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      真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制作方法

      文檔序號:6475315閱讀:527來源:國知局
      專利名稱:真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實(shí)用新型屬于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器技術(shù)領(lǐng)域,具體為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
      背景技術(shù)
      雖然消除各種不確定性是大多數(shù)學(xué)科的目標(biāo)之一,但人們有時(shí)仍然離不開對隨機(jī)性的依賴。從日常生活中的博彩到學(xué)術(shù)領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)學(xué)、密碼學(xué),隨機(jī)數(shù)以及隨機(jī)
      數(shù)發(fā)生器(RNG)有著廣泛的應(yīng)用。隨機(jī)數(shù)分為偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)兩種,偽隨機(jī)數(shù)是有一定規(guī)律可循的,周期長度為有限長的隨機(jī)數(shù),偽隨機(jī)數(shù)是可預(yù)湖啲。真隨機(jī)數(shù)一般是由模擬電路構(gòu)成的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生,由于在電路中引入了噪聲,真隨機(jī)數(shù)沒有規(guī)律可循,是完全不可預(yù)測的。在很多場合下,以數(shù)學(xué)公式不斷的迭代方式工作的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(PRNG)就可以滿足需求。雖然偽隨機(jī)數(shù)可以具有很好地統(tǒng)計(jì)特性,但其可以被準(zhǔn)確預(yù)測的特點(diǎn)使得它無法應(yīng)用于特定場合,比如信息安全領(lǐng)域,在這些領(lǐng)域中,不僅要求隨機(jī)數(shù)有良好的統(tǒng)計(jì)特性,更要求其具有不可預(yù)測性,只有這樣才可以抵擋住對隨機(jī)性的攻擊。
      真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之所以能產(chǎn)生不可預(yù)測的輸出,是因?yàn)槠淅昧宋锢磉^程中的各種隨機(jī)噪聲,最常見的三種真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法為直接放大法,放大電路中的電
      阻熱噪聲等物理噪聲,并通過比較器進(jìn)行比較后可獲得隨機(jī)數(shù)序列;振蕩采樣法,
      通過D觸發(fā)器把兩個(gè)獨(dú)立的振蕩信號進(jìn)行數(shù)字混合,用低頻信號采樣高頻信號,利用環(huán)形振蕩器的頻率抖動(dòng)作為隨機(jī)源,并進(jìn)行后處理,從而得到隨機(jī)數(shù)序列;離散時(shí)間混純法,利用混飩電路不可預(yù)測以及對初始條件敏感的依賴性的本質(zhì)特點(diǎn)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能受以下三部分的性能影響熵源(Entropy Source),采集手段(Harvesting Mechanism),以及后處理(Postprocessing)?;谀M電路
      3的結(jié)構(gòu),如直接放大法真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其熵源的統(tǒng)計(jì)分布更加理想,且熵源噪聲
      不隨采樣周期變化而改變;基于數(shù)字電路的結(jié)構(gòu),如振蕩采樣法真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其功耗較低,集成度較高,便于在通用可編程平臺(如FPGA,CPLD)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn),且易于在SoC中使用。但熵源的統(tǒng)計(jì)特性與模擬電路相比不夠理想,且采樣速率與隨機(jī)性能之間有著一定的聯(lián)系。
      禾U用振蕩較漫的時(shí)鐘去采集環(huán)形振蕩器的輸出信號可以得至lJ具有一定隨機(jī)性的輸出序列,其隨機(jī)性來源于輸入信號的相位和頻率中存在的物理噪聲,但相位噪聲方差較小,頻率漂移的周期較長,故只有在采樣時(shí)鐘周期較長的情況下,得到的值才有較高的不確定性。這是因?yàn)橄辔辉肼暫皖l率漂移的影響只有在經(jīng)過多個(gè)振蕩周期的積累后,效果才明顯。實(shí)驗(yàn)表明,采樣時(shí)鐘頻率越接近環(huán)形振蕩器振蕩頻率,輸出比特的周期性就越明顯。振蕩采樣法對采樣周期的要求限制了采集速率。當(dāng)需要高速率產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)時(shí),采樣頻率與環(huán)形振蕩器振蕩頻率可以相比擬,任意兩次采樣間隔很近,貝幌聲的影響減小,每兩 條樣得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性增加,最終導(dǎo)致輸出值的隨機(jī)性減小。如何使得高速采樣頻率下,每個(gè)采樣時(shí)鐘都能采集到隨機(jī)事件,對于設(shè)計(jì)高速率隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作者來說,是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

      實(shí)用新型內(nèi)容
      針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題,本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)提供一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的技術(shù)方案,通過對延遲鏈各級輸出同時(shí)采樣來增加輸出序列的隨機(jī)性,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在進(jìn)行后處理前就有良好的統(tǒng)計(jì)憐性,而且隨機(jī)性與采樣頻率間沒有明顯聯(lián)系。
      所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于包括由一組反相器首尾相連組成的環(huán)形振蕩器、由一組反相器串聯(lián)組成的延遲鏈、由一組觸發(fā)器組成的觸發(fā)器組,環(huán)形振蕩器輸出端與延遲鏈輸入端連接,延遲鏈中各反相器的輸出與觸發(fā)器組中對應(yīng)觸發(fā)器輸入端連接,觸發(fā)器組中各觸發(fā)器均與采樣時(shí)鐘電路連接,觸發(fā)器組中各觸發(fā)器的輸出連接到異或運(yùn)算器輸入端,異或運(yùn)算器進(jìn)行異或運(yùn)算得到最終的比特輸出。
      所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的環(huán)形振蕩器由反相器R1、 R2、 R3……R2n+l(n=l, 2, 3……)首尾相連構(gòu)成。
      所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的延遲鏈由反相器Ol、 02、 03、 04、05、 06、 07、 08……0n(n=l, 2, 3……)串聯(lián)組成。
      所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的觸發(fā)器組包括均與采樣時(shí)鐘電路連接的觸發(fā)器Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8……Dn(n二l, 2, 3 ),觸發(fā)器
      Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8……Dn(n=l, 2, 3……)的輸出分別為Q1、 Q2、Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8……Qn(n=l, 2, 3……)。
      上述真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其電路采用純數(shù)字形式,便于在通用可編程平臺(如FPGA,CPLD)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn),且易于在SoC中使用。通過延遲鏈各級輸出同時(shí)采樣以增加輸出序列的隨機(jī)性,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在進(jìn)行后處理前就有良好的統(tǒng)計(jì)特性,而且隨機(jī)性與采樣頻率以沒有明顯聯(lián)系。該真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器規(guī)模較小,數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率較高。

      圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖中1-環(huán)形振蕩器、2-延遲鏈、3-采樣時(shí)鐘電路、4-觸發(fā)器組、5-異或運(yùn)算
      叫益o
      具體實(shí)施方式
      以下結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
      如圖所示,該真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括由一組反相器首尾相連組成的環(huán)形振蕩器1、由一組反相器串聯(lián)組成的延遲鏈2、由一組觸發(fā)器組成的觸發(fā)器組4,環(huán)形振蕩器l輸出端與延遲鏈2輸入端連接,延遲鏈2中各反相器的輸出與觸發(fā)器組4中對應(yīng)觸發(fā)器輸入端連接,觸發(fā)器組4中各觸發(fā)器均與采樣時(shí)鐘電路3連接,觸發(fā)器組4中各觸發(fā)器的輸出連接到異或運(yùn)算器5輸入端,異或運(yùn)算器5進(jìn)行異或運(yùn)算得到最終的比特輸出。所述的環(huán)形振蕩器l由反相器R1、 R2、 R3……R2n+l(n二l, 2, 3……)首尾相連構(gòu)成,反相器個(gè)數(shù)為奇數(shù)即可。所述的延遲鏈2由反相器Ol、 02、 03、 04、05、 06、 07、 08……0n(n=l, 2, 3……)串聯(lián)組成,延遲鏈2的長度不是固定的,但是每一級結(jié)構(gòu)相同,延遲鏈2越長,隨機(jī)效果越好。所述的觸發(fā)器組4包括均與采樣時(shí)鐘電路(3)連接的觸發(fā)器D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8……Dn(n=l,
      2, 3......),觸發(fā)器D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8......Dn(n=l, 2, 3......)的
      輸出分別為Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8……Qn(n=l, 2, 3……)。在圖1中反相器R3的輸出直接送入反相器01的輸入端,延遲鏈2各級輸出分別用觸發(fā)器組4的各觸發(fā)器進(jìn)行采樣。反相器01的輸出送入觸發(fā)器Dl輸入端進(jìn)行采樣,反相器02的輸出送入觸發(fā)器D2輸入端進(jìn)行采樣,反相器03的輸出送入觸發(fā)器D3輸入端進(jìn)行采樣,如此類推。所有觸發(fā)器使用同一個(gè)時(shí)鐘信號CO。
      工作原理如下在數(shù)字電路中,當(dāng)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入信號邊沿與采樣時(shí)鐘邊沿重合或相隔很近時(shí),觸發(fā)器輸出值具有不確定性,本文簡稱該現(xiàn)象為"邊沿碰撞"。對于單獨(dú)的觸發(fā)器,每次采樣時(shí)刻都發(fā)生邊沿碰撞是很難的。若采用多個(gè)觸發(fā)器對多點(diǎn)信號同時(shí)進(jìn)行采樣,把各個(gè)輸出異或起來,只要有一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生邊沿碰撞,最終的輸出就具有不確定性。在這種結(jié)構(gòu)下,便可以產(chǎn)生每次采樣都發(fā)生邊沿碰撞的效果。無論采樣頻率的高低,發(fā)生邊沿碰撞時(shí)的輸出值都具有很好的隨機(jī)性。
      (l)如圖l所示,振蕩器輸出經(jīng)過多極反相器延遲,在每個(gè)反相器輸出端可得到不同延遲的輸出信號,將這些信號分別輸入觸發(fā)器同時(shí)進(jìn)行采樣,并把各個(gè)輸出異或起來,得到最終的比特輸出。
      (2).反相器延遲鏈噪聲的定性分析
      假設(shè)反相器的延遲噪聲《服從高斯分布,貝l腐i級反相器的延遲為",=n/,",,
      均值為n/,,方差為cr,。設(shè)o。處的發(fā)生跳變的時(shí)刻為r。,那么在0 處,跳變的時(shí)刻
      為l,。+t《。假設(shè)每個(gè)反相器的延遲的均值相同,噪聲相互獨(dú)立且服從同一分布,所以7^,=7^0=7^, o", =o"0(/ = l,2v.."),貝lk、+wr(i + "《,均值為f。+".7W,方差為cr = w. O"o
      (3) 邊沿碰撞概率定性分析
      假設(shè)一個(gè)邊沿碰撞的寬度為e ,即只要采樣時(shí)鐘跳變邊沿與輸入信號跳變邊沿的時(shí)間差小于e ,即可認(rèn)為邊沿碰撞現(xiàn)象發(fā)生。對于以反相器延遲鏈第n級輸出O"為輸入的觸發(fā)器,若采樣發(fā)生在t時(shí)刻,貝撥生邊沿碰撞的充要條件為數(shù)據(jù)信號跳變邊沿出現(xiàn)在(t- e /2, t+ e /2)的時(shí)間段內(nèi)。
      比特輸出值不可預(yù)測的概率POwmZ/ctoWe^l-PO^^ctoWe), 其中戶(,血^/e)為比特輸出值可預(yù)測的概率,即所有觸發(fā)器都不發(fā)生邊沿碰撞的概率。根據(jù)上文分析,第n級反相器輸出跳變沿時(shí)刻的方差為w. ,那么對于確定的采樣
      時(shí)刻t ,邊沿碰撞發(fā)生的概率P(")-(D(^l^)-0(^^)。則
      ",0"。 " . Jo
      尸(;^^""W。 = f[(l —, m為延時(shí)鏈長度。
      z=i
      隨著延時(shí)鏈長度m的增大,P(w)增大,P(pm^toWe)減小,最終導(dǎo)致尸(朋;^血to6/e)增加??梢?,隨著反相器延遲鏈級數(shù)的增加,輸出比特值為不可預(yù)測的概率上升。
      權(quán)利要求1、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于包括由一組反相器首尾相連組成的環(huán)形振蕩器(1)、由一組反相器串聯(lián)組成的延遲鏈(2)、由一組觸發(fā)器組成的觸發(fā)器組(4),環(huán)形振蕩器(1)輸出端與延遲鏈(2)輸入端連接,延遲鏈(2)中各反相器的輸出與觸發(fā)器組(4)中對應(yīng)觸發(fā)器輸入端連接,觸發(fā)器組(4)中各觸發(fā)器均與采樣時(shí)鐘電路(3)連接,觸發(fā)器組(4)中各觸發(fā)器的輸出連接到異或運(yùn)算器(5)輸入端,異或運(yùn)算器(5)進(jìn)行異或運(yùn)算得到最終的比特輸出。
      2、 如權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的環(huán)形振蕩器(1) 由反相器R1、 R2、 R3……R2n+1首尾相連構(gòu)成,其中n為自然數(shù)。
      3、 如權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的延遲鏈(2)由反 相器Ol、 02、 03、 04、 05、 06、 07、 08……0n串聯(lián)組成,其中n為自然數(shù)。
      4、 如權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,其特征在于所述的觸發(fā)器組(4)包 括均與采樣時(shí)鐘電路(3)連接的觸發(fā)器D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8……Dn, 觸發(fā)器D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8……Dn的輸出分別為Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8……Qn,其中n為自然數(shù)。
      專利摘要真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,屬于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于包括由一組反相器首尾相連組成的環(huán)形振蕩器、由一組反相器串聯(lián)組成的延遲鏈、由一組觸發(fā)器組成的觸發(fā)器組,環(huán)形振蕩器輸出端與延遲鏈輸入端連接,延遲鏈中各反相器的輸出與觸發(fā)器組中對應(yīng)觸發(fā)器輸入端連接,觸發(fā)器組中各觸發(fā)器均與采樣時(shí)鐘電路連接,觸發(fā)器組中各觸發(fā)器的輸出連接到異或運(yùn)算器輸入端,異或運(yùn)算器進(jìn)行異或運(yùn)算得到最終的比特輸出。上述真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,通過延遲鏈各級輸出同時(shí)采樣以增加輸出序列的隨機(jī)性,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在進(jìn)行后處理前就有良好的統(tǒng)計(jì)特性,而且隨機(jī)性與采樣頻率以沒有明顯聯(lián)系。
      文檔編號G06F7/58GK201327636SQ20082016653
      公開日2009年10月14日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
      發(fā)明者張潤捷 申請人:張潤捷
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