一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用無(wú)線通信系統(tǒng)的射頻接收通道作為真隨機(jī)數(shù)源及提取電路，并采用后處理電路保證真隨機(jī)數(shù)的性能，在通信、信息安全等方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)是：利用片上的射頻接收通道復(fù)用為真隨機(jī)數(shù)源，獲取基準(zhǔn)源的噪聲信號(hào)進(jìn)行放大和處理，并利用片上AD對(duì)噪聲量化，利用振蕩器通過(guò)震蕩采樣法提取隨機(jī)數(shù)，然后經(jīng)后處理電路處理后輸出真隨機(jī)數(shù)序列。與現(xiàn)有技術(shù)相比，不再需要外部的噪聲源芯片或片上的物理噪聲源，降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，簡(jiǎn)化了提取電路結(jié)構(gòu)，有效提高了隨機(jī)數(shù)的離散性和熵值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機(jī)數(shù)在密碼學(xué)中占有重要的地位，幾乎所有的密碼算法和協(xié)議都要用到一些對(duì) 攻擊者來(lái)說(shuō)必須是秘密的數(shù)據(jù)，比如對(duì)一個(gè)密碼算法來(lái)說(shuō)，如果將秘密寓于密鑰之中，那么 密鑰就是秘密，包括對(duì)稱(chēng)密碼算法(DES、AES等）的密鑰和非對(duì)稱(chēng)密碼算法(RSA、DSA等）的密 鑰對(duì)等等，而這些密鑰必須是隨機(jī)數(shù)。對(duì)于唯一已經(jīng)證明了的完善保密系統(tǒng)一次一密系統(tǒng) 來(lái)說(shuō)，其安全性就依賴于密鑰，其密鑰必須是隨機(jī)數(shù)。
[0003] 隨著加解密技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)的要求也與日倶增。軟件方法實(shí)現(xiàn)的隨 機(jī)數(shù)發(fā)生器是利用軟件算法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。然而，這個(gè)序列決定于采用的算法和初始種 子，且具有一定的周期性。由于存在這個(gè)特性，軟件實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通常被稱(chēng)為偽隨機(jī) 數(shù)發(fā)生器(Pseudo Random Number Generator，PRNG)。如果攻擊者擁有足夠的計(jì)算能力，貝lj 完全可以預(yù)測(cè)到偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生規(guī)律。對(duì)于許多使用偽隨機(jī)數(shù)的安全系統(tǒng)而言，偽隨機(jī)數(shù) 注定成為它們性能提高的瓶頸。即使一個(gè)安全系統(tǒng)的其他部件都足夠安全，使用偽隨機(jī)數(shù) 也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變得很脆弱、易受到攻擊。
[0004] 而真隨機(jī)數(shù)序列是不可預(yù)測(cè)的，因而也不可能出現(xiàn)周期性重復(fù)的真隨機(jī)數(shù)序列。 它只能由隨機(jī)的物理過(guò)程所產(chǎn)生，如電路的熱噪聲、宇宙噪聲、放射性衰變等。硬件方法實(shí) 現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(True Random Number Generator，TRNG)主要依賴于物理元件的隨機(jī)特 征，例如弧光燈、原子核的射線衰變、電阻或者二極管的噪聲。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不像偽隨機(jī) 數(shù)發(fā)生器那樣需要設(shè)定初始種子，所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來(lái)源于真實(shí)的隨機(jī)物理過(guò)程，因而徹底 地消除了偽隨機(jī)數(shù)的周期性問(wèn)題，只有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器才能提供真正的、永不重復(fù)的隨機(jī) 數(shù)序列。在集成電路中，大多數(shù)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案通?？梢詺w為三大類(lèi):放大電路噪 聲、混沌電路、振蕩采樣。目前，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)中最流行的方法是振蕩器采樣法，其基本 設(shè)計(jì)思想是利用兩個(gè)獨(dú)立工作的高、低頻振蕩器之間的相對(duì)關(guān)系來(lái)得到非確定噪聲源，用 低頻振蕩器采樣高頻振蕩器，從而產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)序列。
[0005] 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器作為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的核心組成部分之一，發(fā)揮著極其重要的 作用，片上真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)工作也越來(lái)越得到人們的重視。基于物理隨機(jī)源產(chǎn)生的 真隨機(jī)數(shù)雖然在隨機(jī)序列的長(zhǎng)度、獨(dú)立性等方面相比偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器得到了突破性進(jìn)展， 但是其產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性不夠穩(wěn)定，隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量不高。一般而言，高質(zhì)量的真 隨機(jī)數(shù)序列具有分布均勻、周期長(zhǎng)、序列無(wú)關(guān)等特性。檢驗(yàn)序列質(zhì)量有跟隨性、游程、均勻 性、獨(dú)立性、相關(guān)性等一系列檢驗(yàn)指標(biāo)以及譜分析、ENT(-種隨機(jī)數(shù)性能檢測(cè)程序)等測(cè)試 方法。物理隨機(jī)源雖然能夠提供真正意義上的真隨機(jī)數(shù)序列，但是并不代表其產(chǎn)生的真隨 機(jī)數(shù)序列具有很高的質(zhì)量，也不一定能夠滿足上述測(cè)試的要求。若能將數(shù)學(xué)方法和物理方 法結(jié)合起來(lái)，則可能產(chǎn)生高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)。從實(shí)現(xiàn)方法來(lái)說(shuō)，有以軟件為主、以硬件為主 以及軟硬結(jié)合等方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用無(wú)線通信系統(tǒng)的射頻接收通道作為真隨機(jī)數(shù)源及提取 電路，并采用后處理電路保證真隨機(jī)數(shù)的性能，在通信、信息安全等方面具有較高的應(yīng)用價(jià) 值。
[0007] 所要解決的技術(shù)問(wèn)題是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于:包括真隨機(jī)數(shù)源、提取 電路和后處理電路，所述真隨機(jī)數(shù)源獲取基準(zhǔn)源噪聲并進(jìn)行放大和處理，形成模擬隨機(jī)數(shù) 源后輸出至提取電路;提取電路利用片上A/D對(duì)模擬隨機(jī)數(shù)源進(jìn)行量化形成數(shù)字化的隨機(jī) 數(shù)源，并利用PLL通過(guò)震蕩采樣法獲得真隨機(jī)數(shù)序列，提取電路將真隨機(jī)數(shù)序列輸出至后處 理電路;后處理電路依次對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行糾正、線性反饋移位和非線性擴(kuò)散。
[0009] 其中，所述的真隨機(jī)數(shù)源包括低噪聲放大器和射頻前端電路，基準(zhǔn)源噪聲輸出至 低噪聲放大器;低噪聲放大器對(duì)基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行放大，并將放大后的基準(zhǔn)源噪聲輸出至射 頻前端電路;射頻前端電路將放大后的基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行混頻、濾波和放大，形成模擬隨機(jī)數(shù) 源。
[0010]其中，所述的后處理電路包括馮諾依曼校正器、線性反饋移位寄存器和AES運(yùn)算加 密單元，馮諾依曼校正器對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列的均勻分布和相關(guān)性進(jìn)行糾正，將糾正后的真隨 機(jī)數(shù)序列輸出至線性反饋移位寄存器;線性反饋移位寄存器對(duì)糾正后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行 線性反饋移位，將線性反饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出至AES運(yùn)算加密單元;AES運(yùn)算加密 單元用于對(duì)線性反饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行非線性擴(kuò)散，并輸出。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0012] 1、利用無(wú)線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)低噪聲放大器對(duì)基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行放大作為真隨 機(jī)數(shù)源，不再需要外部的噪聲源芯片或片上的物理隨機(jī)數(shù)源，降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度； [0013] 2、利用片上的AD轉(zhuǎn)換器及PLL作為隨機(jī)數(shù)的提取電路，簡(jiǎn)化了提取電路結(jié)構(gòu)；
[0014] 3、利用馮諾依曼校正器、線性反饋移位寄存器及AES單元的組合作為數(shù)字后處理 電路，可以有效提高隨機(jī)數(shù)的離散性和熵值。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明中真隨機(jī)數(shù)源的射頻前端電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明中真隨機(jī)數(shù)提取電路的振蕩電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明中后處理電路的線性反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明中后處理電路的AES運(yùn)算加密單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括真隨機(jī)數(shù)源、提取電路及后處理電 路，所述真隨機(jī)數(shù)源獲取基準(zhǔn)源噪聲并進(jìn)行放大和處理，形成模擬隨機(jī)數(shù)源后輸出至提取 電路;提取電路利用片上A/D對(duì)模擬隨機(jī)數(shù)源進(jìn)行量化形成數(shù)字化的隨機(jī)數(shù)源，并利用PLL 通過(guò)震蕩采樣法獲得真隨機(jī)數(shù)序列，提取電路將真隨機(jī)數(shù)序列輸出至后處理電路;后處理 電路依次對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行糾正、線性反饋移位和非線性擴(kuò)散后輸出。其中，所述的真隨 機(jī)數(shù)源包括低噪聲放大器和射頻前端電路，基準(zhǔn)源噪聲輸出至低噪聲放大器;低噪聲放大 器對(duì)基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行放大，并將放大后的基準(zhǔn)源噪聲輸出至射頻前端電路;射頻前端電路 將放大后的基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行混頻、濾波和放大，形成模擬隨機(jī)數(shù)源。后處理電路包括馮諾依 曼校正器、線性反饋移位寄存器和AES單元，馮諾依曼校正器對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列的均勻分布和 相關(guān)性進(jìn)行糾正，將糾正后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出至線性反饋移位寄存器;線性反饋移位寄 存器對(duì)糾正后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行線性反饋移位，將線性反饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出 至AES運(yùn)算加密單元;AES運(yùn)算加密單元用于對(duì)線性反饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行非線性 擴(kuò)散，并輸出。
[0022] 如圖2所示，真隨機(jī)數(shù)源的射頻前端電路，包括混頻器、低通濾波器和可變?cè)鲆娣?大器組成。真隨機(jī)數(shù)源通過(guò)打開(kāi)開(kāi)關(guān)1、閉合開(kāi)關(guān)2,利用低噪聲放大器對(duì)基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行放 大，通過(guò)采樣直流基準(zhǔn)源噪聲并進(jìn)行放大，然后復(fù)用片上射前端電路完成信號(hào)的混頻、濾波 和放大，形成真隨機(jī)數(shù)源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)2，閉合開(kāi)關(guān)1可以實(shí)現(xiàn)射頻接收。
[0023] 如圖3所示，真隨機(jī)數(shù)提取電路基于震蕩采樣法實(shí)現(xiàn)，利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)噪聲信號(hào) 進(jìn)行量化產(chǎn)生隨機(jī)序列，同時(shí)通過(guò)PLL產(chǎn)生一個(gè)低頻時(shí)鐘信號(hào)，做為真隨機(jī)數(shù)的采樣時(shí)鐘， 采樣輸入信號(hào)，從而輸出真隨機(jī)數(shù)序列。
[0024] 由于真隨機(jī)數(shù)源輸出的真隨機(jī)數(shù)比特流質(zhì)量不高，可能存在由連續(xù)的多個(gè)"0"或 者多個(gè)"Γ組成的長(zhǎng)零或長(zhǎng)壹序列，因此采用后處理電路對(duì)隨機(jī)序列完成數(shù)字處理。為了提 高真隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性指標(biāo)，將真隨機(jī)數(shù)序列的值離散化，首先將數(shù)據(jù)送入馮諾依曼校正器， 然后送入后續(xù)的線性反饋移位寄存器和AES加密單元進(jìn)行處理。
[0025]馮諾依曼校正器針對(duì)的對(duì)象是出現(xiàn)概率固定的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出，且輸出的 數(shù)字化噪聲信號(hào)是不相關(guān)的，馮諾伊曼校正器在糾正序列的均勻分布和相關(guān)性方面效果很 好。
[0026]如圖4所示，所述LFSR采用128位線性反饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)，其反饋函數(shù)為 其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的序列周期長(zhǎng)度為2128-1;所述LFSR工作時(shí)，首先由馮 諾依曼校正器作為L(zhǎng)FSR的種子填充至該128位LFSR中，此時(shí)，LFSR輸出使能信號(hào)為0,數(shù)據(jù)逐 比特進(jìn)入LFSR中；當(dāng)LFSR的128位全部填充結(jié)束后，LFSR輸出使能信號(hào)變?yōu)?，此時(shí)，LFSR開(kāi) 始工作，LFSR輸出端開(kāi)始輸出隨機(jī)數(shù)序列。
[0027] AES運(yùn)算單元的作用是利用AES算法作為擴(kuò)散函數(shù)，通過(guò)重復(fù)非線性變換、混合函 數(shù)變換，將字節(jié)代換運(yùn)算產(chǎn)生的非線性擴(kuò)散，達(dá)到充分的混合，使加密后的分組信息統(tǒng)計(jì)特 性分布更均勻。如圖5所示，明文寄存器和密鑰寄存器通過(guò)獲取LFSR輸出的隨機(jī)數(shù)序列生成 AES運(yùn)算所需的128比特的明文和密鑰；當(dāng)明文和密鑰生成后，控制單元向AES運(yùn)算模塊發(fā)出 使能信號(hào)，由狀態(tài)機(jī)控制完成AES加密運(yùn)算。運(yùn)算完成后，向真隨機(jī)數(shù)輸出寄存器輸出128比 特的加密后的真隨機(jī)數(shù)序列。
[0028]本發(fā)明真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作流程是：當(dāng)芯片需要真隨機(jī)數(shù)序列時(shí)，首先斷開(kāi)天 線的開(kāi)關(guān)1，同時(shí)閉合直流基準(zhǔn)源的開(kāi)關(guān)2,從而使能真隨機(jī)數(shù)源及提取電路;隨后使能馮諾 依曼校正器，將產(chǎn)生的比特流送入到LFSR中做為種子填入寄存器，直到128位寄存器填滿， 啟動(dòng)LFSR，輸出LFSR處理后的隨機(jī)數(shù)序列;將LFSR處理后的隨機(jī)數(shù)序列填入到AES加密單元 的明文和密鑰寄存器，全部填滿后啟動(dòng)AES運(yùn)算，最終輸出128bits密文做為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生 器的隨機(jī)數(shù)輸出，最后切換天線及基準(zhǔn)源開(kāi)關(guān)，射頻部分回到無(wú)線接收狀態(tài)。
[0029]盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方 式，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保 護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于:包括真隨機(jī)數(shù)源、提取電 路和后處理電路，所述真隨機(jī)數(shù)源獲取基準(zhǔn)源噪聲并進(jìn)行放大、混頻和濾波，形成模擬隨機(jī) 數(shù)源后輸出至提取電路;提取電路利用片上A/D對(duì)模擬隨機(jī)數(shù)源進(jìn)行量化形成數(shù)字化的隨 機(jī)數(shù)源，并利用PLL通過(guò)震蕩采樣法獲得真隨機(jī)數(shù)序列，提取電路將真隨機(jī)數(shù)序列輸出至后 處理電路;后處理電路依次對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行糾正、線性反饋移位和非線性擴(kuò)散后輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所 述的真隨機(jī)數(shù)源包括低噪聲放大器和射頻前端電路，基準(zhǔn)源噪聲輸出至低噪聲放大器;低 噪聲放大器對(duì)基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行放大，并將放大后的基準(zhǔn)源噪聲輸出至射頻前端電路;射頻 前端電路將放大后的基準(zhǔn)源噪聲進(jìn)行混頻、濾波和放大，形成模擬隨機(jī)數(shù)源。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于無(wú)線通信系統(tǒng)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所 述的后處理電路包括馮諾依曼校正器、線性反饋移位寄存器和AES運(yùn)算加密單元，馮諾依曼 校正器對(duì)真隨機(jī)數(shù)序列的均勻分布和相關(guān)性進(jìn)行糾正，將糾正后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出至線 性反饋移位寄存器;線性反饋移位寄存器對(duì)糾正后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行線性反饋移位，將 線性反饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出至AES運(yùn)算加密單元;AES運(yùn)算加密單元用于對(duì)線性反 饋移位后的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行非線性擴(kuò)散，將非線性擴(kuò)散后的真隨機(jī)數(shù)序列輸出。
【文檔編號(hào)】H04W12/04GK106027238SQ201610502475
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】劉長(zhǎng)龍, 許仕龍, 杜克明, 王明, 魏恒, 楊格亮
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所