專利名稱：隨機(jī)數(shù)生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器，具體而言，涉及不規(guī)律地生成隨機(jī)數(shù)。
背景技術(shù)：
按照慣例，通常通過(guò)用隨機(jī)數(shù)編碼來(lái)保護(hù)信息；在諸如電子商務(wù)或無(wú)線電通信的“信息和通信”技術(shù)領(lǐng)域，需要生成口令、生成代碼密鑰，生成ID信息以及生成信息的數(shù)字簽名。對(duì)于生成隨機(jī)數(shù)的方法，廣泛采用的方法是利用軟件程序來(lái)生成隨機(jī)數(shù)。
然而，利用軟件來(lái)生成隨機(jī)數(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)。為了基于在一個(gè)程序中運(yùn)算的數(shù)學(xué)公式來(lái)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這種方法建立了附加條件和附加參數(shù)。存在這樣一個(gè)問(wèn)題，在程序中進(jìn)行的編碼可以被解碼，因而個(gè)人信息無(wú)法被充分地保護(hù)。
出于上述原因，需要一種不受頻率特征影響的隨機(jī)數(shù)。
有一種利用隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法，該隨機(jī)數(shù)生成器不具有受1/f特征影響的周期。
在專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為No.2002-41281的日本專利申請(qǐng)中公開(kāi)了一種隨機(jī)數(shù)生成器，該隨機(jī)數(shù)生成器包括一個(gè)噪聲發(fā)生器；一個(gè)微分電路，單獨(dú)連接到噪聲發(fā)生器的輸出端；一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，連接到微分電路的輸出端；以及一個(gè)運(yùn)算電路，連接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端。
首先，噪聲發(fā)生器提供一個(gè)包括1/f特征的噪聲信號(hào)。接著，微分電路將基于噪聲發(fā)生器的兩個(gè)噪聲信號(hào)的差別所產(chǎn)生的微分信號(hào)作為一個(gè)模擬信號(hào)提供。A/D轉(zhuǎn)換器將來(lái)自微分電路的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
當(dāng)經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號(hào)未到到閾值電平時(shí)，運(yùn)算電路輸出“0”，或者當(dāng)信號(hào)達(dá)到閾值電平時(shí)，輸出“1”。運(yùn)算電路調(diào)整閾值電平，使得出現(xiàn)“0”和“1”的概率變?yōu)?.5。
然而，所公開(kāi)的隨機(jī)數(shù)生成器存在一些問(wèn)題。首先，該隨機(jī)數(shù)生成器具有一個(gè)濾波器，一個(gè)模擬電路，如微分電路和兩個(gè)噪聲發(fā)生器，它們都需要在半導(dǎo)體芯片上占很大的面積。此外，這種公開(kāi)的隨機(jī)數(shù)生成器需要設(shè)置并調(diào)整運(yùn)算電路的閾值電平，以調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一個(gè)不帶雙噪聲發(fā)生器的隨機(jī)數(shù)生成器，可以做到小型化，能生成不受頻率特性影響的隨機(jī)數(shù)，并且無(wú)需調(diào)整“0”和“1”出現(xiàn)的概率。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，作為隨機(jī)數(shù)生成器的固有部分的本發(fā)明的一方面的內(nèi)容包括(a)一個(gè)計(jì)數(shù)器電路，被配置為通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘輸入端向其輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以及通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)啟用端向其輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，并且被配置為提供一個(gè)關(guān)于隨機(jī)信號(hào)的躍遷的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)值；(b)一個(gè)第一閂鎖電路，被配置為鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)躍遷的計(jì)數(shù)值，并被配置為提供一個(gè)第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
作為隨機(jī)數(shù)生成器的固有部分的本發(fā)明的一方面的內(nèi)容包括(a)一個(gè)“與”電路，被配置為通過(guò)一個(gè)第一輸入端向其輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以及通過(guò)一個(gè)第二輸入端向其輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，并且被配置為生成隨機(jī)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)的邏輯乘積；(b)一個(gè)分配閂鎖電路，被配置為關(guān)于邏輯乘積輸出交替提供高電平信號(hào)和低電平信號(hào)；以及(c)一個(gè)第一閂鎖電路，被配置為鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)躍遷的計(jì)數(shù)值，并被配置為提供一個(gè)隨機(jī)數(shù)信號(hào)。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器；圖2是一個(gè)時(shí)序圖，說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的信號(hào)波型之間的關(guān)系；圖3說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器所發(fā)生的隨機(jī)數(shù)信號(hào)的波形；圖4說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)信號(hào)的功率頻譜；圖5說(shuō)明與本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的形式相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
圖6說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器所發(fā)生的隨機(jī)數(shù)信號(hào)的功率頻譜；圖7(a)說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器所發(fā)生的隨機(jī)數(shù)信號(hào)的周期特性；以及圖7(b)說(shuō)明了傳統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)生成器所發(fā)生的隨機(jī)數(shù)信號(hào)的周期；圖8說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的結(jié)構(gòu)；圖9是一個(gè)時(shí)序圖，說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的波形間的關(guān)系。
圖10說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的結(jié)構(gòu)；圖11是一個(gè)時(shí)序圖，說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的波形間的關(guān)系。
圖12所示為根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器；圖13是一個(gè)時(shí)序圖，說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的波形間的關(guān)系；圖14所示為根據(jù)本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器；圖15是一個(gè)時(shí)序圖，說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器的波形間的關(guān)系；圖16所示為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。請(qǐng)注意，相同或相似的附圖標(biāo)記適用于附圖中相同或類似的部件或元件，對(duì)相同或類似的部件和元件的將做省略或簡(jiǎn)化的描述。應(yīng)該理解，在一般情況下，按照電路和系統(tǒng)的常規(guī)表示方法，無(wú)論在各幅附圖之間，還是在一幅給定附圖內(nèi)部，都不是按比例進(jìn)行繪制的。
為了充分理解本發(fā)明，在下文的說(shuō)明中列出了若干個(gè)具體細(xì)節(jié)內(nèi)容，比如特定的信號(hào)值等。但是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，不使用這些具體細(xì)節(jié)顯然可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其他情況下，以框圖的形式來(lái)表示一些公知的電路，從而避免那些不必要的細(xì)節(jié)妨礙對(duì)本發(fā)明的理解。
首先解釋第一到第五實(shí)施例中的“隨機(jī)信號(hào)RS”?！半S機(jī)信號(hào)RS”是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，包括多個(gè)方形波，這些方形波具有不固定在恒定值的開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度和關(guān)狀態(tài)脈沖寬度?！半S機(jī)信號(hào)RS”的特性是其功率頻譜的值不固定，特別是，強(qiáng)度隨著頻率的增加而下降。
最好是方形波的波幅均勻，但本文中的實(shí)施例并不是特別限制在均勻的波幅。例如，隨機(jī)信號(hào)RS由震蕩電路生成，該振蕩電路使用由一個(gè)電阻和一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)的CR延遲電路的延遲時(shí)間。并且，電阻和電容值隨機(jī)變化的特性被用于生成隨機(jī)信號(hào)RS。具有其強(qiáng)度隨頻率下降的特性的功率頻譜的例子包括具有1/f特性的脈動(dòng)信號(hào)等。
術(shù)語(yǔ)“1/f”表示功率頻譜的一種特性，其中經(jīng)傅立葉分析的強(qiáng)度下降的斜度為45度，與傅立葉頻率f成反比。如果具有1/f特性的信號(hào)的時(shí)序數(shù)據(jù)利用傅立葉變換進(jìn)行頻譜分析，則可以得到如圖6中所示的在信號(hào)頻率和頻率的對(duì)數(shù)圖中的斜度“-1”。
(第一實(shí)施例)如圖1所示，與本發(fā)明的第一實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10a包括一個(gè)計(jì)數(shù)器電路1和一個(gè)第一閂鎖電路3。通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘輸入端CK向計(jì)數(shù)器電路1輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CS，通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘啟用端CE向計(jì)數(shù)器電路1輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)RS，并且該計(jì)數(shù)器電路還提供一個(gè)對(duì)于隨機(jī)信號(hào)RS的變化的時(shí)鐘信號(hào)CS的計(jì)數(shù)值。第一閂鎖電路3鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)RS的變化的計(jì)數(shù)值，并輸出一個(gè)隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。此外，在計(jì)數(shù)器電路1的時(shí)鐘啟用端CE和第一閂鎖電路3之間還連接了一個(gè)反相器。
方形波輸入端51將隨機(jī)信號(hào)RS傳送到計(jì)數(shù)器電路1的計(jì)數(shù)器啟用端CE。時(shí)鐘輸入端52傳送電子連接到計(jì)數(shù)器電路1的時(shí)鐘輸入端CK的時(shí)鐘信號(hào)CS。反相器2的輸出端電子連接到第一閂鎖電路3的時(shí)鐘輸入端CK。計(jì)數(shù)器電路1的輸出端Q電子連接到第一閂鎖電路3的輸入端D。第一閂鎖電路3的輸出端Q電子連接到隨機(jī)數(shù)輸出端53。
下面用圖2解釋與本發(fā)明的第一實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10a的操作。
(A)首先，如圖2(a)中所示，從方形波輸入端51輸入的隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t1從低電平轉(zhuǎn)變成高電平。
(B)在從時(shí)間t1到時(shí)間t2的時(shí)間間隔內(nèi)，在隨機(jī)信號(hào)RS處于高電平狀態(tài)期間，計(jì)數(shù)器電路1從輸出端Q提供一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)CTS。如圖2(c)中所示，計(jì)數(shù)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)圖2(b)中所示的時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿在高電平和低電平之間交替變化。這里，計(jì)數(shù)器電路1是一個(gè)1位計(jì)數(shù)器，以使得低電平狀態(tài)和高電平狀態(tài)每計(jì)數(shù)一次改變一次。
(C)隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t2從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。如圖2(d)中所示，反相器2提供一個(gè)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS，轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。?dāng)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，第一閂鎖電路3通過(guò)檢測(cè)送入時(shí)鐘輸入端CK的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS的前沿鎖住從計(jì)數(shù)器電路1提供的計(jì)數(shù)信號(hào)CTS，并如圖2(e)中所示，提供一個(gè)隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
(D)在時(shí)間t3，隨機(jī)信號(hào)RS再次從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健Ｓ?jì)數(shù)器電路1通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)CS的每個(gè)前沿，交替改變計(jì)數(shù)信號(hào)CTS的電平，而隨機(jī)信號(hào)RS則保持在高電平狀態(tài)。
(E)在時(shí)間t4，隨機(jī)信號(hào)RS從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健．?dāng)隨機(jī)信號(hào)變成低電平時(shí)，反相器2提供一個(gè)具有如圖2(d)中所示的高電平的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS。當(dāng)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，第一閂鎖電路3通過(guò)檢測(cè)送入時(shí)鐘輸入端CK的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS的前沿，鎖住從計(jì)數(shù)器電路1提供的計(jì)數(shù)信號(hào)CTS，并提供如圖2(e)中所示的隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。重復(fù)同樣的操作，如通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS的后沿提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
接下來(lái)，用圖3表述隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS的輸出變?yōu)椤?”或“1”的概率。假定用函數(shù)“y＝F(s)”來(lái)表示隨機(jī)信號(hào)RS。在圖3中，組成隨機(jī)信號(hào)RS的隨機(jī)方形波的開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度是“T”，最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度是“Tmin”，最大開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度是“Tmax”。將從最大開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度減去最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度所得到的值定義為開(kāi)狀態(tài)區(qū)域“TZ”。將把開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ除以分解設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)SC的周期所得到的值定義為分區(qū)數(shù)“N”。
開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ通過(guò)一些參數(shù)決定，如生成隨機(jī)方形波的電阻和二極管的頻率特性，提供方形波的電路的特性以及濾波器的特性等等。
當(dāng)開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度為T的隨機(jī)方形波的分布函數(shù)被定義為F(t)時(shí)，在分區(qū)數(shù)N為偶數(shù)的條件下，隨機(jī)數(shù)生成器輸出“0”的概率Pt(0)如下式Pt(0)=∫TminTmin+ΔTNF(t)dt+∫Tmin+2ΔTNTmin+3ΔTNF(t)dt+···+∫Tmin+(N-2)ΔTNTmin+(N-1)ΔTNF(t)dt----(1)]]>在分區(qū)數(shù)N為偶數(shù)的條件下，隨機(jī)數(shù)生成器輸出“1”的概率Pt(1)如下式Pt(1)=∫Tmin+ΔTNTmin+2ΔTNF(t)dt+∫Tmin+3ΔTNTmin+4ΔTNF(t)dt+···+∫Tmin+(N-1)ΔTNTmaxF(t)dt----(2)]]>在分區(qū)數(shù)N為奇數(shù)的條件下，隨機(jī)數(shù)生成器輸出“0”的概率Pt(0)如下式
Pt(0)=∫TminTmin+ΔTNF(t)dt+∫Tmin+2ΔTNTmin+3ΔTNF(t)dt+···+∫Tmin+(N-1)ΔTNTmaxF(t)dt----(3)]]>在分區(qū)數(shù)N為奇數(shù)的條件下，隨機(jī)數(shù)生成器輸出“1”的概率Pt(1)如下式Pt(1)=∫Tmin+ΔTNTmin+2ΔTNF(t)dt+∫Tmin+3ΔTNTmin+4ΔTNF(t)dt+···+∫Tmin+(N-2)ΔTNTmin+(N-1)ΔTNF(t)dt----(4)]]>當(dāng)分區(qū)數(shù)N為偶數(shù)時(shí)，用“Pt(0)-Pt(1)”表示出現(xiàn)“0”和出現(xiàn)“1”的頻率的差值，則計(jì)算結(jié)果如下Pt(0)-Pt(1)]]>=∫TminTmin+ΔTN{F(t)-F(t+ΔTN)+F(t+2ΔTN)-F(t+3ΔTN)+···-F(t+(N-2)ΔTN)+F(t+(N-1)ΔTN)}dt----(5)]]>當(dāng)分區(qū)數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，用“Pt(0)-Pt(1)”表示出現(xiàn)“0”和出現(xiàn)“1”的頻率的差值，則計(jì)算結(jié)果如下Pt(0)-Pt(1)]]>=∫TminTmin+ΔTN{F(t)-F(t+ΔTN)+F(t+2ΔTN)-F(t+3ΔTN)+···+F(t+(N-3)ΔTN-F(t+(N-2)ΔTN)}dt----(6)]]>+∫TminTmin+ΔTNF(t+(N-1)ΔTN)]]>公式(5)和(6)表明分區(qū)數(shù)N是奇數(shù)還是偶數(shù)，分區(qū)數(shù)N的值較大，出現(xiàn)“0”或“1”的頻率的差值變得較小。換句話說(shuō)，時(shí)鐘信號(hào)CS的頻率較高，出現(xiàn)“0”或“1”的頻率的偏向性變得較小。也就是說(shuō)，為了生成隨機(jī)數(shù)，必須針對(duì)隨機(jī)數(shù)的特性選擇時(shí)鐘頻率。
出現(xiàn)“0”的概率與理想值之間的差值DELTA(0)如下所示δ(0)＝0.5-|(Pt(0)/(Pt(0)+Pt(1))| …(7)出現(xiàn)“1”的概率與理想值之間的差值DELTA(1)如下所示
δ(1)＝0.5-|(Pt(1)/(Pt(0)+Pt(1))|…(8)DELTA(0)和DELTA(1)的值按照使用條件被定義。例如，如果針對(duì)美國(guó)商業(yè)部為通信網(wǎng)絡(luò)中的安全而官方批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)FIPS140-2，則DELTA(0)或DELTA(1)的值必須小于0.01375。因此，必須設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)CK的頻率滿足該條件。
使用功率頻譜作為表示隨機(jī)信號(hào)RS的方法，其中功率頻譜被劃分成多個(gè)頻帶，每個(gè)頻帶的功率被表示成頻率的函數(shù)。周期信號(hào)波的頻譜由基本頻率分量和諧波分量組成，并且可以表示成每個(gè)分量的波幅與時(shí)間域函數(shù)X(t)相乘后的和，功率頻譜X(f)如下式所示X(f)=∫0∞x(t)e-j2πftdt----(9)]]>在圖4中，送入隨機(jī)數(shù)生成器10a的隨機(jī)信號(hào)RS表明功率頻譜中沿縱坐標(biāo)表示的信號(hào)強(qiáng)度隨著沿橫坐標(biāo)的頻率的增加而反比例下降。如圖5中所示，頻率分布由一條曲線表示，其中，沿橫坐標(biāo)的參數(shù)從“頻率”變?yōu)椤爸芷凇?，隨機(jī)信號(hào)RS的功率頻譜的開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度為T。
當(dāng)開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度是T(s)時(shí)，隨機(jī)數(shù)生成器在時(shí)鐘信號(hào)CS的周期Tck決定是輸出“0”還是輸出“1”。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CS的周期較小時(shí)，每次出現(xiàn)“0”和“1”的頻率接近0.5。
在圖6中，L1表示圖1中的隨機(jī)數(shù)生成器10a所提供的隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS的功率頻譜。由1/f噪聲源生成的隨機(jī)信號(hào)RS的功率頻譜由L2表示。當(dāng)頻率變得較高時(shí)，隨機(jī)信號(hào)RS的功率頻譜L2下降，而隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS的功率頻譜L1則與頻率特性無(wú)關(guān)地生成隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
接下來(lái)，隨機(jī)信號(hào)RS被作為8位串行數(shù)據(jù)送入。前面的數(shù)據(jù)0-255用縱坐標(biāo)表示，后面的數(shù)據(jù)0-255用橫坐標(biāo)表示。在這種條件下連續(xù)繪制2500次。然后，由隨機(jī)數(shù)生成器10a提供的隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS如圖7(a)所示，大致均勻地分布。另一方面，由常規(guī)隨機(jī)數(shù)生成器提供的隨機(jī)數(shù)信號(hào)則產(chǎn)生如圖7(b)中所示的變動(dòng)。
與本發(fā)明的第一實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10a不需要多個(gè)噪聲發(fā)生器，可以做到小型化。隨機(jī)數(shù)生成器10a產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與頻率特性無(wú)關(guān)，并且不需要調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。
(第二實(shí)施例)如圖8所示，與本發(fā)明的第二實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10b包括一個(gè)第二閂鎖電路4，與第一閂鎖電路3的輸出端連接，圖1中的隨機(jī)數(shù)生成器10a也是如此。第二閂鎖電路4的輸入端D與第一閂鎖電路3的輸出端Q電子連接。第二閂鎖電路4的輸出端Q與隨機(jī)數(shù)輸出端53連接。時(shí)鐘輸入端CK與隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘輸入端54連接。隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘輸入端54傳送具有固定周期的隨機(jī)數(shù)時(shí)鐘獲取信號(hào)。
對(duì)于和第一實(shí)施例基本相同的其他元件和功能，此處不再贅述。
下面用圖9解釋與本發(fā)明的第二實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10b的操作。
(A)首先，如圖9(a)中所示，從方形波輸入端51輸入的隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t1從低電平轉(zhuǎn)變成高電平。
(B)在從時(shí)間t1到時(shí)間t2的時(shí)間間隔內(nèi)，隨機(jī)信號(hào)RS保持高電平狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿，從輸出端Q提供的計(jì)數(shù)信號(hào)CTS的電平交替變化。
(C)在時(shí)間t2，隨機(jī)信號(hào)RS從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健Ｈ鐖D9(d)中所示，反相器2提供一個(gè)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS，以將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健．?dāng)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)RS變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，第一閂鎖電路3通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘輸入端CK變換的前沿，鎖住計(jì)數(shù)信號(hào)CTS，并如圖9(e)中所示，提供第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS1。
(D)在時(shí)間t3，如圖9(f)所示，具有固定周期的隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)RTS從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。第二閂鎖電路4通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿，鎖住第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS1，并如圖9(g)所示，提供第二隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS2。之后，重復(fù)同樣的操作，如通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS的后沿提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
與本發(fā)明的第二實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10b不需要多個(gè)噪聲發(fā)生器，可以做到小型化。隨機(jī)數(shù)生成器10b產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與頻率特性無(wú)關(guān)，并且不需要調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。此外，使用來(lái)自第二閂鎖電路4的隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS，隨機(jī)數(shù)生成器10b可以不時(shí)地獲取隨機(jī)數(shù)。
(第三實(shí)施例)如圖10所示，與本發(fā)明的第三實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10c包括脈沖計(jì)數(shù)器5，位于時(shí)鐘啟用端CE和隨機(jī)數(shù)生成器10a的計(jì)數(shù)器電路1的方形波輸入端之間。對(duì)于脈沖計(jì)數(shù)器5，其輸入端電子連接到方形波輸入端51，輸出端電子連接到計(jì)數(shù)器電路1的時(shí)鐘啟用端CE。
對(duì)于和第一實(shí)施例基本相同的其他元件和功能，此處不再贅述。下面用圖11解釋與本發(fā)明的第三實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10c的操作。
(A)如圖11(a)中所示，在時(shí)間t1第一隨機(jī)信號(hào)RS1從低電平轉(zhuǎn)變成高電平。如圖11(b)中所示，脈沖計(jì)數(shù)器5提供第二隨機(jī)信號(hào)RS2，通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS1的第一前沿，將電平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?br> (B)在從時(shí)間t1到時(shí)間t2的時(shí)間間隔內(nèi)，隨機(jī)信號(hào)RS保持高電平狀態(tài)。然后，如圖11(d)中所示，通過(guò)檢測(cè)圖11(c)中時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿，由輸出端Q提供的計(jì)數(shù)信號(hào)CTS的電平交替變化。脈沖計(jì)數(shù)器5對(duì)隨機(jī)信號(hào)RS1的前沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。此外，脈沖計(jì)數(shù)器5轉(zhuǎn)變信號(hào)狀態(tài)，例如，當(dāng)計(jì)數(shù)值變?yōu)?時(shí)。
(C)在時(shí)間t2，脈沖計(jì)數(shù)器5的計(jì)數(shù)值變?yōu)?，第二隨機(jī)信號(hào)RS2從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。然后，如圖11(d)中所示，第一閂鎖電路3的時(shí)鐘輸入端CK變?yōu)楦唠娖?。第一閂鎖電路3通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘輸入端CK變換的前沿，鎖住計(jì)數(shù)信號(hào)CTS，并如圖9(e)中所示，經(jīng)過(guò)隨機(jī)數(shù)輸出端53提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。之后，重復(fù)同樣的操作，如通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS的后沿提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
本發(fā)明第三實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器10c不需要多個(gè)噪聲發(fā)生器，可以做到小型化。隨機(jī)數(shù)生成器10c產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與頻率特性無(wú)關(guān)，并且不需要調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。
此外，即使在隨機(jī)信號(hào)的最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度Tmin小于2倍的時(shí)鐘信號(hào)CS的周期Tck的情況下，通過(guò)提供一個(gè)具有最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度中最寬寬度的新信號(hào)，隨機(jī)數(shù)生成器10c也可以使用。
(第四實(shí)施例)與本發(fā)明的第四實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10d包括一個(gè)分配電路6和一個(gè)第一閂鎖電路3。給分配電路6提供隨機(jī)信號(hào)RS和時(shí)鐘信號(hào)CS，使得開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度和關(guān)狀態(tài)脈沖寬度為恒量，并相對(duì)隨機(jī)信號(hào)RS和時(shí)鐘信號(hào)CS的邏輯乘積輸出得躍遷在高電平和低電平之間交替變化。如圖12中所示，第一閂鎖電路3鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)RS的躍遷的分配隨機(jī)信號(hào)DRS，并提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
分配電路6包括一個(gè)“與”電路20、一個(gè)分配閂鎖電路21和一個(gè)反相器22?！芭c”電路20連接第一輸入端與方形波輸入端51，連接第二輸入端與時(shí)鐘輸入端52。分配閂鎖電路21連接“與”電路20的輸出端和一個(gè)時(shí)鐘輸入端。反相器22連接在輸出端Q和輸入端D之間。
下面用圖13解釋與本發(fā)明的第四實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10d的操作。
(A)首先，如圖13A中所示，從方形波輸入端51輸入的隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t1從低電平轉(zhuǎn)變成高電平。
(B)在從時(shí)間t1到時(shí)間t2的時(shí)間間隔內(nèi)，隨機(jī)信號(hào)RS保持高電平狀態(tài)，并且如圖13B中所示，“與”電路20的輸出端正在提供時(shí)鐘信號(hào)CS。這時(shí)，如圖13D中所示，通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿，從輸出端Q提供的分配隨機(jī)信號(hào)DRS的電平交替變化。
(C)在時(shí)間t2，隨機(jī)信號(hào)RS從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑⑶胰鐖D13E中所示，從第一閂鎖電路3的時(shí)鐘輸入端CK提供的信號(hào)變?yōu)楦唠娖健．?dāng)從時(shí)鐘輸入端CK提供的信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，第一閂鎖電路3鎖住分配隨機(jī)信號(hào)DRS，并且如圖13F中所示，經(jīng)過(guò)隨機(jī)數(shù)輸出端53提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
之后，重復(fù)同樣的操作，如通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS的后沿提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
與本發(fā)明的第四實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10d不需要多個(gè)噪聲發(fā)生器，可以做到小型化。隨機(jī)數(shù)生成器10d產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與頻率特性無(wú)關(guān)，并且不需要調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。
(第五實(shí)施例)如圖14中所示，與本發(fā)明的第五實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10e包括一個(gè)閂鎖電路23(J-K型觸發(fā)器)，用作分配閂鎖電路，取代圖12中所示的隨機(jī)數(shù)生成器10d的閂鎖電路21(D型觸發(fā)器)。隨機(jī)數(shù)生成器10e還包括一個(gè)閂鎖電路7(J-K型觸發(fā)器)，取代第一閂鎖電路3(D型觸發(fā)器)。對(duì)于和第一實(shí)施例基本相同的其他元件和功能，此處不再贅述。
下面用圖15解釋本發(fā)明第五實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器10e的操作。
(A)首先，如圖15A中所示，隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t1從低電平轉(zhuǎn)變成高電平。
(B)在從時(shí)間t1到時(shí)間t2的時(shí)間間隔內(nèi)，隨機(jī)信號(hào)RS保持高電平狀態(tài)，并且如圖15(b)中所示，“與”電路20的輸出端正在提供時(shí)鐘信號(hào)CS。這時(shí)，如圖15(d)中所示，通過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)CS的前沿，從輸出端Q提供的分配隨機(jī)信號(hào)DRS的電平交替變化。
(C)當(dāng)隨機(jī)信號(hào)RS在時(shí)間t2從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，如圖15(f)中所示，從第一閂鎖電路7的時(shí)鐘輸入端CK提供的信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。然后，如圖15(d)所示，給閂鎖電路7的第一輸端J提供分配隨機(jī)信號(hào)DRS。
閂鎖電路7的第二輸入端K接收分配翻轉(zhuǎn)信號(hào)DRS。如圖15(e)中所示，閂鎖電路7通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)信號(hào)DRS的前沿，鎖住分配隨機(jī)信號(hào)DRS，并且如圖15(g)中所示，提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)。隨機(jī)數(shù)信號(hào)輸出端53提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
之后，重復(fù)同樣的操作，如通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)RS的后沿提供隨機(jī)數(shù)信號(hào)RNS。
本發(fā)明第五實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)生成器10e不需要多個(gè)噪聲發(fā)生器，可以做到小型化。隨機(jī)數(shù)生成器10e產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與頻率特性無(wú)關(guān)，并且不需要調(diào)整出現(xiàn)“0”和“1”的概率。
如上所述，公開(kāi)了本發(fā)明的第一到第五實(shí)施例。上文所述和附圖只是本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容的一部分，其目的不是限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員從上述公開(kāi)內(nèi)容中，將能理解各種替代的實(shí)施例、示例和使用技術(shù)方法。
如圖16中所示，與第四和第五實(shí)施例相關(guān)的隨機(jī)數(shù)生成器10d和10e可以進(jìn)一步包括第二實(shí)施例中的第二閂鎖電路。
本發(fā)明可以通過(guò)轉(zhuǎn)換每個(gè)前沿和后沿實(shí)現(xiàn)，將前沿和后沿中的一個(gè)應(yīng)用到最小關(guān)狀態(tài)寬度。
隨機(jī)數(shù)生成器10d和10e可以進(jìn)一步包括一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，用于如第三實(shí)施例中所示從閂鎖電路提供信號(hào)。優(yōu)選情況下，送入第一到第五實(shí)施例中的隨機(jī)數(shù)生成器10a、10b、10c、10d和10e的時(shí)鐘信號(hào)CS的周期可以小于開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ的一半。
時(shí)鐘信號(hào)CS的周期T的設(shè)置和開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ相比越窄，隨機(jī)信號(hào)RS功率頻譜的差值所帶來(lái)的影響越能得到抑制。
其他的優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的。因此，本發(fā)明更寬范圍的內(nèi)容不受上文描述的具體細(xì)節(jié)和實(shí)施例的限制。因此，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改，這些修改都不超出后面的權(quán)利要求書(shū)及其等價(jià)內(nèi)容中所定義的本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種隨機(jī)數(shù)生成器，包括一個(gè)計(jì)數(shù)器電路，被配置為通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘輸入端向其輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以及通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)啟用端向其輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，并且被配置為提供一個(gè)關(guān)于隨機(jī)信號(hào)的躍遷的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)值；以及一個(gè)第一閂鎖電路，被配置為鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)躍遷的計(jì)數(shù)值，并被配置為提供一個(gè)第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)信號(hào)表現(xiàn)出的特性是功率頻譜強(qiáng)度隨著頻率的增加而改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)信號(hào)表現(xiàn)出的特性是功率頻譜強(qiáng)度隨著頻率的增加而下降。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，還包括一個(gè)第二閂鎖電路，被配置為接收一個(gè)具有固定周期的隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)以及第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)，以鎖住關(guān)于隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的躍遷的第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)，并被配置為提供一個(gè)第二隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘的頻率低于隨機(jī)信號(hào)的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的隨機(jī)數(shù)生成器，其中，當(dāng)隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)從低電平改變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的躍遷表示隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的前沿。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，其中脈沖計(jì)數(shù)器連接到計(jì)數(shù)啟用端，脈沖計(jì)數(shù)器的輸出變成隨機(jī)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，進(jìn)一步包括一個(gè)反相器，連接在計(jì)數(shù)啟用端和第一閂鎖電路的時(shí)鐘輸入端之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，其中時(shí)鐘信號(hào)的周期小于開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ的一半，開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ是從最大開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度Tmax減去最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度Tmin得到的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的隨機(jī)數(shù)生成器，其中第一閂鎖電路是一個(gè)D型觸發(fā)器。
11.一種隨機(jī)數(shù)生成器，包括一個(gè)“與”電路，被配置為通過(guò)一個(gè)第一輸入端向其輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以及通過(guò)一個(gè)第二輸入端向其輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，并且被配置為生成隨機(jī)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)的邏輯乘積；一個(gè)分配閂鎖電路，被配置為關(guān)于邏輯乘積輸出交替提供高電平信號(hào)和低電平信號(hào)；以及一個(gè)第一閂鎖電路，被配置為鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)躍遷的計(jì)數(shù)值，并被配置為提供一個(gè)隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)信號(hào)表現(xiàn)出的特性是功率頻譜強(qiáng)度隨著頻率的增加而改變。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)信號(hào)表現(xiàn)出的特性是功率頻譜強(qiáng)度隨著頻率的增加而下降。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，還包括一個(gè)第二閂鎖電路，被配置為接收一個(gè)具有固定周期的隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)以及第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)，以鎖住關(guān)于隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的躍遷的第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)，并被配置為提供一個(gè)第二隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的隨機(jī)數(shù)生成器，其中隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘的頻率低于隨機(jī)信號(hào)的頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的隨機(jī)數(shù)生成器，其中，當(dāng)隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)從低電平改變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的躍遷表示隨機(jī)數(shù)獲取時(shí)鐘信號(hào)的前沿。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，還包括一個(gè)連接到計(jì)數(shù)啟用端的脈沖計(jì)數(shù)器，其中脈沖計(jì)數(shù)器的輸出變成隨機(jī)信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，其中時(shí)鐘信號(hào)的周期小于開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ的一半，開(kāi)狀態(tài)區(qū)TZ是從最大開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度Tmax減去最小開(kāi)狀態(tài)脈沖寬度Tmin得到的。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，還包括一個(gè)反相器，連接在計(jì)數(shù)啟用端和第一閂鎖電路的時(shí)鐘輸入端之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的隨機(jī)數(shù)生成器，其中第一閂鎖電路是一個(gè)J-K型觸發(fā)器。
全文摘要
一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器，包括一個(gè)計(jì)數(shù)器電路，被配置為通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘輸入端向其輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以及通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)啟用端向其輸入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，并且被配置為提供一個(gè)關(guān)于隨機(jī)信號(hào)的躍遷的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)值；還包括一個(gè)第一閂鎖電路，被配置為鎖住關(guān)于隨機(jī)信號(hào)躍遷的計(jì)數(shù)值，并被配置為提供一個(gè)第一隨機(jī)數(shù)信號(hào)。
文檔編號(hào)G06F7/58GK1489037SQ0315542
公開(kāi)日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者安田心一, 藤田忍 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝