專利名稱：一種真隨機數(shù)產生電路及信息安全芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路設計領域，尤其涉及一種真隨機數(shù)產生電路及信息安全芯片。
背景技術：
隨機數(shù)在現(xiàn)代密碼學中占有重要的位置。在以Rivest-Shamir-Adleman公鑰密碼算法、數(shù)字簽名算法和橢圓曲線密碼學等為代表的非對稱密鑰加密體制中需要通過安全可靠的隨機數(shù)來生成密鑰，而在網絡安全協(xié)議中，密鑰分配時的臨時交換號往往是采用隨機數(shù)進行握手的。目前，現(xiàn)有技術所提供的一種真隨機數(shù)發(fā)生器是利用兩個獨立工作的高、低頻振蕩器之間的相對關系來得到非確定噪聲源，并用高抖動低頻振蕩器采樣高頻振蕩器，從而 產生隨機數(shù)序列。然而，現(xiàn)有技術所得到的隨機數(shù)過分依賴低頻振蕩器的抖動，往往會出現(xiàn)隨機數(shù)序列分布不均勻，且高頻部分出現(xiàn)局部丟失的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種真隨機數(shù)產生電路，g在解決現(xiàn)有技術所存在的隨機數(shù)序列分布不均勻，且高頻部分出現(xiàn)局部丟失的問題。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種真隨機數(shù)產生電路，所述真隨機數(shù)產生電路包括噪聲信號調制模塊，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號；高通數(shù)字濾波模塊，輸入端接所述噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除所述混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。本發(fā)明的目的還在于提供一種信息安全芯片。所述信息安全芯片包括真隨機數(shù)產生電路，所述真隨機數(shù)產生電路包括噪聲信號調制模塊，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號；高通數(shù)字濾波模塊，輸入端接所述噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除所述混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。在本發(fā)明中，通過采用包括所述噪聲信號調制模塊和所述高通數(shù)字濾波模塊的真隨機數(shù)產生電路，對隨機噪聲信號進行調制后生成相應的混合噪聲信號，并將所述混合噪聲信號中的直流分量完整濾除以獲得高頻隨機噪聲分量，進而輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的高質量的真隨機數(shù)，從而解決了現(xiàn)有技術所存在的隨機數(shù)序列分布不均勻，且高頻部分出現(xiàn)局部丟失的問題。


圖I是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的模塊結構圖2是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的示例電路結構圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路中熱噪聲源模塊所輸出的熱噪聲信號的頻譜圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的噪聲信號調制模塊中量化噪聲信號與熱噪聲信號的混合頻譜圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的高通數(shù)字濾波模塊中帶寬門限與混合噪聲信號的混合頻譜圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的高通數(shù)字濾波模塊所輸出的真隨機數(shù)的頻譜圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明實施例中，通過采用包括噪聲信號調制模塊和高通數(shù)字濾波模塊的真隨機數(shù)產生電路，對隨機噪聲信號進行調制后生成相應的混合噪聲信號，并將所述混合噪聲信號中的直流分量完整濾除以獲得高頻隨機噪聲分量，進而輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的高質量的真隨機數(shù)。圖I示出了本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的模塊結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關的部分，詳述如下真隨機數(shù)產生電路包括噪聲信號調制模塊100，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號;高通數(shù)字濾波模塊200，輸入端接噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除噪聲信號調制模塊100生成的混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。真隨機數(shù)產生電路還包括熱噪聲源模塊300，與噪聲信號調制模塊100的輸入端連接，用于生成熱噪聲信 號。圖2示出了本發(fā)明實施例提供的真隨機數(shù)產生電路的示例電路結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關的部分，詳述如下作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，噪聲信號調制模塊100包括運算放大器U1、積分器U2、比較器U3及數(shù)模轉換器U4 ；運算放大器Ul的同相輸入端為噪聲信號調制模塊100的輸入端，運算放大器Ul的正電源端和負電源端分別接+5V直流電源和地，運算放大器Ul的輸出端接積分器U2的輸入端，積分器U2的輸出端接比較器U3的同相輸入端，比較器U3的反相輸入端、正電源端及負電源端分別接等電勢地、+5V直流電源及地，比較器U3的輸出端為噪聲信號調制模塊100的輸出端，數(shù)模轉換器U4的輸入端和輸出端分別接比較器U3的輸出端和運算放大器Ul的反相輸入端。
作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，高通數(shù)字濾波模塊200包括第一加法器U5、寄存器U6、第二加法器U7及乘法器U8 ；第一加法器U5的第一輸入端為高通數(shù)字濾波模塊200的輸入端,第一加法器U5的輸出端同時與寄存器U6的輸入端及第ニ加法器U7的第一輸入端連接,第二加法器U7的輸出端為高通數(shù)字濾波模塊200的輸出端，寄存器U6的輸出端同時與第二加法器U7的第ニ輸入端及乘法器U8的第一輸入端連接,乘法器U8的第二輸入端輸入ー固定自然數(shù)X,乘法器U8的輸出端接第一加法器U5的第二輸入端。其中，固定自然數(shù)X可為l-2_n,n為O或正整數(shù)。作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，熱噪聲源模塊300包括電阻Rl和電阻R2，電阻Rl的第一端接ー參考電壓源VREF，電阻Rl的第二端為熱噪聲源模塊300的輸出端，電阻R2連接于電阻Rl的第二端與等電勢地之間。在本發(fā)明實施例中，由于噪聲信號調制模塊100中的運算放大器U1、積分器U2、比較器U3及數(shù)模轉換器U4構成了一個完整的Sigma-Delta調制器，其本身在工作過程中會產生熱噪聲信號和低頻噪聲信號(兩者均屬于隨機噪聲信號)，所以在不需要熱噪聲源模塊300的情況下，整個真隨機數(shù)產生電路依舊能夠生成真隨機數(shù)，而隨著熱噪聲源模塊300的加入，噪聲信號調制模塊100中的隨機噪聲信號會得到加強，進而使整個真隨機數(shù)產生電路所生成的真隨機數(shù)的質量更高。以下結合工作原理對上述真隨機數(shù)產生電路作進一步說明電阻Rl和電阻R2對參考電壓源VREF輸出的帶有熱噪聲的電壓進行分壓以得到 熱噪聲信號Vin，該熱噪聲信號Vin (Vin的頻譜如圖3所示)輸出至噪聲信號調制模塊100的輸入端，然后通過運算放大器U1、積分器U2及比較器U3進行調制后輸出I比特的數(shù)字信號流、量化噪聲信號Vd及熱噪聲信號Vr (Vd與Vr的混合頻譜如圖4所示)至數(shù)模轉換器U4，數(shù)模轉換器U4隨即輸出與I比特的數(shù)字信號流對應的模擬信號至運算放大器U1，該模擬信號與由運算放大器U1、積分器U2、比較器U3及數(shù)模轉換器U4構成的Sigma-Delta調制器的熱噪聲信號和量化噪聲信號合并在一起，通過運算放大器Ul、積分器U2及比較器U3后輸出ー混合噪聲信號至高通數(shù)字濾波模塊200,最后由第一加法器U5、寄存器U6、第二加法器U7及乘法器U8構成的高通數(shù)字濾波器電路通過其產生的帶寬門限(該帶寬門限為高通數(shù)字濾波器電路的1/2功率衰減點，即_3dB點)將該混合噪聲信號中的直流分量(帶寬門限與混合噪聲信號的混合頻譜如圖5所示)濾除后得到一高頻隨機噪聲分量作為最終輸出的真隨機數(shù)(真隨機數(shù)的頻譜如圖6所示)。本發(fā)明實施例的另ー目的還在于提供一種信息安全芯片。該信息安全芯片包括真隨機數(shù)產生電路，該真隨機數(shù)產生電路包括噪聲信號調制模塊100，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號;高通數(shù)字濾波模塊200，輸入端接噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除噪聲信號調制模塊100生成的混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。該真隨機數(shù)產生電路還包括熱噪聲源模塊300，與噪聲信號調制模塊100的輸入端連接，用于生成熱噪聲信號。在本發(fā)明實施例中，通過采用包括噪聲信號調制模塊和高通數(shù)字濾波模塊的真隨機數(shù)產生電路，對隨機噪聲信號進行調制后生成相應的混合噪聲信號，并將所述混合噪聲信號中的直流分量完整濾除以獲得高頻隨機噪聲分量，進而輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的高質量的真隨機數(shù)，從而解決了現(xiàn)有技術所存在的隨機數(shù)序列分布不均勻，且高頻部分出現(xiàn)局部丟失的問題。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述真隨機數(shù)產生電路包括 噪聲信號調制模塊，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號； 高通數(shù)字濾波模塊，輸入端接所述噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除所述混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。
2.如權利要求I所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述真隨機數(shù)產生電路還包括 熱噪聲源模塊，與所述噪聲信號調制模塊的輸入端連接，用于生成熱噪聲信號。
3.如權利要求I所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述噪聲信號調制模塊包括 運算放大器、積分器、比較器及數(shù)模轉換器； 所述運算放大器的同相輸入端為所述噪聲信號調制模塊的輸入端，所述運算放大器的正電源端和負電源端分別接+5V直流電源和地，所述運算放大器的輸出端接所述積分器的輸入端，所述積分器的輸出端接所述比較器的同相輸入端，所述比較器的反相輸入端、正電源端及負電源端分別接等電勢地、+5V直流電源及地，所述比較器的輸出端為所述噪聲信號調制模塊的輸出端，所述數(shù)模轉換器的輸入端和輸出端分別接所述比較器的輸出端和所述運算放大器的反相輸入端。
4.如權利要求I所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述高通數(shù)字濾波模塊包括 第一加法器、寄存器、第二加法器及乘法器； 所述第一加法器的第一輸入端為所述高通數(shù)字濾波模塊的輸入端，所述第一加法器的輸出端同時與所述寄存器的輸入端及所述第二加法器的第一輸入端連接，所述第二加法器的輸出端為所述高通數(shù)字濾波模塊的輸出端，所述寄存器的輸出端同時與所述第二加法器的第二輸入端及所述乘法器的第一輸入端連接，所述乘法器的第二輸入端輸入ー固定自然數(shù)，所述乘法器的輸出端接所述第一加法器的第二輸入端。
5.如權利要求I或2所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述熱噪聲源模塊包括電阻Rl和電阻R2，所述電阻Rl的第一端接ー參考電壓源，所述電阻Rl的第二端為所述熱噪聲源模塊的輸出端，所述電阻R2連接于所述電阻Rl的第二端與等電勢地之間。
6.一種信息安全芯片，其特征在于，所述信息安全芯片包括真隨機數(shù)產生電路，所述真隨機數(shù)產生電路包括 噪聲信號調制模塊，用于對隨機噪聲信號進行調制以生成相應的混合噪聲信號； 高通數(shù)字濾波模塊，輸入端接所述噪聲信號調制模塊的輸出端，用于濾除所述混合噪聲信號中的直流分量以得到高頻隨機噪聲分量，并輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的真隨機數(shù)。
7.如權利要求6所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述真隨機數(shù)產生電路還包括 熱噪聲源模塊，與所述噪聲信號調制模塊的輸入端連接，用于生成熱噪聲信號。
8.如權利要求6所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述噪聲信號調制模塊包括 運算放大器、積分器、比較器及數(shù)模轉換器； 所述運算放大器的同相輸入端為所述噪聲信號調制模塊的輸入端，所述運算放大器的正電源端和負電源端分別接+5V直流電源和地，所述運算放大器的輸出端接所述積分器的輸入端，所述積分器的輸出端接所述比較器的同相輸入端，所述比較器的反相輸入端、正電源端及負電源端分別接等電勢地、+5V直流電源及地，所述比較器的輸出端為所述噪聲信號調制模塊的輸出端，所述數(shù)模轉換器的輸入端和輸出端分別接所述比較器的輸出端和所述運算放大器的反相輸入端。
9.如權利要求6所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述高通數(shù)字濾波模塊包括 第一加法器、寄存器、第二加法器及乘法器； 所述第一加法器的第一輸入端為所述高通數(shù)字濾波模塊的輸入端，所述第一加法器的輸出端同時與所述寄存器的輸入端及所述第二加法器的第一輸入端連接，所述第二加法器的輸出端為所述高通數(shù)字濾波模塊的輸出端，所述寄存器的輸出端同時與所述第二加法器的第二輸入端及所述乘法器的第一輸入端連接，所述乘法器的第二輸入端輸入ー固定自然數(shù)，所述乘法器的輸出端接所述第一加法器的第二輸入端。
10.如權利要求6或7所述的真隨機數(shù)產生電路，其特征在于，所述熱噪聲源模塊包括電阻Rl和電阻R2，所述電阻Rl的第一端接ー參考電壓源，所述電阻Rl的第二端為所述熱噪聲源模塊的輸出端，所述電阻R2連接于所述電阻Rl的第二端與等電勢地之間。
全文摘要
本發(fā)明適用于集成電路設計領域，提供了一種真隨機數(shù)產生電路及信息安全芯片。在本發(fā)明中，通過采用包括噪聲信號調制模塊和高通數(shù)字濾波模塊的真隨機數(shù)產生電路，對隨機噪聲信號進行調制后生成相應的混合噪聲信號，并將所述混合噪聲信號中的直流分量完整濾除以獲得高頻隨機噪聲分量，進而輸出與所述高頻隨機噪聲分量對應的高質量的真隨機數(shù)，從而解決了現(xiàn)有技術所存在的隨機數(shù)序列分布不均勻，且高頻部分出現(xiàn)局部丟失的問題。
文檔編號G06F7/58GK102693119SQ201210133438
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權日2012年5月2日
發(fā)明者喬愛國, 劉小靈, 謝韶波, 齊凡 申請人:深圳市芯?？萍加邢薰?br>