CN110727415A - 一种量子随机数发生器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种量子随机数发生器及其控制方法。量子随机数发生器包括：SLED模块、光电二极管、可编程运算放大器、模数转换电路、FPGA数据处理电路和处理器；SLED模块用于提供超宽带光源；光电二极管用于将光信号转换成电信号，并将转换后的信号输出；可编程运算放大器的输入端与光电二极管连接，输出端与模数转换电路的输入端连接；FPGA数据处理电路与模数转换电路的输出端连接；处理器，与FPGA数据处理电路、可编程运算放大器的增益控制端以及SLED模块的电流调节端连接。本发明的技术方案解决了因器件老化，量子随机数发生器产生随机数序列的质量降低的问题，实现了增加量子随机数发生器设备的有效寿命的效果。

Description

一种量子随机数发生器及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及光源信号的处理技术，尤其涉及一种量子随机数发生器及其控制方法。

背景技术

超辐射发光二极管(Super-Luminescent Emitting Diode,SLED)近年来迅速发展，它是介于激光器(Laser Diode,LD)和发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)之间的一种半导体光电器件。SLED是一种绝佳的高功率宽带光源，具有光谱宽、输出功率高、可靠性及稳定性好等特点，使得SLED在量子随机数发生器中得到广泛应用。

目前基于反馈稳定SLED发光功率的产品，主要是在SLED模块中集成光电二极管，将光电二极管的输出信号反馈到SLED的驱动电路中，对驱动电流进行调节，稳定SLED输出光功率。

常用的反馈方案只能对SLED实时输出的光功率波动起到稳定作用，不能对SLED老化所引起的光功率减弱起到调节作用。

发明内容

本发明提供一种量子随机数发生器及其控制方法，以实现提高量子随机数发生器设备的有效寿命。

第一方面，本发明实施例提供了一种量子随机数发生器，包括：SLED模块、光电二极管、可编程运算放大器、模数转换电路、FPGA数据处理电路和处理器；

所述SLED模块用于提供超宽带光源；

所述光电二极管用于将光信号转换成电信号，并将转换后的信号输出；

所述可编程运算放大器的输入端与所述光电二极管连接，输出端与所述模数转换电路的输入端连接；

所述FPGA数据处理电路与所述模数转换电路的输出端连接；

所述处理器，与所述FPGA数据处理电路、所述可编程运算放大器的增益控制端以及所述SLED模块的电流调节端连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种应用于量子随机数发生器的控制方法，该控制方法包括：

所述FPGA数据处理电路在接收到所述模数转换电路的数据后，对数据进行处理，获得数据的最大值，并输出至所述处理器；

所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值，则调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的控制信号以及输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号中的至少一个。

本发明实施例通过在原有设计上增加了一个反馈和自动调节机制，处理器接收FPGA数据电路的反馈并对SLED模块和可编程运算放大器进行调节，解决了因器件老化，量子随机数发生器产生随机数序列的质量降低的问题，实现了增加量子随机数发生器设备的有效寿命的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的量子随机数发生器的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的一种应用于量子随机数发生器的控制方法的流程图；

图3是本发明实施例三中的一种应用于量子随机数发生器的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在量子随机数发生器工作一定时间后，会出现老化现象。示例性的，SLED在连续工作约一年后，即使在相同的工作电流情况下，由于老化现象，输出光强会逐渐下降；光电二极管在连续工作约1到2年后，即使在相同的输入光强下，由于老化现象，输出电流会下降，即光电二极管的响应度下降。

在量子随机数发生器出厂时，会对初始值进行设置，使得模数转换电路的输入电压峰峰值保持在模数转换电路的参考电压1/2倍到1倍之间。在器件老化后，会导致输入到模数转换电路的电压信号峰峰值降低，如果模数转换电路的输入电压峰峰值降低到数模转换电路的参考电压的1/2以下，则数模转换电路输出的数字信号的最高位一直为0，会导致数模转换电路输出的数字信号中的“1”和“0”分布将不均匀；如果模数转换电路的输入电压峰峰值降低到数模转换电路的参考电压的1/4以下，则数模转换电路输出的数字信号的最高两位一直为0，会导致数模转换电路输出的数字信号中的“0”过多，且有规律的出现在某些位置，从而降低了量子随机数发生器产生的随机数序列的质量。

如果没有反馈和自动调节机制，当设备的器件老化影响量子随机数发生器产生的随机数序列的质量时，用户无法及时了解到量子随机数发生器的工作状态，进而不能及时检修和更换设备。针对该技术问题，本发明实施例提供一种量子随机数发生器，引入反馈和自动调节机制，以保证设备输出随机数的质量。

实施例一

图1是本发明实施例一中的量子随机数发生器的结构示意图，如图1所示，一种量子随机数发生器，包括：SLED模块10、光电二极管20、可编程运算放大器30、模数转换电路40、FPGA数据处理电路50和处理器60；

SLED模块10用于提供超宽带光源；

光电二极管20用于将光信号转换成电信号，并将转换后的信号输出；

可编程运算放大器30的输入端与光电二极管20连接，输出端与模数转换电路40的输入端连接；

FPGA数据处理电路50与模数转换电路40的输出端连接；

处理器60与FPGA数据处理电路50、可编程运算放大器40的增益控制端以及SLED模块10的电流调节端连接。

其中，SLED模块10其相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽等特点，SLED光源的辐射特性介乎半导体激光器与半导体发光二极管之间；SLED模块10的驱动电流的大小决定了SLED输出的光功率大小，本实施例优选SLED模块10驱动电流的控制器为可在线控制的控制器，可在线控制的控制器可在不拆机的情况下，通过编程实现对SLED模块驱动电流的调节。

其中，光电二极管20是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流；光的强度越大，光电二极管20的反向电流也越大；光电二极管20接受到SLED模块10发出的光源，产生电流信号，电流信号经过高带宽的精密采样电阻转换为电压信号，电压信号输入可编程运算放大器30；本实施例优选光电二极管为铟镓砷光电二极管。

其中，可编程运算放大器30是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制；可编程运算放大器30将输入的微弱的电压信号进行放大输出。本实施例优选可编程运算放大器30，可以根据需求通过编程对放大器的放大增益进行在线修改，在输入不变的情况下，放大增益越高，输出给模数转换电路的电压信号峰峰值越高。

其中，由于模数转换电路40的输入信号无法通过电压信号反馈来实现自动调节，因此，需要将输入模数转换电路40的信号转换为数字信号，并对产生的数字信号进行采集和统计再将统计情况反馈到系统中。模数转换电路40对输入的电压信号进行转换，将生成的数字信号输出到FPGA数据处理电路50，输出的数字信号值与输入的电压信号值一一对应。例如本实施例的模数转换电路40可选用12位的模数转换芯片，模数转换电路40对输入的模拟信号进行A/D变换时，需参考一个参考电压值，将输入的模拟信号与参考电压值进行比较转换，模数转换电路40的参考电压为2.2V。

其中，FPGA数据处理电路50接收模数转换电路40输出的数据，并对数据进行处理，同步对数据中的最大值进行统计，刷新频率为每分钟刷新一次统计频率，FPGA数据处理电路50将统计情况反馈给处理器60。

其中，处理器60收集FPGA数据处理电路50传输来的FPGA数据处理电路50统计的数据最大值，处理器60根据FPGA数据处理电路50传输的结果，通过一套算法流程对SLED模块10的工作电流和可编程运算放大器30的增益进行调节。

处理器判断FPGA数据处理电路输出的值是否小于或者等于参考值，如果大于参考值，则说明此时量子随机数发生器工作状态良好，不需要对量子随机数发生器进行调节；如果FPGA数据处理电路输出的值小于或等于参考值，再判断可编程运算放大器的增益是否达到最大，如果可编程运算放大器的增益未达到最大值，则处理器60调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高可编程运算放大器的增益，例如可以逐级提高提高可编程运算放大器的增益，直至FPGA数据处理电路输出的值大于参考值；如果可编程运算放大器的增益已达到最大，则判断SLED模块的工作电流是否达到最大值，如果SLED模块的工作电流未达到最大，则调整输出至SLED模块电流调节端的控制信号，以提高SLED模块的工作电流；如果SLED模块的工作电流已达到最大，则说明此时已无法再对量子随机数发生器进行调节，则输出报警信号。本发明实施例中，处理器60优先提高可编程运算放大器30的增益，由于可编程运算放大器的增益调整对量子随机数发生器的功耗影响较小，可以降低功耗。

本发明实施例通过在原有设计上增加了一个反馈和自动调节机制，处理器接收FPGA数据电路的反馈并对SLED模块和可编程运算放大器进行调节，解决了因器件老化，量子随机数发生器产生随机数序列的质量降低的问题，达到了保证设备输出随机数的质量，增加量子随机数发生器设备的有效寿命的效果，例如随机数发生器的寿命可由1～2年可增加到5年以上。

实施例二

在上述实施例的基础上，可选的，处理器60包括比较电路，比较电路的第一输入端输入FPGA数据处理电路输出的最大数据值，比较电路的第二输入端输入参考值。处理器通过比较电路对FPGA数据处理电路50统计的数据最大值与参考值进行比较，判断量子随机数发生器的工作状态。若FPGA数据处理电路50统计的数据最大值低于参考值，则说明此时量子随机数发生器由于器件老化导致产生的随机数序列质量降低，若FPGA数据处理电路50统计的数据最大值大于或等于参考值，则此时量子随机数发生器工作状态良好，产生的随机数序列质量没有明显改变。本实施例可选地，处理器60为单片机。

可选的，参考值为0X0FFF*3/5,0X0FFF为模数转换电路40的最大输出数字信号。参考值选择为0X0FFF*3/5是因为首先3/5大于1/2，留有一定安全冗余，不会在量子随机数发生器产生的随机数的质量下降后才发现；其次通过实验与计算参考值为0X0FFF*3/5，可以保证对SLED模块10和可编程运算放大器30进行调节后，不会使输入模数转换电路40的输入电压信号超过参考电压。模数转换电路40输出为16进制的数字信号，最大输出值为0X0FFF。

可选的，比较电路的第一输入端输入的值小于其第二输入端输入的值，比较电路输出第一比较信号，并且可编程运算放大器的增益未达到最大，处理器调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高可编程运算放大器的增益。当比较电路的第一输入端输入的值小于其第二输入端输入的值，则此时量子随机数发生器由于器件老化导致产生的随机数序列质量降低，需要对量子随机数发生器进行调节，输出第一比较信号即调节信号；因为可编程运算放大器30的增益调整对量子随机数发生器的功耗影响较小，所以当可编程运算放大器30的增益未达到最大时，处理器60优先提高可编程运算放大器30的增益。

可选的，比较电路输出第一比较信号，可编程运算放大器的增益达到最大，并且SLED模块的工作电流未达到最大值，处理器则调整输出至SLED模块电流调节端的控制信号，以提高SLED模块的工作电流。因为SLED模块10的工作电流对量子随机数发生器功耗影响较大，所以当需要对量子随机数发生器进行调节并且可编程运算放大器30的增益已经达到最大时，对SLED模块10的工作电流进行判断，如果且SLED模块10的工作电流未达到最大值，此时处理器60提高SLED模块10的工作电流。

可选的，SLED模块10的最大工作电流为500mA；可编程运算放大器30的放大增益可调范围为-6dB到26dB。

实施例三

图2是本发明实施例三中的一种应用于量子随机数发生器的控制方法的流程图，例如可适用于本发明实施例中的量子随机数发生器，具体包括如下步骤：

步骤S201、FPGA数据处理电路在接收到模数转换电路的数据后，对数据进行处理，获得数据的最大值，并输出至处理器。

在量子随机数发生器工作时，SLED模块作为光源提供超宽带光源，光电二极管在SLED模块输出的光源作用下，产生相应的电流信号，电流信号经过高带宽的精密采样电阻转换为电压信号，可编程运算放大器将输入的微弱的电压信号进行放大处理，输出放大后的电压信号，模数转换电路将输入的电压信号进行转换输出十六进制的数字信号，FPGA数据处理电路接收到数模转换电路输出的数字信号并对信号进行处理，同时对信号进行统计，将数据最大值发送给处理器。

步骤S202、判断处理器在FPGA数据处理电路输出的值是否小于或者等于参考值；若是，则执行步骤S203；若否，返回并执行步骤S201进行再次循环。

处理器包括比较电路，比较电路对FPGA数据处理电路输出的值于的参考值进行比较；若FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于的参考值，则执行步骤S203；若FPGA数据处理电路输出的值大于的参考值，则返回并执行步骤S201进行再次循环。

步骤S203、调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号以及输出至SLED模块电流调节端的控制信号中的至少一个。

根据处理器比较电路的比较结果，调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，使经过可编程运算放大器的电信号放大倍数增加，增大数模转换电路的输入值，从而使数模转换电路产生的数字信号分布均匀，提高量子随机数发生器产生的随机数序列的质量；或者调整SLED模块电流调节端的控制信号，使SLED模块工作电压上升，从而产生更强的光源，提高量子随机数发生器产生的随机数序列的质量。

本发明实施例通过在原有设计上增加了一个反馈和自动调节机制，处理器接收FPGA数据电路的反馈，根据比较电路对FPGA数据电路反馈的数据与参考值的比较，对SLED模块和可编程运算放大器进行调节，解决了因器件老化，量子随机数发生器产生随机数序列的质量降低的问题，达到了增加量子随机数发生器设备的有效寿命的效果。

实施例三

图3是本发明实施例三中的一种应用于量子随机数发生器的控制方法的流程图，该方法应用于量子随机数发生器，具体包括如下步骤：

步骤S301、初始化设定。

将量子随机数发生器的器件进行初始化设定，SLED模块的最大工作电流为500mA，设置初始工作电流为300mA；可编程运算放大器的放大增益调节范围为-6dB到26dB，设置初始增益为15dB。

步骤S302、FPGA数据处理电路在接收到模数转换电路的数据后，对数据进行处理，获得数据的最大值，并输出至处理器。

步骤S303、判断处理器在FPGA数据处理电路输出的值是否小于或者等于参考值。

若是，则执行步骤S304；若否，返回并执行步骤S302进行再次循环。

判断结果为是，则量子随机数发生器产生的随机数序列质量下降，需要进行调整；判断结果为否，则量子随机数发生器工作状态良好，产生的随机数序列质量没有明显改变，量子随机数发生器继续工作，不需要进行调整。

步骤S304、判断可编程运算放大器的增益是否达到最大。

若是，则执行步骤S306,；若否，则执行步骤S305。

对量子随机数发生器的工作状态进行进一步的判断，由于可编程运算放大器的增益调整对量子随机数发生器的功耗影响较小，因此优先调整可编程运算放大器的增益。

判断结果为是，则可编程运算放大器的增益已经达到最大，无法再对可编程运算放大器的增益进行调节；判断结果为否，则处理器调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高可编程运算放大器的增益。

步骤S305、可编程运算放大器的增益增加1dB。

处理器调整输出至可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高可编程运算放大器的增益，示例性的处理器控制可编程运算放大器的增益增加1dB。可编程运算放大器的增益的最小阶为1dB，因此每次调节增加1dB增益。

步骤S306、判断SLED模块的工作电流是否达到最大值。

若是，则执行步骤S308,；若否，则执行步骤S307。

SLED模块的工作电流对量子随机数发生器功耗影响较大，当放大器的增益达到最大不能再次进行调整，再对SLED模块的工作电流进行调整。

判断结果为是，则SLED模块的工作电流已达到最大，此时已无法再对量子随机数发生器进行调节；判断结果为否，则处理器调整输出至SLED模块电流调节端的控制信号，以提高SLED模块的工作电流。

步骤S307、SLED模块的工作电流提高10mA。

处理器调整输出至SLED模块电流调节端的控制信号，以提高SLED模块的工作电流，示例性的处理器控制SLED模块的工作电流提高10mA。电流为连续数据，为了提高调节效果同时降低调节次数，本实施例优选每次提高SLED模块的工作电流10mA。

步骤S308、报警动作。

处理器在FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值时，可编程运算放大器的增益达到最大且SLED模块的工作电流达到最大值，则执行报警动作。当SLED模块的工作电流和可编程运算放大器的增益都调节到最大后，还发生FPGA数据处理电路统计的最大值小于参考值的情况，说明本量子随机数发生器已经无法保证产生的随机数序列的质量，此时及时发出警报通知用户检测或者更换设备；报警动作包括指示灯闪烁，并在用户界面进行提示。

本发明实施例通过在原有设计上增加了一个反馈和自动调节机制，处理器接收FPGA数据电路的反馈，根据比较电路对FPGA数据电路反馈的数据与参考值的比较，结合可编程运算放大器是否达到最大增益和SLED模块工作电流是否达到最大值，处理器对SLED模块和可编程运算放大器进行调节，解决了因器件老化，量子随机数发生器产生随机数序列的质量降低的问题，达到了增加量子随机数发生器设备的有效寿命的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：SLED模块、光电二极管、可编程运算放大器、模数转换电路、FPGA数据处理电路和处理器；

所述SLED模块用于提供超宽带光源；

所述光电二极管用于将光信号转换成电信号，并将转换后的信号输出；

所述可编程运算放大器的输入端与所述光电二极管连接，输出端与所述模数转换电路的输入端连接；

所述FPGA数据处理电路与所述模数转换电路的输出端连接；

所述处理器，与所述FPGA数据处理电路、所述可编程运算放大器的增益控制端以及所述SLED模块的电流调节端连接。

2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，

所述处理器包括比较电路，所述比较电路的第一输入端输入所述FPGA数据处理电路输出的最大数据值，所述比较电路的第二输入端输入参考值。

3.根据权利要求2所述的量子随机数发生器，其特征在于，

所述参考值为0X0FFF*3/5,所述0X0FFF为所述模数转换电路的最大输出数字信号。

4.根据权利要求2所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述比较电路的第一输入端输入的值小于其第二输入端输入的值，所述比较电路输出第一比较信号，并且所述可编程运算放大器的增益未达到最大，所述比较电路调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高所述可编程运算放大器的增益。

5.根据权利要求4所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述比较电路输出第一比较信号，所述可编程运算放大器的增益达到最大，并且所述SLED模块的工作电流未达到最大值，所述处理器则调整输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号，以提高所述SLED模块的工作电流。

6.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，

所述SLED模块的最大工作电流为500mA。

所述可编程运算放大器的放大增益可调范围为-6dB到26dB。

7.一种应用于权利要求1所述的量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，

所述FPGA数据处理电路在接收到所述模数转换电路的数据后，对数据进行处理，获得数据的最大值，并输出至所述处理器；

所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值，则调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的控制信号以及输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值，则调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的信号以及输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号中的至少一个包括：

所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值时，判断可编程运算放大器的增益是否达到最大；若否，则调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的控制信号，以提高所述可编程运算放大器的增益。

9.根据权利要求8所述的量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值，则调整输出至所述可编程运算放大器的增益控制端的信号以及输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号中的至少一个还包括：

若所述可编程运算放大器的增益达到最大，并且所述SLED模块的工作电流未达到最大值，所述处理器则调整输出至所述SLED模块电流调节端的控制信号，以提高所述SLED模块的工作电流。

10.根据权利要求8所述的量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，还包括：

所述处理器在所述FPGA数据处理电路输出的值小于或者等于参考值时，所述可编程运算放大器的增益达到最大且所述SLED模块的工作电流达到最大值，则执行报警动作。

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