專利名稱：一種基于數(shù)字電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域和信息安全領(lǐng)域，具體涉及一種以振蕩采樣法為基本工作原理，主要結(jié)構(gòu)采用數(shù)字單元構(gòu)成的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，可應(yīng)用于各種信息安全領(lǐng)域的加密系統(tǒng)中，用于產(chǎn)生可靠的真隨機(jī)數(shù)序列。
背景技術(shù)：
隨著通信、電子信息、計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，信息交流越來越頻繁和緊密，信息安全問題越來越受到人們的關(guān)注。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器作為安全芯片中一個重要模塊在保密通信領(lǐng)域有著重要和廣泛的應(yīng)用，在生成公鑰密碼參數(shù)和對稱算法密鑰等運(yùn)用中發(fā)揮著重要的作用。因此在加密領(lǐng)域，產(chǎn)生性能高的真隨機(jī)數(shù)序列來保證信息安全是必須的。目前能產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的電路實(shí)現(xiàn)有很多方法:噪聲源直接放大法、振蕩采樣法、離散時間的混沌系統(tǒng)、亞穩(wěn)態(tài)電路等。一般比較常見的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生電路主要有:熱噪聲直接放大法，利用放大器直接放大電阻熱噪聲，再通過比較器整形后產(chǎn)生隨機(jī)序列。電阻的熱噪聲是典型的高斯白噪聲，將其放大處理后產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列有很好的隨機(jī)性。振蕩采樣法:通過慢時鐘去采樣快時鐘,慢時鐘的隨機(jī)抖動可使觸發(fā)器采樣值具有不確定性。需要注意的是慢時鐘和快時鐘的周期的倍數(shù)關(guān)系，一般實(shí)際證實(shí)慢時鐘周期至少是快時鐘周期的幾十倍時才能得到隨機(jī)性比較好的隨機(jī)數(shù)，否則采出的數(shù)據(jù)具有較大的相關(guān)性，會出現(xiàn)連續(xù)采樣多位O或I的現(xiàn)象。目前常用的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器大多是全模擬或者數(shù)?；旌想娐?。模擬電路對工藝參數(shù)變化比較敏感，不能根據(jù)工藝變化縮減，特別是在進(jìn)入90nm以后這種情況更加嚴(yán)重。另夕卜，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器一般是作為一個模塊集成到數(shù)字電路系統(tǒng)中，非常容易受到非高斯的系統(tǒng)噪聲和電源噪聲影響，影響電路隨機(jī)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對上述存在的問題，提供一種基于數(shù)字單元實(shí)現(xiàn)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。全數(shù)字的結(jié)構(gòu)相比含有模擬電路的結(jié)構(gòu)可以更加好的融合到數(shù)字系統(tǒng)中，有更好的集成性，也適合隨工藝遷移。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:包括副振蕩采樣電路組、主振蕩采樣電路組及后處理電路；其中，副振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路；主振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路；所述副振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的輸出端與主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接；主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的輸出端與后處理電路的輸入端連接。優(yōu)選地，所述副振蕩采樣電路組包含多個基本振蕩采樣電路，且任意一個所述的基本振蕩采樣電路的頻率控制端與其余所述的基本振蕩采樣電路的輸出端連接，連接成反饋結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述主振蕩采樣電路組包含兩個基本振蕩采樣電路；所述副振蕩采樣電路組中各基本振蕩采樣電路的輸出端與主振蕩采樣電路組其中一個基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接；副振蕩采樣電路組中各基本振蕩采樣電路的輸出端分別連接一個反相器，所述各個反相器的輸出端與主振蕩采樣電路組其中另一個基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接。優(yōu)選地，所述基本振蕩采樣電路包括:低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器、高頻振蕩器、采樣電路、偽隨機(jī)序列發(fā)生器以及第一異或門；所述低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器具有頻率控制端，其輸出端與采樣電路的時鐘信號輸入端連接；采樣電路的數(shù)據(jù)采樣端與所述高頻振蕩器的輸出端連接；采樣電路的輸出端與第一異或門的一個輸入端連接，偽隨機(jī)序列發(fā)生器的輸出端與第一異或門的另一個輸入端連接；第一異或門的輸出端為基本振蕩采樣電路的輸出端。優(yōu)選地，高頻振蕩器輸出信號的頻率至少為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器輸出信號頻率的20倍。優(yōu)選地，所述高頻振蕩器輸出信號的占空比等于50%。優(yōu)選地，所述后處理電路包括第一寄存器、第二寄存器、第二異或門及第一線性移位寄存器；所述第一寄存器的數(shù)據(jù)輸入端與第二寄存器的數(shù)據(jù)輸入端分別對應(yīng)與所述主振蕩采樣電路組的兩個基本振蕩采樣電路的輸出端連接；所述第一寄存器的輸出端與第二寄存器的輸出端分別對應(yīng)與所述第二異或門的兩個輸入端連接；第二異或門的輸出端與第一線性移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端連接；第一線性移位寄存器的輸出端為后處理電路的輸出端；所述第一寄存器、第二寄存器、第二異或門及第一線性移位寄存器的時鐘信號輸入端連接相同的控制時鐘信號源。優(yōu)選地，后處理電路的控制時鐘信號源的最低頻率小于所述主振蕩采樣電路組的兩個基本振蕩采樣電路的輸出的隨機(jī)序列的最低頻率。優(yōu)選地，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器輸出信號的頻率 > 副振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的低頻環(huán)形振蕩器輸出信號的最低頻率>主振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的低頻環(huán)形振蕩器輸出信號的最低頻率>后處理電路的控制時鐘信號源的頻率。優(yōu)選地，所述低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器包括若干反相器、與非門及若干可變電容電路；所述各個反相器串聯(lián)，其中最后一個反相器的輸出端一方面作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的輸出端，一方面與所述與非門的一個輸入端連接；與非門的輸出端與第一個反相器的輸入端連接；所述與非門及各反相器的輸出端上各連接有至少一可變電容電路，各個可變電容電路的控制端直接作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端；或者各個可變電容電路的控制端部分直接作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端，部分連接在一起作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端，部分直接接地。優(yōu)選地，包括控制端和第一 MOS管、第二 MOS管及第三MOS管；第一 MOS管10的漏極、第二 MOS管的柵極以及第三MOS管的柵極連接在一起后再連接到所述反相器或者與非門的輸出端；第一 MOS管的柵極與第二 MOS管的漏極連接在一起后再與控制端連接；第一 MOS管的源極、第二 MOS管的源極及第三MOS管的漏極連接在一起；第三MOS管的源極接地；所述第一 MOS管與第二 MOS管為P型，第三MOS管為N型；第二 MOS管的等效電容大于第三MOS管。優(yōu)選地，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器為15級的線性反饋移位寄存器。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器能輸出高性能的真隨機(jī)數(shù)，同時具有數(shù)字電路速度快、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡單、易于集成、面積小等優(yōu)點(diǎn)。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:圖1是真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路一個具體實(shí)施例的主要結(jié)構(gòu)。圖2是基本振蕩采樣電路的一個具體實(shí)施例。圖3是偽隨機(jī)序列發(fā)生器的一個具體實(shí)施例。圖4是低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的一個具體實(shí)施例。圖5是可變電容的一個具體實(shí)施例。圖6是后處理電路的一個具體實(shí)施例。圖中標(biāo)記:真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器1000 ;副振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路100、200、300、400、500 ;主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路600、700 ;后處理電路800 ;低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器110 ;采樣電路102 ;第一異或門103 ;偽隨機(jī)序列發(fā)生器900 ;可變電容電路111 ;寄存器801、802 ;第二異或門803 ;第一線性反饋移位寄存器804。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。本發(fā)明提出的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括副振蕩采樣電路組、主振蕩采樣電路組及后處理電路，其中副振蕩采樣電路組完成第一次振蕩采樣，主振蕩采樣電路組完成第二次振蕩采樣。圖1顯示了真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器1000的基本結(jié)構(gòu)，電路中的副振蕩采樣電路組包括基本振蕩采樣電路100、200、300、400、500，主振蕩采樣電路組包括基本振蕩采樣電路600、700。5個基本振蕩采樣電路100、200、300、400、500構(gòu)成反饋結(jié)構(gòu)，即每個基本振蕩采樣電路的5位頻率控制信號中的4位由另外的4個基本振蕩采樣電路的輸出提供，例如基本振蕩采樣電路100的頻率控制端D
與基本振蕩采樣電路200、300、400、500的輸出端對應(yīng)連接。這種反饋結(jié)構(gòu)可以促使副振蕩采樣電路組快速進(jìn)入隨機(jī)狀態(tài)，產(chǎn)生5位用于控制主振蕩采樣電路組采樣頻率變化的隨機(jī)數(shù)。主振蕩采樣電路組包含兩個基本振蕩采樣電路；所述副振蕩采樣電路組的5位隨機(jī)數(shù)輸出端與主振蕩采樣電路組其中基本振蕩采樣電路600的頻率控制端D [O 4]對應(yīng)連接；副振蕩采樣電路組的5位隨機(jī)數(shù)輸出端D
分別連接一個反相器，所述各個反相器的輸出端與主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路700的頻率控制端D
對應(yīng)連接。
主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路600和700產(chǎn)生的2路隨機(jī)數(shù)經(jīng)后處理電路800處理后，最后產(chǎn)生高性能的真隨機(jī)數(shù)。如圖2，副振蕩采樣電路組或主振蕩采樣電路組中的基本振蕩采樣電路100包括低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器110、高頻振蕩器(圖中未示出)、采樣電路102、偽隨機(jī)序列發(fā)生器900以及異或門103構(gòu)成。所述低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器110具有頻率控制端，其輸出端與采樣電路102的時鐘信號輸入端連接；采樣電路102的數(shù)據(jù)采樣端與所述高頻振蕩器的輸出端連接；采樣電路102的輸出端與異或門103的一個輸入端連接，偽隨機(jī)序列發(fā)生器900的輸出端與異或門103的另一個輸入端連接；異或門103的輸出端為基本振蕩采樣電路的輸出端。低頻環(huán)形振蕩器，受熱噪聲的影響，其振蕩周期會有一定的抖動，這種抖動是隨機(jī)的,相位抖動不定。其相位抖動相比被采樣的高頻時鐘脈沖周期大很多；高頻振蕩器產(chǎn)生高頻時鐘脈沖，周期固定；在慢時鐘脈沖控制下，采樣電路對高頻時鐘脈沖采樣，得到原始的隨機(jī)序列，通過偽隨機(jī)序列發(fā)生器及異或門的后續(xù)處理后，可獲得性能較好的初始真隨機(jī)序列。具體的，低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器101產(chǎn)生的周期在一定范圍內(nèi)波動的時鐘脈沖控制采樣電路對高頻時鐘脈沖采樣，由于低頻時鐘脈沖的周期有隨機(jī)抖動，故在對高頻時鐘采樣后采樣電路的輸出是隨機(jī)數(shù)。抖動是由于噪聲作用在低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器中的延遲單元上引起延時發(fā)生變化而引起。電路中噪聲源主要包括熱噪聲、電子噪聲、Ι/f噪聲和電源噪聲。電源噪聲是有色噪聲，與IP外圍電路有很大關(guān)系，電源噪聲屬于電路外部非隨機(jī)噪聲，會引起整個電路的偏置，影響隨機(jī)性能，應(yīng)采取各種措施降低偏置的影響。內(nèi)部噪聲是設(shè)計時考慮的主要因素。熱噪聲是內(nèi)部噪聲中主要的噪聲來源，熱噪聲是高斯白噪聲，低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的隨機(jī)抖動主要由熱噪聲的隨機(jī)性引起的。由熱噪聲引起的周期間抖動AT2。。的計算公式如公式I，而其中電流I的計算公式如公式2:
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，包括副振蕩采樣電路組、主振蕩采樣電路組及后處理電路； 其中，副振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路；主振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路； 所述副振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的輸出端與主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接；主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的輸出端與后處理電路的輸入端連接。
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，所述副振蕩采樣電路組包含多個基本振蕩采樣電路，且任意一個所述的基本振蕩采樣電路的頻率控制端與其余所述的基本振蕩采樣電路的輸出端連接，連接成反饋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述主振蕩采樣電路組包含兩個基本振蕩采樣電路； 所述副振蕩采樣電路組中各基本振蕩采樣電路的輸出端與主振蕩采樣電路組其中一個基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接；副振蕩采樣電路組中各基本振蕩采樣電路的輸出端分別連接一個反相器，所述各個反相器的輸出端與主振蕩采樣電路組其中另一個基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3任意一項(xiàng)所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述基本振蕩采樣電路包括:低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器、高頻振蕩器、采樣電路、偽隨機(jī)序列發(fā)生器以及第一異或門； 所述低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器具有頻率控制端，其輸出端與采樣電路的時鐘信號輸入端連接；采樣電路的數(shù)據(jù)采樣端與所述高頻振蕩器的輸出端連接；采樣電路的輸出端與第一異或門的一個輸入端連接，偽隨機(jī)序列發(fā)生器的輸出端與第一異或門的另一個輸入端連接；第一異或門的輸出端為基本振蕩米樣電路`的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，高頻振蕩器輸出信號的頻率至少為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器輸出信號頻率的20倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述高頻振蕩器輸出信號的占空比等于50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述后處理電路包括第一寄存器、第二寄存器、第二異或門及第一線性移位寄存器； 所述第一寄存器的數(shù)據(jù)輸入端與第二寄存器的數(shù)據(jù)輸入端分別對應(yīng)與所述主振蕩采樣電路組的兩個基本振蕩采樣電路的輸出端連接；所述第一寄存器的輸出端與第二寄存器的輸出端分別對應(yīng)與所述第二異或門的兩個輸入端連接；第二異或門的輸出端與第一線性移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端連接；第一線性移位寄存器的輸出端為后處理電路的輸出端； 所述第一寄存器、第二寄存器、第二異或門及第一線性移位寄存器的時鐘信號輸入端連接相同的控制時鐘信號源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，后處理電路的控制時鐘信號源的最低頻率小于所述主振蕩采樣電路組的兩個基本振蕩采樣電路的輸出的隨機(jī)序列的最低頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器輸出信號的頻率>副振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的低頻環(huán)形振蕩器輸出信號的最低頻.主振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的低頻環(huán)形振蕩器輸出信號的最低頻率備后處理電路的控制時鐘信號源的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器包括若干反相器、與非門及若干可變電容電路； 所述各個反相器串聯(lián)，其中最后一個反相器的輸出端一方面作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的輸出端，一方面與所述與非門的一個輸入端連接；與非門的輸出端與第一個反相器的輸入端連接； 所述與非門及各反相器的輸出端上各連接有至少一可變電容電路，各個可變電容電路的控制端直接作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端；或者各個可變電容電路的控制端部分直接作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端，部分連接在一起作為低頻數(shù)控環(huán)形振蕩器的頻率控制端，部分直接接地。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，包括控制端和第一MOS管、第二 MOS管及第三MOS管； 第一 MOS管10的漏極、第二 MOS管的柵極以及第三MOS管的柵極連接在一起后再連接到所述反相器或者與非門的輸出端；第一 MOS管的柵極與第二 MOS管的漏極連接在一起后再與控制端連接；第一 MOS管的源極、第二 MOS管的源極及第三MOS管的漏極連接在一起；第三MOS管的源極接地； 所述第一 MOS管與第二 MOS管為P型，第三MOS管為N型；第二 MOS管的等效電容大于第三MOS管。
12.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器為15級的線性反饋移位寄存器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字電路的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域和信息安全領(lǐng)域，旨在針對現(xiàn)有全模擬或者數(shù)模混合電路存在的問題，提供一種基于數(shù)字單元實(shí)現(xiàn)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。本發(fā)明技術(shù)要點(diǎn)包括副振蕩采樣電路組、主振蕩采樣電路組及后處理電路；其中，副振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路；主振蕩采樣電路組包含至少一個基本振蕩采樣電路；所述副振蕩采樣電路組中基本振蕩采樣電路的輸出端與主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的頻率控制端連接；主振蕩采樣電路組的基本振蕩采樣電路的輸出端與后處理電路的輸入端連接。
文檔編號G06F7/58GK103150138SQ20131010532
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者馮睿, 胡楊川, 何衛(wèi)國 申請人:成都三零嘉微電子有限公司