CN102693119A - 一种真随机数产生电路及信息安全芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于集成电路设计领域，提供了一种真随机数产生电路及信息安全芯片。在本发明中，通过采用包括噪声信号调制模块和高通数字滤波模块的真随机数产生电路，对随机噪声信号进行调制后生成相应的混合噪声信号，并将所述混合噪声信号中的直流分量完整滤除以获得高频随机噪声分量，进而输出与所述高频随机噪声分量对应的高质量的真随机数，从而解决了现有技术所存在的随机数序列分布不均匀，且高频部分出现局部丢失的问题。

Description

一种真随机数产生电路及信息安全芯片
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，尤其涉及一种真随机数产生电路及信息安全芯片。
背景技术
随机数在现代密码学中占有重要的位置。在以Rivest-Shamir-Adleman公钥密码算法、数字签名算法和椭圆曲线密码学等为代表的非对称密钥加密体制中需要通过安全可靠的随机数来生成密钥，而在网络安全协议中，密钥分配时的临时交换号往往是采用随机数进行握手的。
目前，现有技术所提供的一种真随机数发生器是利用两个独立工作的高、低频振荡器之间的相对关系来得到非确定噪声源，并用高抖动低频振荡器采样高频振荡器，从而产生随机数序列。然而，现有技术所得到的随机数过分依赖低频振荡器的抖动，往往会出现随机数序列分布不均匀，且高频部分出现局部丢失的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真随机数产生电路，旨在解决现有技术所存在的随机数序列分布不均匀，且高频部分出现局部丢失的问题。
本发明是这样实现的，一种真随机数产生电路，所述真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块，输入端接所述噪声信号调制模块的输出端，用于滤除所述混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
本发明的目的还在于提供一种信息安全芯片。所述信息安全芯片包括真随机数产生电路，所述真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块，输入端接所述噪声信号调制模块的输出端，用于滤除所述混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
在本发明中，通过采用包括所述噪声信号调制模块和所述高通数字滤波模块的真随机数产生电路，对随机噪声信号进行调制后生成相应的混合噪声信号，并将所述混合噪声信号中的直流分量完整滤除以获得高频随机噪声分量，进而输出与所述高频随机噪声分量对应的高质量的真随机数，从而解决了现有技术所存在的随机数序列分布不均匀，且高频部分出现局部丢失的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的真随机数产生电路的模块结构图；
图2是本发明实施例提供的真随机数产生电路的示例电路结构图；
图3是本发明实施例提供的真随机数产生电路中热噪声源模块所输出的热噪声信号的频谱图；
图4是本发明实施例提供的真随机数产生电路的噪声信号调制模块中量化噪声信号与热噪声信号的混合频谱图；
图5是本发明实施例提供的真随机数产生电路的高通数字滤波模块中带宽门限与混合噪声信号的混合频谱图；
图6是本发明实施例提供的真随机数产生电路的高通数字滤波模块所输出的真随机数的频谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，通过采用包括噪声信号调制模块和高通数字滤波模块的真随机数产生电路，对随机噪声信号进行调制后生成相应的混合噪声信号，并将所述混合噪声信号中的直流分量完整滤除以获得高频随机噪声分量，进而输出与所述高频随机噪声分量对应的高质量的真随机数。
图1示出了本发明实施例提供的真随机数产生电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块100，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块200，输入端接噪声信号调制模块的输出端，用于滤除噪声信号调制模块100生成的混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
真随机数产生电路还包括：
热噪声源模块300，与噪声信号调制模块100的输入端连接，用于生成热噪声信号。
图2示出了本发明实施例提供的真随机数产生电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一优选实施例，噪声信号调制模块100包括：
运算放大器U1、积分器U2、比较器U3及数模转换器U4；
运算放大器U1的同相输入端为噪声信号调制模块100的输入端，运算放大器U1的正电源端和负电源端分别接+5V直流电源和地，运算放大器U1的输出端接积分器U2的输入端，积分器U2的输出端接比较器U3的同相输入端，比较器U3的反相输入端、正电源端及负电源端分别接等电势地、+5V直流电源及地，比较器U3的输出端为噪声信号调制模块100的输出端，数模转换器U4的输入端和输出端分别接比较器U3的输出端和运算放大器U1的反相输入端。
作为本发明一优选实施例，高通数字滤波模块200包括：
第一加法器U5、寄存器U6、第二加法器U7及乘法器U8；
第一加法器U5的第一输入端为高通数字滤波模块200的输入端，第一加法器U5的输出端同时与寄存器U6的输入端及第二加法器U7的第一输入端连接，第二加法器U7的输出端为高通数字滤波模块200的输出端，寄存器U6的输出端同时与第二加法器U7的第二输入端及乘法器U8的第一输入端连接，乘法器U8的第二输入端输入一固定自然数X，乘法器U8的输出端接第一加法器U5的第二输入端。其中，固定自然数X可为1-2-n，n为0或正整数。
作为本发明一优选实施例，热噪声源模块300包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端接一参考电压源VREF，电阻R1的第二端为热噪声源模块300的输出端，电阻R2连接于电阻R1的第二端与等电势地之间。
在本发明实施例中，由于噪声信号调制模块100中的运算放大器U1、积分器U2、比较器U3及数模转换器U4构成了一个完整的Sigma-Delta调制器，其本身在工作过程中会产生热噪声信号和低频噪声信号(两者均属于随机噪声信号)，所以在不需要热噪声源模块300的情况下，整个真随机数产生电路依旧能够生成真随机数，而随着热噪声源模块300的加入，噪声信号调制模块100中的随机噪声信号会得到加强，进而使整个真随机数产生电路所生成的真随机数的质量更高。
以下结合工作原理对上述真随机数产生电路作进一步说明：
电阻R1和电阻R2对参考电压源VREF输出的带有热噪声的电压进行分压以得到热噪声信号Vin，该热噪声信号Vin(Vin的频谱如图3所示)输出至噪声信号调制模块100的输入端，然后通过运算放大器U1、积分器U2及比较器U3进行调制后输出1比特的数字信号流、量化噪声信号Vd及热噪声信号Vr(Vd与Vr的混合频谱如图4所示)至数模转换器U4，数模转换器U4随即输出与1比特的数字信号流对应的模拟信号至运算放大器U1，该模拟信号与由运算放大器U1、积分器U2、比较器U3及数模转换器U4构成的Sigma-Delta调制器的热噪声信号和量化噪声信号合并在一起，通过运算放大器U1、积分器U2及比较器U3后输出一混合噪声信号至高通数字滤波模块200，最后由第一加法器U5、寄存器U6、第二加法器U7及乘法器U8构成的高通数字滤波器电路通过其产生的带宽门限(该带宽门限为高通数字滤波器电路的1/2功率衰减点，即-3dB点)将该混合噪声信号中的直流分量(带宽门限与混合噪声信号的混合频谱如图5所示)滤除后得到一高频随机噪声分量作为最终输出的真随机数(真随机数的频谱如图6所示)。
本发明实施例的另一目的还在于提供一种信息安全芯片。该信息安全芯片包括真随机数产生电路，该真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块100，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块200，输入端接噪声信号调制模块的输出端，用于滤除噪声信号调制模块100生成的混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
该真随机数产生电路还包括：
热噪声源模块300，与噪声信号调制模块100的输入端连接，用于生成热噪声信号。
在本发明实施例中，通过采用包括噪声信号调制模块和高通数字滤波模块的真随机数产生电路，对随机噪声信号进行调制后生成相应的混合噪声信号，并将所述混合噪声信号中的直流分量完整滤除以获得高频随机噪声分量，进而输出与所述高频随机噪声分量对应的高质量的真随机数，从而解决了现有技术所存在的随机数序列分布不均匀，且高频部分出现局部丢失的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真随机数产生电路，其特征在于，所述真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块，输入端接所述噪声信号调制模块的输出端，用于滤除所述混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
2.如权利要求1所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述真随机数产生电路还包括：
热噪声源模块，与所述噪声信号调制模块的输入端连接，用于生成热噪声信号。
3.如权利要求1所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述噪声信号调制模块包括：
运算放大器、积分器、比较器及数模转换器；
所述运算放大器的同相输入端为所述噪声信号调制模块的输入端，所述运算放大器的正电源端和负电源端分别接+5V直流电源和地，所述运算放大器的输出端接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端接所述比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端、正电源端及负电源端分别接等电势地、+5V直流电源及地，所述比较器的输出端为所述噪声信号调制模块的输出端，所述数模转换器的输入端和输出端分别接所述比较器的输出端和所述运算放大器的反相输入端。
4.如权利要求1所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述高通数字滤波模块包括：
第一加法器、寄存器、第二加法器及乘法器；
所述第一加法器的第一输入端为所述高通数字滤波模块的输入端，所述第一加法器的输出端同时与所述寄存器的输入端及所述第二加法器的第一输入端连接，所述第二加法器的输出端为所述高通数字滤波模块的输出端，所述寄存器的输出端同时与所述第二加法器的第二输入端及所述乘法器的第一输入端连接，所述乘法器的第二输入端输入一固定自然数，所述乘法器的输出端接所述第一加法器的第二输入端。
5.如权利要求1或2所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述热噪声源模块包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的第一端接一参考电压源，所述电阻R1的第二端为所述热噪声源模块的输出端，所述电阻R2连接于所述电阻R1的第二端与等电势地之间。
6.一种信息安全芯片，其特征在于，所述信息安全芯片包括真随机数产生电路，所述真随机数产生电路包括：
噪声信号调制模块，用于对随机噪声信号进行调制以生成相应的混合噪声信号；
高通数字滤波模块，输入端接所述噪声信号调制模块的输出端，用于滤除所述混合噪声信号中的直流分量以得到高频随机噪声分量，并输出与所述高频随机噪声分量对应的真随机数。
7.如权利要求6所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述真随机数产生电路还包括：
热噪声源模块，与所述噪声信号调制模块的输入端连接，用于生成热噪声信号。
8.如权利要求6所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述噪声信号调制模块包括：
运算放大器、积分器、比较器及数模转换器；
所述运算放大器的同相输入端为所述噪声信号调制模块的输入端，所述运算放大器的正电源端和负电源端分别接+5V直流电源和地，所述运算放大器的输出端接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端接所述比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端、正电源端及负电源端分别接等电势地、+5V直流电源及地，所述比较器的输出端为所述噪声信号调制模块的输出端，所述数模转换器的输入端和输出端分别接所述比较器的输出端和所述运算放大器的反相输入端。
9.如权利要求6所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述高通数字滤波模块包括：
第一加法器、寄存器、第二加法器及乘法器；
所述第一加法器的第一输入端为所述高通数字滤波模块的输入端，所述第一加法器的输出端同时与所述寄存器的输入端及所述第二加法器的第一输入端连接，所述第二加法器的输出端为所述高通数字滤波模块的输出端，所述寄存器的输出端同时与所述第二加法器的第二输入端及所述乘法器的第一输入端连接，所述乘法器的第二输入端输入一固定自然数，所述乘法器的输出端接所述第一加法器的第二输入端。
10.如权利要求6或7所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述热噪声源模块包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的第一端接一参考电压源，所述电阻R1的第二端为所述热噪声源模块的输出端，所述电阻R2连接于所述电阻R1的第二端与等电势地之间。
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