DE19500599C2 - Non-deterministic random number generator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Zufallszahlengenerator hierfür, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 2.The invention relates to a method and a random number generator therefor, with the Features of the preamble of claim 1 and 2 respectively.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen zu schaffen, bei dem elektronisches oder optisches Rauschen abgetastet wird und da bei Zufallszahlen gewonnen werden, die gleichverteilt und besonders unkorreliert sind. Weiterhin soll ein Zufallszahlengenerator zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden. Es ist bekannt, daß echte, ganzzahlige Zufallszahlen beliebiger Größe aus einer Abfol ge von zufälligen binären Werten (logische 0 oder 1) erzeugt werden können, wenn die binären Werte unkorrelliert und gleichverteilt sind. Das heißt, unabhängig vom vor angehenden binären Wert folgt als nächster binärer Wert mit jeweils exakt 50%iger Wahrscheinlichkeit eine 0 bzw. eine 1. Ferner ist bekannt, daß Zufallsfolgen von binären Werten durch die Beobachtung radioaktiver Zerfälle oder das Abtasten von elektroni schem Rauschen erzeugt werden können [2]. Radioaktive Zerfälle zu beobachten, ist für eine breite Anwendung eines Zufallszahlengenerators aus Sicherheitsgründen nicht ge eignet.It is an object of the invention to provide a method for generating random numbers, with which electronic or optical noise is sampled and since with random numbers obtained that are evenly distributed and particularly uncorrelated. Furthermore, a Random number generator can be created to carry out the method. It is known that real, integer random numbers of any size from a sequence random binary values (logical 0 or 1) can be generated if the binary values are uncorrelated and evenly distributed. That is, regardless of the previous the following binary value follows as the next binary value, each with exactly 50% Probability a 0 or a 1. It is also known that random sequences of binary Values through the observation of radioactive decays or the scanning of electronics noise can be generated [2]. Watching radioactive decays is for a wide application of a random number generator is not ge for security reasons is suitable.
Verfahren zur Erzeugung von binären Zufallsfolgen, die auf der Abtastung von elektro nischem Rauschen beruhen, gibt es bereits. Diese Verfahren weisen jedoch Mängel auf und haben sich auch als Ersatz für Pseudo-Zufallszahlengeneratoren nicht durchgesetzt. Das wesentliche technische Problem besteht darin, die Gleichverteilung der binären Wer te zu gewährleisten und gleichzeitig Korrelationen zwischen den Werten zu vermeiden. Aus den US-Patenten 35 82 882, 36 12 845, 37 06 941, 41 76 399, 41 83 088, 4 42 709 und 48 53 884 sind Vorrichtungen bekannt, die zur Rauschabtastung elektronische Spannungs komparatoren bzw. Schwellwertschalter verwenden. Unabhängig davon, wie die so er zeugten Rauschabtastwerte weiterverarbeitet werden, muß bei diesen Verfahren stets die Gleichverteilung der binären Werte kontrolliert und nachgeregelt werden, da kein Gerät zur Spannungsabtastung völlig "offset-frei" ist, wie Fachleuten bekannt ist ("offset-frei" würde hier bedeuten, daß die angenommene Vergleichsspannung zeit- und temperaturun abhängig immer exakt gleich der wirklichen Vergleichsspannung ist). Jede Regelung bzw. Rückkopplung erzeugt jedoch unvermeidlich Korrelationen, weil nachfolgende Binärwerte durch vorangehende beeinflußt werden.Method for generating binary random sequences based on the scanning of electro African noise, there is already. However, these methods have shortcomings and have not become established as a replacement for pseudo-random number generators. The main technical problem is the equal distribution of the binary who To guarantee te while avoiding correlations between the values. From U.S. Patents 35 82 882, 36 12 845, 37 06 941, 41 76 399, 41 83 088, 4 42 709 and 48 53 884 devices are known which are used for noise sampling electronic voltage use comparators or threshold switches. Regardless of how he so generated noise samples must always be processed with these methods Even distribution of the binary values can be checked and readjusted since there is no device is completely "offset-free" for voltage sensing, as is known to experts ("offset-free" would mean here that the assumed reference voltage time and temperature is always exactly the same as the actual reference voltage). Any regulation or However, feedback inevitably creates correlations because of subsequent binary values be influenced by previous ones.
Das in [1] beschriebene Verfahren verwendet ebenfalls einen Spannungskomparator und weist als Folge davon den erheblichen Mangel auf, daß die gewonnenen Zufallszahlen nicht gleichverteilt sind.The method described in [1] also uses a voltage comparator and as a result, has the significant shortcoming that the random numbers obtained are not equally distributed.
Das Verfahren gemäß der Offenlegungsschrift DE 42 13 988 A1 sieht zwar die Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers vor, es beruht jedoch nicht auf der gezielten Abtastung elektronischen Rauschens, sondern auf dem Empfang der Hintergrundstrahlung des Welt raums. Da diese Strahlung keinerlei zeitliche Amplitudenschwankungen aufweist, ist das Verfahren grundsätzlich in Frage zu stellen. Bei dem speziellen Verfahren, den Binärwert dadurch festzulegen, ob die Anzahl der Spannungsspitzen in einem vorgegebenen Zeitintervall gerade oder ungerade ist (be schrieben in [2, 3]), tritt das Problem der Totzeit auf. Zudem ist dieses Verfahren empfindlich gegenüber Schwankungen des Rauscheffektivwertes und der Amplituden verteilung des Rauschens. Die genannten Probleme werden durch das neue Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umgangen. Das elektronische, näherungsweise weiße Rauschen kann z. B. durch eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8 erzeugt werden. Wenn das Verfahren nach Anspruch 2 angewendet wird, wird der Gleichspannungsanteil nach der Abtastung mit einem digitalen Hochpaß-Filter entfernt. Wenn das Verfahren nach Anspruch 3 an gewendet wird, ist das elektronische Rauschen vor der Abtastung gleichspannungsfrei, da es durch einen elektronischen Hochpaß geschickt wird. Die Hochpaß-Grenzfrequenz wird in jedem Fall so gewählt, daß die Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hz) sowie signifikante Oberwellen davon und eventuell vorhandenes 1/f-Rauschen eliminiert werden.The method according to the published patent application DE 42 13 988 A1 sees the use an analog / digital converter, but it is not based on the targeted scanning electronic noise, but on receiving the background radiation of the world space. Since this radiation has no amplitude fluctuations over time, this is Always question the procedure. In the special procedure, the binary value is determined by whether the number of Voltage peaks in a given time interval is even or odd (be wrote in [2, 3]), the problem of dead time arises. In addition, this procedure sensitive to fluctuations in the rms noise value and the amplitudes distribution of noise. The problems mentioned are solved by the new method according to one of claims 1 bypassed 4. The electronic, approximately white noise can e.g. B. by a device generated according to one or more of claims 5 to 8. If the procedure is applied according to claim 2, the DC voltage component after the sampling removed with a digital high pass filter. If the method according to claim 3 is used, the electronic noise is free of DC voltage before sampling, because it is sent through an electronic high pass. The high-pass cut-off frequency is chosen so that the mains frequency (in Germany 50 Hz) as well as significant harmonics thereof and any existing 1 / f noise can be eliminated.
Das Verfahren nach Anspruch 3 ist vorzuziehen, weil ein elektronischer Hochpaß schneller und einfacher arbeitet als ein digitales Hochpaß-Filter. Im weiteren wird nur das Verfah ren nach Anspruch 3 näher beschrieben, da es sich prinzipiell nicht von dem Verfahren nach Anspruch 2 unterscheidet.The method of claim 3 is preferable because an electronic high pass is faster and works easier than a digital high-pass filter. In the following only the procedure ren described in more detail according to claim 3, since it is in principle not of the method differs according to claim 2.
Wird zu einem beliebigen Zeitpunkt die Rauschspannung hinter dem Hochpaß gemessen, so ist diese mit jeweils exakt 50%iger Wahrscheinlichkeit größer bzw. kleiner als 0 Volt. Ordnet man den Spannungswerten größer als 0 Volt eine logische 1 und den Spannungs werten kleiner als 0 Volt eine logische 0 zu, so ist die Forderung der Gleichverteilung im Sinne der Statistik exakt erfüllt. Jedoch besitzt auch der zur Abtastung verwendete bipolare Analog/Digital-Wandler einen kleinen "offset".If the noise voltage behind the high-pass filter is measured at any time, so it is greater or less than 0 volts with an exactly 50% probability. If the voltage values greater than 0 volts are assigned a logical 1 and the voltage if a logic 0 is added to less than 0 volts, then the requirement is uniform distribution exactly met in terms of statistics. However, the one used for scanning also bipolar analog / digital converter a small "offset".
Im Gegensatz zu den Verfahren, die einen Komparator verwenden, besteht hier jedoch die Möglichkeit diesen "offset" wieder abzuziehen. Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Anspruchs 4 gelöst. Der Abtastwerte-Satz wird so groß gewählt, daß sein Mittelwert in der Regel durch den "offset" und nicht durch eine natürliche Fluktuation des Erwar tungswertes Null dominiert wird. Da von allen Werten eines solchen Abtastwerte-Satzes der gleiche, relativ kleine Zahlenwert abgezogen wird, entstehen keine Korrelationen zwi schen den Abtastwerten, wie etwa bei einem Rückkopplungsverfahren.In contrast to the methods that use a comparator, however, there is the possibility to subtract this "offset" again. This task is accomplished through teaching of claim 4 solved. The sample set is chosen so large that its mean usually through the "offset" and not through a natural fluctuation of the Erwar value zero is dominated. Because of all values of such a sample set the same, relatively small numerical value is subtracted, there are no correlations between the samples, such as in a feedback method.
Die beschriebenen Manipulationen der ursprünglichen Abtastwerte sind sinnvoll nur mit einem Computer durchführbar, daher ist ein Computer notwendiger Bestandteil der Er findung; es sei denn die Anforderungen an die Zufallszahlen sind gering und/oder der Analog/Digital-Wandler besitzt einen so kleinen "offset", daß die rechnerischen Manipu lationen entfallen können.The described manipulations of the original samples are only useful with a computer feasible, therefore a computer is a necessary part of the Er finding; unless the requirements for random numbers are low and / or Analog / digital converter has such a small "offset" that the arithmetic manipulation lations can be omitted.
Es ist noch zu zeigen, daß die Korrelation zwischen den von der Erfindung produzier ten binären Werten, welche auf die begrenzte Frequenzbandbreite zurückzuführen ist, vernachlässigbar klein ist. Theoretisch beschrieben ist dieses Problem in [4]. Danach ist die Autokorrelationsfunktion (AKF) einer durch Rauschabtastung erzeugten binären Zufallsfolge durch folgende Funktion gegeben:It still has to be shown that the correlation between those produced by the invention binary values, which is due to the limited frequency bandwidth, is negligibly small. This problem is theoretically described in [4]. After that is the autocorrelation function (AKF) of a binary generated by noise sampling Random sequence given by the following function:
Dabei ist B = fb/fa und R = fs/fb. fb ist die obere und fa die untere Grenzfrequenz des Rauschens. fs ist die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers. Für brauchbare Zu fallszahlen muß der Betrag der AKF kleiner als 10-3 sein. Das weiter unten beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht:B = f b / f a and R = f s / f b . f b is the upper and f a the lower limit frequency of the noise. f s is the sampling rate of the analog / digital converter. For usable numbers, the AKF amount must be less than 10 -3 . The exemplary embodiment of the invention described below achieves:
|AKF| < e-100 ≈ 4 · 10-44 | AKF | <e -100 ≈ 4 · 10 -44
Die somit für alle praktischen Anwendungen als korrelationsfrei zu betrachtenden binären Zufallsfolgen, die durch die Erfindung produziert werden, lassen sich mit dem Computer in Zufallszahlen mit beliebigem Wertebereich umwandeln. Beispielsweise ergibt die Folge 10010111 im Zehnersystem die Zahl 151. Zu Kontrollzwecken kann die binäre oder die endgültige Zufallszahlen-Folge mit dem Computer statistisch getestet werden [5].The binary to be regarded as correlation-free for all practical applications Random sequences produced by the invention can be created using the computer convert to random numbers with any value range. For example, the result is 10010111 in the tens system the number 151. For control purposes the binary or the final random number sequence can be statistically tested with the computer [5].
Der wesentliche mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß determinier te Pseudo-Zufallszahlen jetzt durch nicht-determinierte Zufallszahlen hoher Qualität ersetzt werden können. Dadurch wird es u. a. möglich, realitätsnähere Monte-Carlo- Simulationsrechnungen, welche immer mehr Verbreitung finden, durchzuführen. Ge genüber anderen Zufallszahlengeneratoren, die auf der Abtastung von elektronischem Rauschen beruhen, produziert diese Erfindung Sätze von Zufallszahlen, die im Sinne der Statistik eine optimale Gleichverteilung aufweisen. Weiterhin sind die Zufallszahlen so gering korreliert (|AKF| < e-100) daß für alle praktischen Anwendungen Korrelationsfrei heit angenommen werden kann. Die Funktion der Erfindung ist im Gegensatz zu anderen Verfahren unempfindlich gegenüber der Amplitudenverteilung und dem Effektivwert des Rauschens. Die Erfindung nutzt die große Verbreitung von (Personal-) Computern. Für den poten tiellen Anwender stellt sie ein Zusatzgerät dar, das er ohne großen Aufwand an seinen Computer anschließen kann. Andererseits kann die Erfindung aber auch integraler Be standteil spezieller Geräte, wie z. B. Spielautomaten oder Verschlüsselungsmaschinen, sein.The main advantage achieved by the invention is that determined pseudo-random numbers can now be replaced by non-determined high quality random numbers. This makes it possible, among other things, to carry out more realistic Monte Carlo simulation calculations, which are becoming increasingly widespread. Compared to other random number generators which are based on the scanning of electronic noise, this invention produces sets of random numbers which have an optimal uniform distribution in the sense of the statistics. Furthermore, the random numbers are correlated so little (| AKF | <e -100 ) that correlation-free can be assumed for all practical applications. In contrast to other methods, the function of the invention is insensitive to the amplitude distribution and the effective value of the noise. The invention takes advantage of the widespread use of (personal) computers. For the potential user, it represents an additional device that he can connect to his computer with little effort. On the other hand, the invention can also be integral component of special devices, such as. B. slot machines or encryption machines.
Um die Arbeitsgeschwindigkeit zu vergrößern, können, statt elektronisches Rauschen abzutasten, Lichtfluktuationen optisch erfaßt werden. Dies würde höhere Rauschband breiten und damit höhere Abtastraten ermöglichen.To increase the working speed, instead of electronic noise to scan, light fluctuations are optically detected. This would be higher noise band enable wide and thus higher sampling rates.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is in following described in more detail.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 1 is a block diagram of the embodiment of the invention,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des elektronischen Rauschgenerators nach Anspruch 5. Fig. 2 shows an embodiment of the electronic noise generator according to claim 5.
Zunächst wird auf die Rauschquelle nach Fig. 2 bezug genommen. Der Rauschgene rator (1) besteht aus einer Serienschaltung von nichtinvertierenden Verstärkern (6), die mit der Spannungsversorgung (5) verbunden sind. Die Spannungsversorgung wird mit einem Netzteil oder Batterien gewährleistet. Die Details einer Operationsverstärker- Spannungsversorgung sind Fachleuten bekannt.First, reference is made to the noise source of FIG. 2. The noise generator ( 1 ) consists of a series connection of non-inverting amplifiers ( 6 ) which are connected to the voltage supply ( 5 ). The power supply is guaranteed with a power pack or batteries. The details of an operational amplifier power supply are known to those skilled in the art.
Durch geeignete Wahl der Operationsverstärker und der Verstärkungsfaktoren V der einzelnen Verstärkerstufen (6.x) erhält man am Ausgang der Verstärkerstufe (6.5) eine effektive Rauschspannung UR von etwa 1 Volt und eine obere Grenzfrequenz fb des Rau schens von etwa 1 MHz. fb entspricht der oberen Grenzfrequenz der Reihenschaltung von (6.1) bis (6.5), siehe [6].By suitable selection of the operational amplifier and the amplification factors V of the individual amplifier stages ( 6. x), an effective noise voltage U R of approximately 1 volt and an upper limit frequency f b of noise of approximately 1 MHz are obtained at the output of the amplifier stage ( 6.5 ). f b corresponds to the upper limit frequency of the series connection from ( 6.1 ) to ( 6.5 ), see [6].
Die zwischen die Verstärkerstufen geschalteten Hochpässe (7) und (8) verhindern, daß die Offset-Spannungen der Operationsverstärker die Verstärkerstufen sättigen. Die Grenzfre quenzen der Hochpässe (7) und (8) sind kleiner als die untere Grenzfrequenz des Rau schens fa = 16 kHz, die durch den Hochpaß (2) in Fig. 1 festgelegt wird.The high-pass filters ( 7 ) and ( 8 ) connected between the amplifier stages prevent the offset voltages of the operational amplifiers from saturating the amplifier stages. The Grenzfre frequencies of the high passes ( 7 ) and ( 8 ) are smaller than the lower limit frequency of Rau's f a = 16 kHz, which is determined by the high pass ( 2 ) in Fig. 1.
Im folgenden wird nur noch auf Fig. 1 bezug genommen. Rauschgenerator (1) und Hochpaß (2) werden elektromagnetisch abgeschirmt, um Störungen zu minimieren. Der bipolare Analog/Digital-Wandler (3) besitzt eine Auflösung von 8 Bit und einen Meßbe reich von -2,5 Volt bis +2,5 Volt. Mit dem Wandler (3) wird das Rauschen am Ausgang des Hochpasses (2) abgetastet. Die Abtastung wird durch den Computer (4), der die Abtastfrequenz fs = 1 kHz vorgibt, gesteuert.In the following, reference will only be made to FIG. 1. Noise generator ( 1 ) and high-pass filter ( 2 ) are shielded electromagnetically to minimize interference. The bipolar analog / digital converter ( 3 ) has a resolution of 8 bits and a measuring range from -2.5 volts to +2.5 volts. With the converter ( 3 ), the noise at the output of the high pass ( 2 ) is sampled. The sampling is controlled by the computer ( 4 ), which specifies the sampling frequency f s = 1 kHz.
Der Wandler (3) gibt ganzzahlige Werte, die den gemessenen Spannungen entsprechen, an den Computer (4) weiter. In den Arbeitsspeicher des Computers (4) werden jeweils 10000 dieser ganzzahligen Werte eingelesen. Die ganzzahligen Werte werden dann so normiert, daß dem Meßbereich des Wandlers (3) der reelle Zahlenbereich [-1 . . . +1] zu geordnet ist. Von den normierten Werten wird der Mittelwert berechnet und von allen normierten Werten abgezogen. Anschließend wird eine binäre Zufallsfolge gebildet, in dem den nun vorliegenden Werten eine logische 0 oder logische 1 zugeordnet wird, je nachdem, ob diese Werte kleiner oder größer als Null sind. Werte, die genau gleich Null sind, werden verworfen. Nach Gleichung (1) besitzt die so erzeugte binäre Zufallsfolge eine Autokorrelation von |AKF| ≈ 2,3 · 10-46. Die binäre Zufallsfolge kann nun in Zu fallszahlen mit beliebigem Wertebereich gewandelt werden. Beispielsweise lassen sich aus 10 000 binären Werten 2500 Zufallszahlen mit dem Wertebereich [0,1, . . ., 15] herstellen. Mit dem Chi-Quadrat-Test und dem Korrelations-Test nach [5] ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung keine systematische Abweichung von der Statistik echter Zufallszahlen nachweisbar. Die Zufallszahlen können nach der Herstellung direkt verwendet oder für den späteren Gebrauch in einem beliebigen Speicher festgehalten werden. The converter ( 3 ) passes integer values, which correspond to the measured voltages, to the computer ( 4 ). 10,000 of these integer values are read into the main memory of the computer ( 4 ). The integer values are then standardized so that the measuring range of the transducer ( 3 ) has the real number range [-1. . . +1] is assigned to. The mean value is calculated from the standardized values and subtracted from all standardized values. A binary random sequence is then formed in which a logical 0 or logical 1 is assigned to the now available values, depending on whether these values are less than or greater than zero. Values that are exactly zero are discarded. According to equation (1), the binary random sequence generated in this way has an autocorrelation of | AKF | ≈ 2.3 · 10 -46 . The binary random sequence can now be converted into random numbers with any value range. For example, 2500 random numbers with the value range [0.1,. . ., 15]. With the chi-square test and the correlation test according to [5], no systematic deviation from the statistics of real random numbers can be detected in this exemplary embodiment of the invention. The random numbers can be used directly after production or saved in any memory for later use.
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