專利名稱：基于電阻噪聲處理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器領(lǐng)域，具體涉及一種基于電阻噪聲處理的真隨機(jī) 數(shù)發(fā)生器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代信息安全技術(shù)中，密碼技術(shù) 應(yīng)用日益廣泛，其中用于通訊雙方加密、解密的 密鑰尤為關(guān)鍵，而密鑰一般都是由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(Random Number Generator，RNG)產(chǎn)生的。 因此，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能直接決定了密鑰的安全性，亦即決定了密碼系統(tǒng)的安全性。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可分為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(PRNG)和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(TRNG)。偽隨機(jī) 數(shù)是由種子和一定的數(shù)學(xué)算法產(chǎn)生的，其序列周期長度有限，隨機(jī)性較差，是可以預(yù)測的， 一般應(yīng)用在安全性不高的場合；真隨機(jī)數(shù)是由物理方法產(chǎn)生的，選取了真實世界的自然隨 機(jī)性，因而具有隨機(jī)性好，不可預(yù)測等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于信息安全領(lǐng)域。目前真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實現(xiàn)方案一般有三種直接放大法、振蕩采樣法、離散時間 混沌法。直接放大法主要利用了電路中的物理噪聲，但其易受到開關(guān)噪聲、襯底耦合、串?dāng)_ 等非理想因素的影響，使其隨機(jī)性大大降低；離散時間混沌法利用混沌電路的不可預(yù)測性 及對初始條件敏感的依賴性產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，但其對確定性噪聲不敏感，響應(yīng)時間較長；振蕩采 樣法通過D觸發(fā)器把兩個獨(dú)立的振蕩信號進(jìn)行數(shù)字混合，但要獲得較好的隨機(jī)性，要求采 樣時鐘具有較大的相位噪聲。本實用新型提供一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，它通過引入電荷泵的設(shè)計，極大的降低了 耦合、串?dāng)_等非理性因素的影響，通過提取噪聲信號驅(qū)動壓控振蕩器(VCO)的結(jié)構(gòu)生成具 有較大相位噪聲的振蕩信號，并運(yùn)用后處理算法進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的隨機(jī)特性。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型的目的在于提供一種極大降低耦合、 串?dāng)_等非理性因素影響的基于電阻噪聲處理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。為此，本實用新型是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于電阻噪聲處理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其改進(jìn)之處在于該發(fā)生器包括第一 時鐘源、第二時鐘源、采樣器、后處理單元、偏置電路和電源管理單元，所述第一時鐘源和第 二時鐘源的輸出端均與采樣器的輸入端相連，所述采樣器的輸出端與后處理單元相連，所 述電源管理單元與偏置電路的輸入端相連并為整個發(fā)生器供電，所述偏置電路的輸出端與 第二時鐘源相連。本實用新型較優(yōu)選的技術(shù)方案為所述第一時鐘源包括緩沖器和環(huán)形振蕩器，所 述環(huán)型振蕩器與緩沖器的輸入端相連，所述緩沖器的輸出端與采樣器的輸入端相連。本實用新型更優(yōu)選的技術(shù)方案為所述第二時鐘源包括噪聲源、處理單元、壓控振 蕩器和偏置電路，所述噪聲源包括第一噪聲源和第二噪聲源，所述處理單元包括第一緩沖 放大單元、第二緩沖放大單元、電荷泵和濾波器，所述第一噪聲源經(jīng)過第一緩沖放大單元進(jìn)行幅度放大后進(jìn)入電荷泵的UP端口，所述第二噪聲源經(jīng)過第二緩沖放大單元進(jìn)行幅度放 大后進(jìn)入電荷泵的DN端口，所述電荷泵的輸出端與壓控振蕩器相連，電荷泵與壓控振蕩器 之間連接有一濾波器，所述偏置電路的輸出端與壓控振蕩器相連，所述壓控振蕩器的輸出 端與采樣器的輸入端相連。本實用新型更優(yōu)選的技術(shù)方案為所述后處理單元采用48位線性反饋移位寄存
ο本實用新型更優(yōu)選的技術(shù)方案為所述第一時鐘源、第二時鐘源、采樣器和后處理 單元之間采用保護(hù)環(huán)進(jìn)行隔離處理。本實用新型的有益效果是1、本實用新型中，采用基于電阻噪聲的產(chǎn)生機(jī)制，實現(xiàn)了真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；2、本實用新型中相位噪聲較大的第二時鐘源對較高頻的第一時鐘源進(jìn)行采樣，實 現(xiàn)了較好的隨機(jī)特性；3、本實用新型通過采用保護(hù)環(huán)將整個發(fā)生器進(jìn)行了合理的布圖設(shè)計，減小了耦 合、串?dāng)_等非理想因素的影響，減小了所生成隨機(jī)數(shù)與外界因素的相關(guān)性，增大了其與電阻 噪聲的相關(guān)性，提高了隨機(jī)特性；4、本實用新型中的第二時鐘源通過對兩路電阻噪聲信號處理的方式消除了耦合 帶來的影響，提高了隨機(jī)數(shù)的方差特性；5、本實用新型中的后處理單元結(jié)構(gòu)簡單，非常適合于集成電路硬件實現(xiàn)，運(yùn)行速 度快，可產(chǎn)生具有良好統(tǒng)計性質(zhì)的序列。

圖1是本實用新型發(fā)生器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型發(fā)生器的具體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是第二時鐘源中處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是電荷泵的原理圖；圖5是后處理單元的原理圖；其中，1-第一時鐘源(CLKl)，2-第二時鐘源(CLK2)，3_采樣器，4_后處理單元， 5-偏置電路，6-電源管理單元，7-噪聲源，8-處理單元，9-壓控振蕩器(VCO)，10-偏置電 路，11-緩沖期，12-環(huán)形振蕩器，13-第一噪聲源，14-第二噪聲源，15-第一緩沖放大單元， 16-第二緩沖放大單元，17-電荷泵，18-濾波器，19-充電電流源，20-放電電流源，21-充電 通路的壓控開關(guān)，22-放電通路的壓控開關(guān)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本實用新型的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括第一時鐘源1、第二時鐘 源2、采樣器3、后處理單元4、偏置電路5和電源管理單元6，第一時鐘源1和第二時鐘源2 的輸出端均與采樣器3的輸入端相連，所述采樣器的輸出端與后處理單元4相連，所述電源 管理單元6與偏置電路5的輸入端相連并為整個發(fā)生器供電，所述偏置電路5的輸出端與 第二時鐘源2相連。[0027]端口 Enable是TRNG (真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器)的使能信號，控制TRNG的工作狀態(tài)；端口 VDD、VSS是系統(tǒng)的電源信號；端口 TRNG_0UT是系統(tǒng)產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列的輸出信號?？傮w TRNG系統(tǒng)由第一時鐘源1、第二時鐘源2、采樣器3、后處理單元4、偏置電路5、電源管理模 塊6組成。其中，第一時鐘源1主要產(chǎn)生一路高頻的時鐘信號，第二時鐘 源2產(chǎn)生一路相位 噪聲較大的低頻時鐘信號，采樣器3實現(xiàn)兩路時鐘信號的數(shù)字混合并生成具有一定隨機(jī)度 的真隨機(jī)數(shù)，后處理單元4對采樣器3生成的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行處理，以進(jìn)一步增強(qiáng)其隨機(jī)特性； 電源管理單元6主要負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換并給整個系統(tǒng)供電，偏置電路5為第二時鐘源2提供偏 置電壓。為減小模塊間的串?dāng)_、耦合，提高系統(tǒng)的隨機(jī)性，物理設(shè)計時按照附圖2所示方式 進(jìn)行布圖。將整個系統(tǒng)分為四部分，分別為一 )由噪聲源7、處理單元8、壓控振蕩器9和偏置電路10組成的第二時鐘源2 ；二)由環(huán)型振蕩器12和緩沖器11組成的第一時鐘源1 ；三)采樣器3;四)后處理單元4 ；布圖時四個部分之間運(yùn)用保護(hù)環(huán)(Guard Ring，如虛線所示)進(jìn)行隔離處理。其 中，第一時鐘源1和第二時鐘源2在芯片中的擺放位置盡可能遠(yuǎn)(附圖2中處于對角線上)， 并對第二時鐘源2中的壓控振蕩器9作另外的隔離處理(如虛線所示)。本實用新型中，第一時鐘源1主要用于產(chǎn)生頻率較高的時鐘信號，作為采樣器3的 數(shù)據(jù)信號，是由環(huán)形振蕩器12和緩沖器11來實現(xiàn)的。環(huán)型振蕩器12與緩沖器11的輸入 端相連，緩沖器11的輸出端與采樣器3的輸入端相連。本實用新型中，第二時鐘源2主要用于產(chǎn)生頻率較低、相位噪聲較大的時鐘信號， 作為采樣器3的采樣時鐘信號。其結(jié)構(gòu)如附圖3所示，由第一噪聲源13、第二噪聲源14、第 一緩沖放大單元15、第二緩沖放大單元16、電荷泵17、濾波器18及壓控振蕩器9組成。其 中，第一噪聲源13和第二噪聲源14均取自CMOS工藝中電阻產(chǎn)生的噪聲信號，分別經(jīng)過第 一緩沖放大單元15和第二緩沖放大單元16進(jìn)行幅度放大，放大后的兩路噪聲信號分別進(jìn) 入電荷泵17的UP端口和DN端口。附圖4是電荷泵17的原理圖，UP端口和DN端口分別 控制充電通路的壓控開關(guān)21和放電通路的壓控開關(guān)22(控制電壓的大小與開關(guān)打開的時 間成正比)，充電電流源19和放電電流源20具有相等的電流信號，信號經(jīng)過電荷泵后由后 續(xù)的濾波器18進(jìn)行濾波處理，得到的電壓信號作為壓控振蕩器9的控制電壓信號，壓控振 蕩器9輸出的周期信號即為第二時鐘源2的時鐘信號。該結(jié)構(gòu)可以消除由噪聲源引入的耦合和串?dāng)_信號，使生成的第二時鐘源具有較大 的相位噪聲，從而提高整個隨機(jī)數(shù)系統(tǒng)的隨機(jī)度。假設(shè)噪聲信號為e (t)，由耦合和串?dāng)_引入 的信號為δ (t)，則第一噪聲源13的噪聲信號可以表示δ (t)，第二噪聲源14的 噪聲信號可以表示為e2(t)+ δ (t)，經(jīng)過增益為G的緩沖放大單元進(jìn)入電荷泵的信號為UP :G · (ei(t)+δ ⑴)DN :G · (e2(t)+δ ⑴)設(shè)壓控開關(guān)的比例系數(shù)為k，電流源電流為I，則電荷泵19輸出端的電荷變化為 Δ Q = I · k · G · (ei(t)+ δ (t)) -I · k · G · (e2 (t) + δ (t)) = I · k · G · (θι (t) _e2 (t))?？?以看到得到的凈電荷中已經(jīng)消除了耦合帶來的影響，僅與噪聲信號差相關(guān)，增大了信號的方差特性。電荷的變化經(jīng)過濾波器18的處理生成噪聲電壓驅(qū)動壓控振蕩器9。由于噪聲信 號的特性使得生成的第二時鐘源2具有較大的相位噪聲。該時鐘源通過采樣器3對第一時 鐘源1進(jìn)行采樣，可以得到隨機(jī)性較好的隨機(jī)數(shù)，由于該產(chǎn)生機(jī)制是建立在物理噪聲基礎(chǔ) 上，因而屬于真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。本實用新型中采用后處理單元4對隨機(jī)序列進(jìn)行處理。后處理單元4的原理如附 圖5所示，其采用48位線性反饋移位寄存器(LFSR)，反饋位同時異或采樣器3的輸出。該 LFSR的產(chǎn)生多項式為f(x) =X48+X7+X5+X4+X2+X+1，其初始值由采樣器3產(chǎn)生。經(jīng)過后處理 單元4得到的序列具有良好的統(tǒng)計特性，極大地增強(qiáng)了序列的隨機(jī)度。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限 制，盡管參照上述實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解依然可以對本實用新型的具體實施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實用新 型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求一種基于電阻噪聲處理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于該發(fā)生器包括第一時鐘源(1)、第二時鐘源(2)、采樣器(3)、后處理單元(4)、偏置電路(5)和電源管理單元(6)，所述第一時鐘源(1)和第二時鐘源(2)的輸出端均與采樣器(3)的輸入端相連，所述采樣器的輸出端與后處理單元(4)相連，所述電源管理單元(6)與偏置電路(5)的輸入端相連并為整個發(fā)生器供電，所述偏置電路(5)的輸出端與第二時鐘源(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述第一時鐘源(1)包括緩 沖器(11)和環(huán)形振蕩器(12)，所述環(huán)型振蕩器(12)與緩沖器(11)的輸入端相連，所述緩 沖器(11)的輸出端與采樣器⑶的輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述第二時鐘源(2)包括噪 聲源(7)、處理單元(8)、壓控振蕩器(9)和偏置電路(10)，所述噪聲源(7)包括第一噪聲 源(13)和第二噪聲源(14)，所述處理單元(8)包括第一緩沖放大單元(15)、第二緩沖放大 單元(16)、電荷泵(17)和濾波器(18)，所述第一噪聲源(13)經(jīng)過第一緩沖放大單元(15) 進(jìn)行幅度放大后進(jìn)入電荷泵(17)的UP端口，所述第二噪聲源(14)經(jīng)過第二緩沖放大單元 (16)進(jìn)行幅度放大后進(jìn)入電荷泵(17)的DN端口，所述電荷泵(17)的輸出端與壓控振蕩器 (9)相連，電荷泵與壓控振蕩器之間連接有一濾波器(18)，所述偏置電路(10)的輸出端與 壓控振蕩器相連，所述壓控振蕩器的輸出端與采樣器(3)的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述后處理單元(4)采用48 位線性反饋移位寄存器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于所述第一時鐘源(1)、 第二時鐘源(2)、采樣器(3)和后處理單元⑷之間采用保護(hù)環(huán)進(jìn)行隔離處理。
專利摘要本實用新型屬于真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器領(lǐng)域，具體涉及一種基于電阻噪聲處理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。其包括第一時鐘源、第二時鐘源、采樣器、后處理單元、偏置電路和電源管理單元，第一時鐘源和第二時鐘源的輸出端均與采樣器的輸入端相連，采樣器的輸出端與后處理單元相連，電源管理單元與偏置電路的輸入端相連并為整個發(fā)生器供電，偏置電路的輸出端與第二時鐘源相連。該真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過引入電荷泵的設(shè)計，極大的降低了耦合、串?dāng)_等非理性因素的影響，通過提取噪聲信號驅(qū)動壓控振蕩器(VCO)的結(jié)構(gòu)生成具有較大相位噪聲的振蕩信號，并運(yùn)用后處理算法進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的隨機(jī)特性。
文檔編號G06F7/58GK201773390SQ20102051240
公開日2011年3月23日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者原義棟, 張喆, 張海峰 申請人:中國電力科學(xué)研究院