CN107608657B - 一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统。本发明可将任意分布的随机时间信号，利用时幅转换模块将时间间隔转化为电压，并将电压信号输入到判决模块中，判决模块通过选取适当的判决阈值，将超过判决阈值的输出为“1”，将低于判决阈值的输出为“0”，根据选取判决阈值的不同，则可实现输出0和1序列所占比例不同分布概率可调的真随机数。通过调节可调单光子源也可以达到改变生成随机数中0和1所占比例。采用的方案简单，元器件技术成熟，可靠性高，易于实现。

Description

一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统

技术领域

本发明涉及通信系统领域，更具体地，涉及一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统。

背景技术

信息论的创造者香农证明“一次一密”的加密方式可以保证通信的绝对安全性。“一次一密”的绝对安全性需满足如下三个条件：密钥长度不小于明文长度；密钥是完全随机的；密钥不能重复使用。这就需要提供可靠的随机数发生器。

随机数在通信与密码领域有着广泛应用。如当前经典通信中广泛使用的RSA密码，就需要通过随机数来产生密钥；在量子通信的BB84协议、B92协议等量子通信协议中，都是依靠“一次一密”来保证通信的绝对安全性，需要大量的随机数来生成密钥。

根据是否具有可预测性，随机数又可分为伪随机数和真随机数。伪随机数的产生依赖于算法的计算复杂度产生的数据序列。一旦用于产生伪随机数的随机数种子泄露，伪随机数序列则可以通过计算求出，从而不再具备随机性。因此，伪随机数不能保证通信安全。

真随机数是指由随机的物理过程产生的具有不可预测性随机数，它区别于由算法的计算复杂度产生的伪随机数，尤其是根据量子力学的不确定原理产生的随机数，这种方式产生的随机数满足不可预测性，因此称为真随机数。为保证通信与密码的安全需要使用真随机数。

根据随机数发生器产生的随机序列中0和1所占的比例不同，可以分为平衡随机数发生器和非平衡随机数发生器。平衡随机数发生器即产生的随机数序列中0和1所占的比例相同；非平衡随机数发生器即产生的随机数序列中0和1所占的比例不相同。使用非平衡随机数发生器生成密钥的BB84协议，其效率要高于使用平衡随机数发生器产生密钥的BB84协议。但是，使用固定概率的非平衡随机数发生器生成密钥的BB84协议，其安全性要低于使用平衡随机数发生器产生密钥的BB84协议。

发明内容

本发明提供一种可产生分布概率可调的随机数序列的基于时幅转换的可调真随机数发生系统。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统,包括顺次连接的随机信号源、采集模块、时幅转换模块、判决模块和输出模块；随机信号源是脉冲信号，采集模块采集随机信号源的脉冲信号，时幅转换模块将两个脉冲到达的时间间隔转化为电压信号，判决模块将接收到的电压信号与判决阈值进行比较，若超过判决阈值则输出模块输出“1”，否则输出“0”，判决阈值由判决模块自由调节，通过改变判决阈值的大小，调节输出模块输出的随机数中0和1所占的比例。

进一步地，所述随机信号源的两个相邻脉冲的时间间隔的分布函数为：

P(T≤t)＝f(t)

其中t代表相邻脉冲的时间间隔；P(T≤t)代表相邻脉冲的时间间隔小于t的概率；T代表相邻脉冲的时间间隔，f(t)代表脉冲时间间隔分布的概率函数为任意概率分布函数。

进一步地，所述随机信号源由可调单光子源发出的光脉冲序列

经过光分束器分成两束光脉冲序列

和

组成，其相邻的两个单光子脉冲的时间间隔分布为P′(T′≤t)和P″(T″≤t)，其中，

的两个相邻单光子脉冲之间的时间间隔服从指数分布，即P(T≤t)＝1-e^-λt；式中P(T≤t)代表两光子的时间间隔T小于等于t的概率，λ代表光子到达时间期望的倒数即为1s内的平均光子数，t代表光子到达时间，P′(T′≤t)代表时幅转换模块开始端接收到一个光子的时间T′小于等于t的概率，其中，P″(T″≤t)代表时幅转换模块终止端接收到一个光子的时间T″小于等于t的概率；对于相同的时间t有P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)，若在t时间内，可调单光子源发出一个单光子的概率为P(T≤t)，则

推出P(T≤t)＝P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)，即分束后产生的光脉冲序列

和

的时间分布满足和

相同的指数分布，由于指数分布具有无记忆性，其数学描述为当实数a＞0，b＞0时，有P(T＞a+b|T＞b)＝P(T＞a)，所以由时幅转换模块测得的时间间隔也满足相同参数的指数分布。

进一步地，所述时幅转换模块，在t₁时，开始端接收到开始信号，其内部的电容开始以恒定电流i充电，在t₂时，终止端接收到终止信号，则电容停止充电，则电容器两端电压的变化量为

即输出的电压信号与时间间隔成正比，从而实现将被测时间间隔转换为电压信号。

进一步地，当选定产生的真随机数中0所占的比例为P₀时，由P₀(X≤t)＝f(t)可知，t＝-f^-1(P₀)，其中f^-1(P₀)代表当函数值为P₀时，函数f(t)的反函数，t经时幅转换装置测得的电压

U₀即为产生0的比例为P₀时的判决阈值，通过选取适当的判决阈值U₀，即可实现调节输出的随机数中0出现的概率P₀，从而实现产生概率可调的真随机数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明使用时幅转换装置，精度高，输出信号可直接输入计算机等终端设备；

2.本发明产生的随机数直接就是数字信号，可以直接在电路中使用，无需其它的后续处理过程；

3.本发明利用量子力学的不确定原理可产生真随机数序列，且产生的真随机数序列中0和1的分布概率，可以实现可调衰减器可调衰减范围内的自由调节；

4.本发明采用的方案简单，元器件技术成熟，可靠性高，易于实现。

附图说明

图1为本发明产生真随机数的方法原理图；

图2为时幅转换装置的原理图；

图3为光子时间间隔的随机分布图；

图4为本发明真随机数发生器的一种实例组成框图；

图5为可调单光子源的原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本发明目的是克服现有真随机数发生器不能产生分布概率可调的随机数序列的不足，提供一种基于时幅转换的可调真随机数发生方法。本发明将随机信号源的信号由采集模块采集后，输入到时幅转换模块，将随机时间信号转化为随机电压信号，电压信号经判决模块判决后输出可调真随机数。判决模块的判决阈值可以自由调节，将超过阈值的输出为“1”，将低于阈值的输出为“0”，通过选取不同的电压，则可实现输出0和1序列所占比例不同的真随机数。本发明的随机信号源可由一束可调单光子源发出的单光子，经分束器分成的两束单光子之间的时间差来产生。

本发明的技术方案是：本发明提供的产生可调真随机数的方法，包括随机信号源为脉冲信号源，两个脉冲信号之间的时间间隔随机分布。采集模块可以采集这些脉冲信号，时幅转换模块可将两个脉冲到达的时间间隔转化为电压信号，判决模块将接收到的电压信号与判决阈值进行比较，若超过判决阈值则输出“1”，否则输出“0”。判决阈值可以自由调节，通过改变判决阈值的大小，可以调节输出的随机数中0和1所占的比例。如图1所示。

所述随机信号源的两个相邻脉冲的时间间隔的分布函数为：

P(T≤t)＝f(t)

其中t：代表相邻脉冲的时间间隔；P(T≤t)：代表相邻脉冲的时间间隔小于t的概率；T：代表相邻脉冲的时间间隔。f(t)：代表脉冲时间间隔分布的概率函数，可以为任意概率分布函数；所述采集模块可以将脉冲信号采集后输入时幅转换模块进行处理；

所述随机信号源可由可调单光子源发出的光脉冲序列

经过光分束器分成两束光脉冲序列

和

组成，其相邻的两个单光子脉冲的时间间隔分布为P′(T′≤t)和P″(T″≤t)。其中，

的两个相邻单光子脉冲(例如

)之间的时间间隔服从指数分布。如图3所示，即P(T≤t)＝1-e^-λt。式中P(T≤t)代表两光子的时间间隔T小于等于t的概率，λ代表光子到达时间期望的倒数(即为1s内的平均光子数)，t代表光子到达时间。P′(T′≤t)代表时幅转换模块开始端接收到一个光子的时间T′小于等于t的概率，其中，P″(T″≤t)代表时幅转换模块终止端接收到一个光子的时间T″小于等于t的概率。显然，对于相同的时间t有P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)。若在t时间内，可调单光子源发出一个单光子的概率为P(T≤t)，则

可推出P(T≤t)＝P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)。即分束后产生的光脉冲序列

和

的时间分布满足和

相同的指数分布。由于指数分布具有无记忆性，其数学描述为当实数a＞0，b＞0时，有P(T＞a+b|T＞b)＝P(T＞a)。所以由时幅转换模块测得的时间间隔也满足相同参数的指数分布。

所述时幅转换是一种将被测时间间隔转换为电信号幅度的模拟处理方法。

所述时幅转换模块，在t₁时，开始端接收到开始信号，则内部的电容C开始以恒定电流i充电，在t₂时，终止端接收到终止信号，则电容停止充电。则电容器两端电压的变化量为

即输出的电压信号与时间间隔成正比，从而实现将被测时间间隔转换为电压信号。如图2所示。

所述时幅转换模块的输出信号，输入判决模块中，通过选取合适的判决阈值，可以实现对生成的随机数序列中0和1的分布概率的调节。

所述判决模块可以通过硬件实现，如判决电压可调的电压判决器可以直接将低于阈值电压的电压信号输出为0，将高于阈值电压的信号直接输出为1；也可以通过软件实现，如在计算机中通过编程选择判决阈值，将超过阈值的判定为“1”，将低于阈值的判定为“0”，产生由0和1组成的随机数序列。

所述判决阈值为，当选定本发明产生的真随机数中0所占的比例为P₀时，由P₀(X≤t)＝f(t)可知，t＝-f^-1(P₀)，其中f^-1(P₀)代表当函数值为P₀时，函数f(t)的反函数。t经时幅转换装置测得的电压

U₀即为产生0的比例为P₀时的判决阈值。通过选取适当的判决阈值U₀，即可实现调节输出的随机数中0出现的概率P₀。从而实现产生概率可调的真随机数。

所述输出模块用于输出判决模块产生的概率可调的真随机数。

按照图4设计一种可调真随机数发生器，其部件选用如下：

可调单光子源1：如图5所示，由脉冲半导体激光器和可调衰减器组成，通过调节可调衰减器的衰减度可以改变输出的单光子的分布。

光分束器2：将入射光经过透射和反射分成两束强度相等的光。

单光子探测器3、单光子探测器4：雪崩光二极管探测器，工作于低温和有源抑制模式下。

采集模块5：采集外部信号，并输入到时幅转换模块6中；

时幅转换模块6：其原理如图4所示，本方案选用Racal公司2460型，作用是将时间差转化为相应的电压幅度。

判决模块7：在计算机中通过编程实现，将超过判决阈值的信号输出为“1”，将低于判决阈值的信号输出为“0”；输出模块8：输出由判决模块产生的随机数序列。

参考图4，可调单光子源1发出的光脉冲序列

经过光分束器2分成两束光脉冲序列

和

单光子探测器2工作于有源抑制模式下。单光子脉冲

经单光子探测器3探测后输出一个电压信号U′_PD，输入采集模块5，作为时幅转换模块6的开始信号S_BEGn。此时，时幅转换模块6内部的电容开始充电，等待在分析范围内到来的终止信号，这一时刻记为t₁。单光子脉冲

经单光子探测器4探测后输出一个电压信号U″_PD，输入采集模块5，作为时幅转换模块6的终止信号S_ENDn。接收到终止信号S_ENDn后，时幅转换模块6内部的电容停止充电，这一时刻记为t₂。此时，时幅转换模块6内部电容的两端电压的变化量

其中i为时幅转换模块内部恒流源的电流，c为电容器的电容。时幅转换模块5输出电压信号U_n输入判决模块7。判决模块7根据预先设定的真随机数“0”的比例P₀(即“0”在整个随机序列中的比例)计算阈值电压U_t。并根据判决规则，当输入电压U_n超过判决阈值的信号，即U_n＞U_t时，判定为“1”；当输入电压U_n等于或低于判决阈值的信号，即U_n≤U_t时判定为“0”。

所述可调单光子源如图5所示，由脉冲激光器和可调衰减器构成。脉冲激光器的脉冲频率为1MHz，当调节可调衰减器使衰减后平均每十个脉冲中有一个单光子，则可调单光子源产生的单光子的平均频率为0.1MHz。

所述脉冲激光器发出的光脉冲序列φ₁，φ₂，…φ_n…经可调光衰减器衰减后输出单光子脉冲序列

相邻的两个单光子脉冲(例如

)之间的时间间隔服从指数分布。如图3所示，即P(T≤t)＝1-e^-λt。式中P(T≤t)代表两光子的时间间隔T小于等于t的概率，λ代表光子到达时间期望的倒数(即为1s内的平均光子数)，t代表光子到达时间。通过调节可调衰减器的衰减度，可以改变λ的值，即改变相邻的两个单光子脉冲之间的时间间隔分布函数。从而使相同的阈值电压产生的随机数中0和1的比例不同。当调节可调衰减器使衰减后平均每十个脉冲中有一个单光子时，λ＝0.1M。即该随机信号源每秒可以产生十万个随机信号。

经过光分束器产生的两束光脉冲序列

和

的相邻的两个单光子脉冲的时间间隔分布为P′(T′≤t)和P″(T″≤t)。其中，P′(T′≤t)代表时幅转换模块开始端接收到一个光子的时间T′小于等于t的概率，其中，P″(T″≤t)代表时幅转换模块终止端接收到一个光子的时间T″小于等于t的概率。显然，对于相同的时间t有P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)。若在t时间内，可调单光子源发出一个单光子的概率为P(T≤t)，则

可推出P(T≤t)＝P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)。即分束后产生的光脉冲序列

和

的时间分布满足和

相同的指数分布。由于指数分布具有无记忆性，其数学描述为当实数a＞0，b0时，有P(T＞a+b|T＞b)＝P(T＞a)。所以由时幅转换模块测得的时间间隔也满足相同参数的指数分布。

阈值电压计算：P₀(T≤t)＝1-e^-λΔt可知，

Δt经时幅转换装置测得的电压

U_t即为产生0的比例为P₀时的判决阈值。

判决规则：输入电压U_n超过判决阈值的信号，即U_n＞U_t时，判定为“1”；输入电压U_n等于或低于判决阈值的信号，即U_n≤U_t时判定为“0”。

所述判决模块6可以是由PC的数据采集卡和软件或者由FPGA硬件构成。其中，使输出的0、1编码随机数序列中出现数字0的概率P₀，可以是0到100％之间的任何数值。由判决模块6产生的概率可调的真随机数序列通过输出模块8输出。

所述基于时幅转换的可调真随机数发生装置的随机数生成速率，主要由随机信号信号源的随机数生成速率和时幅转换模块的电容充电时间决定。由于电容放电时间与仪器响应时间远小于电容充电时间，故忽略这些影响。电容的平均充电时间即为单光子的平均到达时间，即所述基于时幅转换的可调真随机数发生装置的随机数生成速率为每秒0.1M。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于时幅转换的可调真随机数发生系统，其特征在于，包括顺次连接的随机信号源、采集模块、时幅转换模块、判决模块和输出模块；随机信号源是脉冲信号，采集模块采集随机信号源的脉冲信号，时幅转换模块将两个脉冲到达的时间间隔转化为电压信号，判决模块将接收到的电压信号与判决阈值进行比较，若超过判决阈值则输出模块输出“1”，否则输出“0”，判决阈值由判决模块自由调节，通过改变判决阈值的大小，调节输出模块输出的随机数中0和1所占的比例；

当选定产生的真随机数中0所占的比例为P₀时，由P₀(X≤t)＝f(t)可知，t＝f^-1(P₀)，其中f^-1(P₀)代表当函数值为P₀时，函数f(t)的反函数，t经时幅转换装置测得的电压

U₀即为产生0的比例为P₀时的判决阈值，通过选取的判决阈值U₀，调节输出的随机数中0出现的概率P₀。

2.根据权利要求1所述的基于时幅转换的可调真随机数发生系统，其特征在于，所述随机信号源的两个相邻脉冲的时间间隔的分布函数为：

P(T≤t)＝f(t)

其中t代表相邻脉冲的时间间隔；P(T≤t)代表相邻脉冲的时间间隔小于t的概率；T代表相邻脉冲的时间间隔，f(t)代表脉冲时间间隔分布的概率函数为任意概率分布函数。

3.根据权利要求1所述的基于时幅转换的可调真随机数发生系统，其特征在于，所述随机信号源由可调单光子源发出的光脉冲序列

经过光分束器分成两束光脉冲序列

和

组成，其相邻的两个单光子脉冲的时间间隔分布为P′(T′≤t)和P″(T″≤t)，其中，

的两个相邻单光子脉冲之间的时间间隔服从指数分布，即P(T≤t)＝1-e^-λt；式中P(T≤t)代表两光子的时间间隔T小于等于t的概率，λ代表光子到达时间期望的倒数即为1s内的平均光子数，t代表光子到达时间，P′(T′≤t)代表时幅转换模块开始端接收到一个光子的时间T′小于等于t的概率，其中，P″(T″≤t)代表时幅转换模块终止端接收到一个光子的时间T″小于等于t的概率；对于相同的时间t有P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)，若在t时间内，可调单光子源发出一个单光子的概率为P(T≤t)，则

推出P(T≤t)＝P′(T′≤t)＝P″(T″≤t)，即分束后产生的光脉冲序列

和

的时间分布满足和

相同的指数分布，由于指数分布具有无记忆性，其数学描述为当实数a＞0，b＞0时，有P(T＞a+b|T＞b)＝P(T＞a)，所以由时幅转换模块测得的时间间隔也满足相同参数的指数分布。

4.根据权利要求2所述的基于时幅转换的可调真随机数发生系统，其特征在于，所述时幅转换模块，在t1时，开始端接收到开始信号，其内部的电容开始以恒定电流i充电，在t2时，终止端接收到终止信号，则电容停止充电，则电容器两端电压的变化量为

即输出的电压信号与时间间隔成正比，从而实现将被测时间间隔转换为电压信号。

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