CN100435089C - 一种产生真随机码的装置及其产生真随机码的方法 - Google Patents

Abstract

一种产生真随机码的装置，包括若干个多门限随机码发生器、数据处理器，噪声发生器与每个多门限随机码发生器分别相连，组成若干个随机码发生器单元，每个多门限随机码发生器与数据处理器相连。用该装置产生真随机码的方法：把噪声发生器产生的随机电平信号通过多门限随机码发生器甄别后得到二进制的真随机码序列，然后在每个周期内，将若干个随机码发生器单元产生的二进制的真随机码序列各取一位，通过数据处理器合并为一个二进制的真随机码序列输出。该装置通过多门限随机码发生器获得真随机码的输出，以提高随机码输出码率和随机性。该装置可以产生不需要调整，工作稳定，输出码率可以扩展，随机性可以提高，符合量子保密通信需要的真随机码。

Description

一种产生真随机码的装置及其产生真随机码的方法

技术领域

本发明涉及光量子保密通信技术领域，具体涉及一种产生真随机码的装置及其产生真随机码的方法。

背景技术

真随机码发生器的作用是产生永不重复的密码本，保证一次一密的绝对不可破解。量子保密通信的量子信道不是用来传送密文或明文，而是用来建立和传送密码本。要完成整个量子通信过程，需要采用两条通信信道，一条是量子信道，用于传输量子密钥；一条是经典信道，用于密钥的验证和密文的传输。量子信道由其物理原理，是不可窃听的。而通过经典信道进行的两个过程并不是绝对不可窃听的。密钥验证时，公布的结果是公开的，为了防止窃听者根据公布的部分，推测未公布的部分，所有量子密钥必须是不相关的。在实际量子密钥分发系统中，收发双方Alice和Bob需要使用随机码来随机制备和随机检测单光子的量子态。量子密码序列是从随机码序列中提取出来的，所以要求随机码的各位是统计独立的。同时，数学上已经证明，一次一密系统是完全安全的，不可破的密码。一次一密系统所需要的密钥量等于相应明文的数量，而且只用一次。量子保密通信系统的绝对安全性是由量子信道和经典信道的绝对安全性共同决定的，其理论依据分别是量子不可克隆原理和一次一密原理。要保证经典信道的绝对安全性，必须采用真随机码发生器产生各位统计独立的真随机码，为一次一密的加密系统提供永不重复的密码本，从而保证量子保密通信的经典信道的绝对安全。

1)产生随机码的方法主要有数学方法和物理方法两种

(1)数学方法

数学上常用的随机数产生方法有：RAND表产生伪随机数、线性同余发生器产生伪随机数序列、反馈移位寄存器产生伪随机数序列、伪随机数发生器ANSIX9.17等等。这些用数学方法产生的伪随机数序列只由算法和种子决定，一旦算法和种子确定以后，序列中的每一位的值都是确定的，因此，信息熵为零，不能用于量子保密系统。

(2)物理方法

物理上的产生随机码的方法是把随机信号通过变换系统，得到二进制随机码。真随机码发生器的研究工作目前主要集中在随机源的研究工作上，对于变换系统，一般都采用比较器甄别的方案。

2)常见的随机信号源

(1)选取真实世界的自然噪音

自然界存在丰富的随机现象，可以利用各种噪声信号本身的随机性来获得真随机码。

(2)量子随机事件

被囚禁的离子产生的共振荧光辐射，其光子间隙时间是随机分布的，光子通过光学分束器的随机性等等。

(3)围绕计算机产生的随机事件

每个击键的一份拷贝、鼠标命令、扇区数一天的某个时间寻找每个磁盘操作的延迟、实际鼠标位置、显示器扫描线数、实际显示图象的内容等等。

3)真随机数的硬件产生国内外的进展

G.B.Agnew提出将两个金属绝缘半导体电容器(MISC)很近地放在一起，随机位是它们两个之间的电荷量之差的函数；M.Gude制造了一个根据物理现象如放射性衰变采集随机位的随机数发生器；Manfield Richter研制了一个基于半导体二级管热噪声的随机数发生器；南京大学还研制成功一种基于混沌原理的随机数发生器，混沌概述为由确定性方程(指形式确定)的非线性效应所引起的方程解的不确定性，典型例子有Lorenz微分方程和映象Logist，它们可利用初始值的很小偏差导致解的很大偏差而产生混沌效应后产生的，随机序列的周期理论上无限长，该方法可用于同步通信，工作过程为混沌→混沌同步→混沌；中科院物理所研制了基于单光子通过分束器的随机性的光量子随机源；华东师大研制了基于偏振光量子的随机源；Lepley等用掺铒光纤放大器与pin探测器产生的宽带白噪声做高速D触发器的输入，产生了2.5Gb/s和5Gb/s的非归零真随机码。

4)产生真随机码的各种方法的比较

真随机码发生器按其采用的物理随机源分为传统和量子两大类。传统的随机码发生器采用噪声信号作为随机源，通过单门限甄别器输出随机码，虽然容易实现、速率快，但是受噪声的各种统计特性难以控制和保持稳定等因素的影响，产生的随机码的随机性较差。而量子随机源是永不重复的完全随机源，虽然它既无规律也不会重复，但在数据采集上难度大，设备复杂，同时量子随机源在稳定性和产生速率上远未达到量子保密的要求，并且受干扰噪声等因素的影响，实际所产生的随机码的随机性远不如理论值理想。例如，量子保密系统试验通常采用单光子作随机源，虽然随机性较好，但是这种方式受稳定性和速率的限制，还停留在实验室阶段，其相关系数并不理想，甚至大于0.05，即超过了不相关的上限，可以认为输出的随机码是相关的。

量子保密通信要达到实用阶段，就需要有产生的随机码随性好，工作稳定，能耗小的随机码发生器，而上述的随机码发生器，难以同时达到这些要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生真随机码的装置，该装置通过多门限随机码发生器甄别获得真随机码的输出，以提高随机码输出码率和随机性。

本发明的另一目的在于提供一种用上述装置来产生真随机码的方法，这种方法可以产生不需要调整，工作稳定，输出码率可以扩展，随机性可以提高，符合量子保密通信需要的真随机码。

本发明的产生真随机码的装置包括噪声发生器、若干个多门限随机码发生器、数据处理器，噪声发生器与每个多门限随机码发生器分别相连，组成若干个随机码发生器单元，每个多门限随机码发生器与数据处理器相连。

所述多门限随机码发生器是模-数转换器，模-数转换器以最低位输出；或者是包括比较器阵列和解码器，噪声发生器、比较器阵列、解码器、数据处理器依次连接；比较器阵列是若干个比较器并联在一起使用，噪声发生器与每个比较器分别相连，比较器阵列输出相应的TTL电平，经过解码器解码之后得到二进制的真随机码序列。

用上述装置来产生真随机码的方法：

把噪声发生器产生的随机电平信号通过多门限随机码发生器甄别得到二进制的真随机码序列，然后在每个周期内，将若干个随机码发生器单元产生的二进制的真随机码序列各取一位，通过数据处理器合并为一个二进制序列的真随机码序列输出。

所述噪声发生器产生的随机电平信号经过比较器阵列的甄别，比较器阵列输出相应的TTL电平，经过解码器解码之后得到二进制的真随机码序列。

所述噪声发生器产生的随机电平信号也可以经过模-数转换器的甄别，以模-数转换器的最低位作为输出，得到二进制的真随机码序列。

所述数据处理器为并串转换器或数据采集卡。

本发明的特点在于多门限随机码发生器的变换系统和输出特性扩展上，变换系统为模-数转换器，或者是比较器阵列和解码器相连组成。

本发明把噪声信号数字化，然后根据其奇偶性分为两组，奇数组对应随机码“1”(或“0”)，偶数组对应随机码“0”(或“1”)。其原理具体如下：

设输入的噪声电压V都落在区间[V_min，V_max]内，且它的概率分布密度为p(V)。用多个门限电压把此区间等分成2ⁿ个小区间，且从下至上分别对每个区间编号(从1到2ⁿ)。则每个区间的宽度为

$D_v=\frac{V_{\max }-V_{\min }}{2^n}$

第i个区间为[V_min+(i-1)D_v，V_min+iD_v]，其中0＜i≤2ⁿ。我们规定：当噪声落在第i个区间中时，若i为奇数时，随机码发生器输出为“1”(或“0”)，当i为偶数时，输出“0”(或“1”)。这样即把输入的随机噪声数字化为随机码。

多门限甄别是指把比较器阵列中比较器的门限电压分别设置在上述的门限电压上，这样，比较器阵列的输出与输入噪声电压有一一对应的关系。当噪声落在第i个区间中时，有i个比较器输出为高电平，有2ⁿ-i个比较器输出为低电平。

解码器是指能对比较器的输出进行解码，使得当噪声落在第i个区间中时，若i为奇数时，随机码发生器输出为“1”(或“0”)，当i为偶数时，输出“0”(或“1”)，即得真随机码输出。

模-数转换器是把噪声信号数字化，然后根据其奇偶性分为两组，奇数组对应随机码“1”(或“0”)，偶数组对应随机码“0”(或“1”)。模-数转换器的最低位代表噪声信号处于奇数还是偶数区间，如此用模-数转换器实现了比较器阵列和解码器的功能。

通过多门限甄别能使得输出的随机码的信息熵自动稳定。由信息熵的计算公式：

$H\left(x\right)=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}p\left(x_i\right){\log }_{2}p\left(x_i\right)$

式中p(x_i)为随机码中“0”和“1”的概率。当“0”和“1”等概出现时，随机码的熵达到最大，有最大的不确定性。多门限甄别方式可以使信息熵保持较大的值，其分析如下：

输入的噪声电压落在第i个区间的概率为

$P\left(i\right)={\∫}_{V_{\min }+{\mathrm{iD}}_v}^{V_{\min }+(i-1)D_v}p\left(V\right)\mathrm{dV}$

当n足够大时，即D_v足够小时，

p[V_min+(i-1)D_v]≈p(V_min+iD_v)

则

P(i)≈D_vp(V_min+iD_v)

所以，

P(i)≈P(i+1)

由上所述，设输入噪声电压落在i为奇数的区间的概率为P_o，落在偶数区间的概率为P_c，则

P_o＝P_c

而当随机变量的样本空间中的元素等概出现时，信息熵最大。这样，当n足够大时，就可以得到包含最大信息量的随机码。对于十六位的区间划分来说，无需任何补偿或调整电路，一位随机数的熵值即可达到0.99以上。

通过多门限甄别可以减小输出的随机码的归一化自相关系数。随机码的相关系数由物理随机源的随机性和变换系统的系统传递函数共同决定的。

传统的单门限甄别电路利用阈交事件产生随机码输出，在单位时间内正阈交的平均次数

$\stackrel{\‾}{N}={\∫}_0^{\∞}\stackrel{\·}{x}{p}_2(x_0,\stackrel{\·}{x})d\stackrel{\·}{x}$

对于平稳高斯随机过程

$\stackrel{\‾}{N}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\stackrel{\·}{x}}}{2\mathrm{\π\π}}\exp [-\frac{{(x_0-m)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}]$

对于平稳高斯随机过程，单位时间内正阈交的平均次数等于负阈交的平均次数，所以单位时间总的阈交的平均次数为2N。

对于平稳随机过程在任一时间间隔τ＝|t_t-t₁|内，相关系数与时刻无关，仅是时间间隔的函数。

输出的随机码的相关函数为

$R_X(\mathrm{\τ\τ}=E\left[X\left(t_1\right)X\left(t_2\right)\right]$

$=1\·P_1$

$=\frac{1}{2}{e}^{-2\stackrel{\‾}{N}\mathrm{\τ}}[1+\frac{{\left(2\stackrel{\‾}{N}\mathrm{\τ}\right)}^2}{2!}+\frac{{\left(2\stackrel{\‾}{N}\mathrm{\τ}\right)}^4}{4!}\·\·\·]$

$=\frac{1}{4}+\frac{1}{4}{e}^{-4\stackrel{\‾}{N}\mathrm{\τ}}$

其归一化自相关函数为

r_x(τ)＝e^-4Nτ

式中N为单位时间内正阈交的次数，对于平稳高斯过程，当阈值

V_a＝m_x时，有N＝f₀

式中，f₀为高斯白噪声的平均频率。所以有

r_x(ττ＝exp[-4f₀τ]

由上式可知，输出的随机码的归一化自相关函数是随机码的周期τ和高斯白噪声的平均频率f₀的函数。

工程应用当中，当τ大到一定程度时，如果r_x(τ)已经很小，则可近似认为X(t)和X(t+τ)之间已不存在任何关联，统计独立。这里引入相关时间τ₀。当τ＞τ₀时，则可以认为X(t)和X(t+τ)之间已不相关。τ₀的定义为

|r_x(τ₀)|≤0.05

从上面的分析可知，当单门限随机码发生器的的取样时间大于τ₀，即

f₀·τ≥0.749

时，可以认为输出的随机码序列的各位之间是不相关的，即输出为真随机码。但是τ₀过大时，限制了随机码的产生速率，需要通过增大随机噪声信号源的带宽来解决，这就对随机噪声信号源提出了更高的要求。

多门限甄别电路具有多个门限电压，单位时间内高斯白噪声落在第i个区域并在第i+1个门限电压上发生正阈交的次数为

$\stackrel{\‾}{N_i}={\∫}_{D_v}^{(i+1)D_v}\mathrm{dV}{\∫}_0^{\frac{D_v}{\mathrm{\Δt}}}p(V,\stackrel{\·}{V})d\stackrel{\·}{V}$

当转折电压D_v(即分辨率)不是很小的时候，近似的有

$\stackrel{\‾}{N_i}=\frac{B}{2\mathrm{\π}}\exp -\frac{{[(i+1)D_v-m_V]}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}$

单位时间内总的正阈交的平均次数为

$\stackrel{\‾}{N_m}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{\‾}{N_i}$

其归一化自相关函数为

r_x(ττ＝exp[-4N_mτ]

因为

N_m＞＞N

所以当采用多门限比较器甄别时，输出的随机码的归一化自相关函数随周期τ衰减的速度远大于采用单门限时。所以在相同的采样频率时，多门限甄别电路产生的随机码的相关系数较小。相关时间τ₀也相应大大减少了。

通过多门限甄别提高输出的随机码的码率。随机码的最大输出速率取决于输出的随机码的相关时间τ₀。对于多门限的电压甄别方式，当高斯白噪声的平均频率f₀保持不变时，因为N_m较单门限时大很多，所以相关时间τ₀减小，随即码的采样点可以变得密集。

通过合并多个随机码发生器的输出，提高输出的随机码的码率。因为n个随机码发生器产生n个随机码序列，每次顺序地从这n个随机码序列各取一位到最终输出的随机码序列，如此循环，从而把n个随机码序列合并为一个随机码序列。这样，输出的码率为单个随机码发生器的输出码率的n倍。

通过合并多个随机码发生器的输出，提高输出的随机码的随机性。因为n个随机码发生器产生n个随机码序列，每次顺序地从这n个随机码序列各取一位到最终输出的随机码序列，如此循环，从而把n个随机码序列合并为一个随机码序列。这样，同样的输出码率的条件下，单个随机码发生器的码率降为原来的n分之一倍，采样时间间隔τ增大为原来的n倍，归一化相关系数大大降低，随机性得到提高。

本发明与现有技术相比有如下优点有有益效果：

(1)本发明输出的随机码是真随机码，输出的随机码的信息熵可以自动稳定，而且对噪声源的带宽要求较低；

(2)本发明输出的随机码的归一化相关系数可以通过增加门限电压的数量和增加合并输出的随机码发生器单元的数目而大大降低，接近于零；

(3)本发明通过增加合并输出的随机码发生器单元的数目，输出的随机码可以达到极大的码率；

(4)本发明工作稳定，价格低廉，扩展性好，便于集成化。

附图说明

图1是本发明的产生真随机码的装置的结构示意图；

图2是本发明装置的随机码发生器单元的结构示意图；

图3是本发明装置的随机码发生器单元的另一结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明的产生真随机码的装置包括噪声发生器、若干个多门限随机码发生器、数据处理器，噪声发生器与每个多门限随机码发生器分别相连，组成若干个随机码发生器单元，每个多门限随机码发生器与数据处理器相连。

如图2所示，多门限随机码发生器是模-数转换器，模-数转换器以最低位输出；如图3所示，多门限随机码发生器包括比较器阵列和解码器，噪声发生器、比较器阵列、解码器、数据处理器依次连接；比较器阵列是若干个比较器并联在一起使用，噪声发生器与每个比较器分别相连，比较器阵列输出相应的TTL电平，经过解码器解码之后得到二进制的真随机码序列。

图1中的数据处理器可为并串转换器，也可为数据采集卡。

实施例1

随机噪声源选用宽带白噪声源，型号为HP346，变换系统采用比较器阵列，比较器阵列由八片比较器组成的型号为max961，解码器采用74ls148，输出真随机码序列，其码率为1Mbit/s。

实施例2

随机噪声源选用宽带白噪声源，型号为HP346；变换系统采用模-数变换器，其型号为max150；并串转换器为16∶1转换器，型号为max3891；HP346输出的白噪声信号经过max150的多门限甄别，输出真随机码序列，其码率为1Mbit/s。16个HP346和max150共同产生的随机码序列分别加到max3891的16个并行输入端口，在max3891的串行输出端口，得到码率为16Mbit/s的随机码输出。

实施例3

随机噪声源选用宽带白噪声源，型号为HP346；变换系统采用模-数变换器，其型号为max150，通过数据采集卡输入随机码序列，数据采集卡的型号为AD7812L。HP346输出的白噪声信号经过max150的多门限甄别，输出真随机码序列，其码率为1Mbit/s。8个HP346和max150共同产生的随机码序列分别加到AD7812的8个数字输入端口，每次顺序地从这8个随机码序列各取一位到最终输出的随机码序列，如此循环，从而把8个随机码序列合并为一个随机码序列。在AD7812L的数字输出端口，得到码率为8Mbit/s的随机码输出。

Claims (10)

1.一种产生真随机码的装置，包括噪声发生器，其特征在于还包括若干个多门限随机码发生器和一个数据处理器，噪声发生器与每个多门限随机码发生器分别相连，组成若干个随机码发生器单元，每个多门限随机码发生器与数据处理器相连。

2.根据权利要求1所述的产生真随机码的装置，其特征在于所述多门限随机码发生器是模-数转换器，以模-数转换器的最低位作为输出。

3.根据权利要求1所述的产生真随机码的装置，其特征在于所述多门限随机码发生器包括比较器阵列和解码器，噪声发生器、比较器阵列、解码器、数据处理器依次连接。

4.根据权利要求3所述的产生真随机码的装置，其特征在于所述比较器阵列是若干个比较器并联在一起，噪声发生器与每个比较器分别相连。

5.根据权利要求2或4所述的产生真随机码的装置，其特征在于所述数据处理器是并串转换器或数据采集卡。

6.用权利要求5所述的装置产生真随机码的方法，其特征在于过程如下：

把噪声发生器产生的随机电平信号通过多门限随机码发生器甄别后得到二进制的真随机码序列，然后在每个周期内，将若干个随机码发生器单元产生的二进制的真随机码序列各取一位，通过数据处理器合并为一个二进制的真随机码序列输出；所述多门限随机码发生器是模-数转换器，或是包括比较器阵列和解码器的发生器。

7.根据权利要求6所述的产生真随机码的方法，其特征在于所述噪声发生器产生的随机电平信号经过比较器阵列的甄别，比较器阵列输出相应的TTL电平，经过解码器解码之后得到二进制的真随机码序列。

8.根据权利要求7所述的产生真随机码的方法，其特征在于把噪声信号数字化，然后根据其奇偶性分为两组，奇数组对应随机码“1”，偶数组对应随机码“0”；或者奇数组对应随机码“0”，偶数组对应随机码“1”。

9.根据权利要求6所述的产生真随机码的方法，其特征在于所述噪声发生器产生的随机电平信号经过模-数转换器的甄别，以模-数转换器的最低位作为输出，得到二进制的真随机码序列。

10.根据权利要求9所述的产生真随机码的方法，其特征在于把噪声信号数字化，然后根据其奇偶性分为两组，奇数组对应随机码“1”，偶数组对应随机码“0”；或者奇数组对应随机码“0”，偶数组对应随机码“1”。

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