秘話
1932年に制式化された九二式多重無線電話装置はSSB(抑圧搬送波単側波帯)方式を用い周波数分割多重化 (FDM) により複数の電話を伝送する方式で、秘話方式としてはキャリア周波数を交互に切り替えることにより音声信号の周波数をシフトさせる方式が採用された。秘話性はさほど高くないが、この当時としては複雑で高度な無線電話装置だった。
その後、1937年の支那事変により海軍内の通信はさらに急増し、各拠点間を有線の専用回線で結ぶことが決まった。この海軍専用線を使った有線電話での秘話のため、音声周波数反転方式を用いた簡易型の有線電話用秘話装置が九八式秘密電話装置有線用として制式採用された。
海軍での艦隊内通信用の秘話装置の要求も高かった。この当時の海軍での各艦船間の連絡には海軍九〇式無線電話機や九三式超短波無線電話機のようなVHF帯のコンパクトで設置が容易な無線電話機が使われていた。当初は艦隊内の限られた範囲にしか電波が届かないと思われていたが、季節や時間によっては見通し外のかなり遠くまで電波が届くことが分かり、盗聴を避けるため秘話の機能が必要になった。このような用途のため、小型軽量で簡単に使用でき十分な秘話性を持った秘話装置の要求も高まった。 最初、東北帝国大学通信研究所で研究されていた磁気記録装置を応用したものが検討されたが、コンパクトさや衝撃に対する強さが要求される艦船用としてはとても実用になるものではなかった。その後も帝国大学や電気試験所の関係する研究者を招いて研究を行うなど完成のために多大な努力が行われた。しかし、陸軍の移動式無線電話の場合と同様、軍用として満足な結果が得られないまま終戦を迎えた。
ドイツでも同様の方式の装置の試作を行っていたが秘話性が十分ではなく、シーメンス社で音声を三つの周波数のブロックに分割してそれぞれ独立に時間単位のスクランブルを行う改良を行ったりしたが、機械が大幅に大きくなったにもかかわらず満足した性能が得られなかった。そのためSIGJIPと同じような装置がドイツで使われることはなかった。
フォイヤーシュタイン研究所
ドイツでは1937年以降シーメンスやテレフンケン、AEGなどの企業やハノーバーにあったフィアリング博士(Oskar Vierling(ドイツ語版))の研究所などが秘話装置の研究を行っていた。1943年には開発の効率化のためテレフンケンとフィアリング博士の研究所の研究のみが残り、1944年以降はフィアリング博士の研究所に集約された。フィアリング博士は電気音響工学の研究者で戦前には発振回路や新しい電子オルガンなどの研究を行い、またアナログ方式の秘話装置で重要なフィルタ回路設計のエキスパートだった。アメリカの秘話装置A-3を解読するためドイツ陸軍が作成した装置"5B"のフィルタ設計はフィアリング博士が行った。この時期にはこれ以外にも軍関係の多くの研究を指揮した。
ハノーバーの研究所が爆撃されたため、フィアリング博士らのチームは1942年ドイツ北部のオーバーフランケン地域の山岳地帯に疎開しフォイヤーシュタイン研究所(独: Laboratorium Feuerstein)を作った。研究所の建物はカモフラージュのためフレンキシェ・シュヴァイツに多くある城のような外観に造られ、屋根には病院を表す赤十字のマークがあった。
W-CDMAでは、鍵ストリーム生成のために'f8'と呼ばれる鍵ストリーム生成アルゴリズムが仕様書で定義され、そのコアとなる暗号化アルゴリズムとして、日本で開発されたブロック暗号のKASUMIが標準として登録されている。KASUMIには致命的なものではないがいくつかの脆弱性が見つかったため、SNOW 3Gと呼ばれる暗号化アルゴリズムも2006年に標準として追加された。同じような脆弱性を持たないようアルゴリズムはまったく異なったものが選ばれ、KASUMIがブロック暗号アルゴリズムなのに対し、SNOW 3Gは線形帰還シフトレジスタ (LFSR) を複雑化したストリーム暗号アルゴリズムである。これらで使用する暗号鍵の長さは128ビットで、認証の際にも同じ暗号化アルゴリズムが使用される。鍵ストリーム生成アルゴリズムの入力には暗号鍵以外に、32ビットの暗号シーケンス番号である COUNT-C、5ビット長の無線ベアラ識別子 BEARER、1ビットの方向識別子 DIRECTION があり、同じ鍵ストリームが短期間に繰り返し生成されないような工夫がされている。
CDMA2000方式では、ブロック暗号の128ビットAESがストリーム暗号化の鍵ストリーム生成用に、認証のためにはCAVE (Cellular Authentication and Voice Encryption)、あるいはより新しいAKA (Authentication and Key Agreement) アルゴリズムが使用される。2.
アナログスクランブラーの有効性を比較するの評価項目として以下のものがある。
残留了解度 (Residual Intelligibility)
遅延時間 (Encoding Delay)
鍵空間 (Key-space)
バンド幅の拡大 (Bandwidth Expansion)
また、スクランブルした音声を受信側で元に戻した音声信号の音質(了解度や明瞭度)も重要な要素になる。
残留了解度とは評価項目で最も重要なもので、スクランブルした音声をどの程度聞き分けられるかを表す指標である。音声信号はもともと冗長性がかなり高く、人間の聴覚も非常に柔軟性があるため、周波数スペクトルの変換や時間順序の入替を行っても全く聞き取れなくなるわけではない。残留了解度は意味のある単語や文章を用いて聞き取れた割合を0から100までのパーセントで表すもので、評価に使用する単語としては語彙数が限られ冗長性が低いものが扱いやすいため、数値を用いるのが一般的である。0パーセントはホワイトノイズのように全く元の単語が分からない理想の状態で、10パーセントは通常の下限値、30パーセントは中間レベル、50パーセントは高い値でスクランブル後で数値や単語の半数が正しく聞き分けられることを意味する。
遅延時間は音声を入力してからスクランブルした信号が出力されるまでの時間である。
1940年代にベル研究所が出願したSIGSALYに関連する多くの特許は、それから30年以上経ちデジタル技術が特別なものでなくなった1975〜1976年になってようやく一般に公開された。またA-3がドイツで解読されていた事実も秘密にされた。
アメリカ、ドイツとSIGJIP
第二次世界大戦中は、SIGSALYのような大掛かりな秘話装置だけでなく飛行機に搭載可能な程度の大きさの簡易型秘話装置も開発された。SIGJIPのコードネームで呼ばれた AN/GSQ-1 はアメリカで開発されたアナログ方式の秘話装置で、A-3のように周波数単位のブロックで入替を行うのではなく、音声を磁気記録し複数の磁気ヘッドを使って小さな時間単位のブロックに分け順序の入替を行う装置だった。 このような方式は1930年代末頃にはヨーロッパで知られており1940年にアメリカでも特許申請され、1941年頃には装置の具体的なメカニズムがベル研究所でも考案されていた。 1941-42年頃には海軍と陸軍向けに37.5ms単位の時間ブロックで入れ替える試作モデルが作られ、その後アメリカ陸軍の戦闘機ムスタングなどに搭載された。
ドイツでもこのような方式はよく知られていた。ドイツ軍は1944年末に国内で撃ち落とされたムスタングでSIGJIPを見つけ分析を行なっていた。時間単位のブロックでスクランブルを行う秘話方式についてドイツ側も研究しており、ヨーロッパでの発明者の名前からこの方式は「ティーゲルシュテット」(Tigerstedt) と呼ばれていた。当時のドイツの専門家はムスタングから発見された秘話装置について、必要な機材があれば10分で解読可能、とコメントしている。
周波数領域と時間領域の操作の組み合わせ(周波数と時間でブロック分けして入替など)
変換領域 (transform domain) で操作(アダマール変換、フーリエ変換、ウェーブレット変換など)
その他(振幅反転方式、雑音混入方式など)
音声周波数反転方式に代表される周波数領域の操作は最も古くから知られている方式である。帯域が広がりにくく波形伝送の必要もないため既存の通信装置のほとんどに適応でき、音声の遅延も少ない 。しかしスクランブル後も発話時のリズムがそのまま残ってしまう欠点がある。
時間領域の変換ではいったん音声を何らかの記憶媒体に保存し並べ替えや反転などの操作を行う。発明された当初は音声を磁気媒体に記録した後に複数の固定磁気ヘッドや回転する磁気ヘッドで読みだす必要があったが、デジタルメモリの発達により実現が容易になった。メモリに記憶したサンプル値を20〜60ms単位のブロックにまとめこのブロック単位で置き換えれば帯域幅の広がりはほとんど無視できる。復元した音声信号の音質は周波数領域でのブロック分けと置換の場合より良いとされている。
また、周波数領域と時間領域の操作を同時に行うなど、複数の方式を組み合わせることでさらに複雑なスクランブルが可能になる。