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(kāi)對(duì)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(zhǎng)度為有限長(zhǎng)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(méi)有規(guī)律可循，是完全不可預(yù)測(cè)的。在很多場(chǎng)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(cè)的特點(diǎn)使得它無(wú)法應(yīng)用于特定場(chǎng)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(cè)性，只有這樣才可以抵擋住對(duì)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(cè)的輸出，是因?yàn)槠淅昧宋锢磉^(guò)程中的各種隨機(jī)噪聲，最常見(jiàn)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(guò)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(guò)D觸發(fā)器把兩個(gè)獨(dú)立的振蕩信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混合，用低頻信號(hào)采樣高頻信號(hào)，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(cè)以及對(duì)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(tái)(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(hào)可以得至lJ具有一定隨機(jī)性的輸出序列，其隨機(jī)性來(lái)源于輸入信號(hào)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(zhǎng)，故只有在采樣時(shí)鐘周期較長(zhǎng)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(guò)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(duì)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?jī)?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(duì)于設(shè)計(jì)高速率隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作者來(lái)說(shuō)，是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)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(guò)對(duì)延遲鏈各級(jí)輸出同時(shí)采樣來(lái)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(méi)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(duì)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(tái)(如FPGA，CPLD)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，且易于在SoC中使用。通過(guò)延遲鏈各級(jí)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(méi)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(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)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(duì)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(zhǎng)度不是固定的，但是每一級(jí)結(jié)構(gòu)相同，延遲鏈2越長(zhǎng)，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(jí)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(lèi)推。所有觸發(fā)器使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(jiǎn)稱該現(xiàn)象為"邊沿碰撞"。對(duì)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(duì)多點(diǎn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，把各個(gè)輸出異或起來(lái)，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(wú)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(guò)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(hào)，將這些信號(hào)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(lái)，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(jí)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(hào)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(duì)于以反相器延遲鏈第n級(jí)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(hào)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(cè)的概率POwmZ/ctoWe^l-PO^^ctoWe)， 其中戶(，血^/e)為比特輸出值可預(yù)測(cè)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(jí)反相器輸出跳變沿時(shí)刻的方差為w. ，那么對(duì)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(zhǎng)度。
z=i
隨著延時(shí)鏈長(zhǎng)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。可見(jiàn)，隨著反相器延遲鏈級(jí)數(shù)的增加，輸出比特值為不可預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)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(guò)延遲鏈各級(jí)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(méi)有明顯聯(lián)系。
文檔編號(hào)G06F7/58GK201327636SQ20082016653
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)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(rùn)捷 申請(qǐng)人:張潤(rùn)捷