CN108363562A - 反馈调频真随机数发生器及真随机数发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种反馈调频真随机数发生器及真随机数发生方法，所述真随机数发生器包括触发器、可调频高频振荡器以及低频振荡器，可调频高频振荡器的高频时钟输出端与触发器的数据输入端相连，低频振荡器的低频时钟输出端与触发器的时钟输入端相连，还包括统计特性分析电路和频率调节电路，统计特性分析电路的随机数输入端与触发器的数据输出端相连，统计特性分析电路的统计分析结果输出端与频率调节电路的统计分析结果输入端相连。本发明通过建立反馈机制，根据随机数的统计特性动态调整高频振荡器的频率，从而确保能够将低频振荡器中的噪声成功提取出来并产生随机数。

Description

反馈调频真随机数发生器及真随机数发生方法
技术领域
本发明涉及一种反馈调频真随机数发生器及真随机数发生方法，属于电子电路技术领域。
背景技术
如图1所示，为目前常用的真随机数发生器原理图，包括高频时钟振荡器、低频时钟振荡器和触发器，其中低频时钟振荡器作为主要的噪声来源。电子器件中广泛存在的白噪声、闪烁噪声使振荡器的输出并非为理想的周期性信号，而是存在一定的相位抖动，用带有抖动的低频振荡器通过触发器采样高频振荡器的形式即可产生随机数输出。图2为简单环形振荡器的抖动示意图，在实际应用时由于环形振荡器的抖动很小，通常会增加额外的噪声放大电路来提高低频振荡器的抖动，其通过引入额外的电阻热噪声并进行放大来提高低频振荡器的抖动。由于噪声来源为电子器件的随机热噪声，因此利用该结构产生的随机数具有不可预测性，但由于低频振荡器的抖动是以采样高频时钟的方式表现出来，其采样输出的随机性与高频时钟的工作频率有很大关系，当高频时钟的频率过低或过高时将无法提取出低频时钟的抖动，使系统不满足随机性要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种反馈调频真随机数发生器及真随机数发生方法，通过建立反馈机制，根据随机数的统计特性动态调整高频振荡器的频率，从而确保能够将低频振荡器中的噪声成功提取出来并产生随机数。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种反馈调频真随机数发生器，包括触发器、可调频高频振荡器以及低频振荡器，可调频高频振荡器的高频时钟输出端与触发器的数据输入端相连，低频振荡器的低频时钟输出端与触发器的时钟输入端相连，还包括统计特性分析电路和频率调节电路，统计特性分析电路的随机数输入端与触发器的数据输出端相连，统计特性分析电路的统计分析结果输出端与频率调节电路的统计分析结果输入端相连，频率调节电路的频率调节信号输出端与可调高频振荡器的频率调节信号输入端相连，统计特性分析电路的随机数输出端为真随机数发生器的输出端。
本发明所述反馈调频真随机数发生器，所述可调频高频振荡器为压控振荡器，包括两个串联的可变电容Cvar1、Cvar2、与两个可变电容并联的电感L以及两个电阻R1、R2和两个PMOS管Q1、Q2，可调频高频振荡器的频率调节信号输入端位于两个可变电容之间，可变电容与电感的两个并联结点分别为可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端，可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端分别通过电阻R1、R2连接至VDD，并且可调频高频振荡器的正极输出端分别连接至PMOS管Q1的源极和PMOS管Q2的栅极，可调频高频振荡器的负极输出端分别连接至PMOS管Q2的源极和PMOS管Q1的栅极，PMOS管Q1、Q2的漏极均连接至VSS。
本发明所述反馈调频真随机数发生器，所述触发器为D触发器或者T触发器。
本发明所述反馈调频真随机数发生器，所述低频振荡器包括噪声电阻、噪声放大器、迟滞比较器、电荷泵、跨导放大器和反馈电阻，两个噪声电阻分别连接在噪声放大器的同相输入端和反相输入端，噪声放大器的输出端连接至迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端作为低频振荡器的低频时钟输出端，迟滞比较器的输出端还通过串联的电荷泵、跨导放大器、反馈电阻1连接至噪声放大器的反相输入端，电荷泵和跨导放大器之间通过负载电容接地，噪声放大器的输出端和其反相输入端之间连接有反馈电阻2。
本发明还公开了一种反馈调频真随机数发生方法，包括以下步骤：S01）、触发器通过带有抖动的低频振荡器对可调频高频振荡器的时钟输出信号进行采样，并将生成的采样结果传输至统计特性分析电路；S02）、统计特性分析电路采集长度为n比特的随机数数据a1、a2、a3 … ai … an-1、an，其中ai表示第i次采样得到的数据，然后对随机数数据进行平均值和标准差的计算并进行判断，其中平均值μ的计算公式为：，标准差σ的计算公式为：；当计算出的数据平均值大于等于0.001时，将此平均值输出给频率调节电路；当计算出的数据平均值小于0.001时将随机数数据进行输出，此输出即为反馈调频真随机数发生器的输出；S03）、频率调节电路根据输入的随机数数据统计结果产生相应的频率控制信号，并将频率控制信号输出给可调频高频振荡器来调整高频时钟的频率。
本发明所述反馈调频真随机数发生方法，所述频率控制信号为电压信号，频率调节电路产生频率控制信号的过程为，初始状态下输出频率控制信号为V0，当统计特性分析电路输出的平均值μ≥0.001时，V0递增ΔV，并将新的频率控制信号Vj= V0+ΔV输出至可调频高频振荡器，其中ΔV为频率调节控制信号的调整步长。
本发明的有益效果：本发明通过建立随机数数据的随机性反馈机制，根据随机数的统计特性来动态调整高频振荡器的输出时钟频率，确保能够将存在于低频振荡器电路中的噪声成功提取出来并产生随机数。
附图说明
图1为目前常用的真随机数发生器的原理图；
图2为简单环形振荡器的抖动示意图；
图3为本发明所述反馈调频真随机数发生器的结构示意图；
图4为可调频高频振荡器的电路原理图；
图5为低频振荡器的电路原理图；
图6为统计特性分析电路的工作流程图；
图7为频率控制电路的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种反馈调频真随机数发生器，如图3所示，包括触发器、可调频高频振荡器以及低频振荡器，可调频高频振荡器的高频时钟输出端与触发器的数据输入端相连，低频振荡器的低频时钟输出端与触发器的时钟输入端相连，还包括统计特性分析电路和频率调节电路，统计特性分析电路的随机数输入端与触发器的数据输出端相连，统计特性分析电路的统计分析结果输出端与频率调节电路的统计分析结果输入端相连，频率调节电路的频率调节信号输出端与可调高频振荡器的频率调节信号输入端相连，统计特性分析电路的随机数输出端为真随机数发生器的输出端。
触发器的时钟输入端为带有抖动的低频振荡器，数据输入端为可调频高频振荡器，数据输出端连接至统计特性分析电路，常见的触发器结构为D触发器或者T触发器，本实施例中采用T触发器进行采样。
所述可调频高频振荡器可以根据输入的频率控制信号（电流信号或者电压信号）进行频率调节，如图4所示，可调频高频振荡器包括两个串联的可变电容Cvar1、Cvar2、与两个可变电容并联的电感L以及两个电阻R1、R2和两个PMOS管Q1、Q2，可调频高频振荡器的频率调节信号输入端位于两个可变电容之间，可变电容与电感的两个并联结点分别为可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端，可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端分别通过电阻R1、R2连接至VDD，并且可调频高频振荡器的正极输出端分别连接至PMOS管Q1的源极和PMOS管Q2的栅极，可调频高频振荡器的负极输出端分别连接至PMOS管Q2的源极和PMOS管Q1的栅极，PMOS管Q1、Q2的漏极均连接至VSS。本可调频高频振荡器可以根据输入的频率控制信号Vctrl控制可变电容Cvar1和Cvar2电容值，从而改变高频振荡器的谐振频率，实现频率调节功能。本实施例中，所述可调频高频振荡器为压控振荡器，频率控制信号为电压信号，但是可调频高频振荡器不仅限于压控振荡器，频率控制信号也不仅限于电压信号。
低频振荡器主要用于产生带有抖动的低频采样时钟，如图5所示，为本实施例中低频振荡器的电路原理图，包括噪声电阻、噪声放大器、迟滞比较器、电荷泵、跨导放大器和反馈电阻，两个噪声电阻分别连接在噪声放大器的同相输入端和反相输入端，噪声放大器的输出端连接至迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端作为低频振荡器的低频时钟输出端，迟滞比较器的输出端还通过串联的电荷泵、跨导放大器、反馈电阻1连接至噪声放大器的反相输入端，电荷泵和跨导放大器之间通过负载电容接地，噪声放大器的输出端和其反相输入端之间连接有反馈电阻2。工作时，运算放大器将输入电压信号进行放大，经过迟滞比较器产生方波，通过电荷泵对电容进行充、放电产生三角波，跨导放大器将三角波电压转换为电流并经过电阻反馈至运算放大器输入端，再通过运算放大器实现与放大后的电阻热噪声的叠加，从而提高其输出低频时钟的抖动水平。
触发器的采样结果送入统计特性分析电路，统计特性分析电路采集长度为n比特的随机数数据a1 a2 a3 … ai … an-1 an，其中ai表示第i次采样得到的数据。图6为统计特性分析电路的工作流程图，统计特性分析电路对数据进行平均值和标准差的计算并进行判断，当计算出的数据平均值大于等于0.001时，将此平均值输出给频率调节电路；当计算出的数据平均值小于0.001时将随机数数据进行输出，此输出即为本发明反馈调频真随机数发生器的输出。平均数和标准差计算公式如下所示：平均数μ的计算公式为：
，
标准差σ的计算公式为：
。
统计特性分析电路计算出的平均值和标准差作为频率调节电路的输入。图7为频率控制电路的工作流程图，频率调节电路可以根据输入的随机数据统计值产生相应的频率控制信号输出给高频时钟来调整高频时钟的频率。初始状态下输出频率控制信号为V0，当统计特性分析电路输出的平均值μ≥0.001时，V0递增ΔV，并将新的控制信号Vj= V0+ΔV输出至可调频高频振荡器，其中ΔV为频率调节控制信号的调整步长，ΔV可根据实际情况设置。
本发明建立随机数数据的随机性反馈机制，即将触发器的采样结果通过统计特性分析电路进行统计分析，若符合真随机数的要求则将其输出，如果不符合真随机数的要求则将其触发器的采样结果传输至频率调节电路，频率调节电路调节高频振荡器的输出时钟频率，从而确保能够将存在于低频振荡器电路中的噪声成功提取出来并产生随机数。也就是根据随机数的统计特性来动态调整高频振荡器的输出时钟频率，确保能够将存在于低频振荡器电路中的噪声成功提取出来并产生随机数。
实施例2
本实施例公开一种反馈调频真随机数的发生方法，包括以下步骤，S01）、触发器通过带有抖动的低频振荡器对可调频高频振荡器的时钟输出信号进行采样，并将生成的采样结果传输至统计特性分析电路；S02）、统计特性分析电路采集长度为n比特的随机数数据a1 、a2、a3 … ai … an-1、an，其中ai表示第i次采样得到的数据，然后对随机数数据进行平均值和标准差的计算并进行判断，其中平均值μ的计算公式为：，标准差σ的计算公式为：；当计算出的数据平均值大于等于0.001时，将此平均值输出给频率调节电路；当计算出的数据平均值小于0.001时将随机数数据进行输出，此输出即为反馈调频真随机数发生器的输出；S03）、频率调节电路根据输入的随机数数据统计结果产生相应的频率控制信号，并将频率控制信号输出给可调频高频振荡器来调整高频时钟的频率。
本实施例中，所述频率控制信号为电压信号，频率调节电路产生频率控制信号的过程为，初始状态下输出频率控制信号为V0，当统计特性分析电路输出的平均值μ≥0.001时，V0递增ΔV，并将新的频率控制信号Vj= V0+ΔV输出至可调频高频振荡器，其中ΔV为频率调节控制信号的调整步长。
所述频率控制信号也可以是其他信号，比如电流信号等。ΔV的大小可根据实际情况设定。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应的，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (6)

1.一种反馈调频真随机数发生器，包括触发器、可调频高频振荡器以及低频振荡器，可调频高频振荡器的高频时钟输出端与触发器的数据输入端相连，低频振荡器的低频时钟输出端与触发器的时钟输入端相连，其特征在于：还包括统计特性分析电路和频率调节电路，统计特性分析电路的随机数输入端与触发器的数据输出端相连，统计特性分析电路的统计分析结果输出端与频率调节电路的统计分析结果输入端相连，频率调节电路的频率调节信号输出端与可调高频振荡器的频率调节信号输入端相连，统计特性分析电路的随机数输出端为真随机数发生器的输出端。
2.根据权利要求1所述的反馈调频真随机数发生器，其特征在于：所述可调频高频振荡器为压控振荡器，包括两个串联的可变电容Cvar1、Cvar2、与两个可变电容并联的电感L以及两个电阻R1、R2和两个PMOS管Q1、Q2，可调频高频振荡器的频率调节信号输入端位于两个可变电容之间，可变电容与电感的两个并联结点分别为可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端，可调频高频振荡器的正极输出端和负极输出端分别通过电阻R1、R2连接至VDD，并且可调频高频振荡器的正极输出端分别连接至PMOS管Q1的源极和PMOS管Q2的栅极，可调频高频振荡器的负极输出端分别连接至PMOS管Q2的源极和PMOS管Q1的栅极，PMOS管Q1、Q2的漏极均连接至VSS。
3.根据权利要求1所述的反馈调频真随机数发生器，其特征在于：所述触发器为D触发器或者T触发器。
4.根据权利要求1所述的反馈调频真随机数发生器，其特征在于：所述低频振荡器包括噪声电阻、噪声放大器、迟滞比较器、电荷泵、跨导放大器和反馈电阻，两个噪声电阻分别连接在噪声放大器的同相输入端和反相输入端，噪声放大器的输出端连接至迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端作为低频振荡器的低频时钟输出端，迟滞比较器的输出端还通过串联的电荷泵、跨导放大器、反馈电阻1连接至噪声放大器的反相输入端，电荷泵和跨导放大器之间通过负载电容接地，噪声放大器的输出端和其反相输入端之间连接有反馈电阻2。
5.一种反馈调频真随机数发生方法，其特征在于：包括以下步骤：S01）、触发器通过带有抖动的低频振荡器对可调频高频振荡器的时钟输出信号进行采样，并将生成的采样结果传输至统计特性分析电路；S02）、统计特性分析电路采集长度为n比特的随机数数据a1 、a2、a3 … ai … an-1、an，其中ai表示第i次采样得到的数据，然后对随机数数据进行平均值和标准差的计算并进行判断，其中平均值μ的计算公式为：，标准差σ的计算公式为：；当计算出的数据平均值大于等于0.001时，将此平均值输出给频率调节电路；当计算出的数据平均值小于0.001时将随机数数据进行输出，此输出即为反馈调频真随机数发生器的输出；S03）、频率调节电路根据输入的随机数数据统计结果产生相应的频率控制信号，并将频率控制信号输出给可调频高频振荡器来调整高频时钟的频率。
6.根据权利要求5所述的反馈调频真随机数发生方法，其特征在于：所述频率控制信号为电压信号，频率调节电路产生频率控制信号的过程为，初始状态下输出频率控制信号为V0，当统计特性分析电路输出的平均值μ≥0.001时，V0递增ΔV，并将新的频率控制信号Vj=V0+ΔV输出至可调频高频振荡器，其中ΔV为频率调节控制信号的调整步长。
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