CN103049243A - 真随机数产生方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真随机数的产生方法及其装置，通过将模数转换和数模转换过程中的量化误差的放大的过程，再与电路中引入的热噪声求和放大，产生随机数。本发明实现了将噪声的对称分布转化为输出随机序列“0”“1”的随机特性，从而产生一种高质量的真随机数。
Description
技术领域
本发明涉及安全领域、通讯领域或其他需要利用随机数的领域，尤其涉及一种基于量化过程噪声放大的真随机数产生方法及其装置。
背景技术
在数字通信、电子交易、数字签名等安全应用中，需要一个高质量的随机数源产生密钥，然后用对称或非对称的算法完成认证或识别。或者在动态元件匹配(DEM)等场合，也要需要一个随机数产生装置。
设计良好的随机数的特征在于码流的不可预知性，特别是在安全领域，攻击者无法根据随机数发生器的设计对随机数进行任何有价值的预测，这就需要随机数发生器的噪声源来源于物理噪声，如在电路实现中利用的热噪声和散粒噪声。根据该原理，现有的真随机数发生装置通常利用抖动的时钟采样，但是基于抖动的时钟采样的方法输出随机数的码率会受到该采样时钟的频率的限制。
如何提供一种能够达到更快的随机数输出码率的真随机数产生方法及其装置是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种真随机数产生方法及其装置，可以不受时钟频率的限制，通过量化放大噪声的过程，实现了将噪声的对称分布转化为输出随机序列“0”、“1”的随机特性，从而产生出高质量的真随机数。
本发明所采用的技术方案是提出的一种真随机数产生方法，包括如下步骤：
步骤1.将噪声产生模块输出的噪声信号通过求和模块进行求和后，再放大处理，然后送至采样保持模块；
步骤2.将采样保持模块输出的模拟信号一路送回求和模块；另一路通过模数转换器转换成数字信号，然后再将该数字信号通过级联的数模转换器转换成模拟信号；
步骤3.将数模转换器输出的模拟信号与送入模数转换器的输入信号送至求和模块进行相减，并与引入的噪声信号相加，得出求和数据；
步骤4.将步骤3输出的求和数据送入放大模块进行放大；
步骤5.将放大模块输出的信号一路送至采样保持模块循环，另一路送入比较器进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
进一步地，在本技术方案中，所述放大模块采用的放大系数k取值小于2N，且大于1，N的取值至少为2；所述的模数转换器的输入以差分对称的-Fs/2,+Fs/2为区间，噪声放大的效果是以0为中心呈正态分布的噪声幅值的标准偏差向正负两个方向延伸；所述放大模块的量化且放大的过程不改变噪声电压关于零点对称的分布特性，且比较器输出高低值的概率近似等于1/2。
本技术方案还提出了一种真随机数的产生装置，包括：
噪声产生模块；
采样保持模块，用于对放大模块处理后送入的噪声信号进行采样并保持；
模数转换器，将采样保持模块输入的模拟信号转换成数字信号；
数模转换器，与所述模数转换器级联，用于将模数转换器输入的数字信号转换成模拟信号；
求和模块，用于将所述模数转换器的输入与所述数模转换器的输出进行求差计算，然后与输入的噪声信号以及采样保持模块输入的信号进行求和计算；
放大模块，用于将求和模块输出的结果进行放大；
比较器，用于将放大模块输出的信号进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
进一步地，所述放大模块输出通过一个反馈电路作为所述采样保持模块的输入；所述模数转换器采用快闪结构，由开关电容、分压电阻、比较器构成，分压电阻将基准电压分压成参考电压，通过开关电容输入到比较器进行比较后，输出到温度计二进制编码单元；所述数模转换器、求和模块及放大模块采用开关电容采样保持放大器结构，具有减法、求和、放大及采样保持功能；所述的噪声产生模块采用独立的单元结构，或与数模转换器、求和模块及放大模块相结合，或利用电路本身产生的热噪声；所述的模数转换器，数模转换器、比较器和采样保持模块的电路采用电压型电路或电流型电路。
本发明通过将模数转换和数模转换过程中的量化误差的放大的过程，将电路中引入的热噪声放大，不仅可以产生质量较高的随机数，并且可以达到更快的随机数输出码率，此外本发明的电路整体的实现对芯片的面积的要求较小。
附图说明
图1为本发明的真随机数产生方法流程示意图；
图2为本发明比较器输出高低的概率分布示意图；
图3为本发明电路的一实施例结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提出的一种真随机数产生方法，是基于噪声放大的一种随机数产生方法。众所周知，普通的噪声源的量值很小，必须通过一个放大过程才能够被检测出来。因此本发明的真随机数产生方法包括如下步骤：
步骤1.将从噪声产生模块引入的噪声信号Vn通过求和模块后放大k倍，然后送至采样保持模块，为了避免量化过程中由于电路的非理性特性造成放大模块或采样保持模块的输出超出模数转换器的最大量程，其中所述的放大系数k取值小于2N，且大于1，N的取值至少为2，k取值越大，随机数输出的延迟时间越短；
步骤2.将采样保持模块输出的模拟信号一路再输出至求和模块进行求和；另一路送入N位模数转换器量化成数字信号，该数字信号继而通过级联的N位数模转换器转换成模拟信号，N的取值至少为2，该模拟信号通过两次转换后会产生一个与原模拟信号存在差异的新模拟信号；
步骤3.求和模块将这个模拟信号与送入模数转换器的新模拟信号相减，得到转换前后的差异值，并与引入的噪声信号相加，得出求和数据；
步骤4.将步骤3输出的求和数据再送入放大模块放大k倍；
步骤5.将放大模块输出的信号一路送至采样保持模块重复步骤2至步骤4，另一路送入比较器进行正负属性比较（即与0进行比较），然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
如图2所示，在初始阶段，放大模块输出的信号中噪声幅值很小，由于比较器的亚稳态特性，比较器输出可能保持初始状态不变；但进行多次放大过程后，引入的噪声会影响比较器的状态，也会引起量化过程中模数转换器和数模转换器的结果改变。图2（a）为噪声经过放大前后与模数转换器量化区间的相对大小示意图，模数转换器的输入以差分对称的-Fs/2,+Fs/2为区间，噪声放大的效果是以0为中心呈正态分布的噪声幅值的标准偏差向正负两个方向延伸。图2（b）更进一步明确了在这个量化、放大噪声过程中比较器输出高低的概率分布。在某个时刻假如经过放大后噪声的幅值分布呈正态分布，那么本次比较器输出高的概率是概率密度函数正半轴的积分减去比较器出现亚稳态的概率
而比较器输出低的概率为概率密度函数负半轴的积分减去比较器出现亚稳态的概率即
其中Vm为出现亚稳态的电压。由于概率密度函数P（v）关于零点对称，所以在亚稳态电压很小的情况下比较器输出高与低的概率近似等于1/2。图2（b）还示出了放大后的噪声经过下次量化之后量化误差分布情况，并将量化误差正负情况用不同图案标出，每一个量化阈值区间左半侧的值下次量化并放大后分布在右半轴，而右半侧的值下次量化并放大后分布在左半轴。事实上假设第i个量化区间i长度为LSB，区间左侧端点为vi，则该区间左半侧电压值为vi+v的概率密度为p（vi+v），那么量化放大后值为k*v的概率密度函数为于是k*v的分布构成了放大后数值分布的右半轴。量化放大以后的值分布在亚稳态区域[0Vm]的概率是只要Vm相对满量程范围FS比较小，亚稳态就不会影响最终比较器输出0与1的概率。同理，量化阈值区间右半侧的值量化放大后分布在左半轴，分布的概率密度具有同样的形式，与右半轴完全对称。由以上分析过程我们可以推出，量化且放大的过程没有改变噪声电压关于零点对称的分布特性，且比较器输出高低值的概率近似等于1/2，有较好的随机性。事实上在量化噪声放大足够大时，其值会超过最大量化范围，这时会出现放大模块输出恒大于最大量化范围的情况，即饱和现象。具体实现时可以采用一个限幅单元将放大模块的输出限制在最大量化范围以内。
如图1、图3所示，本发明一实施例提出的真随机数产生装置包括：
噪声产生模块；
采样保持模块，用于对放大模块处理后送入的噪声信号进行采样并保持；
模数转换器，将采样保持模块输入的模拟信号转换成数字信号；
数模转换器，与所述模数转换器级联，用于将模数转换器输入的数字信号转换成模拟信号；
求和模块，用于将所述模数转换器的输入与所述数模转换器的输出进行求差计算，然后与输入的噪声信号以及采样保持模块输入的信号进行求和计算；
放大模块，用于将求和模块输出的结果进行放大；
比较器，用于将放大模块输出的信号进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
在本实施例中，采样保持模块、数模转换器、求和模块及放大模块均采用开关电容的实现方式，模数转换器采用快闪式结构，由开关电容、分压电阻、比较器构成，分压电阻将基准电压分压成参考电压，通过开关电容输入到比较器进行比较后，输出到温度计二进制编码单元。数模转换器、求和模块及放大模块合并在一起实现，模数转换器的输出经过温度计二进制编码单元后送入数模转换器、求和模块及放大模块，然后其输出一路通过反馈通路送入采样保持模块的输入端，其另一路输出送入比较器，输出随机数。噪声产生模块可以采用独立的单元结构，或与数模转换器、求和模块及放大模块相结合，或利用电路本身产生的热噪声。在本实施例中噪声产生模块省略了，完全利用电路中自然产生的噪声。
电路工作在两相不交叠时钟φ1、φ2。φ1相完成采样、模数转换、随机数输出；φ2相完成保持、求和及放大。随机数输出的码率等于两相不交叠时钟的频率。在本实施例中，电路采用了3位的量化。采样保持模块实现时增益取为1/2，这是为了降低增益k，避免量化过程出现饱和现象。在电路实现过程中，电容的取值不需要很大，因为开关电容电路的热噪声是与KT/C正比相关的量，从噪声角度电容越小越好，而且电容的失配引入的增益误差不会明显影响到输出随机数的特性。同样原理地对其中运放增益、比较器失调等的要求也一般。因而电路整体可以比较小的芯片面积实现。
以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种随机数产生方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤1.将噪声产生模块输出的噪声信号通过求和模块进行求和后，再放大处理，然后送至采样保持模块；
步骤2.将采样保持模块输出的模拟信号一路再输出至求和模块进行求和；另一路通过模数转换器转换成数字信号，然后再将该数字信号通过级联的数模转换器转换成模拟信号；
步骤3.将数模转换器输出的模拟信号与送入模数转换器的输入信号送至求和模块进行相减，并与引入的噪声信号相加，得出求和数据；
步骤4.将步骤3输出的求和数据送入放大模块进行放大；
步骤5.将放大模块输出的信号一路送至采样保持模块重复步骤2至步骤4，另一路送入比较器进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
2. 如权利要求1所述的随机数产生方法，其特征在于：所述放大模块采用的放大系数k取值小于，且大于1，N的取值至少为2。
3. 如权利要求1所述的随机数产生方法，其特征在于：所述的模数转换器的输入以差分对称的-Fs/2, +Fs/2为区间，噪声放大的效果是以0为中心呈正态分布的噪声幅值的标准偏差向正负两个方向延伸。
4. 如权利要求1所述的随机数产生方法，其特征在于：所述放大模块的量化且放大的过程不改变噪声电压关于零点对称的分布特性，且比较器输出高低值的概率近似等于1/2。
5. 一种真随机数产生装置，其特征在于包括：
噪声产生模块；
采样保持模块，用于对放大模块处理后送入的噪声信号进行采样并保持；
模数转换器，将采样保持模块输入的模拟信号转换成数字信号；
数模转换器，与所述模数转换器级联，用于将模数转换器输入的数字信号转换成模拟信号；
求和模块，用于将所述模数转换器的输入与所述数模转换器的输出进行求差计算，然后与输入的噪声信号以及采样保持模块输入的信号进行求和计算；
放大模块，用于将求和模块输出的结果进行放大；
比较器，用于将放大模块输出的信号进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述放大模块输出通过一个反馈电路作为所述采样保持模块的输入。
7. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述模数转换器采用快闪结构，由开关电容、分压电阻、比较器构成，分压电阻将基准电压分压成参考电压，通过开关电容输入到比较器进行比较后，输出到温度计二进制编码单元。
8. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述数模转换器、求和模块及放大模块采用开关电容采样保持放大器结构，具有减法、求和、放大及采样保持功能。
9. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的噪声产生模块采用独立的单元结构，或与数模转换器、求和模块及放大模块相结合，或利用电路本身产生的热噪声。
10. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的模数转换器，数模转换器、比较器和采样保持模块的电路采用电压型电路或电流型电路。
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