CN102609238B - 随机数生成系统以及随机数生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及随机数生成系统以及随机数生成方法。其中随机数生成系统包括超晶格噪声源、电源模块、量化编码模块、以及输出模块；超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号；电源模块与超晶格噪声源电性相连，提供超晶格噪声源自发混沌振荡所需的偏置电压；量化编码模块与超晶格噪声源以及输出模块分别电性相连，将随机噪声模拟信号进行量化编码后生成随机数码流；输出模块输出随机数码流。本发明能够获得具有真随机性、高质量随机数序列，产生速度可达Gbit/s以上，适于应用在数据加密、密钥管理、安全协议、数字签名、身份认证等领域。

Description

随机数生成系统以及随机数生成方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其是关于一种随机数生成系统和随机数生成方法。

背景技术

随机数生成系统是制密系统和各类密码保密系统中不可缺少的关键部件，它的工作状态直接影响制密系统和各类密码保密系统的可靠性和稳定性，所产生的随机数的质量关系到密码装备对信息的保护强度。真随机性、高质量、高速度是对随机数生成系统生成高质量随机数的三个基本要求。首先，随机数生成系统要具有高质量的噪声源，即要求信号是真随机的。其次，随机数要满足随机性的要求，即能够通过各种参数测试，如频数、序列、扑克、游程和自相关检验等。再者，要求随机数生成系统具有尽可能高的产生随机数的速度。

现有的随机数生成方法一般是通过外加可调电源对噪声源进行调节，并使用高速示波器对噪声信号进行采样、存储，然后通过普通GPIB、1394等接口传输至电脑中进行量化分析。这种随机数生成方法速度较慢、且需要使用大型的电源、示波器、电脑等，因此不能适应系统低功耗、小型化和现场化的需求。

发明内容

因此，本发明实施例提供随机数生成系统以及随机数生成方法，以克服现有随机数生成技术中存在的问题。

具体地，本发明实施例提出的一种随机数生成系统，包括超晶格噪声源、电源模块、量化编码模块、以及输出模块；超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号；电源模块与超晶格噪声源电性相连，提供超晶格噪声源自发混沌振荡所需的偏置电压；量化编码模块与超晶格噪声源以及输出模块分别电性相连，将随机噪声模拟信号进行量化编码后生成随机数码流；输出模块输出随机数码流。

在本发明实施例中，上述量化编码模块例如设定有一个门限值，并将随机噪声模拟信号的幅值与门限值进行比较；若幅值大于门限值，则判断为1，若幅值小于门限值，则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为0或1；从而将随机噪声模拟信号量化编码成随机数码流。再者，上述随机数生成系统例如进一步可包括分析反馈模块，与量化编码模块及电源模块分别电性相连，用以判断量化编码模块所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整量化编码模块内进行量化编码用的门限值及/或控制电源模块调整提供给超晶格噪声源所需的偏置电压。此外，上述随机数生成系统例如还包括存储模块，分别与量化编码模块和分析反馈模块电性连接，以存储量化编码模块生成的随机数码流。上述电源模块、量化编码模块、存储模块、以及分析反馈模块例如是集成在同一块信号处理芯片上。另外，上述输出模块例如是采用Serdes协议将随机数码流通过串并转换后输出。

另外，本发明实施例提出的一种随机数生成方法，包括以下步骤：施加偏置电压激发超晶格噪声源进行自发混沌振荡以产生随机噪声模拟信号；将随机噪声模拟信号的幅值与门限值进行比较以进行量化编码来产生随机数码流，其中当幅值大于门限值，则判断为1，幅值小于门限值，则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为0或1；以及将随机数码流进行串并转换后输出。

在本发明实施例中，上述随机数生成方法例如还可包括步骤：判断随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整门限值及/或偏置电压值。再者，上述在判断随机数码流是否达到预设的质量指标之前，进一步可包括步骤：存储随机数码流。此外，上述将随机数码流进行串并转换时例如是基于Serdes协议。

本发明上述实施例使用超晶格噪声源产生随机噪声模拟信号，超晶格噪声源的带宽可以达到GHz以上，并使用高速量化编码模块对随机噪声模拟信号进行量化编码，再通过串并转化方法实现随机数码流的高速输出，如此随机数码流的产生速度可达GBit/s量级，从而大大提高了随机数码流输出速度。此外，将随机数码流的产生、处理、传输、存储、监控和自调节功能可集成在同一块信号处理芯片上，从而满足了随机数生成系统的低功耗、小型化和现场化的需求。另外，随机数码流经分析反馈模块分析以后，分析反馈模块可以自动控制调整提供给超晶格噪声源所需的偏置电压和量化编码模块内进行量化编码用的门限值，从而实现对随机数码流质量的实时分析和实时优化调整，能够保证产生高质量的随机数码流。

附图说明

图1是本发明实施例提出的一种随机数生成系统的功能模块示意图；

图2是图1的超晶格噪声源输出的随机噪声模拟信号的波形图；

图3是图1的输出模块将随机数码流进行串并转换的示意图；

图4是本发明实施例提出的一种随机数生成方法的步骤流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的随机数生成系统以及随机数生成方法其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明实施例提出的一种随机数生成系统的功能模块示意图。图2是图1的超晶格噪声源输出的随机噪声模拟信号的波形图。图3是图1的输出模块将随机数码流进行串并转换的示意图。请共同参考图1至图3，本实施例的随机数生成系统100包括超晶格噪声源5、输出模块7、以及与超晶格噪声源5及输出模块7分别电性相连的信号处理芯片6。信号处理芯片6上集成与超晶格噪声源5电性相连的电源模块11以及量化编码模块12。信号处理芯片6上还可以集成分析反馈模块16以及存储模块17，以整合更多的功能，这样随机数码流的产生、处理、传输、存储、监控和自调节功能集成在同一块信号处理芯片6上，从而满足了随机数生成系统100的低功耗、小型化和现场化的需求。分析反馈模块16与电源模块11、量化编码模块12以及存储模块17分别电性相连；存储模块17还与量化编码模块12电性相连。

如图2所示，是产生的随机噪声模拟信号21。超晶格噪声源5为多自由度变量非线性混沌振荡器件。利用超晶格噪声源5的固态自发混沌振荡特性，超晶格噪声源5可以产生高质量、高带宽的真随机噪声模拟信号21，带宽可以达到GHz以上，从而可以大大提高随机数码流的输出速度。

量化编码模块12将随机噪声模拟信号21进行量化编码后生成随机数码流，本实施例中，量化编码模块12是高速的量化编码电路。由于由超晶格噪声源5产生的宽带振荡混沌信号通常无法直接被接收装置直接读取，因此，需要经量化编码模块12将随机噪声模拟信号21进行量化编码。具体地，如图2所示，量化编码模块12将随机噪声模拟信号21量化编码成随机数码流的过程如下：量化编码模块12设定有一个门限值，并将随机噪声模拟信号21的幅值与门限值进行比较；若幅值大于门限值，则判断为1，若幅值小于门限值，则判断为0，若幅值等于门限值，则交替判断为0或1。量化编码模块12内进行量化编码用的门限值选择的基本依据可以是使量化编码后的随机数码流中0、1的数目基本保持均衡，并综合考虑随机数码流的其它指标如序列、游程和自相关等指标。

输出模块7输出随机数码流。通常情况下，半导体超晶格噪声源5的带宽可以达到GHz以上，产生随机数码流的能力在Gbit/s量级。对于这种高速数码流的传输，输出模块7可以采用Serdes协议将随机数码流通过串并转换后再高速输出。如图3所示，串行形式的随机数码流301经输出模块7基于Serdes协议进行串并转换后形成并行信号303进行输出；之后，接收装置接收并行信号303后基于Serdes协议将接收到的并行信号305进行串并逆转换后获取串行形式的随机数码流307。这样，通过超晶格噪声源5产生随机噪声模拟信号，超晶格噪声源5的带宽可以达到GHz以上，再使用高速量化编码模块12对随机噪声模拟信号进行量化编码，还通过串并转化方法实现随机数码流的高速输出，如此随机数码流的产生速度可达GBit/s量级，从而大大提高了随机数码流输出速度。

存储模块17用于存储量化编码模块12生成的随机数码流。存储模块17可以采用（Static Random Access Memory，静态随机存储器）SRAM、（solid state disk，固态硬盘）SSD等存储器件。这样可以使随机数生成系统100更小型化和全面化。

电源模块11提供超晶格噪声源5自发混沌振荡所需的偏置电压，施加的偏置电压可以激发超晶格噪声源5进行自发混沌振荡以产生随机噪声模拟信号21。电源模块11可以是自调节电源模块，其由一个受分析反馈模块16控制的可调电压源组成，可根据分析反馈模块16的反馈调整上述偏置电压，以实时提高输出随机数码流的质量。

分析反馈模块16用以判断量化编码模块12所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则控制调整量化编码模块12内进行量化编码用的门限值及/或控制电源模块11调整提供给超晶格噪声源5所需的偏置电压。预设的质量指标包括一般随机数码流的质量指标，例如可以为频数、序列、扑克、游程和自相关检验等质量指标。根据不同要求，还可以通过编程对特定的质量指标进行监控分析。具体地，分析反馈模块16在分析当前随机数码流的质量以后，则判断量化编码模块12所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则根据预设的质量指标做出优化调整。调整主要包括两个部分：第一部分是电源模块11中的电学参数。通过改变此电学参数，可以改变对超晶格噪声源5的偏压幅度、驱动方式等，从而调整超晶格噪声源5的自发混沌振荡模式，改善超晶格噪声源5产生随机噪声模拟信号21的质量。第二部分是调整量化编码模块12内进行量化编码用的门限值。改变此门限值，可以实现调整从超晶格噪声源5产生的自发混沌振荡信号中获取随机数码流的方式，改变0或1的频数等重要指标，使随机数码流长期保持在一个合理的水平以内。这样，随机数码流经分析反馈模块16分析以后，分析反馈模块16可以自动控制调整提供给超晶格噪声源5所需的偏置电压和量化编码模块12内进行量化编码用的门限值，从而实现对随机数码流质量的实时分析和实时优化调整，能够保证产生高质量的随机数码流。

图4是本发明实施例提出的一种随机数生成方法的步骤流程图，请一并参考所有附图，所述随机数生成方法应用于所述的随机数生成系统100，本发明实施例提出的随机数生成方法主要包括以下步骤S501至S512。

步骤S501，电源模块11施加偏置电压激发超晶格噪声源5进行自发混沌振荡以产生随机噪声模拟信号21。

步骤S503，量化编码模块12将随机噪声模拟信号21的幅值与门限值进行比较，若幅值大于门限值，则进行步骤S506：量化编码模块12判断为1，即将随机噪声模拟信号21量化编码成的随机数码为1；若幅值不大于门限值，则进行步骤S505。

步骤S505，量化编码模块12判断随机噪声模拟信号21的幅值是否小于门限值，若幅值是否小于门限值，则进行步骤S507：量化编码模块12判断为0，即将随机噪声模拟信号21量化编码成的随机数码为0；若幅值不小于门限值，则进行步骤S508：量化编码模块12交替判断为0或1，即将随机噪声模拟信号21量化编码成交替的随机数码0或1。

步骤S509，存储模块17存储量化编码模块12生成的随机数码流。

步骤S510，分析反馈模块16判断量化编码模块12所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则进行步骤S511，若已达到预设的质量指标，则进行步骤S512。

步骤S511，分析反馈模块16控制调整量化编码模块12内进行量化编码用的门限值及/或控制电源模块11调整提供给超晶格噪声源5所需的偏置电压值，并返回执行步骤S501。

步骤S512，输出模块7将随机数码流进行串并转换后输出。在此，输出模块7将随机数码流进行串并转换时可以基于Serdes协议。例如图3所示，串行形式的随机数码流301经输出模块7基于Serdes协议进行串并转换后形成并行信号303进行输出；之后，接收装置接收并行信号303后基于Serdes协议将接收到的并行信号305进行串并逆转换后获取串行形式的随机数码流307。

在其它实施方式中，当本发明实施例的随机数生成系统100未设置存储模块17及分析反馈模块16的情形下，相应地可省去步骤S509、S510、及步骤S511，即在执行完步骤S506至S508后，直接进行步骤S512。当本发明实施例的随机数生成系统100设置存储模块17的情形下，在执行完步骤S509后，也可以直接进行步骤S512。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种随机数生成系统，其特征是：包括：

超晶格噪声源，产生随机噪声模拟信号；

电源模块，与所述超晶格噪声源电性相连，提供所述超晶格噪声源自发混沌振荡所需的偏置电压；

量化编码模块，与所述超晶格噪声源电性相连，将所述随机噪声模拟信号进行量化编码后生成随机数码流，所述量化编码模块设定有一个门限值，并将所述随机噪声模拟信号的幅值与所述门限值进行比较；若所述幅值大于所述门限值，则判断为1，若所述幅值小于所述门限值，则判断为0，若所述幅值等于所述门限值，则交替判断为0或1；从而将所述随机噪声模拟信号量化编码成所述随机数码流；以及

输出模块，与所述量化编码模块电性相连，输出所述随机数码流；

进一步包括：

分析反馈模块，与所述量化编码模块及所述电源模块分别电性相连，用以判断所述量化编码模块所生成的随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整所述量化编码模块内进行量化编码用的门限值及/或控制所述电源模块调整提供给所述超晶格噪声源所需的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的随机数生成系统，其特征是：进一步包括：

存储模块，分别与所述量化编码模块和所述分析反馈模块电性连接，以存储所述量化编码模块生成的随机数码流。

3.根据权利要求2所述的随机数生成系统，其特征是：所述电源模块、所述量化编码模块、所述存储模块、以及所述分析反馈模块集成在同一块信号处理芯片上。

4.根据权利要求1所述的随机数生成系统，其特征是：所述输出模块采用Serdes协议将所述随机数码流通过串并转换后输出。

5.一种随机数生成方法，其特征是：包括步骤：

施加偏置电压激发超晶格噪声源进行自发混沌振荡以产生随机噪声模拟信号；

将所述随机噪声模拟信号的幅值与门限值进行比较以进行量化编码来产生随机数码流，其中当所述幅值大于所述门限值，则判断为1，所述幅值小于所述门限值，则判断为0，若所述幅值等于所述门限值，则交替判断为0或1；以及

将所述随机数码流进行串并转换后输出；

进一步包括步骤：

判断所述随机数码流是否达到预设的质量指标，若未达到预设的质量指标，则调整所述门限值及/或所述偏置电压值。

6.根据权利要求5所述的随机数生成方法，其特征是：进一步包括步骤：

在判断所述随机数码流是否达到预设的质量指标之前，存储所述随机数码流。

7.根据权利要求5所述的随机数生成方法，其特征是：将所述随机数码流进行串并转换时是基于Serdes协议。