一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路的制作方法
【專利摘要】一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其包括變頻時鐘電路和隨機數(shù)采樣與后處理電路，所述的變頻時鐘電路包括離散混沌映射電路、噪聲放大電路、流控振蕩器、偏置電路、NMOS管M1和電阻R2，所述噪聲放大電路的輸出端與NMOS管M1的柵極連接，電阻R2的一端與NMOS管M1的源極、所述離散混沌映射電路的輸出端連接，電阻R2的一端的另一端接地，NMOS管M1的漏極與所述流控振蕩器連接，所述偏置電路與所述噪聲放大電路相連接，所述隨機數(shù)采樣與后處理電路分別與所述流控振蕩器和所述離散混沌映射電路相連接。本實用新型的真隨機數(shù)產(chǎn)生電路可提高隨機序列的隨機性能。
【專利說明】一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于信息安全芯片的設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及信息安全芯片加密系統(tǒng)中的真隨機數(shù)發(fā)生器，其用于產(chǎn)生偽隨機算法的隨機種子以及為加密算法提供密鑰。

【背景技術(shù)】
[0002]安全芯片在信息社會的各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其主要功能包括對用戶關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全存儲、加密、解密以及身份識別等。正因為安全芯片中數(shù)據(jù)的重要性，對安全芯片中數(shù)據(jù)進行加密成為確保數(shù)據(jù)安全的重要手段之一。真隨機數(shù)產(chǎn)生器在數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)中有非常重要的應(yīng)用，它是加密系統(tǒng)中的重要組成部分。偽隨機數(shù)是利用特定的隨機數(shù)算法和種子，通過軟件運算產(chǎn)生的隨機數(shù)序列。雖然偽隨機數(shù)序列具有一定的隨機性，但是由于隨機數(shù)算法和種子是固定的，所以偽隨機數(shù)序列是可以預(yù)知、再現(xiàn)的，無法滿足高性能的加密系統(tǒng)。真隨機數(shù)是利用自然界的噪聲源來產(chǎn)生的隨機數(shù)序列，相比偽隨機數(shù)序列其具有不可預(yù)知，無法重現(xiàn)的特點。真隨機數(shù)的隨機性需要滿足一些測試標(biāo)準(zhǔn)，如FIPS-140，AIS31標(biāo)準(zhǔn)。真隨機數(shù)常用的電路實現(xiàn)方法有三種:第一，利用電阻熱噪聲放大；第二，利用抖動時鐘采樣；第三，利用離散混沌映射。由于電路實現(xiàn)過程中存在的一些非理想性因素，單一地使用上述方法中的一種無法實現(xiàn)高性能的真隨機數(shù)。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的在于提出一種結(jié)合電阻熱噪聲放大、抖動時鐘采樣和離散混沌映射的真隨機數(shù)產(chǎn)生電路。
[0004]一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其包括變頻時鐘電路和隨機數(shù)采樣與后處理電路，所述的變頻時鐘電路包括離散混沌映射電路、噪聲放大電路、流控振蕩器、偏置電路、NMOS管Ml和電阻R2，所述噪聲放大電路的輸出端與NMOS管Ml的柵極連接，電阻R2的一端與NMOS管Ml的源極、所述離散混沌映射電路的輸出端連接，電阻R2的一端的另一端接地，NMOS管Ml的漏極與所述流控振蕩器連接，所述偏置電路與所述噪聲放大電路相連接，所述隨機數(shù)采樣與后處理電路分別與所述流控振蕩器和所述離散混沌映射電路相連接。
[0005]其中，所述的離散混沌映射電路包括多個離散混沌電流映射單元、多個恒流源和采樣保持電路，所述多個恒流源與所述多個離散混沌電流映射單元一一對應(yīng)連接，所述多個離散混沌電流映射單元級聯(lián)，所述采樣保持電路分別與首個離散混沌電流映射單元和最后一個離散混沌電流映射單元相連接，所述采樣保持電路進一步與噪聲放大電路相連接。
[0006]其中，所述的噪聲放大電路包括運算放大器Al、噪聲源電阻R3、R4、反饋電阻R5、R6，電阻R3連接于運算放大器Al的正相輸入端和所述偏置電路之間，電阻R5和R6依次連接于所述偏置電路和運算放大器Al的輸出端之間，電阻R4連接于運算放大器Al的反相輸入端與電阻R5、R6之間的連接線之間。
[0007]其中，所述的隨機數(shù)采樣與后處理電路包括D觸發(fā)器、分頻器和后處理電路，D觸發(fā)器的輸入端連接所述變頻時鐘電路輸出端，D觸發(fā)器的輸出端連接后處理電路的輸入端，D觸發(fā)器和后處理電路的采樣時鐘輸入端連接分頻器的輸出端，分頻器的輸入連接端隨機數(shù)采樣時鐘(CLK)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型的真隨機數(shù)產(chǎn)生電路由變頻時鐘電路和隨機數(shù)采樣與后處理電路組成，變頻時鐘電路能夠產(chǎn)生一個頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化的時鐘，時鐘頻率的變化在該范圍內(nèi)服從均勻分布。隨機數(shù)采樣與后處理電路在隨機數(shù)采樣時鐘的控制下，對變頻時鐘進行采樣，得到隨機序列，然后再由后處理電路對隨機序列進行熵值累加運算，提聞隨機序列的隨機性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型提出的真隨機數(shù)發(fā)生器原理圖。
[0010]圖2為本實用新型提出的真隨機數(shù)發(fā)生器電路圖。
[0011]圖3為圖2所示電路工作時內(nèi)部信號波形圖。

【具體實施方式】
[0012]圖1顯示的是本實用新型的真隨機數(shù)發(fā)生器原理圖。圖2顯示的是本實用新型的真隨機數(shù)發(fā)生器的電路圖，整個電路由變頻時鐘電路100和隨機數(shù)采樣與后處理電路200組成。
[0013]所述的變頻時鐘電路100包括離散混沌映射電路1001、噪聲放大電路1002、流控振蕩器1003、偏置電路104、NM0S管Ml和電阻R2。噪聲放大電路1002的輸出端與NMOS管Ml的柵極連接，電阻R2與NMOS管的源極、離散混沌映射電路1001的輸出端連接，NMOS管的漏極與流控振蕩器1003連接。偏置電路1004與噪聲放大電路1002相連接，其用于提供偏置電壓νκ。離散混沛映射電路1001用于產(chǎn)生一個在一定范圍內(nèi)隨機變化的電流Icmaqs,，通過電阻R2在NMOS管Ml的源極產(chǎn)生一個隨機變化的源極電壓Vs ;噪聲放大電路1002將偏置電SVk放大，在NMOS管Ml的柵極產(chǎn)生一個變化的控制電壓Ve ;NM0S管Ml隨機變化的柵源極電壓能夠產(chǎn)生一個隨機變化的漏極電流Iraj，流控振蕩器1003受漏極電流I。?的控制，產(chǎn)生一個頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化的時鐘。
[0014]所述的離散混沌映射電路1001由三個恒流源IREFl、IREF2、IREF3、三個離散混沌電流映射單元和采樣保持電路組成；三個恒流源分別為三個離散混沌電流映射單元提供參考電流，三個離散混沌電流映射單元級聯(lián)，采樣保持電路對最后一個離散混沌電流映射單元的輸出電流進行采樣，并將采樣電流分兩路輸出，一路輸出至首個離散混沌電流映射單元的輸入，另一路輸出至噪聲放大電路1002。
[0015]所述的噪聲放大電路1002由一個運算放大器Al、噪聲源電阻R3、R4、反饋電阻R5、R6組成；電阻R3連接于運算放大器Al的正相輸入端和偏置電路1004之間，電阻R5和R6依次連接于偏置電路1004和運算放大器Al的輸出端之間，電阻R4連接于運算放大器Al的反相輸入端與電阻R5、R6之間的連接線之間。
[0016]所述的隨機數(shù)采樣與后處理電路200由D觸發(fā)器、分頻器和后處理電路組成；D觸發(fā)器的輸入端連接變頻時鐘電路輸出端，D觸發(fā)器的輸出端連接后處理電路的輸入端，D觸發(fā)器和后處理電路的采樣時鐘輸入端連接分頻器的輸出端，隨機數(shù)采樣時鐘(CLK)連接分頻器的輸入端。
[0017]本實用新型中，離散混沌映射電路利用了離散混沌電流映射軌跡不穩(wěn)定的特點，采樣保持電路在采樣時鐘的控制下對離散混沌電流映射的輸出電流進行采樣，再將采樣電流輸出給離散混沌電流映射單元，實現(xiàn)電流的不斷迭代運算，產(chǎn)生一個隨機變化的電流，離散混沌電流映射單元在電流迭代運算的過程中對電流值的微擾很敏感，電流的微擾會完全改變迭代運算的未來軌跡，使的電流的變化無法預(yù)測。利用電流的不可預(yù)測額特性，通過電阻R2在NMOS管Ml的源極產(chǎn)生一個不可預(yù)測的電壓Ns’噪聲放大電路將電阻熱噪聲電壓放大，并作為NMOS管Ml的柵極控制電壓Ve，通過在NMOS管的柵極和源極之間的一個隨機變化的柵源電壓Ves，產(chǎn)生一個隨機變化的漏極電流I。?。該漏極電流Iraj能夠控制流控振蕩器1003，產(chǎn)生一個頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化的時鐘。隨機數(shù)采樣與后處理電路在隨機數(shù)采樣時鐘CLK的控制下對變頻時鐘進行采樣，產(chǎn)生隨機數(shù)序列，再由后處理電路對產(chǎn)生的隨機序列進行熵值累加運算，輸出最終的真隨機數(shù)。
[0018]圖3顯示的是電路工作時內(nèi)部信號波形圖。具體的，本實用新型提出的真隨機數(shù)發(fā)生器工作原理如下:
[0019]經(jīng)過噪聲放大電路1002放大后的噪聲電壓Ve和離散混沌單元產(chǎn)生的隨機變化的電壓Vs的差作為控制電壓Ves，控制壓控電流源。受控的電流Icco控制電流控制振蕩器的輸出頻率，從而達到產(chǎn)生一個頻率隨機變化的時鐘信號，通過采樣時鐘對這個頻率隨機變化的時鐘信號進行采樣，輸出隨機數(shù)序列。
[0020]離散混沌映射電路(1001)的離散混沌電流映射的函數(shù)表達式
[0021]1ut= |1腳-K.IinI (3.1)
[0022]由初始的Iin經(jīng)過一次運算后得到的1tt作為下一次運算的IIN，不斷重復(fù)迭代運算。當(dāng)系數(shù)時，Iqut會在[0，IKEF]區(qū)間內(nèi)隨機分布，且系數(shù)K越接近2，Iqut在[O, Ieef]區(qū)間內(nèi)分布越接近均勻分布。
[0023]噪聲放大電路(1002)中的電阻熱噪聲電壓為Vn，偏置電路1004提供的一個偏置


R
電壓為VR,比較器工作在閉環(huán)放大狀態(tài)，閉環(huán)增益為G = f，噪聲放大電路的輸出電壓為



?S
VG
[0024]VG=VR+VnG (3.2)
[0025]離散混沌映射電路輸出的采樣電流為Iqiaqs, NMOS管Ml源極連接的電阻R2，流過NMOSMl的電流為I。。。，NMOSMl源極電壓為VS，
[0026]VS-(Icco+Ichaos) R2
[0027]NMOSMl柵源極電壓為VGS，
[0028]VGS=VR+VnG-(Icco+Ichaos)R2 (3.3)
[0029]NMOS 管 Ml 的 VGS 與 Icco 的關(guān)系
[0030]Icco=Kn (VGS-Vt) (3.4)
[0031]其中，Kn為工藝參數(shù)，VtSMI的閾值。由式(3.3)和式(3.4)可知
_VR-yr+ VnG-1cuaosRI
[0032](roI D(3.5)

--l.Kn
K 2
[0033]由Ichaos ^ [0，Ieef]，
[0034]所以變頻時鐘電路100中流控振蕩器1003的控制電流
VR-Vr+ VnG-1refR2 VR-Vt + VnG
Γ ? 1CCO II51J / η ,、
[0035]I ηIr (3,6)
--H IX^--l.Ivn
Kn ^Kn
[0036]流控振蕩器(1003)的增益Gra。變頻時鐘的頻率為f0
[0037]
VR.Pt+VnG.JrefR2 VR-Vt+VnG
JOIijCCO，IisCCO」/^7x
^ + R~ + R{3t/)
Kn ^Kn ^
[0038]隨機數(shù)采樣與后處理電路中在采樣時鐘CLKteic對變頻時鐘CLKV的采樣值為“O”或“1”，由CLKT.周期內(nèi)N個CLK所對應(yīng)的變頻時鐘頻率f。、變頻時鐘抖動的累積、流控振蕩器的初始電流及流控振蕩器的響應(yīng)時間共同決定，從而確保所產(chǎn)生隨機序列的隨機性。
[0039]綜上所述，本實用新型提出的真隨機數(shù)產(chǎn)生電路由變頻時鐘電路和隨機數(shù)采樣與后處理電路組成；變頻時鐘電路能夠產(chǎn)生一個頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化的時鐘，隨機數(shù)采樣與后處理電路在隨機數(shù)采樣時鐘的控制下，對變頻時鐘進行采樣，得到隨機序列，然后再由后處理電路對隨機序列進行熵值累加運算，提高隨機序列的隨機性能。
【權(quán)利要求】
1.一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于，包括變頻時鐘電路和隨機數(shù)采樣與后處理電路，所述的變頻時鐘電路包括離散混沌映射電路、噪聲放大電路、流控振蕩器、偏置電路、NMOS管Ml和電阻R2，所述噪聲放大電路的輸出端與NMOS管Ml的柵極連接，電阻R2的一端與NMOS管Ml的源極、所述離散混沌映射電路的輸出端連接，電阻R2的一端的另一端接地，NMOS管Ml的漏極與所述流控振蕩器連接，所述偏置電路與所述噪聲放大電路相連接，所述隨機數(shù)采樣與后處理電路分別與所述流控振蕩器和所述離散混沌映射電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于，所述的離散混沌映射電路包括多個離散混沌電流映射單元、多個恒流源和采樣保持電路，所述多個恒流源與所述多個離散混沌電流映射單元一一對應(yīng)連接，所述多個離散混沌電流映射單元級聯(lián)，所述采樣保持電路分別與首個離散混沌電流映射單元和最后一個離散混沌電流映射單元相連接，所述采樣保持電路進一步與噪聲放大電路相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于，所述的噪聲放大電路包括運算放大器Al、噪聲源電阻R3、R4、反饋電阻R5、R6，電阻R3連接于運算放大器Al的正相輸入端和所述偏置電路之間，電阻R5和R6依次連接于所述偏置電路和運算放大器Al的輸出端之間，電阻R4連接于運算放大器Al的反相輸入端與電阻R5、R6之間的連接線之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于，所述的隨機數(shù)采樣與后處理電路包括D觸發(fā)器、分頻器和后處理電路，D觸發(fā)器的輸入端連接所述變頻時鐘電路輸出端，D觸發(fā)器的輸出端連接后處理電路的輸入端，D觸發(fā)器和后處理電路的米樣時鐘輸入端連接分頻器的輸出端，分頻器的輸入連接端隨機數(shù)采樣時鐘。
【文檔編號】G06F7/58GK203930796SQ201320863284
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】王新亞, 吳曉勇 申請人:深圳國微技術(shù)有限公司