CN102662625A - 一种真随机数发生器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真随机数发生器及其实现方法，包括：VDD/VSS上电后，电源管理单元开始工作，为真随机数发生器的各个单元提供电压；偏置电路为第二时钟源提供偏置电压信号；第二时钟源中的偏置电路为压控振荡器提供偏置电压；噪声源发出的信号经过处理单元处理后作为压控振荡器输入信号的电压信号，压控振荡器的输出信号作为第二时钟源的输出CLK2；环型振荡器产生的信号经过缓冲器处理后得到的信号作为第一时钟源的输出CLK1；采样器(3)对接收的CLK1和CLK2进行数字混合生成随机数据；后处理单元处理接收的采样器的随机数据，输出随机序列；本发明提供的真随机数发生器及其实现方法，提高了振荡信号的相位噪声，极大的提高了所生成随机数据的随机特性。

Description

一种真随机数发生器及其实现方法

技术领域

本发明属于信息安全领域，具体涉及一种真随机数发生器及其实现方法。

背景技术

在现代信息安全技术中，密码技术应用日益广泛，其中用于通讯双方加密、解密的密钥尤为关键，而密钥一般都是由随机数发生器(Random NumberGenerator，RNG)产生的。因此，随机数发生器的性能直接决定了密钥的安全性，亦即决定了密码系统的安全性。

随机数发生器可分为伪随机数发生器(PRNG)和真随机数发生器(TRNG)。伪随机数是由种子和一定的数学算法产生的，其序列周期长度有限，随机性较差，是可以预测的，一般应用在安全性不高的场合；真随机数是由物理方法产生的，选取了真实世界的自然随机性，因而具有随机性好，不可预测等优点，被广泛应用于信息安全领域。

目前真随机数发生器的实现方案一般有三种：直接放大法、振荡采样法、离散时间混沌法。

真随机数发生器的实现方案中，直接放大法主要利用了电路中的物理噪声，但电路实现易受到开关噪声、衬底耦合、串扰等非理想因素的影响，使随机性大大降低；离散时间混沌法利用混沌电路的不可预测性及对初始条件敏感的依赖性产生随机数，但其存在对确定性噪声不敏感，响应时间较长等缺点；振荡采样法主要通过D触发器把两个独立的振荡信号进行信号混合，但要获得较好的随机性，要求采样时钟具有较大的相位噪声。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种真随机数发生器及其实现方法，通过提取片上电阻噪声作为随机源，并应用压控振荡器、电荷泵和后处理算法的设计提高了振荡信号的相位噪声，降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，从而极大的提高了所生成随机数据的随机特性。

为实现上述目的，本发明提供一种真随机数发生器，其包括：电源模块和电源管理单元(6)，其改进之处在于，所述真随机数发生器包括：时钟单元、采样器(3)、后处理单元(4)和偏置电路(5)；所述电源管理单元(6)将接收到的所述电源模块发出的电源信号进行转换，并用转换的电源信号对所述真随机数发生器进行供电；所述偏置电路(5)将接收到的电源信号传输到所述时钟单元；所述时钟单元、采样器(3)和后处理单元(4)依次连接。

本发明提供的优选技术方案中，所述电源模块包括分别向所述电源管理单元(6)发出电源信号的VDD和VSS。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述时钟单元包括：分别与所述采样器(3)连接的第一时钟源(1)和第二时钟源(2)；所述第二时钟源(2)与所述偏置电路(5)连接。

本发明提供的第三优选技术方案中，所述第一时钟源(1)包括：缓冲器(11)和与其连接的环形振荡器(12)，所述缓冲器(11)与所述采样器(3)连接。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述第二时钟源(2)包括：噪声源(7)、处理单元(8)、压控振荡器VCO(9)和偏置电路(10)；所述处理单元(8)将接收的所述噪声源(7)的信号进行处理；所述压控振荡器VCO(9)分别接收所述处理单元(8)和所述偏置电路(10)传输的信号；所述压控振荡器VCO(9)与采样器(3)连接。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述噪声源(7)包括：第一噪声源(13)和第二噪声源(14)；所述处理单元(8)包括：第一缓冲放大单元(15)、第二缓冲放大单元(16)、电荷泵(17)和滤波器(18)；所述第一噪声源(13)经过所述第一缓冲放大单元(15)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的UP端口，所述第二噪声源(14)经过所述第二缓冲放大单元(16)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的DN端口，所述电荷泵(17)的输出端分别与所述滤波器(18)和压控振荡器(9)连接。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述电荷泵(17)包括：依次设置的充电电流源(19)、压控开关(21，22)和放电电流源(20)；所述电荷泵(17)的UP端口和DN端口分别控制充电通路的所述压控开关(21)和放电通路的所述压控开关(22)，所述充电电流源(19)和所述放电电流源(20)具有相等的电流信号。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述后处理单元(4)，采用48位线性反馈移位寄存器LFSR；所述后处理单元(4)的反馈位异或所述采样器(3)的输出数据；所述LFSR使用多项式f(x)：f(x)＝X48+X7+X5+X4+X2+X+1，多项式f(x)的初始值由采样器(3)产生。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、所述采样器(3)和所述后处理单元(4)之间采用保护环进行隔离处理。

本发明提供的第九优选技术方案中，所述保护环使用电磁屏蔽材料制造。

本发明提供的第十优选技术方案中，所述电磁屏蔽材料为导电橡胶、导电布、导电泡棉和导电布胶带。

本发明提供的较优选技术方案中，所述真随机数发生器使用型号为CEPESAMDB/V100404/1108的芯片。

本发明提供的第二较优选技术方案中，提供一种真随机数发生器实现方法，包含如下具体步骤：

(1).VDD/VSS上电后，电源管理单元(6)开始工作，为真随机数发生器的各个单元提供电压；偏置电路(5)为第二时钟源(2)提供偏置电压信号；

(2).第二时钟源(2)中的偏置电路(10)为压控振荡器(9)提供偏置电压；噪声源(7)发出的信号经过处理单元(8)处理后作为压控振荡器(9)输入信号的电压信号，压控振荡器(9)的输出信号作为第二时钟源(2)的输出CLK2；

(3).环型振荡器(12)产生的信号经过缓冲器(11)处理后得到的信号作为第一时钟源(1)的输出CLK1；

(4).采样器(3)对接收的CLK1和CLK2进行数字混合生成随机数据；

(5).后处理单元(4)处理接收的采样器(3)的随机数据，输出随机序列；

其中，第一时钟源(1)的输出CLK1作为采样器(3)的数据信号；第二时钟源(2)的输出CLK2作为采样器(3)的采样时钟信号。

本发明提供的第三较优选技术方案中，在所述步骤2中，

(2-1).第一缓冲放大单元(15)处理噪声源(13)产生的噪声信号作为电荷泵(17)的UP信号；第二缓冲放大单元(16)处理噪声源(14)产生的噪声信号作为电荷泵(17)的DN信号；

(2-2).电荷泵(17)处理过的UP信号及DN信号经过滤波器(18)的处理，作为压控振荡器(9)的输入信号；

(2-3).压控振荡器VCO(9)产生方波信号作为第二时钟源VCO(2)的输出CLK2；

其中，方波信号的频率与输入信号相关。

与现有技术比，本发明提供的一种真随机数发生器及其实现方法，通过提取片上电阻噪声作为随机源，并应用压控振荡器、电荷泵和后处理算法的设计提高了振荡信号的相位噪声，降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，从而极大的提高了所生成随机数据的随机特性；利用相位噪声较大的第二时钟源对较高频的第一时钟源进行采样，产生具有高随机度的随机数据序列；而且，通过采用保护环将整个发生器进行了合理的布图设计，减小了耦合、串扰等非理想因素的影响，减小了所生成随机数与外界因素的相关性，增大了其与电阻噪声的相关性，提高了随机特性；第二时钟源通过对两路电阻噪声信号处理的方式消除了耦合及串扰等非理想因素带来的影响，提高了随机数的方差特性；再者，后处理单元结构简单，非常适合于集成电路硬件实现，运行速度快，可产生具有良好统计特性的序列。

附图说明

图1为真随机数发生器的整体结构示意图；

图2为真随机数发生器的具体结构示意图；

图3为第二时钟源中处理单元的结构示意图；

图4为电荷泵的结构原理示意图；

图5为后处理单元的原理示意图。

具体实施方式

图1至图5的附图标记如下：

1-第一时钟源(CLK1)，2-第二时钟源(CLK2)，3-采样器，4-后处理单元，5-偏置电路，6-电源管理单元，7-噪声源，8-处理单元，9-压控振荡器(VCO)，10-偏置电路，11-缓冲期，12-环形振荡器，13-第一噪声源，14-第二噪声源，15-第一缓冲放大单元，16-第二缓冲放大单元，17-电荷泵，18-滤波器，19-充电电流源，20-放电电流源，21-充电通路的压控开关，22-放电通路的压控开关。

下面结合附图对本发明的真随机数发生器做进一步详细的说明。

本发明的真随机数发生器的结构如附图1所示，包括第一时钟源1、第二时钟源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5和电源管理单元6，第一时钟源1和第二时钟源2的输出端均与采样器3的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元4相连，所述电源管理单元6与偏置电路5的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路5的输出端与第二时钟源2相连。

端口Enable是TRNG(真随机数发生器)的使能信号，控制TRNG的工作状态；端口VDD、VSS是系统的电源信号；端口TRNG_OUT是系统产生的真随机数序列的输出信号。总体TRNG系统由第一时钟源1、第二时钟源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5、电源管理模块6组成。其中，第一时钟源1主要产生一路高频的时钟信号，第二时钟源2产生一路相位噪声较大的低频时钟信号，采样器3实现两路时钟信号的数字混合并生成具有一定随机度的真随机数，后处理单元4对采样器3生成的随机数进行处理，以进一步增强其随机特性；电源管理单元6主要负责电压转换并给整个系统供电，偏置电路5为第二时钟源2提供偏置电压。

为减小模块间的串扰、耦合，提高系统的随机性，物理设计时按照附图2所示方式进行布图。将整个系统分为四部分，分别为：

一)由噪声源7、处理单元8、压控振荡器(VCO)9和偏置电路10组成的第二时钟源2；

二)由环型振荡器12和缓冲器11组成的第一时钟源1；

三)采样器3；

四)后处理单元4；

布图时四个部分之间运用保护环(Guard Ring，如虚线所示)进行隔离处理。其中，第一时钟源1和第二时钟源2在芯片中的摆放位置尽可能远(附图2中处于对角线上)，并对第二时钟源2中的压控振荡器9作另外的隔离处理(如虚线所示)。

真随机数发生器的工作流程包含如下步骤：

步骤一、(5～6)电源VDD/VSS上电后，电源管理单元6开始工作，为偏置电路5及其他电路提供稳定电压；偏置电路5为第二时钟源2提供偏置电压信号；

步骤二、(7～10)第二时钟源2中的偏置电路10为压控振荡器9提供偏置电压；噪声源7产生的信号经过处理单元8后得到的电压信号作为压控振荡器9的输入信号，压控振荡器9的输出信号作为第二时钟源2的输出CLK2；

步骤三、(11～12)环型振荡器12产生的信号经过缓冲器11处理后得到的信号作为第一时钟源1的输出CLK1；

步骤四、(1～3)第一时钟源1的输出CLK1作为采样器的数据信号；第二时钟源2的输出CLK2作为采样器3的采样时钟信号；经过采样器3的数字混合生成随机数据；

步骤五、(4)采样器3输出的随机数据经过后处理单元4后输出随机序列。

本发明中，第一时钟源1主要用于产生频率较高的时钟信号，作为采样器3的数据信号，是由环形振荡器12和缓冲器11来实现的。环型振荡器12与缓冲器11的输入端相连，缓冲器11的输出端与采样器3的输入端相连。

本发明中，第二时钟源2主要用于产生频率较低、相位噪声较大的时钟信号，作为采样器3的采样时钟信号。其结构如附图3所示，由第一噪声源13、第二噪声源14、第一缓冲放大单元15、第二缓冲放大单元16、电荷泵17、滤波器18及压控振荡器9组成。其中，第一噪声源13和第二噪声源14均取自CMOS工艺中电阻的噪声信号，分别经过第一缓冲放大单元15和第二缓冲放大单元16进行幅度放大，放大后的两路噪声信号分别进入电荷泵17的UP端口和DN端口。

第二时钟源的工作流程包含如下步骤：

步骤一、(13～16)噪声源13产生的噪声信号经过缓冲放大15处理后作为电荷泵17的UP信号；噪声源14产生的噪声信号经过缓冲放大16处理后作为电荷泵17的DN信号；

步骤二、(17～18)电荷泵17对输入端UP及DN信号进行处理后产生与噪声源特性相关的电流信号，此信号经滤波器18处理后得到相应的电压信号，作为压控振荡器9的输入信号；

步骤三、(9)压控振荡器9产生方波信号作为第二时钟源2的输出CLK2，该方波信号的频率与输入电压信号相关。

附图4是电荷泵17的原理图，UP端口和DN端口分别控制充电通路的压控开关21和放电通路的压控开关22(控制电压的大小与开关打开的时间成正比)，充电电流源19和放电电流源20具有相等的电流信号，信号经过电荷泵后由后续的滤波器18进行滤波处理，得到的电压信号作为压控振荡器9的控制电压信号，压控振荡器9输出的方波信号即为第二时钟源2的时钟信号。

本发明提出的随机数发生器的实现方法可以消除由噪声源引入的耦合和串扰信号，并使生成的第二时钟源具有较大的相位噪声，从而提高整个随机数系统的随机度。假设噪声信号为e(t)，由耦合和串扰引入的信号为δ(t)，则第一噪声源13的噪声信号可以表示为e1(t)+δ(t)，第二噪声源14的噪声信号可以表示为e2(t)+δ(t)，经过增益为G的缓冲放大单元进入电荷泵的信号为：

UP：G·(e1(t)+δ(t))

DN：G·(e2(t)+δ(t))

设压控开关的比例系数为k，电流源电流为I，则电荷泵19输出端的电荷变化为：ΔQ＝I·k·G·(e1(t)+δ(t))-I·k·G·(e2(t)+δ(t))＝I·k·G·(e1(t)-e2(t))。可以看到得到的净电荷中已经消除了耦合带来的影响，仅与噪声信号差相关，增大了信号的方差特性。电荷的变化经过滤波器18的处理生成噪声电压驱动压控振荡器9。由于噪声信号的特性使得生成的第二时钟源2具有较大的相位噪声。该时钟源通过采样器3对第一时钟源1进行采样，可以得到随机性较好的随机数，由于该产生机制是建立在物理噪声基础上，因而属于真随机数发生器。

本发明中采用后处理单元4对随机序列进行处理。后处理单元4的原理如附图5所示，其采用48位线性反馈移位寄存器(LFSR)，反馈位同时异或采样器3的输出。该LFSR的产生多项式为：f(x)＝X48+X7+X5+X4+X2+X+1，其初始值由采样器3产生。经过后处理单元4得到的序列具有良好的统计特性，极大地增强了序列的随机度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (14)

1.一种真随机数发生器，其包括：电源模块和电源管理单元(6)，其特征在于，所述真随机数发生器包括：时钟单元、采样器(3)、后处理单元(4)和偏置电路(5)；所述电源管理单元(6)将接收到的所述电源模块发出的电源信号进行转换，并用转换的电源信号对所述真随机数发生器进行供电；所述偏置电路(5)将接收到的电源信号传输到所述时钟单元；所述时钟单元、采样器(3)和后处理单元(4)依次连接。

2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述电源模块包括分别向所述电源管理单元(6)发出电源信号的VDD和VSS。

3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述时钟单元包括：分别与所述采样器(3)连接的第一时钟源(1)和第二时钟源(2)；所述第二时钟源(2)与所述偏置电路(5)连接。

4.根据权利要求3所述的真随机数发生器，其特征在于，所述第一时钟源(1)包括：缓冲器(11)和与其连接的环形振荡器(12)，所述缓冲器(11)与所述采样器(3)连接。

5.根据权利要求3所述的真随机数发生器，其特征在于，所述第二时钟源(2)包括：噪声源(7)、处理单元(8)、压控振荡器VCO(9)和偏置电路(10)；所述处理单元(8)将接收的所述噪声源(7)的信号进行处理；所述压控振荡器VCO(9)分别接收所述处理单元(8)和所述偏置电路(10)传输的信号；所述压控振荡器VCO(9)与采样器(3)连接。

6.根据权利要求5所述的真随机数发生器，其特征在于，所述噪声源(7)包括：第一噪声源(13)和第二噪声源(14)；所述处理单元(8)包括：第一缓冲放大单元(15)、第二缓冲放大单元(16)、电荷泵(17)和滤波器(18)；所述第一噪声源(13)经过所述第一缓冲放大单元(15)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的UP端口，所述第二噪声源(14)经过所述第二缓冲放大单元(16)进行幅度放大后进入所述电荷泵(17)的DN端口，所述电荷泵(17)的输出端分别与所述滤波器(18)和压控振荡器(9)连接。

7.根据权利要求5或者6所述的真随机数发生器，其特征在于，所述电荷泵(17)包括：依次设置的充电电流源(19)、压控开关(21，22)和放电电流源(20)；所述电荷泵(17)的UP端口和DN端口分别控制充电通路的所述压控开关(21)和放电通路的所述压控开关(22)，所述充电电流源(19)和所述放电电流源(20)具有相等的电流信号。

8.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述后处理单元(4)，采用48位线性反馈移位寄存器LFSR；所述后处理单元(4)的反馈位异或所述采样器(3)的输出数据；所述LFSR使用多项式f(x)：f(x)＝X48+X7+X5+X4+X2+X+1，多项式f(x)的初始值由采样器(3)产生。

9.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、所述采样器(3)和所述后处理单元(4)之间采用保护环进行隔离处理。

10.根据权利要求9所述的真随机数发生器，其特征在于，所述保护环使用电磁屏蔽材料制造。

11.根据权利要求10所述的真随机数发生器，其特征在于，所述电磁屏蔽材料为导电橡胶、导电布、导电泡棉和导电布胶带。

12.根据权利要求1-11任一项所述的真随机数发生器，其特征在于，所述真随机数发生器使用型号为CEPESAMDB/V100404/1108的芯片。

13.一种真随机数发生器实现方法，包含如下具体步骤：

(1).VDD/VSS上电后，电源管理单元(6)开始工作，为真随机数发生器的各个单元提供电压；偏置电路(5)为第二时钟源(2)提供偏置电压信号；

(2).第二时钟源(2)中的偏置电路(10)为压控振荡器(9)提供偏置电压；噪声源(7)发出的信号经过处理单元(8)处理后作为压控振荡器(9)输入信号的电压信号，压控振荡器(9)的输出信号作为第二时钟源(2)的输出CLK2；

(3).环型振荡器(12)产生的信号经过缓冲器(11)处理后得到的信号作为第一时钟源(1)的输出CLK1；

(4).采样器(3)对接收的CLK1和CLK2进行数字混合生成随机数据；

(5).后处理单元(4)处理接收的采样器(3)的随机数据，输出随机序列；

其中，第一时钟源(1)的输出CLK1作为采样器(3)的数据信号；第二时钟源(2)的输出CLK2作为采样器(3)的采样时钟信号。

14.根据权利要求13所述的真随机数发生器实现方法，其特征在于，在所述步骤2中，

(2-1).第一缓冲放大单元(15)处理噪声源(13)产生的噪声信号作为电荷泵(17)的UP信号；第二缓冲放大单元(16)处理噪声源(14)产生的噪声信号作为电荷泵(17)的DN信号；

(2-2).电荷泵(17)处理过的UP信号及DN信号经过滤波器(18)的处理，作为压控振荡器(9)的输入信号；

(2-3).压控振荡器VCO(9)产生方波信号作为第二时钟源VCO(2)的输出CLK2；

其中，方波信号的频率与输入信号相关。

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