  anticipated  the  enemy  may  have  secret In  addition  to  the  facilities  discus­  sed  above   an  intercept  station   if  it  is  to  be  oornunication  for  a  considerable  period  of  time as  a  direct  result  of  unpreparedness 6 THE  SOUND  SPCTROGWRPH This  chapter  is  devoted  to  the  sound  2  Operation spectrograph  ­­  its  history   method  of  operation and  capabilities   The  sound  spectrograph  anal­  yzes  speech  in  terms  of  its  three  basic  dimen­  slones   frequency   amplitude  and  time   and  portrays  the  analysis  in  the  form  of  spectr  e­  grams   These  are  helpful  in  understanding  the  complexities  of  speech   and  what  various  scrambling  methods  do  to  speech  to  make  it  un­ intelligible   1   S•  A  schematic  diagram  of  the  sound  epee­ trograph  is  given  in  figure  2   together  with  a description  of  the  method  of  operation   There is  described  produced  by  the  operations  i l s r  t o   a  p t  e n w i h s o s  t  the i h b  in  illustration   a  pattern  which  shows  by  its  light and  dark  areas  how  the  intensity  in  the  signal varies  as  a  function  of  both  time  and  frequency It  is  the  fact  That  both  time  and  frequency variations  are  simultaneously  displayed  which makes  spectrograts  so  valuable  for  decoding  work History  Scanning  filters  of  various  widths  can be  used  for  different  purposes   If  the  filter is  wide   it  will  give  an  analysis  which  is  lim­ ited  in  the  amount  of  detail  it  can  portray  in the  frequency  dimension   but  it  will  respond quickly  to  changes  in  amplitude  with  time   and will  therefore  give  sharp  tine  resolution   The narrower  the  filter  the  more  frequency  detail  is shown  in  the  spectrograms  at  the  sacrifice   how­ ever   of  some  of  the  time  resolution   With  all the  filters  thus  far  used   the  shift  in  frequency range  from  line  to  line  is  only  a  fraction  of the  width  of  the  filter   Successive  lines  in the  spectrogram   therefore   do  not  represent successive  frequency  bands   They  represent  fre­ quency  ranges  which  overlap  by  a  large  fraction of  their  total  width   The  density  of  the  pat­ terns   therefore   changes  very  gradually  along the  frequency  dimension kind  of  patterns  produced  by  this In  arch  1941  an  early  laboratory  model  of  the  sound  spectrograph  was  demonstrated  to  Dr   V   Bush  as  an  instrument  that  with  fur­  ther  development  might  be  useful  in  studies  of  telephone  privacy   It  was  appreciated  at  that  time  that  the  need  might  arise  for  intercepting  communications  in  scrambled  speech  and  decoding  then   It  was  also  appreciated  that  new  soramb­  ling  systems  might  be  encountered  and  that  means  would  be  needed  for  dia nosing  such  systems   For  such  a  purpose  the  unaided  aar  has  very  limited  capabilities   Such  things  u  oscillo­  grams   which  show  the  wave  form   also  provide  little  in  the  way  of  clues  as  to  the  mechanism  by  which  the  wave  forn  was  ohanged   Project  0­32   the  forerunner  of  0­43   was  therefore  organized  in  the  Fall  of  1941   and  its  immediate  objective  was  to  produce  a  sound  spectrograph  in  such  a  form  that  it  would  be  useful  for  diagnos­  ina  and  decoding  speech  scrambling  systems isbThe  About  a  month  before  the  attack  on  method  of  analysis  is  illustrated  in  figure  3 Pearl  Harbor   patterns  that  could  be  used  for  The  upper  spectrograz  in  the  figure  was  made  with decoding  work  were  being  produced  with  a  bread­  board  model   and  the  first  finished  model  of  the  spectrograph  was  available  by  the  end  of  that  year   Additional  models  of  the  spectrograph  have  since  been  built  for  the  use  of  the  armed  services   incorporating  improvements  in  opera­  tion  and  in  ruggedness   The  most  recent  model  is  shown  in  figure  1   The  spectrograph  has  been  used  in  studies  of  various  privacy  systems  submitted  by  the  Army   Navy  and  IT D R C   for  the  purpose  of  evaluating  the  degree  of  security  a  scanning  filter  about  300  cycles  in  width   The separate  words  can  be  plainly  distinguished The  vowels  are  distinguished  by  dark  bands  with vertical  striations   The  consonants  are  in  gem­ eral  less  intense  and  show  a  different  type  of structure   It  will  be  noted  that  the  dark  bands are  different  in  the  different  vowels   and  they change  not  only  from  one  word  to  the  next  but also  within  each  word   Analyses  of  this  type therefore   graphically  portray  changes  in  the energy  frequency  distribution  of  a  complex  sig­ studies  it  became  evident  that  inprovements  in  the  spectrograph  would  be  useful  in  this  work   Accordingly  a  calibrating  circuit  was  built  into  the  spectrograph  and  control  circuits  were  udced  in  the  form  of  an  applique  unit   emphasized   however   that  the  relative  intensi­ ties  of  the  various  components  of  this  particular consonats  differ the  s  of  Sample  of  speech   notably  the  consonants   differ to  a  far  greater  extent  than  would  be  judged  by whiot they  afforded   In  the  cource  of  t ose  nal  with  both  time  and  frequency   7 It  should  be RECORDER  UNIT 2t4 RECTIFIER  UNI7 UNITS  INTERCONNECTED  AND  READY  FOR  USE Figure  1  ­ D­165529  Bound  Speotrograph p 4 u  0i4N  4 r­4 4  IX  F­4 b  t4  h6  W4 9­4 cct0  ix  0    0  0 9  2  o Q  C  F­4  r­  0w  3  0 11012O  l q 0  0  Z  4a  in  4   01  0 40­ 9­4  0 3  01l4  9 o  4  E­43  AVH 1 1000   U  01 144 UI  I4 43 W4  A 4   '% g  00 to4­  a  4 cc  i   I j48 '­ 4  vw  aa the  relative  blackness  of  their  patterns   In  mess   the  lowest  level  components  will  be  invi­ other  words   a  very  large  amount  of  level  con­  sible   Conversely  if  the  level  preesion  is  incorporated  in  these  patterns  as  will  be  described  in  the  following  section   The  lower  spectrogram  in  the  figure  sholhs  the  same words  analyzed  with  a  filter  only  45  cycles  wide   This  filter  is narrow  enough  to  resolve  the  individual  harmonics  of  which  vowel  sounds  are  uomposed   The  harmonices  con­ sist  of  the  fundamental  voice  pitch  together  with  both  odd  and  even  multiples  of  this  fre­  Quenoy   Sone  of  the  harmonics  are  stronger  than  the  others   because  they  are  reinforced  by  res­  onance  in  the  oral  cavities  as  the  words  are  fumred   It  will  be  noted  that  the  dark  areas  in  these  patterns  correspond  in  frequency  and  in  trend  with  those  in  the  upper  spectrogram   The  fact  that  vowel  sounds  consist  of  discrete  her­  nonics  causes  the  vertical  striations  in  the  patterns  made  with  the  wider  filter   'henever  the  filter  is  wide  enough  to  pass  several  har­  monies  at  once   these  harnonics  beat  with  each  other  and  form  maima  and  minima  in  the  output  of  the  filter   The  frequency  of  the  beats  ocr­  responds  exactly  to  the  frequency  of  the  voice  pitch   It  will  be  noted  in  the  45  cycle  spec­  trogran  that  the  harnonics  rise  and  fall  in  fre­  quency  from  moment  to  moment   This  reflects  the  chaniCng  pitch  of  the  voice  known  as  inflection Inflection  is  normally  used  in  conmected  speech   and  this  fact  is  of  assistance  in  decoding  work because  the  spaoina and  trend  of  the  individual  harmonics  in  spectrograms  provide  important  clues  in  diasenoting  privocy  systems  as  will  be  ceostrte  d  in  suseprevacyhtoeras  willbe  demonstrated  in subsequent  chapters   is so  adjusted that  the  low  leiel  components  appear  in  the  pat­ tern   the  high  level  components  will  severely overload  the  recording  paper   In  order  to  show both  the  high  and  low  level  components  ocourina in  speech   therefore   it  is  necessary  to  com­ press  the  instantaneous  signal  into  a  much  mar­ rower  range In  the  earliest  models  of  the  spec­ trograph  the  marking  amplifier  shown  in  figure 2  was  given  a  compressing  action  by  means  of  a thyrite  varistor  across  the  grid  of  the  output stage   Whenever  the  output  of  the  scanning  fii­ ter  was  low  the  gain  of  the  amplifier  was  ef­ fectively  raised  from  an  average  condition  and whenever  the  output  was  high  the  gain  was  effec­ tively  lowered   This  tended  to  equalize  changes in  level  with  both  frequency  and  time   Vore  re­ cently  the  compressor  has  been  replaced  by  de­ vices  which  can  exercise  certain  types  of discrimination  in  controlling  the  instantaneous gain  of  the  marking  amplifier   These  devices are  known  as  control  circuits   They  provide patterns  with  better  resolution  in  both  time  and frequency  than  can  be  obtained  nith  the  compres­ sor   The  patterns  shown  in  figure  3  were  made with  these  control  circuits  in  operation   The circuits  are  desoribed  in  Preliminary  Report IO   27 4   Possible  Improvements %49  spectrograph  patterns  he  under­ gone  continual  improvement  in  the  course  of  this project   but  they  can  probably  be  still  further improved   The  control  circuits  thus  far  pro­ duced  are  by  no  means  the  final  word   Circuits 3   Level  Gomprbscion  of  this  type  can  be  adapted  to  affect  the  pat­ terns  in  various  ways   and  it  is  conceivable that  different  control  circuits  could  be  devel­ oped  for  decoding  different  types  of  scrambles In  normal  speech  there  is  a  tremendous  change  in  level  from  moment  to  nouent  particu­  larly  in  the  level  of  consonants  as  compared  to voifels   There  is  also  a  considerable  difference  in  the  average  level  at  low  frequencies  as  con­  pared  to  high  frequencies   This  latter  differ­  One  definite  line  of  improvement  con­ corns  the  time  resolution   I any  scrambling methods   as  will  be  seen  subsequently   pro­ present  models  of  the  spectrograph  contain  chap­  ing  networks  for  this  purpose   There  are   how­  ever   changes  from  moment  to  moment  in  the  relative  levels  of  hiCh  and  low  frequencies  in  different  speech  sounds  which  cannot  be  corrected  by  shaping  networks   The  facsimile  paper  on  which  spectrograms  are  made  has  a  range  of  be­  tileen  10  and  15  db   The  range  of  levels  in  speech  greatly  exceeds  this  value   This  means  that  if  the  averag'ý  level  is  adjusted  so  that  the  highest  conponents  appear  at  maximum  black­  speech  in  the  time  dimension   The  process  of analyzing  the  scrambled  signal  in  such  a  way  as to  obtain  high  frequency  resolution  tends  to obscure  the  signal  at  these  sharp  boundaries This  is  a  basic  situation  which  affects  not  only the  spectrograph   but  all  types  of  analyzers In  order  to  obtain  a  high  degree  of  frequency resolution   a  narrow  filter  must  be  used   The narrower  the  filter   however   the  longer  its response  and  decay  time   that  is   the  output  of the  filter  cannot  be  made  to  change  as  rapidly once  can  be  corrected  by  predietortion   and  duos  sharp  discontinuities  of  the  scrambled ii 9 r 1-5 th ihwqf arnjm Iii-t 5 The-e spectrogram illustrate one nethod or mlitnden in such In that they can be interpreted quantitatively They are made up of discrete dots ell equally block The dots ere closely opened in the dark regions and widely opened in the light region There in oefinite quantitative relation between the dot spacing at any point end the level of the align-l at that point The level at any point could therefore be deter-ind by mooring the dot opening with suitable equipment These patterns show the results of exploratory mt undoubtedly further work would improve the representation Figure 4 - Amplitude Reprelentetion by Dot Spacing p ­   ­ A 4  ­   4 5­4 4 1 45  P4  Q4D 10­4 43 1600 14  e4   4   044  k  ASQ  0 400  1  Q Ck C  lui zI in  level  as  the  instantaneous  level  of  the  Big­  n l   This  oauses  strong  components  to  spill  over   across  the  time  boundaries   Ixamples  of  such  spillover  can  be  seen  in  the  upper  speotro­  graze  in  figures  54   55   59  and 60   In general  fore   Le  measured  by  measuring  the  dot  spaoing with  suitable  equipment  and  comparing  it  with  a scale  showing  dot  spacing  vs   level Another  type  of  representation  if shown  in figure  5   Here  the  levels  are  repre­ the  recognition of  various  privaoy  systems   but  it  does  interfere  severely  where  spectrograms  are  to  be  used  for  decoding  work   Several  po­  sible  remedies  for  this  situation  have  been  de­  smntitg  topographical  variations  in contour  aw The  contour  lines  each  represent  regions  in which the  signal  reaches  a  particular  fixed level   The  lines  may be  spaced  so  as  to  repre­ this  spillover  does  not  interfere  greatly  with  vised which  are  recorded  in  Chapter  TI   5   Aazlitude  Representation  In  the  patterns  thus  far  discussed  the  instantaaneous  intensity  of  the  signal  in repre­  sented  by  the  ligteness  or  darkness  of  the  trace in  the  spectrograns   This  representation  is in­  herently non­linear  and  practically  inpossible  to  make  quantitative   Yor  some  types  of  work  it  would  be  highly  desirable  if  the  amplitules  could  be  represented  in  such  a  way  that  they  could  be  interpreted  quantitatively   Figure  4  shows  a  spectrogram  which  upon  close  inspectini  will  be  seen  to  be  madeup  of  discrete  dots   The  dots  are  close  together in  the  dark  portions  of  the  speotrogram  and  far­  ther  apart  in  the  light  portions   The  dots  themselves  are  all  of  equal  blackness   The  spac­  in  of  the  dots  is in  fact  quantitatively  related  to  the  instantaneous  level  of  the  signal   The  level  at  any  point  in  the  speotrogras  can   there­  sented  by  the  type  of  technique  used  in  repre­ sent  steps  of  any  desired  number  of  db   or  any number  of  volts   In  the  lower  spectrogram  the spaces  between  the  contour  lines  have  been  filled in  with  various  densities  of  dot  spacing   This permits  instant  recognition  of  equality  of  level in  different  portions  of  the  signals quantitative  mplitude  representation may  or  may  not  prove  useful  in  decoding  work lor  certain  kinds  of  signal  it  should  prove  use­ ful   because  it  provides  another  disansion  be­ sides  time  and  frequency  which  can  be  used  for determining  continuity  or  discontinuity  in  the signal   In  other  cases   however   it  may prove useless   because  changes  in  level  have  arbitra­ rily  been  introduced  into  the  scranmble The  developments  mentioned  above  es­  phauize  the  fact  that  the  sound  spectrograph  is a  highly  flexible  device  and  its  capabilities along  any  line  can  be  ereat  7 y inoreased  by  add­ ing features  designed  for  tae  specific  pur'pose in  Rind 1I CHAPTER  III SPEECH  SCRAMBLING  UETHODS In this  chapter  we  shall  examine  a  wide  variety  of  speech  scrambling  methods  in  or­  der  to  become  familiar  with  the  devices  which  might  be  used  alone  or  in  combination  to  make  up  speech  privacy  systems   Some  of  these  sys­  tems  are  in  commercial  or  military  use   others  exist  only  on  paper   mostly  in  the  form  of  pa­  tents  or  patent  applications   It  is  not  in­  tended  to  include  all  the  variations  of  all  the  different  methods  but  rather  to  cover  basic  scrambling  methods   with  their  most  important  variations   in  which  the  original  speech  is  transmitted  with  its  partb  modified   displaced  or  interchanged   The  two  main  dimensions  of  speech which  are  operated  upon  to  make  it  unintelli­ gible  are  the  frequency  dimension  and  the  tine dimension   Scrambling­systems  usually  depend on  rearranging  the  components  of  speech  in either  or  both  of  these  dimensions   In  general it  may  be  said  that  those  that  operate  on  the frequency  dimension  alone  are  capable  of  the best  quality  in  the  raproduced  speech   A  com­ plate  list  of  the  systems  covered  in  the  dis­ cussion  is  given  in  Table  I  together  with  other data  concerning  them   Most  of  them  are  illus­ trated  by  means  of  spectrograms  which  will  be discussed  in  Chapter  IV INI  OUT CARRIqER  A  Figure  6  RO CB  CARRI ­ 1   Systems  Involving  Single  Uodulation  Modulators pass  filter   It  is  then  modulated  with  a  fre­ quency  of  3 000  cycles   This  produces  an  upper and  a  lower  sideband  of  which  only  the  latter is  passed  by  the  output  filter   The  system  is called  inversion   because  the  high  frequencies in  the  original  speech  appear  as  low  frequen­ cies  in  the  output  and  the  low  frequencies  in original  speech  appear  as  high  frequencies At  the  receiving  end  the  inverted  signal   in A  basic  device  in  privacy  systems  is  the  modulator   One  form  of  modulator   shown  in  figure  6A   consists  of  four  copperoxide  varistor  units  between  two  balanced  coils   The  carrier  frequency  is  fed  into  the  midpoints  of  as  some  cases  the  coils ofn the  te coils  omilsed  as shown   shown   In  in somue  cas tthe  can  be  omitted  as  shown  in  figure  LB   Figure  7  shows  the  method  of  produc­  passing  through  an  identical  system  in  the same  direction   is  reinverted  back  to  normal ing  simple  inversion   In  this  and  in  succeeding illustrations  the  numerical  values  are  not  neces­ sarily  the  best  values  for  practical  peration   but  they  serve  to  illustrate  the  manner  in  which  the  device  operates   speech A  very  commonly  proposed  variation of  this  system  involves  using  a  variable  fre­ quency  instead  of  the  steady  3 000  cycle  carrier We  might  vary  the  frequency  continuously  or  in discrete  steps   It  should  be  noted   however that  the  cut­off  of  the  low­pass  output  filter In  the  system  shown  in  figure  7  the  speech  band  is  limited  to  3 000  cycles  by  a  low­  15 LO  P  P   O  P I 3000   1igure  7  ­ Single  Modulation  ts  fixed  which  limits  the  variation  permissible  in  the  carrier  frequency   A  wide  variation would  either  permit  too  much  of  the  upper  side­  band  to  get  through  or  would  cut  off  some  of  the  lower  sideband   Two  proposals  of  this  type  are  discussed  in  Preliminary  Reptrts  No   8  and  20   If  the  modulator  in  figure  7  is  of  the  type  shown  in  figure  SA   speech  can  be  scrambled  by  introducing  instead  of  the  3 000  cycle  car­  rier  a  square  wave  whose  changes  fron  positive  to  negative  value  are  irregular  in  tins   Each  one  of  the  reversals  in  the  carrier  wave  causes  a  reversal  of  phase  in  the  speech  wave   The  pat­  tern  of  these  irreCular  reversals  moy  be  arrara  so  that  the  speech  becomes  unintelligible   it  the  reoeiving  end  a  coding  wave  must  be  intro­  duced  which  is  exactly­  in  step  with  the  one  at  the  receiving  end   with  proper  allowance  for  any  delay  there  may  be  in  the  transmitting  channel   A  two  ochnnel  system  usinw  one  modula­  tor  for  each  channel   is  shown  in  figure  8   In  this  system  the  carrier  fed  into  both  modulators  is  the  same  in  frequency  but  6iffers  90  degrees  0  dgres  ii  reqenc  he  amein  bt  tiffrs  can  be in  phase   Two  separate  speech  ohannls  transmitted  by  this  method  without  substantial  mutual  interference   but  both  sidebands  as  well  as  the  carrier  must  be  transmitted   At  the receiving  end  the  carrier  must  be  split  into  two components  with  the  proper  phases   Each  compo­ nent  will  demodulate  its  own  portion  of  the  sig­ nal  and  thereby  separate  the  two  speech  channels   Naturally  one  of  the  channels  may  consist  of noise  or  spurious  speech  from  a  reoording  or the  like   which  tends  to  mask  the  real  message if  the  signal  is  demodulated  with  an  ordinary set   Tias  soheme  was  origia lly  proposed  as a  multiplex  system   but  an  obvious  variation is  to  divide  a  single  speech  band  into  two halves  with  filters  and  then  transmit  the  two halves  on  carriers  differing  by  9U  degrees  in  phase Figure  8  ­ Split  Phase  Multiplex 2  Systems  Invo vinag  Double  kodulation Figure  9  shows  a  much  more  flexible system   Here  the  vignal  is  modulated  twice with  a  band­pus  filter  between  the  two  medula­ tore   With  this  arrangement  the  carrier  fre­ quency  fed  into  the  second  modulator  can  be varied  in  several  ways   In  the  illustration two  carrier  frequencies  are  shown  for  the  second modulator   If  the  8  kovalue  is  used  the  output consists  of  the  speech  band  right  side  up  but displaced  from  its  normal  position  by  2 000  oy­ oleo   If  the  16  ko  value  is  used  the  output conjists  of  the  3 000  cycle  speech  band  inverted and  displaced  by  3 000  cycles   We  might  use these  two  values  alternately  at  short  intervals or  we  might  have  the  carrier  vary  continuously back  and  forth   say  betwesu  13  and  16  ko Another  variation  is  to  use  a  multiplicity  of values   say  500  cycles  or  1 000  cycles  apart not between  10  and  13  ko  for  this  illustration and  switch  between  these  values  in  a  regular or  irregular  sequence   A  disadvantage  of these  systems   of  course   is  that  the  truameis­ ion  channel  need '  to  be  wider  than  that usually  afforded  by  radio  sets  or  telephone lines   In  all  of  these  systems   the  speech  is sp  MOD  Figur  9  ­Double  161 MOD  Modulation LP restored  by  passing  through  identical  equipment  in  the  opposite  direction   Figure  10  shows  a  system  of  modulators and  filters  for  accomplishing  this  kind  of  band shift   The  first  modulator is  followed by  a  high­ Triple  Modulation  ­ Reentrant  Band  Shift  which  selects  the  upper  sideband pass  filter  from  3 000  cycles  to  6 000  cycles   This  is  com­ 3   bined  with  some  of  the  original  signal  which ranges  from  0  to  3 000  cycles   The  second  modula­ tor is  fed  with  a  carrier  frequency of  say7 kc  which inverts the  whole  band   This  is  followed  by  a  band­ pass  filter  passing  the  range  from 3to  6ko   A  see­ end  modulator  with  its carrier  frequency  placed  at the  lower  edge  of  the  3 to  6  ko  input  band  moves inverted   down  to  the  usual the  whole  band   still  range  of  0  to  3 000  cycles   The  upper  sideband of  this  modulation  step  is  removed  by  the  output A  variation  of  this  arrange­ low­pass  filter   ment  isto  allow  the  7  kc  carrier  to  vary  in  dis­ crete  steps  according  to  some  regular  or  irregu­ lar  program  or  vary  it  continuously  between  the limits  of  6  to  9  ke   This  provides  a  variable band  shifting  arrangement  without  using  more  than the  normal  3 000  cycle  transmission  channel Going  back  to  figure  7  suppose  the  carrier  frequency  were  made  4 000  cycles in­  stead  of  3 000   but  retaining  the  3 000  cycle  input  and  output  filters   The  output  would  then  be  an  inverted  sideband  ranging  from  1 000  cycles  to  3 000  cycles   that  portion  of  the  sideband  above  3 000  cycles  would  be  cut  off  by  Since   however   there  is  a  the  output  filter   1 000  cycle  gap  at  the  lower  edge  of  the  trans­  mitted  band   the  portion  which  would  be  cut  off  might  be  modulated  down  and  sent  by  the  filter  along  with  the  rest  of  the  sign4  in  this  lower  part  of  the  spectrum   In  other  words  the  par­  tion  of  the  sideband  which  would  otherwise  dis­  appear  above  the  upper  edge  of  the  transmitted  band  might  be  made  to  reappear  at  the  bottom   3  KC  PAD  BP  3­6KC  MOD  MO  MO  LP KC 3  uD  7  KC 3OKC Figure  10  ­ Reentrant  Inversion 4   ing  the  modulators  are  all  alike   passing  the Band­splitting  Systems  band  from  3 100  to  3 650  cycles   A  It  will  be seen  that  the  uppermost  modulator  in  figure  11 privacy  system  in  wide  commercial  with  its  carrier  of  6 100  cycles  will  invert  the use   known  as  the  split  band  system   involves  speech  band  and  displace  it  by  such  an  amount that  the  frequency  band  which  originally  occupied the  space  from  2 450  to  3 000  cycles  will  pass In  other  words  this  modula­ through  the  filter   tor  in  combination  with  its  band  filter  selects the  uppermost  of  the  five  subbands  from  the  in­ put  signal   Similarly  the  lowest  modulator  in selects  the combination  with  its  band  filter  lowest  subband  from  the  input  signal   The  out­ puts  of  the  band  filters  all  occupy  the  same frequency  range   but  they  all  came  originally splitting  up  the  whole  speech  band  into  a  number  of  subbands  wnd  shifting  those  around  out  of  their  normal  positions  in  the  frequency  spectrum   Figure  11  shows  one  manner  in  which  this  can  be  acconplished   The  numerical  values  are  chosen  so  that  the  band  from  250  to  3 000  cycles  is  divided  into  five  subbands  each  550  cycles  wide   Th   uweech  band  is fed  to  five  modula­  tors  in  purullel   The  five  band  filters  follow­  17 INPUT  OUTPUT 3WITCM  10e  L  410  ORTR  O31 AlI­10  pi  Eayt 11­OeFrmo  Figure 46  fequncy iaiarl  the  fromdiferet  angs   outpu  modlatos  tht  eah'o ar  no  dsignd  ylsed  accepts_0  thPadfoC 0 t  6  shifts111  atclrbn itto  oaio  nte  oupt  h  fv  easginCnoohwe sn  ec0scn  mateeoe  labeled   MSSW'E  5   im  i iiom  MODi e iiinalipe  T0U i i  nwihms  parte  iflocuyn  fIqec  rnge  aresnWvrasnl  nylnho  ahsga  en  rnmte  sse  th ie h necedin  nydesre  tme  Thn  igh  b  ilusraed  y  homooth mnma  wth  hefiv  output  leads  Thseutn  uptwl  lwy  inl  onceo  OA  the  semet  ofP coert  opet  g  fro  to3000­mttr   Arpdyrttn  buhpcsu  h a  ra0  inlsoeatrt ohe   racpal alsadteewllb  ooelpig  ubns  1760  Anadto  lsto  f frqece  is  as  The S IT0 maybeFhagued  as  ­Often  Fince oe  quliyhweer  hebrshmstmaeatles roa o peneon  Oan  astehgetf­ arei  intrete  herin  r Tma  Divstesrahrohn  ytmw k  ulitipez  ode  tal  bang  s  isi  the  o coo1   willu  codulaine  oaseve  to  thegne  fc  thae  tpeeh  his can a  ivsionl  s  chanel   transm  Ttim  havcept  been  chaned  asrofte  as100  to36  cycer  aro desi  ered Ont  fnreqprien  re tds  occupying  thesae  a allal  nueerofaub  nwhc  lchtsho ing  that  itt  tof  th  prcioeid  spee  a  qualtsity  vethese stogt  e  lie ­ cyclefrequency  range   anrconnecti  idso  tas box  beands  asin  istpossible tosift  a  aoert  ditri  e coapid erte  rithout  n prductinls   oy­  eutents oAourapidlyhrotatincobruthtor kseferrie frome  250  to  3p  00ec  t  frigureie  indcaedinth  dawngfo  te  ecndse  o  e  highst  cane to  mn  roa  12  whic io  s prsicoilar  to 11  qeny  n  hetrneitedsinas  hi18az 4600'  BP  5  3600ý   0P  FILteRs  ALL  ALIKE  ­­ 300  Figure  12  ­ TO'38OO' One  Form  of  Tine  Division  Multiplex accomplished  by  feeding  all  the  output  modula­  loop  over  pulleys  or  attached  firmly  to  the tors  with  the  same  carrier   and  connecting  each  modulator  to  a  commutator  segment   In  this  illustration   there  are  four  600  cycle  subbands   covering  the  range  from  400  to  2 800  cycles   It has  been  shown  mathematically  that  the  output  of  this  system  consists  of  sidebands  around  a  perimeter  of  a  disk   The  reoordimg  is  done  by means  of  small  electromagnetic  pole­pieces   The signal  is  picked  up  by  similar  pole­pieces which  may  be  placed  at  a  distance  from  the  re­ cording  pole­piece  depending  on  the  amount  of delay  desired   The  outstanding  advantage  of  the frequency  corresponding  to  the  rotation  of  the  brush  and  also  sidebands  around  frequencies  corresponding  to  odd  harmonics  of  the  rotation  frequency   Each  side­band   however   contains  components  from  each  of  the  subbands   It  has  also  been  shown  that  the  total  channel  width  re­ magnetic  tape  system  for  this  type  of  applica­ tion  is  that  the  signal  nay  be  erased  and  the recording  medium  be  used  over  end  over  again The  quality  of  this  type  of  transmission  can  be quired  for  good  transmission  need  be  no  greater  2igure  13  shows  a  rather  simple  pri­ vacy  system  using  magnetic  tape   The  input  sig­ nal  is  passed  through  a  3­way  pad   whereby  it  is impressed  on  a  band  filter  and  also  recorded  on the  magnetic  tape   It  is  picked  up  by  equally spaced  pole­pieces  each  associated  with  a  dif­ fersnt  band  filter   With  the  arrangement  shown in  figure  13  the  band  from  0  to  1 000  cycles  is transmitted  without  delay   The  band  from  i 000 to  2 000  cycles  is  transmitted  with  say   100 nilliseconds  delay  and  the  band  from  2 000  to 3 000  is  delayed  200  milliseconds   At  the  re­ then  that  of  the  original  signal   To  increase  the  privacy  of  this  sys­  ten  one  of  the  subbands  nay be  replaced  by  a  band  of  noise   This  can  be  filtered  out  at  the  receiving  end   Obviously  this  systen  requires  a  high  degree  of  synchronism  between  the  two  ends   6   Systems  Using  Tape  Recording  Leaving  the  frequency  substitution  systems  for  the  tine  being   we  tFill  introduce  a  rignalsigal   device  which  permits  thantha  operating ofthe  on  the  time  scale   The  3iost  versatile  uur­  device  for  this  pose  is  the  tape  recording  and  repro­  qucing  system   This  takes  the  form  of  a  tape  of  lils  magnetic  alloy  a  few  thick  cither  run  sa a  made  very  good  with  proper  design ceivin  end  the  scrambled  signal  is  passed acysysem  an  identical  singnageti  system  tae   through  in  the  Te  sane iputsig way  ex­ cept  that  the'two  extreme  band  filters  are  im­ magnetic  tfrchonged   In  this  way  the  band  which  received no  delay  in  transmission  is  given  maximum  delay in  the  receiving  machine   and  the  band  which  re­ qrrer pole­pieoes   However   the  number  of  segments need  not  be  the  some  as  the  number  of  pole­ pieces   A switch  is provided whereby  any  seg­ ment  may  be  connected to  any pole­piece With  this  system  the  speech  is  EAASF  PAD  cut  up into  time  elements corresponding  in length  to the  spacing  of  the  pole­pieces   These  time  ele­ ments  are transmitted  in  a  scrambled  order   For instance   6  successive  time  elements  which  we might  label  1 2   3   4   5   6  might  be  transmit­ ceived  maximum  delay  in  transmission  is  given  zero  delay  in  the  receiver   In  this  way  all  the  bands  are  delayed  the  same  amount  and  the  speech  is  restored  to  normal   ted  in  the  order   2   4   1  3   6   5   The  possi­ of  TDS  coding  are  far  too  complex  to bilities  cover  here   Analytical  discussions  are  given in  Preliminary  Reports  Nos   3  and  6   The general  requirements  for  all  TDS  systems   may  be stated  as  follows   1   Each  element  of  the once  and original  speech  must  be  transitted  only  once 2   The  sum  of  the  delay  in  the  trans­ mitting  machine  plus  the  delay  in  the  receiving machine  must  be  equal  for  all  elements   With This  system  alone  does  not  provide  any  high  degree  of  privacy  but  it  can  be  con­  these  two  requirements  fulfilled  it  is  obvious that  the  speech  comes  out  of  the  receiving machine  in  its  normal  order   It  is  delayed Figure  13  ­ Variable  Subband  Delay  bined  with  other  systems  as  we  will  see  subse­  however   by  an  amount  equal  to  the  sut of  the quently   transmitting  and  receiving  delay An  important  class  of  scrambles  in­  volving  magnetic  tape  is  known as  tine  division  scrambling  TDS   A simplified  diagram  of  this  system  is  shown  in  figure  14   There  is  a  re­  cording  pole­piece  and  a  number  of  pickup  pole­  pieces   There  is  also  a  comutator  driven  in  synchronism  with  the  tape   The  length  in  time   of  each  segment  of  the  commutator  is   in  general   equal  to  the  delay  between  successive  pickup  At  the  receiving  end  there  are  several ways  of  handling  the  scrambled  signal   1  The pickup  pole­pieces  can  be  used  as  recording pole­pieces  and  the  signal  picked  up  by  an  addi­ tiona  pole­piece  shown  at  the  right  in  figure 14   With  this  arrangement  the  connections  be­ tween  the  commutator  and the  polepieces  are  the same  in  the  transmitting  and  receiving  machines   The  sigal  can  be  recorded  with  the  sae pole­piece  used  in  the  transmitting  machine  and the  connections  between  the  pole­pieces  and  the aegments  rearranged  for  receiving  by  a  push­to­ talk  relay   3   The  codes  can  be  restricted  to a particular  class  called  self­converse  codes These  have  the  property  of  being  self­decoding ERASE  that  is   the  same code  which  scrambles  the speech  in  the  transmitter  restores  it  in  the  re­ ceiver An  important  variation  of  this  system is  called  Interlace   In  this  system  the  num­ ber  of  segments  on  the  commutator  is  doubled The  odd  segments  are  connected  to  the  pole­ pieces  according  to  one  code  and  the  even  seg­ m­ents  are  connected  according  to  a  completely independent  code   The  reason  for  this  device is  to  increase  the  difficulty  encountered  by  the the  enemy  in  trying  one  code  after  the  other  to Figure  14  One Form of Time  Division  Scramble  find  the  right  one   particularly  if  the  total number  of  codes available  is  pmall   With  the interlace  system  the  total  number  of  combinations  possible  is  equal  to  the  square  of  the  number  of  codes   The  rotating  commutator  shown  in  figure  14  results  in  a  repeated  code   that  is each  rotation  produces  the  same  scramble   It  is possible  to  substitute  for  the  commutator  and switch  arrangement  shown  in  figure  14   a  more complex  arrangement  whereby  the  speech  is scrambled  in  a  never­repeating  manner   There are  several  ways  of  accomplishing  this   Perhaps the  simplest  way  to  represent  it  is  as apunched tape  which  permits  the  pole­pieces  to  be  con­ nected  to  the  output   one  at  a  time   in  any desired  order  permissible  under  the  restrictions outlined  above the  motion  of  the  tape  and  is  in  the  same  direc­ tion   Therefore   the  relative  motion  of  the tape  and  the  pole­pieces  is  the  reverse  of  that used  in  recording   This  is  the  same  as  running the  tape  backwards  for  reproduction IN  IN  •SAME  DIRECTION  AS  TAPE BUT  TWICE  AS  FAST i  FLEXIBLE  LEAD TAPE WHEEL  OUT  0N  Figure  16  ___ 7   ­ Time  Inversion Combinations  of  Time  and  Frequency  Scrambling Obviously  the  two  kinds  of  systems Figure  15  ­ Speed  Wobble  Another  way  of  utilizing  magnetic  tape  to  scramble  speech  is  shown  in  figure  15   Here  the  pickup  pole­piece  is  oscillated  back  and  forth  along  the  tape  mechanically   With  this  arrangement   or  other  variations  equiva­  lent  to  speech  changes   the  speech  time  scale  is  alternately  compressed  and  expanded   The  frequency  scale  is  correspondingly  expanded  and  cp te  r  thvelyran euea  a io difficulty  compressed   respectively   4ith  the  orrangenent  shown  in  figure 16   speech  is  broken  up  into  time  segments  each  of  which  is  transmitted  backwards   The  uotion  of  the  pickup  pole­pieces  ib twice  ua  great  au  described  in  the  previous  sections  can  be  used together   For  instance   some  of  the  time  ele­ ments  of  a TDS  system  might  be  inverted  accord­ ing  to  a  regular  or  irregular  program   The  next more  complex  step  is  to  combine  the  band'split­ ting  system­ of  figure  11  with  the  TDS  system The  codes  of  the  band  splitting  system  might  be fixed  or  might  be  switched  in  synchronism  with the  IDS elements   the  time  scale  of  the  scrambled speech  not  being  further  broken  up   If  they are  switched  nonsynchronously   however   the  time dimensions  will  be  further  broken  up  as  will  be seen  subsequently   Combinations  of  nonrepeated code  TDS  and  rapidly  switched  split  band  coding can  be  made  to  afford  a  very  high  degree  of  pri­ vacy   The  two  kinds  of  coding   of  course   must not  be  so  interrelated  that  one  furnishes  clues  for the  other   If   for  instance   a  certain  pole­ piece  were  systematically  associated  with  a certain  spiit  band  code  the  total  privacy  of  the combination  might  be  impaired  rather  than  en­ hlanced   A  coding  method  for  avoiding  this ifiut No   ­'I is  described  in  Preliminary  Report A  very  special  kind  of  scranble  is ul oduced  by  a  system  which  consists  functionally of  figure  ii  rapidly  switched   in  tandem  with 91  4 figare  13  with  5  bead#%  followed  by  an  addi­ tiou   figure  n1   Thia  is  not  the  simplest form Of  tbO  system   but  it  serves  to  illuastrate  MWLTIPLIgR  MULTIPt I R the  DrinetiPe   Two  frequency  Lcrambles  with  a  time  ahift  in  between  produce  a  partilcular  kind of  two­dimensional  soramble  in  which  the  speech  is  brcsen  up  into  both  time  and  frequency  ale­  merts   Eaoh  of  these  closestm  may  be  shifted both  in  tim  and  in  frequerny  so  as  to  be  out of  proximity  with  other  elements  with  which  they  wrer  ori inally  associated  either  in  tim  or  in frequency   Another  way  of  accomplishin%  this kind  ot  scramble  would  be  a mombination  of  ceiving  end  a  reciprooal  of  the  coding  wave  is system  in  each  subband   A  two­dimensional  sys­  tea  has  been  described  in  the  Brown  Boveri  Lrti­  ale  reprodured  in  Freliniaa7  Report  Nlo   5 and  anaelyzed  in  Preliminary  Report  No   9   It  is  capable  of  a  very  Mg n  degree  of  privaoy   storing  the  original  speech   Naturallr   the coding  waves  at  the  two  ends  of  the  system  must be  in  close  agreement   otherwise  there  will  be considerable  background  noise  in  the  decoded speech rapidly  switched  splýi  band  with  a  separate  TDS  For  the  saxe  of  corpleteness  two  other '  freiuency  shiftinG will  be  mentioned   although  as  far  as  is known they  exist  only  on  paper   Suppose  a  saple  of speech  were  recorded  on  tape  and  then  reproduced at  twice  its  normal  speed   It  would  occupy  only half  the  time  it  took  to  speak  the  words   but its  frequency  ranwe  would  be  twice  the  normal raueg   Let  the  upper  half  of  the  expanded  fre­ queney  rane  be  separated  by  a  filter  and  wodu­ lated  down  to  the  normal  range  and  used  to  fill up  the  unusse  time   The  directly  opposite  but a alo ou   system  would  involve  reproducing  re­ corded  speech  at  half  its  normal  speed   the  fre­  quency  range  wcold  then  be  only half  the  ormnal range   Alternate  seotions   therefore   could  be modulated  up  to  fill  the  unused  frequency  space   thereby  keepin  the  total  tranisittin6  tin  sub­  stantially  unchanged   In  both  of  these  systems   there  would  be  a  delay  equal  to  the  length  of  one  time  element   sPIKC'4s  S  ­ ­­  XC  U C W Yigure  17  derived  and  ­ Wave  N ltltplioasion used  as  a  multiplier   thereby  re­ syste  ms  involving  ti  ­  a   lgrse  18  ­ Level  Modulation AMother  method  for  changing  the  wave form  is  aho n  in  figure  18   The  essential  fea­ ture  of  this  system  is  an  amplifier  whose  gali can  be  varied  rapidly  with  time   Drastic  ohanms in  the  level  of  speech   if  they  occur  rapidly enough   will  make  the  speech  unintelligible The  level  ohanges  night  be  made  according  to sow  progras  or  they  tight  be  made  to  follow  the speech  wave  itself   For  instance   extreme  com­ 8   Wave  form  Lodirf•otion  Thichfrequsncy  fans  werae  cshided  a  in  which  frequ ency  banse  were  shifted  around  or time  elements  were  rearranged   There  are  a  few  privacy  systems  whioh  make  speech  unintelligible  privcy  wich ystes  akespeeh  uinteligble  of  the  wave  form   One modification  direct  a  by  of  these  is  shown  diagramwatically  in  figure  17   It  depends  upon  a  process  whereby  two  waves  are  multiplied  together   that  is   the  instantaneous  amplitude  of  the  resulting  wave  is  the  product  of  the  amplitudes  of  the  two  input  waves   One  of  the  input  waves  to  the  multiplier  is  speech   The  other  is  a  complex  oodinr  wave   If  the coding  wave  is sufficiently  complex  the  result­  ing  scramble  is  unintelligible   At  the  re­  pression  or  expansion  could  be  used   Corre­ sponding  gain  changes   of  course   must  be  lade at  the  receiving  end A  variation  of  this  system  is  shown in  figure  19   Here  the  speech  band  is  first divided  into  sub­bands   and  these  are  individu­ ally  oubjocted  to  level  changes  according  to separate  program 9 One  of  the  first  schemes  which  is likely  to  occur  to  a  person  considering  how  to 22 nak   speech  private  is  to  add  noise  or  other disturbing  signal  to  the  speech  and  remove  it  at the  other  end   in other  words   to  mask  the speeh   He  wi U  find   however   that  it  is  nec­ essary  to  use  very  high  levels  of  maskin  sig­ nal  in  order  to  hide  the  intelligibility   This  of  course   nmaes  it  difficult  to  subtract  out satisfaotorilyi  the  difficulties  are  such  that 0 masking  systems  are more  likely7  to  be  found  on wire  lines  than  on  radio   A  few  speculative masking  systems  are  outlined  below One  form  of  masking  system  is shown in  figure  20   In  this  system   two  telephone lines  are  used   At  the  sending  end noise  is added  to  the  speech  in  a  mixing  pad  and  the  com­ bination  is  sent  over  line  1   The  noise  lone is  seat  over  a  second  line  end  it  is  used  at the  receiving  end  to  cancel  the  noise  trans mitted with  the  speech  by  simple  subtraction   This system  has  the  advantage  that  the  noise  oan  be  completely  random   However   sinc  thb  enemy  might  take  tape  from  both  lines  and  thereby  be able  to  make  the  sene  subtraction   a  variation  of  this  system  consists  in  distorting  the  noise GENERtATOR  I CONTROLCKYS Figure  19  ­ Subband  Level  kodulation DISTORTION  DISTORTION Figure  20  ­ Noise  Masking  Using  Two  Ohannels in  sone  predetermined  manner  before  sending  it over  the  second  line   At  the  rooeivino  end this  distortion  is  first  nullified  so  that  the noise nay  be  subtracted   ' aturally   the  form of  distortion  uust  be  unknown  to  the  enemy   It  can   of  course   be  varied  from  moment  to  moment SPEECH    Another  masking  system  is  shown  in figure  21   which  uses  only  one  line   In  this system   noise  is  added  to  the  line  at  the  re­ ceivinz  end  instead  of  at  the  sending  end Again   the  noise  can  be  perfectly  random   Since the  noise  is  Generated  at  the  receivinZ  end   the process  of  cancellation  can   theoretically   be made  very  exact   This  system   however   cannot  be  used  for  radio  at  all  because  the  level  of  the MIXINGd M  c Figure  21  ­ Masking  Noise  Applied  at  Receiving 23I noise  decreases  with  distance  from  the  receiving  stations  while  the  level  of  the  signal  increases   The  interceptor   therefore   will  get  good  speech  signals if  he  is  close  to  the  transmitter   With  sa e  level  as  the  level  of  the  04eeeh  in  the corresponding  band  at  the  transmitting  end This  is  accomplished  by  separating  the  signals in  the  various  ohannels   detecting  them  and  us­ small   variable  gain  amplifiers  in  their  respective ohannels ing  the  resulting  fluotuating  d­o  to  control  the telephone  lines  this  differential  can  be  kept  to Another  simple  masking  system  its  sig­  the  on  superposed  tones  of  have  a  sequence  receiving  the  At  end   transmittin4g  the  nal  at  end   sharply  tuned  band  elimination  networks  can  be  synchronously  switched  so  as  to  remove  the  tones  from  the  listener's  ear   Similarly   short  spurts  of  noise  oovering  the  whole  frequency  band  can  be  applied  at  the  transmitting  end  and  shorted  out  at  the  receiving  end   The  spurts  Ott be  made  to  occur  at  irregular  intervals  ac­  Te  noise  is  of  two  types   dependin on  whether  a  voiced  or  unvoiced  sound  is  to  be simulated   For  an  unvoiced  sound   it  is  a  hiss like  thermal  noise   For  a  voioed  sound  it  is  a bun  which  consists  of  a  series  of  harmonics covering  the  whole  frequency  range   A  separate carrier  is  used  to  transmit  information  for operating  this  part  of  the  system   At  the  traus­ mItting  end  the  pitch  used  by  the  talker  is  mea­ oc ding  to  a  never­repeating  program   Both  of  thtse  systems  involve  the  loss  of  small  portions  of  the  speech   either  in  the  time  scale  or  the  frequency  scale   sured  and  this  information  is  used  to  control the  pitch  of  the  buss  sound   The  absence  of  a pitch  signal  switches  the  hiss  sound  into  the system A  system  described  in  Preliminary  Re­  port  No   4  might  be  classified  as  a  masking  eye­  ter   although  it  might  be  better  classified  a  means  of  communicating  without  the  enemy's  as  knowledge   This  system  by  itself   of  course   in not  private   since  the  enemy  can  build  a  similar system  and  use  the  signals  to  regenerate  speech must  be  achieved  by  operating  on  the Privacy  channel  signals   One  method  is  to  permute  the  10   channels  at  short  intervals  accordiag  to  a prearranged  program   Another  method  is  to  put a  TIS  system  into  the  line   or  into  each  channel separately   A still  more  effective  method  of this  type  is  to  apply  a  two­dimensional  scramble such  as  was  described  in  an  earlier  section   to the  channels  so  that  signal  elements  are  dis­ placed  in  both  time  and  frequency Vocoder  Systems  The  vocoder  system  which  has  been  de­  1   scribed  in  the  Bell  System  Technical  lournal 2  and  the  Acoustical  Society  ournal nay  be  made  the  basis  for  privacy  systems  of  various  kinds   The  system  is  shown  schematically  in  figure  22   At  the  transmittiw   end  the  speech  is  passed through  a  series  of  band  filters   the  outputs  of  which  are  individually  rectified  to  form  a  fluc­ tuating  d­o  signal   These  signals  are  individu­  ally  modulated  in  such  a  way  that  they  Oan  all  be  sent  over  a  single  trnsmisesion  path   At  the  receiving  end  synthetic  speech  is  manufactured  in  accordance  with  the  signals  transmitted  over  the  line   A  source  of  noise which  covers  the  whole  frequency  range  is  passe  through  a  set  of  band  filters  similar  to  those  at  the  transmitting  end   The  output  of  each  of  these  filters  is  controlled  so  that  it  is  the  11   Ohannel  Ilizing  Systems Thus  far   the  methods  we  have  examined apply  to  a  single  transmission  path   There  is another  class  of  privacy  system  which  depends on  using  a  multiplicity  of  paths   This  is of  course   inefficient  if  only  a  single  message is  to  be  transmitted   However   the  method d  wh  a  number  ofh two  oase s  exapplbed  an  pointsandmatnumber  of wo  nages  meseses  would  normally  be  transmitted  over  these channels  simultaneously 1­  Bell  System  Technical  3ournal  Volume  XIX   Page  495  October 1940 2­  Journal  Acoustical  Society  of  Anerica  Volume  11   Paee  169  October  1939 24 L  NE '4IHTANWTS­FSNPKI Figure  22  ­Voooder  System Figure  23  shows  one  frem  of  channel mix ng  system   Here  three  channels  are  shown  connected  to  the  three  seszente of  a oommuta­ tor   Three  brushes  on  this  commutator  are  om­ neeted to  the  outgoing  oehnnels  whioh  ore  thereby caused  to  pick  up  one  channel  after  the  other  on  a time  division basis   Each  channel contains  parts  of  messaGes from  al l  three  ohannels   Thea commutator   of  course   is too  simple  to  be very effective  aind  would   in practice   be  replaced  by a  permnuting  siiitoh  capable  of switchiag  accord­  ing  to  e  nore  complex  progr   One  or  more  of  the  channels  nay  be  fill2ed  up  with  noise  or spurious  speech  from a  recording  or  other  simi­ lar  source   2  CHANNEL  I  CHNE CANl  ­__________ 3  tj CHANNEL  3  r'iGre  23  ­channel  1LixiZ8 An  analogous  system  which  divides  the messages  on  a  frequency  basis  is  shown  in  figure 24   Here  each  ohannel  is  passed  through  three band  filters  which  divide  the  speech  into  sub­  bands   Each  of  the  outgoing  channels  contains@ subbands  from  each  of  the  inoomi•g  channels To  increase  the  privao7   a  perzuting  switch  is CHANNELI shown  which  rearranges  the  subbands  on  a  time division  basis   If  only  one  message  is  to  be tranemitted  the  other  channels  can  be  filled  in with  noise  or  spurious  speech   12   CHANNgLS S   nary SWTCH The  above  examples  cover  fairly  comn­ pletely  the  range  of  schemes  that  might  be  uied to  scramble  speech  at  audio  frequencies   In subsequent  chapters  we  will  examine  each  system from  the  decodina  standpoint   To  facilitate  reference  to  the  various  systems   they  are  sum­ marized  in  the  attached  Table  1   This  table also  refers  to  the  places  where  methods  of  do­ coding  the  various  system•  are  discussed   CHANN9l   A Figure  24  26 ­ Subband  Channel  Vixing DIAV'OSIS  0   U Mra SYSTIU Before  discussing  the  diagnosis  of  speech  privacy  systems  it  should  be  pointed  out  that  facts  concerning  the  origin  of  unknown  sig­  asle  are  often  very  necessary  to  their  correct  interpretation   Such  things  as  the  frequency   strength   and  direction of  the  signals   the  lo­  cation  and  type  of  receiver   and  the  manner  in  which  the  signals  were  recorded   can  be  very  important  pieces  of  data   That  is  why  it  was  stated  in  Chapter  I  that  interceptors  should  be  equipped  with  complete  knowledge  4f  the  various  kinds  of  radio  systems  and  transmissions  used  by  both  sides   including  jamming  and  radar  signals  as  well  as  telegraph  and  facsimile  signals Some  of  these  signals   particularly  if  transmit­  ted  with  asppressed  carrier   can  give  extremely  puzzling  results  if  demodulated  with  an  ordinary  radio  set   These  possibilities  should  be  taken  into  account  if  signals  are  found  which  do  tnot  seea  to  fit  into  the  classes  discussed  below   As  stated  in  Chapter  1I   the  spaeotro­  graph  is of  tremendous  assistance  in  recognizing  the  nature  of  an  unknown  scrambling  system   The  ear  can  usually  recognize  the  presence  of  time discontinuities   It  can  also  usually  recognize  the  peculiar  quality  which  results  fro  band  shifting  systems   The  exact  nature  of  the  scramble   however   is  usually  impossible  to  es­  tablish  with  the  ear   Xven  scrutiny  of  the  wave  form  may yield  no  clue   The  strikinly  graphio  analysis  provided  by  the  spectrograph   however   usually  takes  the  mystery  out  of  the  scrambling  method  immediately   Speech  privacy  systems  having  frequency  sub­bands  will  show  horizontal  discontinuities  or  boundaries  in  their  spectrograms   Similarly  systems  employina  time  division  will  show  verti­ cal  boundaries   A considerable  variety  of  eye­  teas  display  both  horizontal  and  vertical  bound­  aries   liow  to  tell  these  different  sorabling  systems  apart  is  the  subject  of  the  disoussian  and  illustrations  in  this  chapter   1   spectrograph  can  be  established   The  spectro­ graph  is  equipped  with  a  calibrating  device which  consists  of  means  for  producing  a  complex Wave  rich  in  harmonics  from  the  60  cycle  power supply   Spectrograms  of  this  wave  made  with both  the  45  cycle  filter  and  the  330  cycle  fil­ ter are  shown  in  figure  25   If  the  power  fre­ quanoy  is  known   the  horizontal  and  vertical striations  in  these  patterns  provide  the  time and  frequency  scales   If  the  power  frequency  is not  known  the  scales  may  be  established  by  the fortulas  given  in  the  figure   This  involves  ad­ ditional  measurements  with  a  stop  watch The  application  of  this  method  to  11 ke  speotrograns  is  not  explicitly  stated  in  the figure   A  value  of  I  for  this  condition  can  be found  by  the  same  formulas   This  establishes  the time  scale  for  the  11  ko  spectrograns   or  the frequency  scale  the  same  pattern  is  used  as  for the  %1 5 ko  speotrograms   However   each  horil­ zonttL   striation  is  labeled  with  a  frequency  ob­ tained  by  multiplying  the  normal  frequenoies  by the  ratio  of  the  two  K'se 7igure  26  shows  how  these  scales  can be  used  to  measure  the  time  and  frequency  bound­ aries  in  a  scramble   It  will  be  noted  that  for aeacurizn  the  time  elements  speotrograms  made with  the  300  cycle  filter  are  beet  because  they have  sharper  time  boundaries   7or measuring frequency  boundaries  the  seas  filter  must  be used  as  was  used  in  obtaining  the  scale   It  may be  noted  here  that  in  present  models  of  the spectrograph   the  wide  filter  has  a  different absolute  location  than  the  narrow  filter  and therefore  should  not  be  used  to  estimate  the frequency  of  components  or  boundaries ­Illustrations  of  Scrambled  Speech Spectrograns  illustrating  a  lar e  nun­ bar  of  privacy  system  scrambles  are  shown  in  fig­ ure  4   to  87  which  are  segregated  at  the  back of  this  report   In  so  far  as  possible   these Measurements  on  Spectrograms  spectrograms  were  obtained  with  actual  working models  or  systese   In  some  cases  they  were  made with  a  laboratory  setup  simulating  the  systems under  scrutiny   In  a  few  cases  also  the  illus­ trations  were  made  by  cutting  up  spectrograms and  rearranging  the  parts   It  should  be  noted in  these  latter  oases  that  the  boundaries  are Since  an  important  part  of  the  diagno­  ale  procedure  consists  in  detemining  the  length  of  time  elements  and  the  location  of  frequency  boundaries   let  us  first  exa %ins  the  procedures  whereby  the  time  and  frequency  scales  of  the  27 4  IN­ The  speotrogazsrIlo   with  the  narrow  filter  shows  al2  the  odd  harmonics  of  tate  60­cycle input  to  a  special  harzonic  generator this  isa  a  portion  of  a  spectrogram  made  with  the  wide  filt er   The  striations Below  represent  a  beat  note   of  120  cycles At  the  left  1   a  ortion  out  off  and  inverted   The  fact  that  the  harmonics  can  be­ as  other  shifted  positions#  illusatrates  the  line@rity  of  the  tre­ lined  up  in  this  as  qu enoy  scale At  the  right  is  a  portion  cut  off  and  shifted  downward  by  one  component   Since  they are 2U  harmoncs   the  base  line  will  fall  exactly  between  two  harmonics  if  it  represents exacilY  zero  frequency if  the  power  frequency  is  exactly  known$ both  the  time  scale  and  the  frequency  scale are  determined  by  the  two  Patter   above If  the  power  frequency  is  not  known   the  time  scale  factor  can  be  determined  by  the inches  per  second   and  the  frequency  by  P aA equation  X  L  a  TotaLl  length  Of  the  spec troiram  circumference  of  the  recording  drum Ft  Number  of  rotations  of  the  drum  In  T seconds s  a  Number  of  striations  in  X inches Figure  82i Calibration  of  Spectrograph  Soales 28 29 - - Upper Spectrogram 45 cycle Filter Lower Spectrogran 300 cycle Filter The frequency boundaries are determined by comparing them with the harmonics of the calibrating lave These are all 120 cycles apart but the lowest is only 60 cycles from the base line The frequencies of the harmonics therefore are given by the above formula The element length is best determined by using the 300 cycle filter thich gives sharp time boundaries comparing them with the striations obtained by making a spectrogram of the calibrating wave with the 300 cycle filter Each one represents l lZOth of a second Ten of the above elements cover 70 striations The length of each element is therefore 1 10 1 70 120 seconds Figure 25 - Time and Frequency neasnresents nub-L77 unnaturally  clear  and  sharp  because  in  praotice  any  discontinuity  causes  a  transient  which  tends  to  obscure  the  true  speech  along  the  boundaries   It  will  be  noted  that  some  of  the spectrograms  in  the  illustrations  were  made  with  the  45  cycle  filter  and  some  with  the  300  cycle  filter  depending  on  what  features  were  to  be  brought  out  most  clearly   The  spectrograph  with  which these  illustrations  were  made  was  equipped  with  the  control  circuits  mentioned  in  Chapter  II  and  described  in  greater  detail  in  Preliminary  Report  No   27   The  illustrations  are  therefore clearer  and  sharper  than  those  included  in  Pre­  liminary  Report  No   25   Yurthe•rore a  larger  number  of  privacy  systems  are  included  than  in  the  latter  report   Each  of  the  illustrations  contains  not  only  reproductions  of  speotrograns   but  also  written  material  describing  the  features  whereby  the  different  scraebling  systems  can  be  reeog­  nized   It  was  intended  that  these  illustrations  should  be  self­contained  in  so  far  as  possibli  for  easy  reference   It  will  be  noted  that  in  some  cases  the  spectrograms  alone  are  not  sufficient  to  determine  the  exact  nature  of  the  scramble   Cm­  tain  systems  completely  destroy  the  typical  her­ monis  structure  of  speech  leaviag  structureless  patterns  which  cannot  be  interpreted   This  in­  dicates  a  distortion  of  the  wave  form   One  of  these  systems   which  had  a  repeating  code  and  a  synchronizing  pulse   could  be  resolved  by  the  oscilloscope  as  shown  in  Chapter  VI  figure  46   No  general  rules   however   can  be  given  for  diagnosing  this  type  of  system   3   Systems  Not  Illustrated  Azaeination  of  Table  I  shows  that  there  are  a  few  scrambling  systems  which  are  not  re­  presented  in  the  illustrations   These  will  be  discussed  in  the  following  paragraphs   In  moat  cases   the  appearance  of  the  spectrogram  pattern  which  would  result  can  be  visualized  bý  analogy  with  other  systems   The  phase  reversal  sti  tei  A4   will  produce  a  scramble  indistinguishable  fr   the  multiplication  system  51   provided  the  phase  reversals  occur  at  irregular  intervals  and  about  as  rapidly  as  the  crossovers  in  the  coding  wave  involved  in  El   It  is  believed   but  not  known for  certain   that  they  would  have  to  occur  about  that  often  in  order  to  make  speech  unintelligible   The  split  phase  system  AS   involving  carriers  90  degrees  apart  was  tried  out  in  the  laboratory   The  output  appears  just  the  same  as if  two  speech  channels   or  a  speech  channel  and an  interfering  noise   were  simply  superposed and  then  modulated  with  a  single  carrier The  stepped  displacement  system  BS is  rather  easy  to  visualize   There  will  be  time boundaries   with  two  or  more  discrete  conditions of  displacement   Obviously   there  are  a  great number  of  possible  seQuences   inoludlng  the  poe­ sibility  of  some  of  the  coditions  consisting  of inverted  displacement The  irregular  wobbled  displacement  B4 will  of  course  be  similar  to  B3  except  that the wobble  pattern  will  not  be  as  simple The  continuously  varied  reentrant  dis­ placement  0   is  praotically  impossible  to  sim­ ulate  artificially  e@ was  done  with  01   If  01 is  thoroughly  understood   however   the  appear­ ance  of  a  wobbled  instead  of  stepped  reentrant condition  is  not  difficult  to  visualize Ron­repeated  code  TD  73  will  have o­eeedoeT  wilhe the  same  general  appearance  as  repeated  code  TD It  may  or  may  not  have  the  synchronizing  pulse There  will  of  course  be  no  regularity  in  the patterns  such  as  was  pointed  out  in  YL Ts  plus  inversion  01   is  not  diffi­ cult  to  visualize   Some  or  all  of  the  elements might  be  inverted   as  in  AS The  systems  listed  in  05  and  06  will both  show  equally  spaced  time boundaries  cor­ responding  to  the  length  of  the  elements   In 05   the  harmonies  would  be  spaced  much  farther apart  than  in  normal  speech   and  show  greater slopes  and  curvatures   Alternate  elements  would show  rather  consistent  differences  in  frequency distribuxtion  and  in  the  degree  of  slope  or  our­ vature   In  G6   the  harmonics  would  be  spaced abnormally  closely   and  show  very  little  slope or  curvature   Words  and  spaces  would  be  very long   There  would  be  a  horizontal  boundary  in the  middle  of  the  band   and  the  patterns  in  each half  would  appear  like  complete  spectrograms with  vowel  and  consonant  structures  apparent In  both  of  these  systens   if  the  elements  were out  apart   they  could  be  rearranged  to  form  con­ tinuous  speech  with  the  time  and  frequency scales  compressed  or  expanded  from  the  normal condition  see  Chapter  VI   Section  2 Level  modulations  E2  and  3   would hardly  show  up  in  spectrograns  because  of  the level  compression  incorporated  in  the  epeotro­ graph   This  has  been  verified  experimentally 30 In  J1 and  2   if  the  noise  were  suffi­  oient  to  mask  the  speech  efteotively   the  speech  oculd  not  be  seen  in  speotrograms   J3  is  easy  to  visualize   as  is  also  N4   If  the  noise  spurts  are  sufficiently  close  together   however   they  tay  produce  a  pattern  like  Hi   J5   as  far  as  is know   exstsonlyon  per Channel  known   exists  only  on  paper   In  vocoder  types  of  scrambling  systems  the  speotrograph  would  show  only  the  chanel  sig­  male   which  might  be  either  amplitude  or  fre­ scramble   this  type  quenoy  modulated   osoillograma  of  the For  wave  form  of  of  each  separate  channel  signal  provide  the  best  mems  for  diag­  noeis  and  for  decoding   A  sample  of  such  oecil­  lograms   which  was  obtained  from  an  actual  vocoder  system   is  shown  in  figre  42  in  Chapter  3' VI  on  decoding  methods   The  various  methods  of scrambling  such  signals  Kl   2   3  4   will  pro­ duos  discontinuities  in  these  traces  which  are easy  to  visualize   A  sample  of  E 5 has  not  been available mizxing  L3   can  be  done  in various  ways  and  at  various  speeds   It  will not  be  very  easy  to  recognize  if  done  rapidly No  actual  systems  are  in  use   as  far  as  is  known It  is  felt  that  the  above  illustrath­ and  discussions  cover  the  known  scrambling  meth ­ ode  fairly  thoroughly   It  is  hoped  that  with their  help  any  system  which  might  be  encountered in  the  future  can  be  recognised   Deoodin   of  course   is  another  matter   which  forms  the  sub­ Jeot  of  the  next  two  chapters ati V XONCRYTDOGUPHIC  TOOTS  AQ  Beginners  in  the  study  of  privacy  eye­  teon  never  fail  to  be  amazed  at  the  difficulty  of  scrambling  speech  suffiojently  to  destroy  the  intelligence   The  ear  can  tolerate  or  even  ig­  nore  surprising  amounts  of  noise   nonlinearity   frequency  distortion   misplaced  components   gaps   superpositions   and  other  forms  of  inter­  ferenoe   We  can  therefore  very  often  obtain  partial  or  even  complete  intelligence  from  a privacy  system  by  partial  or  ipe4rfeot  decoding   and  this  in  turn  oa  often  be  accomplished  by  operating  on  the  scramble  in  some  way  which  the  designer  did  not  contemplate   Incidentally   the  fact  that  the  ear  is  such  a  good  decoding  tool  in  ombination  with  12•OTDS of  this  is  simple  inversion   In  this  case  the soranbled  speech  is  quite  unintelligible  to  di­ root  listenin•g   but if  we  kow  it  is  inversion we  can  find  the  inversion  frequency  very  quickly by  trial   Another  example  is  the  split  phase system  A5   The  phase  shifting  network  in  the captured  set  could  readily  be  adjusted  to  demodu­ late  either  of  the  two  overlapping  sidebands t   Slightly  more  complicated  systems  are those  with  a  simple  program   Again  with  a  cap­ tured  set  or  its  equivalent  it  is  usually  easy to  find  the is program  by  trial   The  only  possible difficulty  in  keeping  step  with  the  sending end   particularly  if  there  is  no  synchronizing pulse   An  example  of  this  is  a  wobbled  band these  noncryptographio  methods  makes  the  produo­  tion  of  privacy  systems  very  difficult   Scrazb­  lin  systems  which  look  very  effective  6n  paper  sometimes  turn  out  on  trial  to  degrade  the  intel­  ligibility  very  little   although  the  scrambled  speech  usually  sounds  unpleasant   LMost  methods  if  they  are  pushed  to  the  point  where  they  do  succeed  in  hiding  the  intelligibility  are  im­  possible  to  restore  with  good  quality   There  are  in  fact  very  few  speech  privacy  systems  which  achieve  a  high  degree  of  privacy  with  ac­  ceptable  quality   displacement  BN   It for  instance   the  wobble is  sinusoidal   with  the  frequency  and  the  sweep limits  known   the  problem  is  to  keep  in  syn­ chronism   In  this  connection  a  device  might  be mentioned  which  is  familiar  in  gun­fire  control circles   namely  aided  trackin   With  thia system  changes  in  both  frequency  and  phase  are made  simultaneously   This  is  illustrated  in figure  27   Suppose  we  find  ourselves  slightly out  of  step  with  the  signal   By  rotating  the adjusting  handle  forwards  or  backwards  we  ean get  back  into  step   Suppose  this  adjustment  was These  noncryptographic  methods  are  very  important   because  they  may  reduce  the  delay  in  obtaining  the  intelligence  substantially  to  zero   Furthermore   they  may  render  completely  futile  the  most  elaborately  irregular  code  oha n­  ing  hystems  hich  could  be  handled  only  with  the  greatest  difficulty  by  straight  cryptographic methods   A  number  of  noncryptographic  methods are  given  below   Some  of  then  of  course   result in  poor  quality   but  the  saving  of  time   labor  and  equipment  may  be  very  great   Each  of  the  noncryptographic  ethods  has  been  given  a  desig­ nation  whioh  appears  in  Tables  I  and  II  and  at to  catch  up  is  an  indication  that  the  motor  is slow   Therefore   sons  of  the  otion  of  the  ban­ dle  required  for  catching  up  is  used  by  means  of gearing  to  change  the  frequency  drivin  the  actor The  gear  ratios  are  chosen  to  suit  the  particular problem   With  this  method  it  is  possible  to  got the  beginning  of  the  following  paragraphs  in  which  they  are  discussed   These  designations  in  the  forward  direction   The  fact  that  we  had morAT NG A ATOR ADJUIs NG  CHANG  PIANoL•  POSITION  Di  OtRENTIAL   AA-M SYNCHRONOUS o'ro should  not  be  confused  with  the  designations  ap­ pearing  in  the  text  which  denote  privacy  wthods 1   Captured  Set  or  YtLnotiona l  Equivalent  1   With  many  privacy  eystems  all  that  we need  in  order  to  listen  in  is  a  captured  set  or its  functional  equivalent  built  from  knowledge of  the  soranbling  rethod   An  extreme  example  CH4ANGE  FREQUENCY  VAf A5 ­OCILATOMR igure  27  ­   Illustrating  Aided  Tracking bands  are  variously  delayed  F1   Conceivably# these  delays  could  constantly  be  changed  with tim  according  to  a  never  repeating  prcgraz however   would  be  futile because  with  a band  filter   we  need  only  listen  to  one  of  the lesti bands   disregarding  the  others   band  is  Tory  narrow  the  intelligibility  may  be practically  complete   Similarly  in  band  split­ ting  systoes  if the  switching  is  not  rapid  Dl we  can  follow  one  of  the  bands  around  the  fro­ range   The  lowest  or  second  lowest  band the  best   Another  example  is  theA usually  is  tone  sequence  3   instead  of  trying  to  filter out  one  tone  at  a  time  as  it  occurs   3r5  can leave  all  the  filters  in  ll of  the  time  and still  have  enough speech  coming  through  to  yield the  intelligence into  step  with  and  stay  in  stop  with  systezs  such  as  alternate  displacements  and  regular  wob­  bles   NetodsThis   onornis  2 Decdin    The  methods  outlined  in  this  section  have  all  been  tried   at  least  in  the  laboratory   Their  success   however   naturally  depends  to  s020  extent  on  the  switching  rates  and  similar  variables   It  is  possible   therefore   that  a  method  might  prove  sauccessful  against  aquensy  scramblin g  system  which  seems  to  be  in  the  same  general  class  as  the  one  that  was  tried  in  the  laboratory   A  special  case  in  which  the  rejection UPP90  CUTOFF  13KMO  moo  0 To I$KCd I  To  f  I  ligure  28  ­Band  makes  decoding  easier  concerns  those  systems such  as  A5  which  depend  on  carrier  phase  to  mix and  then  separate  components   There  is  no  phase requirement  imposed  on  the  demodulating  carrier unless  both  sidebands  are  transmitted   There­ fore   either  sideband  of  such  a  system  my  be 0  Shift  Filter  suppressed  with  a filter   and  the  remai ning sideband  demodulated  with  a carrier  of  any  phase The  two  signals  in  the  sideband  will  then  be AI  IF  mo  A Mtrated  1 T  T iTrelocated  Figure  29  ­Variable  For  purposes  such  as  those  outlined P  ­1 ­  ­CON  R  ­ ­­­ TT  T0  in  figure  28   Wiith  this  devices  a  band of  adjustable  width  can  be  taken  from  any  par­ tion  'of  the  signal  frequency  range  0­3000   and in  any  other  portion  of  the  sane  fro­ quency  range  either  straight  or  inverted   One form  of  band  shift  filter  is  described  in  Pre­ limitary  Report  Noe   11   It  coneists  essentially of  a  double  modulator   such  as  was  described  in Chapter  Ilk  but  with  a  band  filter  of  variable width   If  the  frequency  location  of  the  band  is not  to  be  changed   the  switch  in  figure  28 should  be  in  the  left­hand  position   One  form of  variable  band  filter  is  shown  in  figu re  29 ncranoh rvdueu  Ti  olhsas  systems  such  as  the  multiplication  system  Ell and  the  T  system  El a   oretitms  it  is  expedient  to  listen  to a  scramble  only  part  of  the  time   Some  of  the simpler  coding  programs  can  sometimes  be  broken­ down  in  this  nanner  by  trial   For  instance   if a  codine  cycle  has  N elements  we  can  listen  to every  Nth  element  atln   ake  whatever  adjustments ca are  needed  to  macke  this  sound  natural   o  then  listen  to  the  next  adjacent  element  and Band  Pass  Filter  A  Take  for  example  a  system  A 2   which  involves  inversion  about  a  numnber  of  fre4uenoiee  in  succession   If  these  frequencies  arc  not  too  far  apart  we  can  choose  a  single  frequency  some­  where  in  the  middle  range  and  demodulate  the  whole  signal  with  this  one  frequency   The  re­  a ultin g  band  will  be  right  side  up   but  displaced  by  varying  amounts  not  exceeding  half  the  total  range   This  has  been  found  to  be  quite  intelli­  gible   provided  the  switching  rate  is  not  too  high  or  the  range  of  frequencies  too  wide   expedi ent  to  k   With  som  sytm  it is  o  oly  o  th  frquecyrance  lisen  potin  rather  than  the  whole  range   An  outstanding  ex­  ample  of  this  is  the  system  in  which  the  sub­  34 adjust  the  syten  so  that  these  elements  blenA  properly   This  attack  applies  for  istance  to  a  system  in  which  several  different  displace­  zents  are  used  B2   A  oaptu ed  set   of  course   is  the  easiest  way  of  selecting  every  Nth  ele­  %ant because  it  is  usually  easy  to  make  the  other  time  elaeznts  inoperative   A   nother  useful  devioe  is  the  limiter   peak  chopper   In  this  sam  class  is  the  orn­  or  pressor   These  are  illustrated  in  figures  30  A   •   •   They  all  tend  to  equalize  the  waoces­  sive  lobes  of  a  complex  wave   The  peak  chopper  simply  chops  off  any  peak  which  exceeds  a  oer­  tan  instantaneous  volteage   The  compressor  operates  more  gradually  and  leaves  the  waves  well  rounded   If  straight  speech  is  put  through  any  of  these  devices   distortion  products  are generated  because  the  wave  form  is  radically to  esooth  the  output  and  give  the  envelope  wave The  rectifyin  action  which  we  want  here  simply tbkes  all  the  negative  lobes  of  the  signal  amd turns  them  over   As  in  the  case  of  the  limiter straight  speech  put  through  a  rectifier  of  this type  is  about  95  per  cent  intelligible In  the  privacy  system  designateaA4  the phase  of  the  speech  signal  is  reversed  at  short  irregular  intervals   If  this  signal  is  now rectified   all  the  negative  lobes  will  be  ad•e positive  and  the  resulting  wave  will  be  indi­ tinguiehable  from  rectified  straight  speech  ex­ cept  for  alight  discontinuities  at  the  points where  the  reversals  occurred  in  the  privaoy  ys­ tern   This  is  illustrated  in  figure  32   There­ fore   a  simple  phase  reversal  system   no  matter PAI  modified   It  is  found   however   that  this  kim of  distortion  damages  the  intelligibility  very  little   These  devices  should  be  useful  eagains t any  privacy  system  in  which  sudden  changes  of  level  occur   A  good  example  is  the  subband level  modulAtion  system  03   A  separate  lim­ iter  or  compressor  in  each  of  the  sub­banLds  will tend  to  sooth  out  the  level  variations  and  make the  speech  intelligibleo moo A nother  nonlinear  device  is  the  resti­ A   fier   Two  forms  are  shown  in  figures  31  k  and •   The  reotifier  as  used  here  should  not  be oonfused  with  the  detector   The  latter  device also  rectifies  but  then  it  has  a  time  constant  incorporated  in  the  output  circuit  which  tends jigun  31  SI  ­ Rectifiers t  I T   ORIGINAL  SIGNAL V  I  I  n  PENIOD   I  OMRT  RID ­ ­ I  •  V  I    I  I  COMIPRESSOR  Figure  30  i GRID FROM  P INTODE  5   I Peak  Choppers  and  Compressor  Figure  32  35 ­ I OO  RICTILECI  iV  I ORIGINAL   REC¢TIFIED I Illustrating  Action  of  Reotifier a how  irregular   should  yield  to  rectification  ox­  sept  that  distortion  in  the  transmission  process  tends  to  obane  the  Wave  form  and  thereby  degrade  the  quality  of  the  resulting  speech   It  should  be  noted  that  the  multiplication  process  Hi   also  results  in  a  phase  reversal  every  tine  the  ooding  wave  passes  through  zero   It  has  been  found  that  reotification  tends  to  make  this  kind  of  scramble  more  intelligible  also   I  connections  is  made  from  each  of  the  bandpais filters  to  the  output  modulators  whereby  each  of the  bands  in  the  signal  is  placed  in  the  desired bands  in  the  output   Steps  should  be  taken  of course   that  these  cross­connections  do  not  in­ terfore  with  each  other   An  amplifier  after each  band  filter   for  instance   will  perform this  function   Figure  33  illustrates  a  simpler case  of  superposition  applied  to  a  system  using 2  band  shifts  Es A  very  useful  noncryptographic  device is  superpositico   For  inatane   suppose  we  had  a  three­ohannal  Miing  system  such  as  U  or  2   If  we  simply  listen  to  all  three  channels  simul­  taneeouly  we  will  hear  three  conversations  at  once   or  possibly  one  conversation  with  two  noises  superposed   Experience  has  Shown  that  under  such  conditions  it  is  usually  easy  to  con­  centrate  on  the  desired  channel  and  ignore  the  others Wo  AC  woodials  It  nay  be  noted  here  that  superposin time­displaoed  elements  does  not  appear  to  be successful   For  instance   if  all  the  segments of  the  commutator  in  a  TDS  machine  are  connected to  all  the  pole­pieces   the  output  will  be straight  speech  with  several  sorazbles  superposee This  has  been  found  to  be  completely  unintelli­ gible In  certain  cases  which  have  been  met in  Project  043  the  privacy  sets  are  equipped  with or  similar  means  which  were  intended  to provide  an  easy  method  for  obtaining  a  large number  of  different  codes   In  soe  eases  the different  codes  may  not  be  Sufficiently  differ­ ent  to  be  mutually  private   That  is   while there  may  be  literally  millions  of  different oombinatiots   it  sometimes  happens  that  theresar thousands  of  combintios which  will  decode  ma­ terial  scramlled  with  one  of  the  combinations Various  degrews  of  quality   of  course   will  re­ ult  fro   thepailorncretdoig theme  partial  or  incorrect  decoding sitfo  operations   However   as  long  au  intelligibility can  be  extracted  the  codes  cannot  be  considered mutually  private   In  such  cases  it  is  possible with  a  captured  machine  to  simply  manipulate  the dials  systematically  or  unrystematically  and listen  to  the  result   When  the  speech  begins  to sound  Somewhat  natural   systematic  trials  of  eas dial  in  turn  will  sometimes  steadily  improve  the quality   Something  of  this  sort  could  be  done with  simple  TDS  systees  also   except  that  the use  of  interlaced  codes  makes  this  somewhat  more difficult LP  swa13  188C  •  Figure ° 33  ­ One  form  of  Superposition  Decoding  Another  form  of  superposition  is  illuis­  trated  by  the  rollowing   Consider  a  split  band  system  D2   in  which  6  different  codes  are  used  in  a  never­repeating  sequence   This would  be  rather  difficult  to  handle  by  cryptographic  means   Suppose   however   we  had  6  separate  do­  coding  unite   each  set  to  decode  one  of  the  6  codes   If  the  sorazbled  signal  were  fed  into  all  6  of  these  decoders  sizultaneously   one  of  then  would  always  have  straight  speech  in  its  output   The  other  5 would  be  sorambled   If these  6  outputs  are  all  superposed   we  will  hear  straight  speech  with  5 sorazbles  superposed   This  straight  speech  can  be  understood  quite  easily   It  will  be  noted  that  the  unwanted  com­  ponents  in  this  kind  of  superposition  are  de­  rived  from  the  wanted  components   and  always  vary  in  level  simultanoouely  with  the  wanted  components   it  appears  that  under  these  condi­  tions  they  do  not  do  much  darAge   ¶  hl   In  certain  oases  where there  are  a large  number  of  codes  possible  but  only  a  few  of these  codes  are  good  codes  from  the  standpoint of  direct  listening   it  would  seem  reasonable that  asy  code  applied  to  the  scranbled  signal should  turn  the  good  code  into  a  poor  code   In the  5­band  split  band  system  for  inttanee   there are  soe  3840  possible  codes  but  oly  12  or  so are  considered  really  good   Any  code  in  the  de­ coding  machine   therefore   should  decrease  the rivaey  for  direct  listening This  has  been tried  in  the  laboratory  but  has  not  been  pushed to  the  point  of  determining  whether  it  could The  split  band  equipment  illustrated  in  figure  11  of  Chapter  III  is  adapted  for  this  kind  of  Suiperposition   A multiplicity  of  cross­  36 compete  with  the  superposition  ethod   It  is mentioned  because  the  idea  Bay  possibly  apply  to other  systems  which  may  be  encountered   •   ­ •   A  very  speoialized  device   which  ap­  Dlies  to  wire  line  communication  only   should  be  mentioned  here  because  it  is  not  very  well  known It  distinguishes  between  the  two  directions  of transmission  over  wires   In the  masking  privacy  systex  12   for  instance   the  clear  signal  in  one •  'jyD  LUP 81ASID RELAY AD direction  is  masked  by  noise  sent  in  the  other direction   The  device  illustrated  in  figure 84   however   discriminates  against  the  noise   allowing  the  speech  to  be  heard   It  requires  a small  series  resistance   which  is built  up  by  a step­up  transformer  to  the  line  impedance   The  Figure  35  ­ Automatic  Deooodi  occurs   be  used  in  each  subband NOW  _____ ___  The  same  method  can  be  used  for  level Instead  of modulation  systems  H2  and  H   disconnecting  the  receiver   the  high  level  por­ tions  of  the  signal  cause  the  receiver  to  be connected  to  a  parallel  path  containing  the  re­ quired  amount  of  loss  to  equalize  the  levels In  the  case  of  subbani  level  modulation   HS of  course   a  separate  device  of  this  type  must secondary  is  connected  to  the  other  side  of  the  line   The  direction  of  discrimination  depends  on  the  phasing  of  the  transformr  windings   MC  ­ Total  Inargy ­­­ SPttCH  ONLY  Figure  34  ­ Directional  Discrimination  3   Automatic  Decoding  Whether  speech  is  intelligible  or  un­  intelligible  is  a  purely  subjective  matter   However   the  uthod  of  ma ing  speech  unintelli­  gible  involves  aking  physical  changes  in  the  speech  wave   Certain  kinds  of  physical  changes  can  be  detected  quite  readily  by  objective  means  and  utilized  to  undo  the  scramble  automatically   h   The  system  just  described  operates  on a  total  energy  basis   Sometimes  it  is  possible to  obtain  a  switching  rignal  on  the  basis  of ' energy  frequency  distribution   Consider  for  in­ stance   the  system  using  two  different  displace­ ments  B2   The  alternate  positions  of  the speech  band  are  illustrated  in  figure  36   In one  position   the  band  is  right  side  up  an  oc­ cupies  the  range  from  2  to  5 ke   The  alternate position  is  inverted  occupying  the  range  from 3 to  6  ko   Since  most  of  the  energy  in  the speech  band  is  concentrated  in  the  low  frequency part  of  the  original  spectrum  most o• the  time the  system  illustrated  in  figure  37  can  be  used to  decode  this  material  automatically   The  sig­ nel  is applied  to  two  band  filters   one  covering the  range  2  to  3 ko   the  other  passing  5  to  6  ko The  out­uts  of  these  band  filters  are  reotified individually  and  fed  to the  two  windings  of  a Obviously   the  moat  elaborately  irregular  code program  is  completely  futile  if  this  kind  of decoding  can  be  applied A   A  very  simple  example  of  this  is  showm in figure  35   Suppose  the  system  consists  of uort  spurts  of  noise  applied  in  an  irreguler  aanner   It  has  been  pointed  out  that  the  noise must  be  high  in  level  compared  to  the  speech  in  order  to  uask the  speech   Therefore   if  the  signal  is  applied  to  an  amplifier  detector   con­  nested  to  a  relay  or  electronio  switch   the  relay  can  be  so  biased  that  it  operates  only  on the  noise  spurts   The  receiver  is  nomentarily  disconnected  from the  line  whenever  a  noise  spurt  37 TIME 0  Figure  36  I  I  5C €  I  I REQUENCY ­ Sidebands  in  Two  Position Displacement  System IOKC other  way   Consider  a  system  in  which  the band  is  kept  right  side  up   but  in  w6bbled  over a  range  sufficient  so  that  demodulation  with Ae  intermediate  carrier  frequency  will  not give  an  intelligible  signal   Suppose  the  wobble follows  an  irregular   nonrepeating  program   The is  proposed decoding  The  signal rshed  is  ispressed  on  a  network ­l  TONU  6 6  K­C   1    MOD   IN  •following  IKC  having 'a  very  steep  rising  loss  characteristic If  the  speech  band  were  not  wobbled   this  net­ work  would  simply  tend  to  make  the  lowest  har­ monic  of  all  voiced  sounds  the  strongestoompont•a With  the  wobble   the  same  thing  will  be  true  ez­ sept  that  the  level  of  this  component  will undergo  severe  fluotuati oso  Therefore   the  ro­ sulting  signal  is  subjected  to  some  form  of automatic  volume  control  and  also  a  limiting action   tendin  to  derive  a  single  frequency Forgetting  voice  inflections  for  the  derived  frequency  would  fluctate  up  moment   and  down this POLAR  RELAY  7igure  37  ­ Automatic  Deooding­Energy   requeney  Distribution  polar  relay   Obviously   the  relative  energy  in  the2  fl te   wiolel7  be  polar  differenati  sorte  2  lthe  entd  2  falters  will  be  different  for  the  2  i  diplaeaens  an  th  rely  •Ar  •7•Lllbe  operated  alternately  in  the  i  2  directions  thereby  wi lde  r to  r  ie  S•    • •is  SImade  figu  n  ea in pe  t the  dutomaticalty  conde  automatically  connectinG  the  proper  carrier  to  the  input  mohlator  in  figure  33  to  put  the  speech  band  in  its  normal  position   Obviously   this  will  not  be  infallible  but  with  displace­  Sednts  as  different  as  the  oes  used  in  the  i2 lus­  tration   it  should  operate  sufficiently  well  to  yield  most  of  the  intelligence  of  the  messaee   Naturally   •'  i  the  smaller  the  physical  difference between  th­  2  positions  being  distinguished   the ilb Ewvr  hr  mor  f  looeain  m•ore  false  operations  there  will  be   Eswaver   this  method  is  instamtaseous  even  with  an  irreg­  ulerly  switched  system   whereas  cryptographie methods  would  be  very  tine­consuming   2   Another  variation  of  this  general  technique  night  be  mentioned  for  the  sake  of  coa­  pleteness  elthough  it  is  somewhat  more  speoula­  tive   Consider  a  privacy  system  which  depends  on  speed  changes  M4   Changes  in  speed  cause  changes  in  the  pitch  of  the  voice   Suppose  we  apply  this  signal  to  a  circuit  which  measures  the  voice  pitch   This  teohzique  has  been  worked  out  in  conneotion  with  the  voooder   The  output  of  this  to  is  a  of  varying  frequency Th a  a  motor   the  speed  change which  used  circuit   i  d  h  t  a  rstead  e  motor  is  part  of  the  drive  of  a  magnetic  tape  recording  and  reproducing  system  through  which  the  signal  is  passed   As  the  motor  speed  is to  change   the  tape  speed  changes  in  such  a direction  as  to  tend  to  keep  the  derived  fre­  •  quency  constant  This  takes  out  not  only  the  speed variations   but  also  the  voice  inflections   However   a  monotone  is  quite  intelligible   rc  e  mup  nsd  f  t  ha  o tiw  e  inlc  n  t  this rgvett  n  voiu  in  frequency   in  step  with  the  band  wobble   In fact   it  could  be  used  as  a  subearrier  in  a  dou­ ble  modulation  decoder  to  demodulate  the  signal to  approzimately  the  correct  position  in  the frequency  range   It  will  be  in  error   however by  an  amount  equal  to  the  instantaneous  voice pitch   Possibly  this  amount  of  error  will  not prevent  the  signal  from being  intelligible  we• know  that  this  a ount  of  displacement  does  not destroy  the  intelligence  of  otherwise  normal seech If  it  is  desired  to  correct  for  this error   two  methods  suggest  themselves   One possible  method  is  to  subtract  from  the  derived frequenoy   by  a  modulation  process   an  amount equal  to  the  average  pitch  of  the  voice  being monitored   This  will  leave  a  small  fluctuating error   Another  possibility  is  to  derive  the  ao­ tual  instantaneous  voice  pitch   by  difference  tone methods  as  in  the  previous  section   and  subtract this  amount  fron  the  derived  suboarrier  fre­ quency If  the  displaced  band  is  inverted  in­ of  right  side  up   a similar procedure  can be  used   with  a  network  of  opposite  loss  oharac­ terietics   Obviously   this  method  in  either case  will  correctly  demodulate  only  the  voiced sufficient  sufficient   not someki  o  carryover  catryove  eof­ If  not   sooze  kind  of  feet  migt  be  incorporated  in  the  system  to vent  sudden  ohaages  in  the  suboarrier  frequency and  thereby  tend  to  hold  over  correct  demodula­ tion  for  short  unvoiced  sounds  also   As  men­ tioned  above   this  method  has  not  been  tried but  is  felt  to  be  worth  recording  because  of  the been  tried  out   is  intended  to  apply  to  irregu­  1cr  band  displacements  or  wobbles  B4   which  great  difficulty  of  handling  irregularly  wobbled would  be  exceedingly  difficult  to  handle  any  systems  by  any  other  method 38 j   Another  rather  speculative  automatic  method  might  be  mentioned  because  some  for  of  the  method  might  prove  useful  against  certain  aultiplication  systems  such  as  Hl   The  code  wave  in  the  particular  case  encountered   was  re­  peated  many  times  per  second   and  there  was  a  synchronizing  pulse  ahead  of  each  cycle   If  the  signal  is  applied to  a  synchronized  cathode  ray  oscilloscope  with  a  highly  persistent  screen   a  definite  pattern  appears  because  the  codingwave  always  passes  through  zero  at  the  sao  time   Also   the  speech  energy  tends  to  average  out  sf­  ter  a  few  cycles  so  that  the  pattern  reflects  the  aplitude  of  the  coding  wave   It  is  quite  conceivable  that  this  pattern  on  the  screen  could  be  scanned  optically  and  used  to  generate  a  de­  coding  wave  for  atcratuially  unscrw lUing  the  signal   Obviously   if  the  coding  wave  is  changed  periodically   a  new  decodin  wave  is  automati­  cally  produced   The  only  requirement  is  that  rectifier  or  limiter   difference  tones  will  be generated  which  will  lseo  be  multiples  of  100 cycles   If   however   the  speech  band  is  dis­ placed  from  its  normal  position  in  any  way   the difference  tones  will  not  coincide  with  the speech  components   If   for  instance   the  whole band  has  been  displaced  by  50  cycles   then  the speech  components  will  be  150   250   850   etc The  difference  tones  generated  by  a  nonlinear system   will  be  100   200   300   etc   If  we  now take  a  second  difference  between  the  output  of the  nonlinear  system  and  the  original  components there  will  be  generated  multiples  of  50  cycles The  lowest  component  of  this  series  will  be lower  than  the  pitch  of  the  voice   This  will  be true  regardless  of  how  far  the  original  band  has been  shifted   except  for  the  special  case  where the  shift  happens  to  be  an  exact  multiple  of  the voice  pitch   Since   however   the  pitch  is  con­ stantly  varying   this  coincidence  is  of  very the  coding  wave  persist  long  enough  to  form  an  average  pattern  on  the  soreen   brief  duration   Theoretically   at  least   a  low pass  filter  with  a  cut­off  lower  than  the  normal range  of  voice  pitch  can  be  used  as  a  clue  to deternmn   whether  a  speech  band  is  in  its  proper location   The  method  then  would  consist  in having  sveral  decoders  in  parallel  but  listen only  to  the  one  which  did  not  generate  a  onpo­ nent  in  the  low  pads  filter L   Another  variation  of  automatic  decod­  ing  methods  might  be  termed  parallel  automatic   because  two  or  nore  complete  decoding  units  are  used  in  parallel  but  only  the  correct  one  is  ap­  plied  to  the  listening  receiver   To  emphasize  the  difference  between  this  method  and  the  one previously  discussed   we  will  use  the  same  ex­  ample   namely   the  system  with  two  band  die­  placements   Referrins  to  figure  33   suppose  instead of  the  parallel  modulators   there  were  two  complete  units  in  parallel  inoluding tbe  band  filter   the  second  modulator  and  the  out­  put  filter   One  of  the  units  is  fed  with  the  8  ko  carrier   the  other  with  the  16  ko  carrier   Each  unit  will  have  straight  speech  in  its  out­  put  half  the  time   and  the  other  half  of  the  time  will  have  inverted  speech  displaced  by  1 000  i The  above  illustrations  will  serve  to show  the  possibilities  of  noncryptographie  types of  attack  on  privacy  systems   When  a  new  system is  encountered   this'  type  of  attack  should  be given  serious  consideration  because  of  the  say­ ing  in  time  and  equipment   Naturally   as  pointed out  above   straightforward  cryptographic  attack can  be  made  to  yied'a  better  quality  signal However   experience  has  shown  that  the  ear  can become  familiar  with  certain  kinds  of  distortion and  learn  to  extract  the  intelligence  more  and cycles   A 1 000  cycle  low  pass  filter  can  then  be  used  in  a  device  similar  to  figure  37  to  switch  the  listener  to  whichever  one  of  the  de­  coding  units  has  the  straight  speech   For  the  particular  system  used  in  the  illustration   ther  does  not  appear  to  be  any  particular  advantage  of  one  method  over  the  other   However   the  latter  system  coe be  applied  in  oases  where  the  other  method  might  not  be  feasible   j   The  parallel  automatic  method  can  be made  to  give  a  different  type  of  switching  sig­  nal  For  instanoe   we  might  make  use  of  the  harmonic  relationship  between  the  oozponents  of  speech  when  the  speech  band  is  in  its  normal  po­  eition   If  the  voice  pitch  happens  to  be  10C  cycles  say   then  all  the  harmonics  will  be  mul­  tiples  of  100  cycles   If  this  speech  is  put  Sthrough  a  suitable  nonlinear  system  such  as  a  more  readily  with  practice In  general   noncryptographic  methods require  that  the  signal   as  received   be  of fairly  good  quality   In  some  oases   the  saving in  time   labor   and  equipment  would  be  so  great that  if  the  signal   as  rooeived   is  too  poor  to pernit  nonoryptographio  attack   the  most  reason­ able  thing  to  do  is  to  move  the  intercept  eta­ tion  to  get  a  better  signal In  Table  I   there  is  listed  for  each privacy  system   the type  of  nonoryptogrBphic  at­ which  might  apply   It  should  be  euphasized once  more   however   that  the  method  which  sue­ cends  at  one  switching  speed  nay  fail  at  another The  list   therefore   should  be  taken  only  as  a reoomendation  of  systems  which  should  be  consid­ ered   The  nonoryptographic  aecoding  methods  are suamarized  in  Table  II S ntack  39 nYPTWRAPHIC  TOOLS  AM  •2TEOlS uous  changes  with  time  presents  formidable  teoh­ nical  difficulties  at  the  authorized  as  well  as the  unauthorized  terminals A  cryptographic  decoding  method  in­  volves   1   actually  determining  a  code  which  will  undo  the  scrsmble   2   restoring  the  speech  by means  of  this  code   In  the  case  of  repeated codes   this  can  sometimes  be  done  rather  quickly   An  example  is  the  repeated  code  TDS  system   The actual  codes  used  can  be  found  in  about  15  in­  utes   Having  found  the  code   we  can  set  it  into  our  reoeiving  machine  and  thereafter  listen  to  the  sprech  directly   In  the  case  of  zonrepeated  codes   every  bit  of  the  mestage  must  be  hadled  individually   It  may  take  a  thousand  or  even  a  hundred  thousand  time  as  long  to  decode  as  it  did  to  speak  the  words   It  may  take  hours  or  even  days  to  obtain  the  intelligence  from  a  short  message   meanwhile  other  messages  will  have  been  sent  and  it  is  obvious  that  we  get  farther  and  farther  behind   The  only  way  we  could  avoid this  is  to  have  approximetely  as  many  toeams  workin  in  parallel  as  the  ratio  of  decodiza  time  to  message  time   which  of  cuarse  is  impractical  if  the  ratio  is  large   2   Matching  Spectrograms iiing  In  cases  where  the  scrambling  system involves  rearrangement  of  the  speech  elements  in time  or  in  both  time  and  frequency   the  basic method  for  determining  the  codes  involves  out­ tirg  up  spectrograms  along  the  element  bounda­ rise  and  rearranging  the  elements  so  ae  to restore  the  straight  speech   An  example  is shown  in  figure  38   The  criterion  for  rearrang­ ins  the  elements  is  that  there  should  be  con­ tinuity  at  the  boundaries   This  continuity includes  the  position  and  direction  of  the  indi­ vidual  harmonics   the  position  and  direction  of the  resonance  areas   and   in  general   the  aMli­ tude  as  represented  by  the  darkness  or  lightness of  the  patterns   The  pieces  are  numbered  before the  matching  process  begins  and  when  the  match­ has  been  copleted   the  numbers  on  the   progran  De t erminati  pieces  determine  the  code The  simplest  cases  to  handle  are  those  involving  a  program  which  ca  be  determined  di­  If  the  scrambling  process  involves  in­ version  of  the  time  or  frequency  scales   straight reotly  from  spectrograms  by  inspection  or  mea­  surements   The  reentrant  inverlion  system  01   nig ht  be  used  as  an  example   Supose  a  nultipli­  city  of  displacemnts  were  used  in  some  irregu­  lar  sequence   Discontinuities  marking the  inversion  frequencies  appear  in  the  speotrogram  and  once  they  have  been  determined  by  masure­  mants  on  a  large  number  of  spectrograms   the  progran can  thereafter  be  determined  quite  read­  ily  by  using  a  template   This  template  can  be  marked  directly  with  the  settings  of  the  decod­  ig  naehine  which  will  restore  the  speech  to  its  normal  position   speech  can  be  restored  for  matching  puposes  by making  two  spectrograms  as  shown  in  figure  39 Present  models  of  the  spectrograph  include  means for  making  a  aeohanically  inverted  pattern  as well  as  a  normal  pattern   The  spectrogran  at the  top  of  figure  39  shows  a  normal  pattern Directly  below  it  is  an  inverted  pattern  of  the sam  material   A  mechanically  inverted  pattern is  indistinguishable  from  a  pattern  produced  by electrical  inversion  of  the  speech   Similarly if  the  whole  inverted  spectrogram  is  turned through  180   so  that  the  base  line  is  at  the bottom  and  towards  the  observer   the  result  is indistinguishable  from  the  case  in  which  the speech  is  transmitted  backwards   Therefore   if an  element  in  the  scramble  is  inverted   it  nay be  recovered  as  straight  speech  for  matching purposes  by  cutting  the  element  from  the  meohan­ i oall  inverted  pattern   If  an  element  has  been transmitted  backwards   it  can  be  restored  to  nor­ mal  by  cutting  it  from  the  inverted  pattern  and rotating  it  180'  as  described  above   If  it  is both  backwards  and  inverted   it  may  be  restored by  cutting  it  from  the  regular  pattern  and  turn­ ing  it  around Another  exa ple  involving  a  program  would  be  one  like  B2   in  which  two  different  dis­  plaoements  were  used  alternately  with  the  inter­  vals  irregular  in  duration   Here  the  time  boundaries  will  be  quite  apparent  and  they  can  be  measured  with  a  suitable  time  scale   It  In  all  likelihood  chnges  of  the  above  types  will  occur  in  discrete  steps  for  practioal  reasons   The  use  of  a  program  involving  co•tin­  41 4' 1 3 1 m m m mm - 1 my T fr m - 7 v j kW r Inversion If tho 30ml contains inverted 01mm than will appear right side up in a mechani cally imam-teal spectrogram Tho tint m1 m1 ho mmodghy rotating tho non-nt- 130 demos Rota tho positions of the bane 11m- 1n tho onnplu above Figure 39 - Illustrating Inversion of Tim and Frequency Scale in Spectrum nu-t - u- J I Ar u W4- nuns 0 men-J q mvds manna - wmw 3 - Ind-P MW It  has  been  found  from  experience  that  matching  is  facilitated  b%  oi1laring  the  spec­  trograma  by  a  factor  of  about  2  to  1   Hot  only  is  the  increased  size  easier  to  handle   but  the  heavy  photogra tio  paper  is  much  better  to  han­  dle  than  the  facsimile  paper   The  latter  is  delicate  it  texture  and  its  surface  is  easily  at  aimed   In  this  connection  it  should  be  noted  that  the  process  of  enlarging  the  spectrogras  does  not  appreciably  affect  the  decoding  tine  in  the  case  of  nonrepeated  code  systems   There  will   of  course   be  an  initial  delay   but  in  general   the  matohing  time  will  be  controlling   and  out  up Sp•ctrograms  o  be  made   enl•a•re   faster  than  they  oan  be  matched   If  it  is found  necessary   however   to  use  spectrograas  for  matching purposes  regularly   then  it  might  pay  to  adopt  the  technique  described  in  Preliminary  Report  'o  13  for  producing  large  spectrogram  photographically   more  serious  of  the  two  effects   It  causes energy  frox  a  strong  element  to  spill  over  into the  adjacent  following  ele8ent  in  the  spectrO­ gram   This  difficulty  is  unlikely  to  cause trouble  in  any  application  of  the  spectrograph except  decoding   Therefore   it  is  felt  that %eans  for  alleviating  this  difficulty  shonld  be recorded  here   A small  amount  of  exploratory work  has  been  done  along  these  lines   but  the eibodiment  of  this  isprovement  in  a  speoltrograph has  not  been  accomplished  because  the  need  was not  sufficiently pressing  in Project  C­43 The  basic  idea for  avoiding  the  ob­ To  facilitate  matching   appropriate  means  should  be  used  for  handling  the  elements   It  has  been  found  that  a  slightly  adhesive  sur­  face  is  advantageous   In  the  illustration  of  figure  38  this  surface  was  provided  by  coating  the  boards  and  also  the  baoks  of  the  elements  with  ordinary  rubber  cement   This  is  also  the  case  in  figure  40   This  latter  example  shows  a  two­dimensional  scramble   Horisontal  strips  of  rubberised  board  were  provided  for  atcincelo•  tis  ais suitable  th Bristol  for  matching  along  the  tine axis   souring effects  of  spillover  is  to  permit  the spillover  to  take  plane  in  such  a  way  as  to  be subsequently  removable   ior instance   suppose a  sample  of  TDS were  recorded  on  the  tape  and suppose  the  speotrograph  were  equipped  with  a suitable  switching  arrangement  such  that  only every  alternate  element  wu  reproduced   The spillover  from  each  elemnt  would  then  occur  in a  blank  area   and  it  could  subsequently  be  trim­ med  off   leaving  a  sharp   clear  boundary   A second'spectrocra   could  then  be  made  of  the alternate  elements   again  trimning  off  the  spill­ over$ A  logical  extension  of  this  idea wic  al  extesion  of  th  ide which  would  save  acme  time   would  be  to  have two  lsannitc  filters  and  use  then  alternately  switching  seans   Roth  the  inputs  and by the  outputs  of  the  filters  would  have  to  be Once  a  system  has  been  thoroughly  diagnosed  certain  numerical  properties  of  the  codinc  process  will  be  knowt   iAyvotage  should  be  taken  of  this  knowledge  to  supplement  and  check  the  matching  process   Lxzaples  are  given  in  Preliminary  Reports  Nocs   10   14   22  and  26   switched   and  the  two  switches  should  be  sepa­ rated  by  the  appropriate  tine  delay  to  take  ac­ count  of  the  tranmission  time  through  the filter A  third  variation  of  this  idea  which requires  loes  equipment   is  to  make  one  speo­ trogram  in  the  usual  manner  and  then  make  a second  spectrogrma  with  the  machine  running backwards   The  spillover  always  occurs  into  the leading  edges  of  the  elements  in  spectrograms Cutting  the  first  spectrogram  in  the  proper h  is  pcrga  ntepoe utn will  places  result  in  clear   sharp  right­hand edges  on  each  element   but  earh  left­hand  edge e  pillover   Cutti  the  see­ e  obscured  by  will  d  end  spectrogram  in  the  proper  laces  will  give clear  left­hand  edges  on  eaoh  eleaent  wlatches than  edge  on e  lement   rothe cle  could  then  be  ads between  elements  from the normal  and  backwards  spectrograms   in  such  a  way as  to  utilize  the  good  edges  of  the  elements The  two  examples  thus  far  cited  of  speotrogra  matching  were  artificially  produced  by  cuttina  up  spectrograme  of  straight  speech   and  the  boundaries  are  therefore  clear  and  sharp   frequency  and he  In  practice  the  In  time  pactce  ineand  reqenc  boundaries  bondaies  will  be  obscured  by  transients  as  may  be  seen  in  the  illustrations  accompanying  Chapter  IV   tre­  quency  bondaries  are  filter  cutoffs   and  they  are  marred  by  overlap  or  underlap  and  by  phase  distortion   This   however   is  not  as  serious  as  the  transients  occurring  at  the  time  bound­  aries   There  is  a  basic  difficulty  here   arising from  the  desire  to  obtain  a  hiGh  degree  of  frequency  resolution   which  entails  the  use  of  a  narrow  scanning  filter   The  response  and  decoy  time  of  such  a  filter  is  appreciable  in  In  other  respects  it  is  to  be  expected that  the  patterns  produced  by  the  speotrograph can  be  improved   For  instance   studies  have soranbling  systems   preseeted  in  such  a  way  that  they  pan be  inter­ comparison  with  the  element  length  in many  been  made  which  show  that  The  decay  time produces  the  45 amplitudes  can  be  re­ I111 i lilo-5 5 51 33 llti cltf 1 5 31 3 9 1 1 51 I ll Ill slur vii-ill tiigi Ill a i lbl cigl io 2 Iiiuli 60 lion- 1 i 1131 11 It Egg-tag 'l p I it Ian - i it It I bgi u 10 0 1 iail iil l7 Pin 33 3 1 1111 1 $3111 it it ll-unl- ll ll t ilk 3 ht-Jun KENS 0 it in h-zl I ik 1 355 3 I Rivas #5955 wrung on Enid-Evan news aw preted  quantitatively   This  is  an  improvement  over  the  rather  indefinite  shades  of  gray  in  the  usual  spectrograzs   It  would  provide  another  criterion  for  matching   In sowe  oases   however   this  might  loo  a  handicap   lor  instance   in  TDS  systems  the  pole  Pieces  ea   not  all of  equal  ot­  ticiency   The  amplitudes  of  adjacent  speech  elements  are  affected  by this  change  in effi­  ciency  and  they  might  net  appear  to  natch  whom  they  really should   This  condition   of  course   might  be  aggravated  intentions lly  as  part  of  the  privacy  feature  of the  system   On  th   whole however   it  looks  as  though  amplitude  represen­  decoding  work   tation should  beean  impr'ovement  in  simply  related  to  the  TDS  elements   No  diffi­I culty   however   was found­in matching the  varia­ ble  area  patterns  to  find  the  TDS  code   This is  described  in  Preliminary  Report  go   19   This report  also  describes  a  scheme  for  nullifying the  effect  of  split  band  coding  on  the  wave  form This  consists  of  modulating  all  the  frequency bands  down  into  one  frequency  band   Changes in  the  split  band aode  will  then  have  no  effect on the  wave  form  of  patterns  produced  in  this %enter@ It  was  also  proposed at  one  time  that the  use  of  a  whisper  or  monotone  instead  of  nor­ mally7  inflected  speech would  increase the  pri­ 8   _Ustoh1t  Varifble  Irea Patterns  vaoy  of  MS  systems   Again this  is  true  in that found  was  it  but  terns  of  spectrograms   hs ben fund  or omepurpsesit  variable  area  patterns  could  be  matched  almest pattrnsoffes  iethaien  fouandae  tawaeforsme  v aptide  or  as  easily for  whispered  speech  us  for  normal r  caberti  d  that  wave  trornatern  offe  was  actually speech   and  with  the  monotone  it  raei­  moe  akdiecl  apectorasThey can  be  plyd  o17  eaie   Thsi1ecibdi8 lniayRpr produce  the  original  speech   Intrinsically   IO  6 wae   form  patterns  are  not  as  good  as  spectre­  grans  for  diagnosing  frequency  shifts  and  the  Another  feature  of  the  variable  area likes  However   they present  the  time  scales  patterns  which  might  be  useful  is  that  the  pat­ move  graphically  and  they  are  not  subject  to  torus  have  characteristic  shapesi   Usually  they transients  at  time  discontinuities  such  as  the  look like  a serises  of  damped  oscillations with spillover  effects  discussed  in  the  last  section   the  highest  amplitude  at  the  beginning  of  each fundamental  period   This  should enable  the The  particular type  of wae   form  pat   t  or t us   n  f  o   ful   u   d  wm   s a v ri  a  ab  e a e  a at  ­ re c o g n itio n  of  cas es in w  h  ic  h #pee ch  is  s tr an  periodicity wrask  usefuld  tern  founla  tosth  ataiabed  are  pat­n  mitted  backwards   The  characteristic  proper  a whether pattereqeicytbaldso  be  iusedt  pictures   Variable  area  patterns  are  more  die­  t  rpe  o whtheioreunybadin   tinotive  to  the  eye  than  osoillographic  traces   They  forn  geometric  designs  that  catch  the  eyeon Towa rd  the  end  of  prjojet  0­4 8  it came and  facilitate  matching   The  manter  of  produc­  ing  and  playing  back  these  patterns  is  described  to  be  rifoonized  that  there  would  be  consider­ the  pro­ able  advantage  in  using  a compressor  in  in  Preliminary  Reports  Ies   1   7   and  12   An  duction  of  variable  area  pattefrus   This  tends example  of variable area  patterns  in  process  of  to  bring  out  low  leve  sound   The  distortion matching  is  sh wa  in  figure  41  taken  from  Prolsinry  No 26 of  Rpor  the  wave  forms  resultitg  fro a instantaneous 0ompressidon  is  immaterial  if  th 7  are  to  be  tsed Variable  area  patterns  of  this  type  only for  matchning   This  kind of  compression have  been found  particularly  good  for  decoding  however   should  be  sharply distinguished  from TDS  systems   especially repeated  code  systems   automatic  volume  control  action   The  latter  is It will  be  noted  that  amplitudes  are  clearly  represented  in  these  patterns   By matching    multiplicity  of  cycles  of  a repeating  code  eye­  relatively  slow  acting  and  it is  obvious  that  in TDS  systems   for  instance   it would alter  the amplitudes  of certain  elementc in such  a way a tea  simultaneously   it is  possible to  take  ad­  vantage  of this  amplitude  representation  even to nake  matches  impossible 4   Matching Oscillograms though  the  wave  tori  itself  might be  obscured by  other  features  of  the  privacy  Ssytem   For  in­  stance   the  use  of  split  band  coding  was  once  It was  stalted  in the  previous  sfection that  osoillographic  traces  could  be  used  instead proposed  to  increase  the  privacy  of  F11D  systems   This  coonbination  would  be  much more  private  than  plain  TDS  if  Judlgid  on  the  basis  of  matching  spectrograms   particularly  if  the  split  band  of  variable  area  patterns   although  in  general there  will  be  a  disadvantage   There  is one  type of  privacy  system   however   for  which  osoillo­ graphic  traces  are  required   namely   vocoder codes  were  rapidly switched  at  intervals  not  systems  The  signals  in  vocoder  channels  are 4' I ­ I   I    i  I  ­4   K  4 V 1K I ­ £    S  b I      I  er  ­ L  '  I     t4IR  i ' ­ ­   z  3 fiAr4 h 6  I­I­  ­ '  I I jf Jc F  V ___  Ft    Q  I  I  V 9 ____  ______  48 __  jut ­ A variation  of  this  method   which  hu been  suggested  but  not  tried  and  which  should  be much  faster   is  as  folles   Reproduce  tW•e  re­ oorded  sample  through  a low­paus  filter   say 2500  oycles   Pass  it  through  a  Ma  machine  end tudes  to  vaty  sinultaneouly  in  the  several  track   It  has  been  found  that  if  the  signals  in  the  various  channels  are  perauted even  with  the  sharp  edges  resulting  from  artificially  pro­  duced  scrambles   the  number  of  mismatohes  tends  to  be  about  40  percent   This  means  that  a  acoo­  der  system  with  its  channele  permuted  at  short  intervals  provides  a rather  difficult  privacy  system  to  decode   out­off   View  the  output  of  the  high­pass  fit­ ter  on  a  cathode  ray  oscilloscope  whose  sweep  is synchronised  with  the  TDS  cycle   Transients will  occur  at  the  boundaries  of  elemearts  which do  not  belong  together   These  will  generate  fre­ quencies  higher  than  the  out­off  of  the  high­ pass  filter  and  will  appear  as  pulses  on  the scope   The  absence  of  a  transient  will  indicate either  that  the  elements  belong  together  or  that no  energy  was  present   Again  a syetematic  cycle roiy of  codes  should  place  most  of  the  elements  cor­ reetly noted  that  there  is Li  tendency  9  Ibe  gi    essentially  fluctuating  d­c  signals  after  they  re  modulated  down  to  their  normal  frequency  lo­  cation   They  can  best  be  examined  in  the  form  of ozoillographio  traces   ligure  42  shows  a  set  of  uaistortea  vocoder  channel  signals   It  will    for  the  ampli­  enhances  the  value  thealueofosi  of  otoillographic  traces  enanceso  aphitra oes  of  of  this  type   Without  compression  the  lower  ax li­  tudes  are  obscured  by  the  width  of  the  traces   Instantaneous  compression  makes  changes  in  the  magnitude  or  direction  of  the  traces  apparent  in  the  lower  level  sounds   The  patterns  shown  in  figure  42  were  produced  in  this  nanner   5   Indicator  Methods  In  the  rollowing  methods  a  visual  in­  dioation  is  obtained  denoting  which  of  several  possible  choices  puts  the  speech  eleoents  in  their  proper  order   These  methods   of  course   are  applicable  only  to  sues  where  the  possible  number  of  choices  is  not  overwhelmingly  great   A  natural  example  of  a  visual  indication  occurs  in  the  illuetration  of  TDS  in  figure  59   When­  ever  two  originally  adjacent  speech  elements  re­  main  adjacent  in  the  scramble  the  two  elements  are  not  separated  by  a  time boundary  in  the  pe­  trogram   Elements  which  do  not  belong  in  adja­  cent  positions  have  a  boundary  resulting  from  discontinuities  in  the  harmonics  and  from  spill­  over  effects   The  absence  of  a time  boundary  can  be  taken  as  an  indication  that  the  two  adja  cent  elements  belong  together   To  make  use  of  this  effect  the  following  procedure  is  suggested   Record  a  saz2le  of  the  soranble  on  a loop  of  tape   Reproduce  this  sample  through  a  TDS  machine  and  make  a  spectrogroa   noting  any  ad­  jaoenoies  which  occur   Chamge  the  code  in  the  TDS  machine  and  make  another  speotrogram  again  noting  adjacencies   A  systeatic  set  of  codes  shoul  beore advaeeules  ante  which aet  ofodes  should  be  wpoked  out  in  advance  which  explore  Sall  the  possible  combinations  of  elements   At  the  end  of  such  a  cycle  of  operations  it  should  be  possible  to  place  a  large  percentage  of  the  elements  correctly   This  oa  be  applied  to  non­  repeated  or  repeated  code  TDS   then  through  a  high­paut  filter  with  the  same Another  example  of  the  indicator  moth­ od  is  the  following   Suppose  in  a  split  band  D2 system  6  known  codes  are  used  in  an  irregular sequence   and  it  is  desired  to  determine  the  se­ quenoe   The  following  procedure  is  suggested Record  a  sample  uad  reproduce  it  through  a  do coding  machine  equipped  with  one  of  the  proper doeodos   and  make  a epectropaz   Certain  ele­ ments  in  the  spectrogram  will  be  seen  to  be  nor­ Sal speech   These  elem4nts   Of  cousel   are  the ones  to  which  the  particlax  esde  applies   It is  much  easier  to  determine  whether  a  particular element  consists  of  straight  or  serambled  speech than  to  determine  which  particular  code  was  used Repeat  this  procedure  with  each  of  the  other five  codes   Iach  element  can  thereby  be  iden­ tified  with  a  particular  code varation  of  this  procedure   which should gve more  positive  results   is  as  follows The  output  of  the  decoding  machine  used  as  above is  rectified  before  makin  the  spectroram Rectifying  normal  speech  does  not  add  iarmonie componet   whereas  rectifying  speech  which  con­ cpo­ talc  s  band  shifts  results  in  inharmonic  c  nents   This  is  illustrated  in  figure  43   The upper  speotrograa  shows  rectified  straight speech   This  looks  perfectly  normal  except  that the  frequency  range  is  somewhat  more  completely covered  with  harmonics  than  is  the  case  in  nor­ zal  speech   The  second  speotrogram  shows  a  se­ queies  of  split  band  scrambles   The  third epectrograz  shows  a  similar  salple  rectified with  none  of  the  elements  decoded   Rectifying the  undeooded  elements  results  in  a  complete snear  in  the  speotrogran  compared  to  the  reoti­ fled  straight  speech   Properly  decoded  elements will  stand  out  more  clearly  against  the  back­ ground  of  rectified  scrambled  speech 49 - 1 50 g 71 ECO nu Min l n- u au- 1 Straight' speech Rootified an I 'tf h 1 111311 Code Split Bani Scramble 94 -baJM- - L- #wu uh 3 - Similar to 110 2 Rect1fied Figure 43 - Shaving Effect of Baotifionthn on Horn and Bani Shifted Spoanh $1353 1 ti 1 43 Emit- W NON  Now­ Ng o100  L  g  VICE  oft RELAY I  TE  PW  A AMROi CN  APLWINiI  SAIICk ITItC   SCRAMOh  N WO  U  k   N  IILE  60WD  OLTA  P4  0  2  C        A   SAAWLIK  OF  SCIRAM5LIED S K c  ON  T'APE fCSIL TING  PATTERN CODE  AWrTCMINO  POINT I  L­  TMOCLAO ii rCNII  a­0FKUN1 4  APPL ICATION  TO  SPLIT  BAND  DICOOING  I  ­____ 41  ______ ­   4SILENT  i ture  0  I 4 II it F1  I  £IPM9iNT N  1 CAM  1I  INTERVAL  14ICTE TRUE POM74 N 44  ­ Band  Shift  Detector Yigure  45  A daptation  of  ipeoitrograph  for Decoding  Switched  Split  Band  Scranbie knother  variation  of  the  indicator  45   Tb   output  of  the  low­pass  filter  is  fed method  was  touched  upon  in  Chapter  V   It  con­  sista  in  sublecting  the  scrambled  speech  to  a  to  the  marking  saaplifier   Whenever  the  output 'Of the  low­PUs  filter  is Beroc  there  will  be  no ones  tone  lower  t'han  the  pitch  of  the  voice   In  cessively  at  each  of  its  10  values  or  5  if ure  inort  ance  of  omonnt  are  fich  scrambed  s  invrswiong  not  is  Tetie  usure   wisp  osed Rpal  tevies  win  ioll  relte  a  d  bec  awaernc  aus  o 51m  tec  f  t  te  ltr  agien tins thwese   If  asetheng  trces  ihe  ln  ofqu   upt  a  th oc Th  n  the  ih o  fact  each  lowe  lie  larepresetsatsilent  intwervach  setingle  blan  in­ce i  decterminetfor  each  elseent  is a  foe  beused  to  therv  iru  wteilisem contnoksomethisgindicathe init  popr  reuncylocwtich  freuncy  band  it  these  settings  were  the  correct  ones   If none  of  the  marks  for  a  particular  element  are came  rox that  verted   The  spectrograph  night  Ie  used  to  speed  up  the  analysis  process  as  illustrated  in  figure      ­ tem has  not  actually  been  tried  in  this  complete form  but  enough  work  has  been  done  to  show  that 7X j2 51 it  is  possible  to  make  use  of  the  presence  of  inharaonic  components  in  som  such  mazzr   It  cated  non­cryptographic  methods  apptar  most o'  mgt  the  elements  in  a  2­dimensional  scramble  be  identified  as  to  frequency  location   S  syetem  yield  very  poorny  to 7  noncrytograhi  attack   For  repeated  code systems   however   the  code  cat  readily  be  de­ termined  by  zatching  either  speetrograas  or variable  area  patterns#  taking  advantage  of  the numerical  properties  of  the  codes   These  zeth­ ode  are  covered  in  Preliminary  Report  No   14 Nonrspeated  code  systems   however   have  thus  far been  found  exceedingly  diffliult  to  handle although  the  methods  of  Sections  9   8  and  8 above  apply   Efforts  in  this  direction  are described  in  Preliminaery  Report  No   28 appears  therefore  that  a  substantial  fraction  of  One  other  possibility  of  this  type  might  be  menticced   Variable  area  patterns  of  rowel  sounds  have  characteristic  oonfigurations   These  configurations  depend  on  their  harmonic  structure   and  a  disturbance  of  this  structu Se  should  chamge  these  Patterns  in  a  recognizable  nanner   For  instance   if  the  components  are  inharemnic  there  will  be  no  perio4oioty  at  the  fundamental  pitch  rate   It  might  therefore  be  possible  to  use  varitble  area  patterns   which can  be  produced  nuch  nore  rapidly  then  spec­  trograma   as  indicators  along  the  lines  of  the  above  discussion   6   Application  to  Table  I  In  this  section  we  will  examin e  the  application  of  oryptodraphic  rethods  to  the  specific  sora•blizg  systeos  listed  in  Table  I   In  this  table  the  systems  which  might  require  cryptographic  attack  are  indicated  by  a  refer­  i  ence  to  a  page  in  this  section   The  follo wU  paragraph  numbers  refer  to  privacy  systeas  in Table  1   iA4  Among  the  systems  listed  under  single  modulation  the  only  one  that  might  require  oryp­  tographic  treatment  is  the  phase  reversal  system   This  system  is  a  special  case  of  the  multipliea­  tion  system  which  will  be  treated  later   B4   08   Among  the  double  and  triple  modu­  lation  systems   the  irregular  contir­ious  displacements  have  not  been  handled  by  non­  cryptographic  methods   It  might  be  necessary  to  take  a  continuous  series  of  speotrograms  to  determine  the  displacements  as  a  function  of  tins   This  might  some  day  be  done  continuously  and  instantaneously   in  which  case  conpensatind  frequency  changes  might  be  mude  continuously  by  hand  to  decode  the  material   systeMs   i  band  splitticd  Aoow  the  Dl  e  i  can  od es  switched  be  slowly  or  the  fixed  solved  by  inspection  as  discussed  in  Chapter  IV  on  diagnosis   If  the  code  is  rapidly  switched   however   single  elements  seldom  contain  suffi­  oient  information  to  deterUins  the  codes   If  the  switsaing  sequence  is  a  repeated  sequence it  nay  be  worthwhile  for  the  sake  of  quality  to  determine  the  sequence  end  get  in stop  with  it   In  this  cooe  the  nethods  described  in  Section  5  above  should  be  of  assistance   If  the  switching  sequence  is  never  repeated  the  indi­  reatonable 7 r  74   Speed  variations   according  to  sote preliminary  laboratory  tests   are  rather  ineffec­ tive  in  maeking  the  intelligence  of  speech  un­ less  the  variations  are  exceedingly  wide  and rapid   Technical  difficulties  then  become  so great  that  this  appears  to  be  an  unlikely  pri­ vacy  system  by  itself   Small  variations  in speed   heover   might  be  used  to  make  speatro­ grams  of  TDS  system   more  difficult  to  match In  this  case   however   it  will  be  unnecessary  to determine  the  speed  variation  program  if  the  MS scramble  can  be  removed 01   0   G8   Coabinatione  of  TDS  and  froe­ quency  scrambles  are  interesting  fro  the cryptographic  standpoint   Since  repated  code TS systeus  were  found  easy  to  break   it  was proposed  to  add  various  forms  of  split  band scrambles   It  was  argued  that  the  continuously changing  frequency  scrambles  would  alter  the shapes  of  variable  area  patterns  so  that  they could  not  bm matohed   Furthermore  the  changing frequency  scrambles  would  sake  speotrogrus  un­ suitable  for  matching   especially  if  the  split band  codes  were  switched  nonsyschronously compared  with  the  •8  boundaries   Each  tine  the frequency  code  was  twitched  a  new  vertical  bourd­ ary  would  appear  in  the  speotrogram   and  in  com­ bination  with  the  TS boundaries  the  spectrograms would  be  very  severely  broken  up  in  the  tinm scale   It  was  found   hovever   as  d esussed  in Preliminary  Report  No   19   that  if  the  TDS code is  a  reopated  code  the  frequency  scrambles  can be  practically  ignored  in  matching  variable  area patterns   Having  found  and  removed  the  TS  code the  remaining  frequency  scramble  can  be  solved by  noncryptographbi  methods In  the  case  of  nonrepeated  IDS   how­ ever   the  addition  of  split  band  coding  would increase  the  difficulty  considerably   provided that  the  two  coding  systems  do  not  provide  clues to  each  other   The  most  promising  method  for Figure  46    ­ Illustrating  Repeated  Code  Uultiplioation  System handling  this  system  appears  to  be  to  determine  the  split  band  codes  first  by  the  methods  of  Section 5  above   If  the  split  band  codes  are  then  rtnovrd  the  remaiing  scramble  can  be  hand­  led  aa  straight  TDS   Another  possible  method  is  to  make  variable  area  patterns  with  all  tht  do­  oodes  superposed  as  described  in  Suotion  St  in  Chapter  V   The  resulting  patterns   however   gardless  of  the  value  of  speech  signal  at  the mosent   If  several  cycles  of  scrambled  speech material  are  superposed   therefore   they  have  the appearanse  shown  in  the  photograph   figure  46 The  superposed  traces  show  a  definite  pattern with  regions  of  high  and  regions  of  low  anpli­ tude   and  also  sharp  indentations   These  lat­ tsr  are  the  crossover  points  of  the  ode  wave will  not  be  as  satisfactory  for  matohing  at  pat­  teWns  of  straight  speech   There  iw also  a  marked  tendency  for  the  peaks  to occur  alternately  above  and  below  the  center line   but  the  amplitudes  of  the  peaks  are  not al   alike   jince  the  speech  amplitudes  tend  to average  out  over  a  nunber  of  cycles   the  ampli­ tudes  of  the  superposed  peaks  reflect  pretty accurately  the  amplitudes  of  the  coding  wave  at those  points   The  probable  shape  of  the  coding wave  based  on  this  evidence   has  been  partly traced  in 04   The  two­dimensional  scramble  can  be  handled  by  natching  spectrograms  if  a  repeited  code  is  used   Experiments  along  these  liaes  are  described  in  Preliminar•  Report  No   22   If  the  code  ts  nonropeated   however   it  would  be  ox­  ceedingly  difficult  and  time  consuming  to  htinl It would  help  dle  by  unaided  matchiMn   considerably  if  the  original  frequency  location of  each  element  in  the  scramble  could  be  deoter­  mined   This  night  be  accomplished  by  the  methods  described  in  Section  5   HI   aeteroining  the  code  for  multiplica­  tion  or  phase  reversal  systems  can  be  accom­  plished  quite  readily  if  the  code  is  repeated  at  sufficiently  short  intervals   In  the  one systen  which  was  Met  in  Project  0­4 3  Preliminary  Report  Mlo   18   the  code  wave  was  repeated  100  times  per  second   In  this  case  the  soranbled  signal  could be  applied  to  the  vertical  plates  of  az  cecil­  losoope  with  the  horizontal  sweep  synchronized  with  the  code  cycle   It  ic obvious  that  every  time ­he  coding  wave  passes  throuEgh  zero  the  soranbled  signal  also  passes  through  zero  re­  It  has  been  found  experisentally  that if  only  the  crossovers  of  the  coding  wave  are reproduced  the  speech  will  be  intelligibly  de­ coded   The  decoding  wave  need  not  be  the  reci­ prooal  of  the  coding  wave   It  can  be  like  the one  drawn  in  at  the  right  in  the  photograph   It is  only  necessary   therefore   to  generate  a  wave having  its  crossovers  at  the  indicated  points and  reverse  the  phase  of  the  scranbled  signal  of these  points H2  HS   Level  modulations  by  theaselves are  but with  they other  might systems  very  well  used not  in  private   combination  in  be an attempt  to  foil  the  matching  of  speech  patterns The  level  modulations  themselves   however   need not  be  solved  cryptographically 31   There  appears  to  be  no  method  either  cryptographic  or  noacryptogrehio  for  breakins  the  noise  masking  abod  if  the  noise  is  predis­  torted   random  and  suffiocietly  high  in  level  to  really  ask  the  speech   Thee  requirements   however   make  the  technical  difficulties  for  system  operation  very  great  and  it  is  unlikely that  this  method  can  be  used  over  radio  channels   Cracking  this  system  therefore  becomes  a  matter  of  solving  the  noise  distorting  systea   Project  C43  has  had  no  experience  along  these  lines   1l   K2   18   14   Scraebled veeoder  chan­  nels  can  theoretically  be  solved  by  matching  osoillograns   Actually  u  mentioaed  in  Section  4  above  this  procedure  is  very  difficult  because  the  channels  look  so  much  alike   7   Deternination  of  the  Message  ply  needs  better  execution  than  it  received  in the  first  attempt TVe  objective  of  deecodin  work  is  us­  ually  not  to  determine  the  codes  used   but  to  lean  the  intelligence  which  was  tranmitted  un­  der  these  codes   In the  case  of  repeated  code  systems   the  procedure  for  obtaiting  intelligence  is  obvious  once  the  ode  has  been  determined  by  the  methods  outlined  above   It  is  only  neces­  sory  to  set  this  code  into  a  mAchine  similar  to  that  used  at  the  receiving  end  of  the  system  being  eonitored and  listen  directly  to  the  transmitted  speech   If  the  naterial  has  been  recorded  while  the  code  was  being  deternined   the  recorded  material  con  in  general  be  decoded  in  the  a ne  way   __  In  the  once  of  nonrepeate  od  e  eye­  te is   the  determination  of  the  code  sequenceegaaino  leaves  us  in  general  a  long  way  from  the  deter­  nination  of  the  message   Obviously   all  the  material  must  be  recorded  in  scrambled  form   It  is  aeoossary  during  the  process  to  establish  time  reference  points  in  the  scramble   perhaps  by  superposing  clicks  or  spurts  of  tone  during the  recordine  process   and  referring  the  code  sequences  to  these  points   A doeoding  aaohine  must  be  available   such  as  the  one  described  in  Preliminary  Report  INo   18  which  is  adaptable  to  a  variety  of  coding  system   The  code  sequence  54 ­­ _ here  are  some  alternative  possibili­ ties  which  uy  apply  in special  gues   In the case  of  nonrepeated  code  TDS   for  instance   the process  of  matching  variable  area  patterns  has actually  restored  the  speech  in  reproducible form   Variable  area  patterns  can  be  played  back just  like  the  sound  trackhs  used  with  motion  pie­ tures A playback  neine  of  this  type  is describ4d  in  Preliminary  Report  fo   18   The  re­ aranged elements  are  moutned  on  a strip  of  ad­ hesive   and  scanned  With  a  light  slit  and photocell   Considerable  noise  is  caused  by  the Joints  between  the  separate  elements   but  this could  be  largely  elizinated  by  a  specially  de­ signed  squelch  circuit   perhaps  controlled  by  a separate  light  bean  and  photocell  to  out  off  the output  wherever  a  joint  is  passing  under  the scanning  been   The  first  attempt  to  use  this decoding  method  was  unsuccessful   as  discussed in  Preliminary  Report  go  28   However   there  is nothing  basically  wrong  with  the  method   it  asi­ Ll   L2   1   Channel  mixing  systems  woald  be  exceedingly  difficult  to  handle  cryptograph­  ically  if  a sufficient  number  of  channels  Were  involved  so  that  non­crytographic  methods  were  inapplicable   The  only  possible  method  of  at­  tack  appears  to  be  matchinj  spectrograms   Since   however   about  25  percent  of  normal  speech  con­  sists  of  pauses   many  of  the  switch  pointA  will  occur  in  these  pauses  and  it  will  therefore  be  difficult  to  establish  continuity  by  matching   ­1Žk  7_T7  mudt  be  set  into  this  machine  perhaps  in  the form  of  a  punched  tape   The  scrambled  aster­ al must  then  be  re produced  and  fed  into  the enahane   maintaining  proper  sanchronism  between the  reproducing  and  decoding  systems   Obviously this  is  a  very  formidable  job If  the  solution  of  the  coding  system requires  speotrogran  rather  than  variable  area patterns   it  is  still  theoretically  possible  to play  back  the  rearranged  pieces   A playback  ma­ chine  for  spectrograms  is  described  in  Prelia­ inary  Report  No   17   This  first  model  requires a  negative  transparency  of  the  spectrograms   to be  scanned  by  a  light  slit  and  photocell   with a multi­frequenoy  light  chopper  interposed  ahead of  the  photocell   Again  the  method  is basically sound   The  experimental  machine  described  in the  report  needs  considerable  improvement  before it  will  yield  adequate  quality  for  the  purpose described  above   in  order  to  overcome  the  de­ ult  aue  ytejitb gradation  of  quality  caused  by  the  joints   by slight  nisplaoements  of  the  elements   by  epill­ over   at  the  boundaries   etc   Jurthermore   in order  to  get  good  patterns  for  matching   the signal  must  be  subjected  to  a  very  high  degree of  onspression   which  distorts  both  the  time  and the  frequency  distribution  of  energy   It  may  be necessary  to  make  one  kind  of  pattern  for  match­ iu  and  another  kind  for  playing  back   as  wae done  with  the  variable  area  patterns  described in  Preliminary  Report  No   26 As  a  final  alternative   it  is  possible  to  learn  to  read  speech  speatrograu  by  visual  inspection   Theoretically   therefore   the  rear­  ranged  speotrograns  might  yield  the  mesage  di­  reotly   Fere  acain   however   the  boundary  distortion  will  increase  the  difficulty  of  read­  ing  the  ptterns   It  has  also  been  found  that  the  beat  patterns  for  matching  are  not  the  best  for  reading   and  it  aax  be  necessary  to  make  two  '  55 sets  of  patterns   However   since  spectrograas have  been  continually  improving   the  possibility of  visually  deterzining­th3  intelligence  froa rearranged  spectrograzs  zust  be  listed  as  a  adi­ tinot  poseibilityý ana  one  which   ifit  is  feaal­ ble   is  the  zoat  general  of  all  methods  since the  basic  procedure  is  the  same  for  all  of  the sorambling  methods  which  can  be  handled  in  this manner PAC TCAL  EVAiUATION  OF  PRIVACY  SYSTEMS The  material  in  the  foregoing  chapters  is  intended  to  be  useful  not  only  for  possible  interception  and  decoding  of  scrambled  meseesges   but  also  to  aid  in  the  production  of  new  privacy  systems   and  to  estimate  the  degree  of  security  which  we  might  expect  to  obtain  from  these  or  other  systems   Uxperience  has  1hown  that  there  is  a  strong  tendency  to  underestimate  the  secu­  rity  or  military  value  of  a  given  privacy  system  as  soon  as  laboratory  studies  have  indicated  that  the  system  can  be  cracked   In  this  chapter therefore   an attempt  will  be  made  to  point  out  the  great  difference  between  what  might  be  termed  theoretical  or  laboratory  evaluation  and  practical  or  field  evaluation   In  order  to  balance  the  effect  of  the  previous  chapters  this  one  is  written  from  the  standpoint   not  of  the  man  interested  in  decoding  a  system   but  of  the  man  interested  in getting  a  practical  privacy  system  into  use  in  the  field   1   Orackina  Time  The  objective  of  a laboratory  study  of  a  privacy  system  is  to  obtain  some kind  of  qusa­  titative  measure  of  the  time  or  effort  required  to  decode  the  system   The  questions  are    How  long does  it  take  to  determine  the  code   and  how  much equipment  and  how  many  people  are  required   In general  the  procedure  is to  acquire  a  pair  of  actual  models  of  the  system  under  scrutiny   ThI  coding  and  decoding  processes  are  studied  in  de­  tail  possibly  with  the  aid  of  nathematical  anal­  ysls  to  determine  whether  there  are  anyweakmesm  or  any  oharacteristios  of  the  coding  process  of  which  advantuge  miGht  be  taken  to  assist  in  the  oraohina  process   Possibly  a  noncryptographio  method  will  be  found  to  apply   In  this  case  the  oraoking  time  reduces  substantially  to  zero   If  nonoryptographio  methods  are  not  applicable   awilable  cryptographic  'ools  and  methods  are  brought  to  bear   Usually  a  new  scrambling  aye­  toe  will  require  modifications  or  ohbn es  in  the  existing  tools  or  techniques   Possibly  the  basic  methods  can be  improved  for  use  against  this particular  system   or  possibly  new  methods  can  be  devised   Presumably  after  all  this  develop­  ment  work  the  project  personnel  will  have  become  skilled  in  the  art  of  decoding  this  particular  system   The  oraoking  time  can  then  be  determined  quantitatively   perhaps  with  estimates  as  to  how  far  this  nay  be  reduced  by  further  skill   In  the  oase  of  repeated  code  systems the  craoking  time  determined  in  the  above  way substantially  represents  the  total  decoding  time because  as  mentioned  previously   this  code  oan be  set  into  a  receiving  machimn  and  the  message obtained  directly   Some  additional  time  might be  added   however   for  determining  what  was  said during  the  time  that  the  oode  was  being  deter­ mined The  procedure  outlined  above  is  very well  illustrated  in  the  series  of  Preliminary Reports  covering  the  development  of  cracking methods  for  the  repeated  cori  TDS  system   They include  rnathematical  analysis  Fos   3  and  6   the 1  and development  of  a  new  decoding  tool  eos   7   and  the  reduction  of  the  docodiag  technique 14   In the  case  of  the  maLl­ to  a  routine  11o   tiplication  system   the  ohronoloical  steps  are all  listed  in  one  report  No   18 Too  often  the  cracking  time   as  de­ termined  above   is  quoted  without  qualification to  describe  the  security  of  a  system   It  is of  course   usually  understood  that  the  use  of this  figure  involves  the  following  usumptions 1   that  the  enemy  kows  all  about  the  eoding system  2   that  he  is  equipped  with  an  adequate supply  of  the  machines  our  own  models  may  still that  he be  far  from  the  production  stage   3   has  developed  the  same  decoding  tools  and  tech­ niques  that  we  have  some  of  our  tools  may  be entirely  new  and  secret   4   he  is  equipped  with an  adequate  supply  of  the  decoding  tools   5   he has  trained  men  in  their  use   and  6   he  is  in  a position  to  receive  a  good  signal  free  of  inter­ forense   Such  aesuaptions  certainly  represent an  extreme  possibility   Experience  has  shown that  there  is  a  strong  tendency  to  forget  just how  extreme  a  condition  such  assumptions  repre­ sent   Bren  if  the  assumptions  are  valid  there are  still  other  factors  which  affect  the  mili­ tary  value  of  a  privacy  system  as  will  be  die­ cussed  in  a  subsequent  section 2   Nonreneated  Code  Systems If  the  code  is  hanged  periodically it  may  be  necessary  to  have  several  decoding teams  working  in  parallel  in  order  to  keep  up with  the  transmitted  material   as  was  mentioned in  the  previous  chapter   The  number  of  teams whioh  will  be  required  depends  on  the  relation I j  between  the  intervals  of  the  code  changes  and  the  cracking  tine   No  particular  difficulty  presents  itself  in  expressing  the  decodin  of­ fort  under  these  conditions  in  term  o  ___  hours   The  evaluation  is  complicated   however   by  the  necessity  for  additional  equipment   not  only  for  decoding  but  for  recoriing   In  the  cue of  nonrepeaGed  code  s97­  teow   the  cracking  time  for  any  given  portion  of  a  message  will  in  general  be  Iona compared  to  the  duration  of  that  portion  of  the  message   Zvery  portion  of  the  message  must  be  cracked  in­ dividually   ad  the  decoding  effort  can be  am­  pressed  as  a  ratio  of  decoding  time  to  message  time   This  ratio  may be  1 0Q0  or  100 000  to  1   that  is   each  second  of  nmssage  will  take  1 000  or  100 000  seconds  to  decode   Gonversely  it  would  require  1 000  or  100 000  teams  to  keep  up  with  the  messags  as  they  are  spoken   This  kind  of  evaluation  is  somewhat  unsatisfactory   because  the  length  of  tine  it  will  take  the  enemy  to  determine  the  intellipece  in  a  particular  sentence  which  might  carry  mill­  tar  information  will  depend  on  whether  or  not  he  im  at  the  moment  working  on  this  sentence  or  whether  he  is  wasting  his tivA  decoding  previous  material  which  might  contain  no  information  of  value  to  his   It  ha  in  fact  been  proposed  that  the  seaurity  of  such  high­privacy  systems  could  be  materimlly  enhanced  by  keeping  the  circuit  100  per  cent  busy  with  all  kinds  of  material   possibly  even  from  recordings   making  certain  that  the  eaey has  no  way  of  determining  when  the  circuit  is  being used  for  passing important  information   As  in  the  ease  of  noa repeated  code  systems   it  seems  a  bit  unrealistic  in  evaluating  such  a  system  to  assume  that  the  ineny  will  seBise  upon  the  few  seconds  of  message  time  which are important   and  to  compute  the  length  of  time  it  will  take  him  to  decode  that  portion  of  the  s­  8   Code  Analysis  1  any  schemes  have  been  proposed  for  generating  everohanging  codes  by  a  combination  of  short  cycles  geared  together  in  such  a  way  that  the  number  of  elements  in  the  cycle  is  the  product  of  the  number  of  elements  in  the  indivi­  dual  cycles   One  scheme  is  to  use  odd  ratios   such  as  99  to  100   so  that  the  code  cycle  will  not  repeat  until  the  smaller  wheel  has  %ad   100  revolutions   In  other  words  there  are  9 900  steps  in  the  code  cycle  before  it  repeats   Another  scheme  is  the  cycloneter  type  in  which  one  wheel  rotates  one  step  for  each  revolution  of  another  wheel   Again  the  total  cycle  is  the  product  of  the  number  of  steps  on  the  vidual  wheels indi­ Such  schees  should  be  dofstinuished from  truly  nonrepeating  codes   because  wherever cyclic  processes  are  used   they  are  subject  to analysis   This  is  a  matter  pertinent  to  the field  of  cryptanalysia  and  will  not  be  discussed here   In  general  it  may  be  said  that  the  dif­ ficulty  of  solving  such  long  cycles  is  not  de­ termined  by  the  total  length  but  rather  by  the length  of  the  individual  suboycles Systems  designed  to  produce  a  long code  sequence  usually  contain  provision  for  read­ justing  or  realigning  certain  elements  period­ ically  or  from  day  to  day   Assuwing  that  we kncw  all  about  the  system  except  the momentary settings   estimates  can  usually  be  made  of  the length  of  tim  and  the  number  of  people  it  would take  to  determine  the  unknown  settings  by  ans­ lysing  a  given  sample  of  the  cod  sequence   The analyst  requires  a  kncwledge  of  the  code  for  a long  sequence  of  soraubled  speeoh  before  he  can begin  the  work  aimed  at  determining  the  unknown setting   Es  must  obtain  and  solve  a  suffi­ ciently  long  sample  of  the  scramble  by  the methods  outlined  in  the  previous  chapters  and then  analyzs  this  sequence  to  obtain  the  set­ tinge   Too  frequently  the  evaluation  of  a coding  system  is  based  on  the  analysing  tim alone  whereas  tho  time  required  for  solving  or unscrambling  a  long  sequence  of  scrambled  speech nay  be  overwhelsingly  greater  than  the  analyting time   In  fact  if  there  is  no  way  of  solving  the code  sequence  from  the  soraable  alone   then  the analyst  can  contribute  nothing   and  the  system is  still  secret  regardless  of  any  inherent  weak­ ness  of  the  cyclic  coding  system EvaIuation The  continuously  changing  military  sit­ uations  of  modern  warfare  require  rapid  means  of e  communication  in  order  that  the  required  mili­ tary  actions  can  be  taken   Obviously  a  perfectly seouoe  speech  privacy  system  is  of  no  military value  if  it  requires  so  much  time  for  encoding and  decoding  that  it  slows  up  the  conunaeation system  to  the  point  where  appropriate  steps  can­ not  be  taken  when  needed   Obviously  also  a oraoking  system  is  of  no  value  if  it  is  too  slow to  permit  counter  measures  to  be  taken  according to  the  intercepted  intelligence   or  certain purposes  15  minutes  or  even  5  minutes  cracking time  is  much  too  slow   Where  this  is  true   a privacy  system  giving  15  minutes  or  5 minutes privaoy  is  just  as  good  as  one  with  an  hour's security   This  is  important  because  systems which  afford  a  few  xinuzea  of  privacy  uan  be  produced  in  portable  form   whereas  those  pro­  vidin  loner  privacy   at  the  present  cannot   itigAdvantae  iht  als  be  taken  of  te Avnaemgtas  etkno  h element  of  surprise   consider  also  the  equipment  and  train­  ed  personnel  required  for  decoding  intercepted  0oounicationa   As  a  specific  exaaple   the  small  TD  unit  required  about  U•  minutes  for  de­  coding  but  it  required  a  van­load  of  highly  speoialized  equipment  as  described  in  Prolimimary  Report  No   24   Suppose  the  small  portable  TDS  unit  were  used  in  mazy  planes  and  tanks  and  other  mobile  equipment  that  required  som  privacy   Suppose  also  that  different  codes  were  used  within  different  groups  of  units  and  that  the  codes  were  changed  at  some  reasonable  interval   Would  it  be  worth  the  enemy's  while  to  provide  enough  decoding  equipnent  and  enough  traid  Suppose  we  suddenly introduce  in  the  field  a  low­grade  privacy  sye­ tem  in  large  quantities   11ow  long  would  it  take before  the  enei  diagnosed  the  systea   developed a  decodin  method   manufactured  receiving  sets of  the  proper  type  and  also  deooding  equipment distributed  these  where  neeaed  and  organised  end trained  personnel  to  use  then   Until  he  has done  theoe  things  the  units  provide  complete seorec7y   different  kind  of  systen  night  then be  introduced  which  would  again  prorido  aeorecy for  a  tim m It  ta  intended  in  the foreoin  sidrto to  point  out  that  there  are  other  onsiderations in  the  evaluaticn  of  privaey  systeas  than  the tire  it  takes  a  highly  speoialised  group   such as  the  personnel  of  C­43   to  decode  the  system under  the  ideal  conditions  of  a  laboratory   The decoding  time  alone  is  so  often  quoted   because it  is  the  only  element  which  tan  be  described quantitatively   While  there  is  always  theoreti­ cal  agreezent  about  the  existence  of  the  other considerations  apparently  they  cannot  be  pointed out  too  often  or  too  stronaly personnel  to  follov  these  units  around  and  de­  code  their  neseages   If  it  is  not  worth  his  while   then  units  rated  as  low  in  privacy  W  provide  high  grade  privacy  under  such  conditions   Obviously  the  foregoing  does  not  apply  if  the  unite  are  used  to  convey  wessegs  between  the  hiaher  echelons  of  command   In  such  cases  the  meseages  have  a  longer  term  significance  to  the  enemy   and  he  can  u'ford  to  devote  consider­  ___________  __  able  time  aza  equipment  to  intercepting  and  de­ oodina  them C 4 ­ ­ ­ ­ y  K   4   K ­ ­ S I  I  I liii    II it  I    I fjfjjj f  liii iIiiHhI  i i  II a  I   I   4' V  I I  Iii  I' ii4 Ii A' iyi  ii 1' ij  liii j   A'I I 2  _______ ­  WC¾   r  ­ t­  ­­­ I  flrzrc  ­ ­     I 'p ______  '   17 It  1 k­   V A A   1  L    ti It  u  I iii 41 ­l j  IA U3   R'I  fjJf   j  r      11 j  '4  ii  I  1I I Eg    5 I j d  I  IfII III  S a Ii Ill IfIa  tiIg a 63 1 I 2 Embr- 8% 14 1 2 2 21 22 121 22 2 1 1 2 141 F may T 2 2 92 322 1 1 31 22IA2 2 p 2 and are nun-or no nPdunIn u2nuao uoaahaal vi Innuv215nnhalw wanna- win nunpiunalw Ipullaau ha a unvln pain I 7 Inn 0 oval IHHBI 5R a I IHI son pad-noon as nonuwnn nu on an aunt than H are Hal-H nulnoualyll unanllvu nun aapu plo oaanwnuaau In unuawiun new who trial tuba-I alu vl nHIInHH nuIalnulno pal cubic HE nameluno Annd naai an taupe-an Quin-nah Hula n ua o lunlnulnl Inning Ian Had-Hols annuilnnl na Hahn app-Bonn nanub a gunman-092 Ilwuu I Mac-Hols In Il awuun planar-12Iuho i aunt unini- nxal nu pic Hun cinnarunn Hun-uduul In and-nuwb c I pr no Hounakphna nee-n15 Iapvh 93 an nailnon rd pawl naidapb penal coupons Inmuv are nunwlu menad w I bHvau lno Hnionuwou 4 z m - r 5-4 4m u unBojn uma can I 8 gm gagig gi n iggug agn nagging sang-gonna a o gh gu iig galggo af gag nsiaad gag 2331 50 09 38 angugu ggsidlioa ggo 33 2333 530353983 V0 3398831333 3 Ei 1 1 L E a -7 3L fars p qu 5707 72 52 32 3 - Qwigi g g T Erl mf w 7- u W71 313 431 335Taxi a a az r 341 11 3- 1 Ulrggugilgon ga p rt 7 gain palladi- 5E 3 3 goioglil glganagi await-E3355 announce gon lglgul nowp sni uuvg gigs l e 0 i gov-igeginrogguir mag on as an In lg-084 na Ed annual-I I Sharia-adv 1 Ilnllo A InJail l u l I I h nomakob H drawn-am I Dunn h gaaoggi'ia ggaauoslglagga IIEO 8ngigg-gulauaggua i gagu ae 9 83 3 u3holua 43 33003 jga liaho Ail gunk sagoaaon i oi an 3335 - 31030053 ng ga asg gunk-bun lggigg ggsgi iagigglg a Sumac-gag iugx xggoaub v r111 a gr-rno-nr-r-w litmus Pm ands pug - as un t Hal s-109000 13mm Inc-unm- mzmomudopmm mqmw mm-minumo 'p and mama-om ma a 'Iunodz Hutton-Adam 'onx luau-m- In mm queasy-mu 'm mum an uncut 10 pm In unm- mnouw noun no to tutu-nu our in non wm I u lI qumu muum'mu-m oqzuqmqotm nnoxo mtanmnI-nmn I'm-Dianna 'opoo a Q1 lwh 1343 usable a 2 an 1 HI ung 1 rmt r r n 7 I   1  f '1 j #1111a  ii11111' I  ­  dI  ­ I 'B A I  I ­ ­ i iltiiiIi iJ  II j ­ ­ ­_  K  'iy­­  K t2Z I  4  1  LThLTJV  ­­  ­ I I   ­ I  ­  I  A ii 2  ­ 4  U    A    I  £  4  w  C ­ I  1  ­     13 1 I  iLl  'Ii'  jF  ­ ­1  IiII  A  U S 1111111  iljJj   11111  1 77 I ­ ii i U 4 4   K  i ji f  i  1 if'  If  3 t4  I   111  1 J   I  U  jlj 4 I'j  i I ii  jIII  I lit  II    iji   4i jJ  a i A ftp El-7r This 1 tho no Ill systo- no tho 11-011mm illustration Int a bond or non hon boon added to inure-no tho Irina Ono mm- of tho highest of tho tour from hands into which tho channel no dividod h1- hom r111 with thorn-1 nolno In tho opp-r npootmmn this noioo no study and in tho lower one it go - torn-d onond off about 4 t1 - por UQ HOto that although tho min on introduood into only on Johnna 1t nppourn 1n nah of tho four nidohndn 1n the than pttornn m1 nhovn that 111 ml 0h snob-n11 con- ulna oompononta tro- onoh Inb bnnd - a Figure 57 - Time Division ultiplox lith Hoiaa Channel - 4A 1 A Eb w n em noma a can mm 8 93 il I 314i l jirllirl 25 r1 1 - - rm-4 v55 4 7 7 13 uL mx 2n ommos pm and amounts m an 0 titanium-m - 09 can Winn-I103 Jog-amompuS-mmw taunt-Wm lap-panama 'tmmouuoddnuqau onnunttuddom ozu I zv mm Manama an u1mluoupJquvIumon f1  140­  A  U   4O  O  h  ajA 144  13  0  4 Oh 1114­1 i 0a  47 i  1 4 g  IN  o  l 3  4 nun-ulna a lggi gghgiaaggd gaggaga LIA-IF gng aguahnig 3 35092558333053ng33 155th 9 35 333 g a i naaS-n s lli QilarI I I 01 111 1 ltrl liq hlwuchI 11ltti 17 3 73m - 91 1 AWL WW I 5 In ws 9 53 1 2m 8 me gniiq au ia g zuo 19 422hi 1­i ­ in fit  E 1 filL    ii n I  jsiX      I   I j t 1 ii IiiI  ii   1K  it  I  j hi  Er  1 95 I  J i'a n  wn  I  Iii  j 1Ri ­ Ix u h '  A  ii P11   Ai' The upper'apeotrogran shone a continuouo noiae nith aeteral eorde or eyllahlee shoeing through counting the harmonica aha-e that tho fundamental of the nniee in aboutpl cyclee Examination of the aignal eith an oncilloecope ahoee that the noise onneiete of abort pulaeo about 10 1111- aeconde apart These can he removed hy'a blanking circuit - the loner spectrogram shone a aanple not the aane as the one ahoee eithont tho pnleeo the outstanding charecteriatic an in the aanplo ahoee in an alnoet coaplete lack of tho etructnre of unreal apeech alao tho energy in dintrihnted nnre or lone evenly oeer tho ireqpenoy range for each enmd or ayllahlo Ihewe are no characteristic recon-non arena There are no regular boundaries either vertical or horizontal the aeqnonce or eordo and epaceo looko normal in the opectrogran and has the annual oadonce of speech to the ear Those cherecteriotico are to he empeoted ehen the scrambling qyetee operatee on the none can directly In this particular system the apeeoh none nnltipliod hr'a codina eeoe the latter'eaa repented 100 tinoo per aocnnd nith pulse bet-eon eech cycle It in obeiono thot a of required to remove the cod- ing nave at the receiving end nhich actonnta for the of tho pol-en It any he noted that phone at a irregular rate to aohiove privacy in aloo eoaentially a multiplication process extent thot the hue no ealnoe othor then pane and ninna unity Spectrograne or ouch ayltenleonld be expected to look the Iigurn 65 - Multiplication - ex r 7 a u mt w 14 mm-h -- I why mung 9 3 H3555 Santa II I we a oiogo ulguong gig gaggaaiaglagigag ni5 eg NH Auggili oB Egn ego In I lilli lurk I1n1 irt h Err II I a lid TT Zgh­ ___  ­­­  ­­  ­ ­ ___________________  _______________  I I    1 ilJf  if  I I  I I I    I It  1   44J  Ii '  j i  a 0j I El    kl  i1    mi­ hi 1A    a 9 1111 III 11111 a ­'­ ­   ­ ­  ­ _____  ­­ __  ­­­­­ 101 a Ln wiloll- 531Iotll-oln 9 run lull-ii5 llun 1 1-- Engatgagiigg uvga yegg bagsggig Ito-3 I magnum Eva nrll I 4 @555 Luz 7 61 7' fun - 1  A 14  ­4  14  1­  4  1  N  ­ A  w 4  I  NiI'  44­­ ­ 4 4 If I  4  ui Ow 44i  ­14 14  0 a  A 10  a 9  po ­  4  4  A  ­4 103 A PC  Q   04a NONCRYPTOGRAPHIC  Dl•CODI•D  I•TBODS   Used  by  Zisousaion 27  yes  33 38 28  and  29  'es  Yes  30  ABsC  31  AB   and  32  33  Yes  yes 34  Yen  No  35  yes  37 ITO  38 Diagram  1   Captured  set  or  junctional  Equivalent a   find bytyen  lze  into  stop  Program ­ got  Simp•ale Condtion ­ 2   Cozproxalse  Deood iz  Uethods a   Interadiate  Condition  b   Listen  to  Portion  of  Frequenoy  Band  o   Listen  Part  Time  d   Limlter   Peak  Chopper   Compressor  e   Reotifir  f   superposition  a   Approxiatm  CMe by Trial  h   SPoi l  Uood  Code by  Reooding  is  Direotional  Discriminator  3  Automatio  Deooding a   Total  Energy  b   0   Energy  Yerqumnoy  Dietri utioe  PitOh  Change  Corrector  do  Wobble   Corrector  o   Code  Wave  Generator  tTO  f   Parallel  Autozaria  as  Inharmonio  Detector  U  and 37  34 34 34 35 35 Se 38 37 No  ITO  37 38 No  39 3o 39 ITo  2105 AT1­  r  ser  TITLE­ Final Report  ­ Part  I  ­ Speech  Privacy  Systems  ­ Interception   Diagnosis   Decod­ ing   Evaluation  u  AUTHOR Sj   Koenig   W   ORIGINATING  AGENCY   Bell  Telephone  Labs   Inc   New  York   N   Y   PUBLISHED  BY  Office  of  Scientific  Research  and  Development   NDRC   Div   13  SATIl  Oct  '44  ABSTRACT   ICC   0 5  Secr   L AN4JA  U S   Eng   ASU   I rIStUSTIASFON   None 0410 Ao­SS  NO 4   None 4573A '1'1  1 photos   tables   diagrs The  results  of  three years'  experience  in  diagnosing   decoding   and  evaluating  speech privacy  systems  are  summarized   Speechprivacy  systems  may  be  used  in  connection with  radio  telephone  systems  or  wire  systems   but  radio  interception  problems only  are discussed   The  decoding  techniques  described  apply  to  wire  as  well  as  to  radio  communi­ cations   The  sound  spectrograph  is  described  including  its  history   method  of  operation and  capabilities   It analyzes  speech  in  terms  of  its three  basic  dimensions   frequency amplitude   and  time   and  portrays the  analysis  in  the  form of  spectrograms   Basic  speech scrambling methods  are  also  explained  in  which the  original speech  is  transmitted  with  its parts  modified   displaced   or  Interchanged   Cryptanalysis and  cryptography   which  apply to telegraph  types  of  communication   are  also  described DIVISION   Electronics  t   SECTION   Communications    A  CSIWOY  29345     $ '­­  J SUBJECT  HEADINGS   Communication  systems   Secret _  23992 87   Decoders  28877 ­A       2  0  CAL  INDEX  Wright­Pateron  Air Force Has DOy on   OhN s