2. Розбивка частотного спектра на ряд смуг і перестановка їх між собою, застосовуючи незалежну інверсію в окремих полюсах спектра. Якщо перетворення були не статичними, а змінювалися у часі та зміни керувалися шифратором, то така передача вимагала дешифрування.
3. Тимчасові перетворення мовного сигналу: тимчасові перестановки окремих відрізків мови на заданому інтервалі часу, зрушення окремих частотних смуг, зміна швидкості відтворення мови.
4. Накладання перешкоди поза смугою мови з перестановкою частотних смуг.
5. «Хитання» несучої частоти передавача – «воблінг» (англ. wobbling – коливання).
Одним з перших претендентів на отримання замовлення стала лабораторія відділу радіопередаючих пристроїв комбінату імені Комінтерну (Ленінград). Фахівці лабораторії у період з 1933 по 1936 роки розробили 4 типи апаратури:
1) установка з однократним перекиданням розмовних частот і «воблінгом»;
2) малогабаритна переносна шифрувальна установка, що працювала за принципом однократної інверсії;
3) «СЭТ-2» – складна система шифрування з розподілом розмовної смуги частот на 3 канали і «перемішуванням» смуг за довільним законом з довільною (у відомих межах) швидкістю;
4) СУ-1 – установка з «дробленням» розмовного спектра на дві частини та перекиданням нижчого каналу з інверсією двох смуг розмовних частот з довільною швидкістю.
Незважаючи на те, що проекти комбінату імені Комінтерну відкрили шлях вітчизняним дослідженням у цій сфері, їхнє використання було визнано недоцільним, головним чином через відсутність на комбінаті виробничої бази для виготовлення станційної телефонної апаратури. Тому центром розробки та виробництва вітчизняної апаратури засекречування був обраний завод «Красная Заря», де передбачалося створити спеціальну лабораторію. Там повинні були спроектувати та до середини 1937 року виготовити перші зразки «секретки», тобто апаратури секретної телефонії. Одночасно з цим, інші заводи наркомату важкої промисловості були зобов'язані за кілька місяців забезпечити випуск необхідних деталей (зокрема, спеціальних купроксів).
У лабораторії планувалося створити:
– абонентську кінцеву шифрувальну установку;
– стаціонарну установку 1-ї і 2-ї черги для станцій ВЧ зв'язку;
– стаціонарну і переносну апаратуру засекречування телефонних розмов по радіотелефонних лініях зв'язках;
– спеціальну апаратуру переносного типу для розсекречування перехоплених розмов ймовірного супротивника.
Абонентська установка призначалася для встановлення замість звичайного телефонного апарата в абонента, а у тексті технічних умов для стаціонарної «секретки» відзначалося: «пристрій засекречування повинний працювати спільно з апаратурою ВЧ телефонувания типу СМТ-34, цілком бути пристосований до умов її експлуатації та підключатися як додатковий пристрій на протилежних станціях до напівкомплектів ВЧ».
Аналогічними проблемами секретної телефонії займалася також Дослідна радіолабораторія Управління НКВС по Ленінградській області, що мала власну науково-виробничу базу. Роботи в обох лабораторіях були розгорнуті вже узимку 1936 року та вже до травня 1937 року, коли керівництвом НКВС були підготовлені офіційні замовлення та розпорядження, у радіолабораторії ленінградського Управління НКВС абонентська установка знаходилася в стадії конструювання лабораторного макета, а в лабораторії зв'язку заводу «Красная Заря» був зібраний макет стаціонарного шифратора для одного кінця лінії. На заводі планували завершити розробку інвертора та виготовити 2—4 комплекти устаткування не пізніше 1 липня 1937 року.
У доповідній записці від 5 грудня 1936 року начальник ОВ УДБ управління НКВС по Ленінградській області Михайло Альохін підкреслював: «Для створення рішучого повороту в техніці необхідна організація в Москві і Ленінграді груп, що працюють виключно по спостереженню за науково-технічною діяльністю в галузях, що цікавлять нас. Без відповідальних тільки за цю справу людей, без використання всіх досягнень техніки, що проходять зараз повз нас, без залучення до цієї справи молодих талановитих сил повороту в бік прогресу не домогтися».
З 14 липня 1937 року на лінії ВЧ зв'язку Москва-Ленінград розпочалися іспити двох кінцевих напівкомплектів переносної установки засекречування, створеної ленінградським Управлінням НКВС. Кількома днями раніше були завершені та на тій же лінії випробувані макети стаціонарної «секретки» заводу «Красная Заря», що одержала найменування «ЕС-2» (за прізвищами інженерів заводської лабораторії зв'язку Костянтина Петровича Єгорова та Георгія Васильовича Старіцина). Установка «ЕС-2» являла собою інвертор, що не захищав від спеціального перехоплення, але забезпечував неможливість підслуховування:
– у ході технічного контролю апаратури ВЧ телефонування;
– за допомогою аналогічної ВЧ апаратури міжміських станцій НКЗ;
– безпосередньо з лінії за допомогою радіоприймача без додавання демодулятора і генератора.
Шифратор «ЕС-2»» при роздільному читанні тексту забезпечував розбірливість всього 20—30% слів, цифри при цьому розпізнавалися повністю. Незважаючи на те, що зміст тексту уловити практично не вдавалося, апарат пройшов додаткові іспити (разом з переносним шифратором лабораторії ленінградського Управління НКВС) на лінії Москва-Сочі. У ході іспитів, що відбулися у період з 4 по 14 серпня 1937 року, шифратор зарекомендував себе, в цілому, позитивно. Більш того, з'ясувалося, що експлуатація «секреток» на лінії ВЧ зв'язку вимагала високої якості проводових каналів зв'язку (гарна амплітудно-частотна характеристика, відсутність перешкод і шумів тощо), що потребувало обов'язкове врахування цих параметрів на всіх наступних етапах розвитку мережі міжміського урядового зв'язку.
У вересні 1937 року, коли завод «Красная Заря» подав на затвердження другий зразок установки «ЕС-2», було прийняте рішення ввести її в постійну експлуатацію на лінії Москва-Ленінград. Постановою РНК СРСР «Про розвиток урядового ВЧ-зв'язку» №53/до від 05.01.38р. НКЗ пропонувалося до 1 травня 1938 року забезпечити НКВС 12 напівкомплектами стояків типу «ЕС-2». Так був покладений початок серійному виробництву першого покоління радянської апаратури автоматичного засекречування телефонних переговорів.
У цей період також приймалися заходи, направлені на розробку засекречуючих пристроїв для радіотелефонних каналів. Така апаратура під індексом «ЕИС-3» (Єгоров – Ільїнський – Старіцин) була розроблена і підготовлена до серійного виробництва лабораторією заводу «Красная Заря» у 1937 році.
Протягом наступних 3-х років завод «Красная Заря» забезпечив виготовлення цілої серії апаратури простого засекречування «ЕС-2» (ЕС-2М, МЕС, МЕС-2, МЕС-2А, МЕС-2АЖтощо). Цими установками у 1938 році було обладнано 9 міжміських урядових ліній зв'язку, а на 1 квітня 1941 року – 66 ліній із наявних 134.
За два роки (1938—1940) завод «Красная Заря» випустив 262 апарати для урядового телефонного зв'язку «ЕС». Даний пристрій гарантував «закриття» телефонних переговорів на відстані до 2 тисяч кілометрів. Треба сказати, що пристрій «ЕС» успішно використовувався для організації ВЧ зв'язку практично впродовж всієї Вітчизняної війни. Принаймні, відомостей про перехоплення й дешифрування «закритих» переговорів наших воєначальників немає.
У другій половині 1938 року на заводі була завершена розробка та проведені іспити апаратури складного засекречування С-1, яка забезпечувала вже неможливість підслуховування за допомогою простих пристроїв та техніки, що була на станціях НКЗ. Разом з тим, від спеціального підслуховування апаратура С-1 захищала неповністю, при цьому частково погіршувала якість розмови.
Експлуатація секретної телефонії привела до ідеї створення комплексного пристрою, який би поєднував в собі функції як каналоутворення, так і засекречування. В результаті був створений шифратор ПЖ-8М, що працював у комплексі з 3-канальною апаратурою ВЧ телефонування СМТ-34 і забезпечував засекречування за простою схемою.
На користь масового випуску спецапаратури виникла необхідність створення спеціального заводу. У доповідній записці наркому внутрішніх справ Л.П.Берії про заходи з підвищення якості урядового телефонного зв'язку від 5 лютого 1939 року підкреслювалося: «Вважаючи, що засекречуюча апаратура повинна широко застосовуватися по всьому Союзу, поставити питання перед ЦК ВКП (б) і РНК СРСР про необхідність створення спеціального заводу при Наркоматі зв'язку з відповідними лабораторіями для виробництва всіх видів засекречуючої і спеціальної телефонної, телеграфної, радіоапаратури і сигналізації».
Питання про створення подібного заводу ставилося не тільки НКВС, але й Генштабом РСЧА ще в червні 1938 року, оскільки ні армія, ні флот не мали на озброєнні приладів, що гарантують секретність телефонно-телеграфних передач. Однак ще тривалий час завод «Красная Заря» (директор заводу з грудня 1937 року М.В.Мельніков) залишався основним постачальником апаратури засекречування.
У 1939 році Котельникову була доручена важливе державне завдання – створення шифратора для засекречування мовних сигналів з підвищеною стійкістю до дешифрування, замовником якої виступав ВУЗ. Для цього в ЦНДІЗ була організована лабораторія під керівництвом Котельникова із засекречування телефонної інформації. В основному, лабораторія була укомплектована інженерами, що тільки закінчили інститут зв'язку або завершали навчання на етапі дипломного проекту, який захищали за тематикою своєї нової роботи.
Крім Котельникова в роботах із секретної телефонії брали участь Мінц, Єгоров, Віторський. Учені намагалися забезпечити конфіденційність передачі інформації за допомогою створеної ними унікальної багатоканальної апаратури радіозв'язку, яка вперше використовувала одну бічну смугу частот. У 1939 році вона була встановлена на магістралі Москва – Хабаровськ.
Ідею шифру, який не дешифрується, Котельников сформулював незадовго до війни: «Я чув, що всякі шифри розсекречуються. Вирішив розібратися, чи можливо зробити шифр, який абсолютно не дешифрується. Ну, і розібрався. Довів, що можливо. Але для цього шифр повинен бути випадковим і використовуватися тільки один раз».
Із спогадів Котельникова: «Використання одноразового ключа корисне і для засекречування в телефонії як проводовій, так і радіо. Тільки там все набагато складніше, та у разі аналогової передачі спектру мови, не перетворюючи його в цифрову, отримати абсолютно стійке засекречування неможливо. Можна отримати високий ступінь стійкості, але не абсолютний. При мозаїчному шифруванні спектру, навіть, якщо застосовується одноразовий ключ, система залишається вразливою, оскільки кожен „шматочок“, сам по собі, виявляється незашифрованим. Тому-то важливо зробити інтервали та по можливості менше, але при цьому втрачається якість мови, що передається».
Свій закритий звіт «Основні положення автоматичної шифровки», в якому було вперше представлене суворе обгрунтування того, що системи шифрування з одноразовими ключами абсолютно стійкі, Котельников здав за три дні до початку вітчизняної війни. Ця робота, на жаль, маловідома, оскільки так і не вийшла у відкритому друці. Через 5 років Клод Шеннон виклав підходи до побудови стійких систем шифрування в своїй секретній доповіді, датованій 1 вересня 1946 року. У відкритому друці вона з'явилася у 1949 році.
Під керівництвом Котельникова був розроблений перший телефонний шифратор «мозаїчного типу», що поєднував у собі частотні перетворення мовного сигналу з перестановками його відрізків за часом. Перетворення, що ним реалізовувалися, були динамічними, тобто періодично змінювалися за законом розподілу випадкових величин, і тому їх розкриття представляло дуже серйозне завдання навіть для кваліфікованих фахівців. Була запропонована система, заснована на квазівипадкових (відомих тільки одержувачеві) перестановках тимчасових (100 мілісекунд) відрізків і двох частотних смуг з інверсією мовного сигналу. Управління частотними і тимчасовими перестановками на передачі і прийомі здійснювалося шифратором, що генерував 5 біт гамми 10 разів в секунду.
Із спогадів Котельникова: «Спочатку ми просто «перевертали спектр» (інвертували), але швидко зрозуміли, що це легко розгадати. Тоді почали розбивати мову на деякі «відрізки» за частотою з інверсією спектру та їх «переплутувати»… «переплутували» не просто так, як доведеться, а певним чином, за допомогою шифратора. Був у нас «барабан», наповнений маленькими кульками, який крутився, і з нього висипалися кульки на спеціальний пристрій з штирьками та щілинами так, що потім через ці щілини кульки випадковим чином потрапляли на дві рухомі телеграфні стрічки, які були накладені одна на одну через «копірку». В результаті виходив на обох стрічках однаковий малюнок – «доріжки» з випадково розташованих плямочок.
Потім по цих мітках стрічки перфорувалися. Одна стрічка залишалася на «передавальному кінці», а другу ми акуратненько скручували і упаковували в пластмасову коробочку, яку запаювали, щоб ніхто не підглянув. Цю процедуру повторювали кілька разів. Таким чином отримували два однакові набори шифрів. Ми їх нумерували, і один з наборів відправляли на «пункт прийому». А туди, під час сеансу зв'язку таємно повідомляли номер шифру, і таким чином на тому кінці знали, яку з коробочок треба розпаковувати, щоб використовувати захований там шифр».
Котельниковим був розроблений перший в СРСР смуговий «вокодер» (англ. voice coder – голосовий шифратор) з виділенням основного тону мові. Робота була доведена до діючого макету, який був випробуваний і показав можливість використання цього принципу для стиснення мовного сигналу. В ході цієї роботи Котельниковим був також запропонований і випробуваний принцип тестування артикуляції систем передачі мові. На базі цього вокодера Котельниковим були задумані принципи засекречування мовного сигналу.
Із спогадів Котельникова: «Для того, щоб було важче розшифрувати мову, що передається, було важливо зробити «відрізки», на які ми її розбивали, якомога коротше. А це проблема тому, що тоді погіршується якість мови, що передається. Я почав думати, як би передавати мову не всю повністю, а якось стиснути її спектр. Почав розглядати спектр звуків, щоб зрозуміти, які частоти «определяющие»…
В цей час попалося на очі посилання на статтю Хомера Дадлі, опубліковану в жовтні 1940 року, де мовилося, що він зробив перетворювач мови – «вокодер». Кинувся дивитися, а виявилось, що там нічого конкретного не написано. Але все одно, це було дуже корисно: ідея у нього та ж, значить, ми на правильному шляху. Загалом, ми почали робити свій «вокодер». І перед самою війною у нас вже працював його дослідний зразок. Правда, поки він ще «говорив» погано, «тремтячим голосом».
Тільки в 1940 році у лабораторії Котельникова розпочалися роботи з виготовлення зразків найбільш складного за тих часів апарата телефонного засекречування «Соболь-П», у якому використовувалися тимчасові та частотні перестановки, а у якості шифратора використовувалася телеграфна стрічка з випадково нанесеними отворами. У той же час лабораторія заводу «Красная Заря», в основному, випускала інвертори.