CN110750235A

CN110750235A - 一种速率可调的真随机数产生方方法及发生器

Info

Publication number: CN110750235A
Application number: CN201910960661.1A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Beijing Yida Intellectual Property Services Ltd
Current assignee: Beijing Yida Intellectual Property Services Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-02-04

Abstract

本发明提供了一种真随机数产生方法，其特征在于产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；根据参考电压调整所述振荡波形，并产生占空比可调的方波；用所述方波锁存时钟信号并输出真随机数，还提供了一种真随机数发生器，其特征在于由波形发生单元、比较单元、锁存单元组成，根据比较单元输出的方波锁存时钟信号并输出真随机数。本发明提供了的速率可调的真随机数产生方法及发生器能够针对现有真随机数发生器存在的不足，本发明的目的在于基于新原理智能信息器件设计一种速率可调的真随机数产生方法及发生器，具有结构简单、易于小型化及参数可调等特点，能够为密钥管理、数字签名、身份认证等信息安全系统构建提供基础核心器件支撑。

Description

一种速率可调的真随机数产生方方法及发生器

技术领域

本发明涉及到基于新原理器件的信息安全领域，尤其涉及到基于新原理器件的真随机数产生方法及发生器设计。

背景技术

随机数具有不可预测性、不可重复性等重要安全特性，在密钥管理、数字签名、身份认证、密码协议等诸多领域具有非常重要的地位，随机数的随机性及安全性在一定程度上直接决定了信息安全系统的安全性。

目前随机数生成主要有真随机数发生器和伪随机数发生器两类。伪随机数发生器一般由确定算法、初始密钥种子生成，产生的随机序列无法满足随机数的不可预测的要求。而真随机数发生器往往从物理随机过程中提取随机性，如基于电阻热噪声、振荡器晶体管热噪声等各种噪声来产生随机数等，这种随机数具有高度随机和不可预测的特点，能够满足信息安全系统的要求。但当前真随机数发生器存在结构复杂、难以小型化以及参数不可调等问题。因此，设计一种基于新原理信息器件的速率可调的真随机数发生器具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有真随机数发生器存在的不足，本发明的目的在于基于新原理智能信息器件设计一种速率可调的真随机数产生方法及发生器，具有结构简单、易于小型化及参数可调等特点，能够为密钥管理、数字签名、身份认证等信息安全系统构建提供基础核心器件支撑。

本发明首先提供了一种速率可调的真随机数产生方法，其特征在于：产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；根据参考电压调整所述振荡波形，并产生占空比可调的方波；用所述方波锁存时钟信号并输出真随机数。

进一步，所述产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形具体包括：利用分压实现振荡波形的输出。

进一步，利用分压实现振荡波形的输出具体包括：当所述分压超过高阈值电压时，跳变为低压输出；当所述分压低于低阈值电压时，跳变为高压输出；如此反复实现震荡波输出。

进一步，所述分压可以根据需要进行调整。

进一步，根据参考电压调整所述振荡波形并产生占空比可调的方波，具体包括：当所述振荡波电压大于所述参考电压时，产生的所述方波为高电平；当所述振荡波电压小于所述参考电压时，产生的所述方波为低电平。

进一步，用所述方波锁存时钟信号并输出真随机数，具体包括：采用所述方波上升沿触发所述时钟信号电平并输出；或者，采用所述方波下降沿触发所述时钟信号电平并输出。

进一步，所述时钟信号频率可以根据需要进行调整。

本发明还提供一种速率可调的真随机数发生器，其特征在于由以下单元组成：波形发生单元，用于产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；比较单元，用于根据参考电压调整波形发生单元输出的振荡波形并产生占空比可调的方波；锁存单元，根据比较单元输出的方波锁存时钟信号并输出真随机数。

进一步，所述波形发生单元由阈值开关模块、可调阻值模块两部分组成，所述阈值开关模块、可调阻值模块串行连接；所述阈值开关模块具有高、低两种阻态，对应的存在两种阈值电压；所述可调阻值模块阻值可控调整。

本发明能够产生速率可调的真随机数的原理在于：充分利用了阈值开关器件阈值跳变特性的真随机特性，使得波形发生单元输出的振荡波形周期具有真随机性；由于可调阻值模块的阻值可调特性，使得可调阻值模块的分压可调，进而使得振荡波形频率可调；波形发生单元输出的振荡波形输入到比较单元，通过调整参考电压输出具有不同占空比的高低电平组成的方波；比较单元输出的方波作为锁存单元的触发脉冲，采用上升沿或下降沿触发方式锁存高频Clock信号电平并输出，从而生成所需的真随机数。

附图说明

图1是真随机数发生器各模块组成框图。

图2是波形发生单元示意图。

图3是比较单元示意图。

图4是锁存单元示意图。

图5是真随机数发生器各模块输出示意图。

具体实施方式

如图1所示，真随机数发生器主要由波形发生单元、比较单元、锁存单元三部分组成，波形发生单元主要用于产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；比较单元用于根据参考电压调整波形发生单元输出的振荡波形并产生占空比可调的方波；锁存单元根据比较单元输出的方波锁存时钟信号并输出真随机数。

图2所示的是真随机数发生器的波形发生单元，也是整个真随机数发生器的核心。该单元主要由阈值开关模块、可调阻值模块两部分组成，采用模块串联方式，利用分压实现振荡波形的输出。阈值开关模块主要由阈值开关器件等实现，比如阻变开关器件等，具有高、低两种阻态，对应的存在两种阈值电压。可调阻值模块可以由可调阻值类器件等实现，能够实现阻值的可控调整。在可调阻值模块阻值固定的情况下，当阈值开关器件处于高阻态时，器件上的分压超过高阈值电压时，就会跳变为低阻态，此时阈值开关器件的分压就会降低，当分压低于低阈值电压时，阈值开关器件会重新跳回高阻态，如此反复实现振荡波形输出。实际阈值开关器件在跳变时其高、低阈值电压会存在不一致的情况，波形发生单元输出的波形周期具有真随机特性，从而为后续随机数发生奠定真随机性基础。例如，假设理想情况下，器件的高、低阈值分别为1.2V、0.5V，实际器件每次跳变时可能在1.2V、0.5V附近波动，如1.15V、0.45V，1.24V、0.52V等，由于阈值开关器件高、低阻态基本保持不变，从而使得波形发生单元输出的振荡波形周期会随机变化。需要说明的是，输出的振荡波形不是器件的高、低阈值电压，而是可调阻值模块与阈值开关器件跳变后的高、低阻态分压之后的低、高电压振荡波形。振荡波形示意图如图5(a)所示，可以看出，由于器件本身高、低阈值电压的不一致性，导致输出的振荡波形周期具有随机性。同时，由于可调阻值模块的阻值可调特性，使得可调阻值模块的分压可调，进而使得振荡波形输出周期(频率)可调。

图3所示的是真随机数发生器的比较单元，该单元可以通过比较器类器件等实现，共有2路输入和1路输出。2路输入中，CIN1端为波形发生单元生成的具有真随机特性的振荡波形，CIN2端为外部输入的可调整的参考电压(对应于图5(a)中的Vref)，当CIN1端大于CIN2端时，COU端输出高电平；当CIN1端小于CIN2端时，COU端输出低电平。因此，比较单元输出为高低电平组成的方波，方波示意图如图5(b)所示，结合图5(a)可以看出，当振荡波形电压大于Vref时，输出高电平，反之相反。可以通过调整参考电压实现不同脉冲占空比的调整。

图4所示的真随机数发生器的锁存单元，该单元可以通过触发器类器件等来实现，共有2路输入和1路输出。2路输入中，SIN1端为比较单元输出的用于触发的方波脉冲，SIN2端为外部输入的时钟信号Clock，频率可调整，Clock信号示意图如图5(c)所示。触发脉冲可以采用上升沿或下降沿触发，以上升沿触发为例，当SIN1端的触发脉冲上升沿到来时，锁存SIN2端的Clock信号电平并输出，示意图如图5(d)所示。由于阈值开关器件本身阈值电压的不一致性带来的真随机性，造成了锁存单元输出电平的真随机性，即输出随机数的真随机性。

综上所述，本发明所述的真随机数发生器主要由波形发生单元、比较单元、锁存单元三部分组成，其中，波形发生单元是整个真随机数发生器的核心，而阈值开关模块又是波形发生单元的核心模块。本发明能够产生速率可调的真随机数的原理在于：充分利用了阈值开关器件阈值跳变特性的真随机特性，使得波形发生单元输出的振荡波形周期具有真随机性；由于可调阻值模块的阻值可调特性，使得可调阻值模块的分压可调，进而使得振荡波形频率可调；波形发生单元输出的振荡波形输入到比较单元，通过调整参考电压输出具有不同占空比的高低电平组成的方波；比较单元输出的方波作为锁存单元的触发脉冲，采用上升沿或下降沿触发方式锁存高频Clock信号电平并输出，从而生成所需的真随机数。

本发明所述的真随机数发生器主要由波形发生单元、比较单元、锁存单元三部分组成，如图1所示。真随机数发生器的工作流程及实施方法如下，以图5所示的真随机数产生过程为例：

1、真随机数发生器各模块保持工作状态，等待电压输入。

2、输入电压VCC到真随机数发生器波形发生单元(图2所示)的阈值开关模块的V端，阈值开关模块与可调阻值模块采用串联方式连接于O端，可调阻值模块的G端接地GND，O端为振荡波形输出端。波形发生单元输出的振荡波形为阈值开关器件跳变为高、低阻态分压之后的低、高电压振荡波形。振荡波形示意图如图5(a)所示，可以看出，由于阈值开关器件本身高、低阈值电压的不一致性，导致输出的振荡波形周期具有随机性。同时，由于可调阻值模块的阻值可调特性，使得可调阻值模块的分压可调，进而使得振荡波形的频率可调。

3、波形发生单元输出的振荡波形输入到真随机数发生器比较单元(图3所示)的CIN1端，CIN2端为外部输入的可调整的参考电压(对应于图5(a)中的Vref)。当CIN1端大于CIN2端时，COU端输出高电平；当CIN1端小于CIN2端时，COU端输出低电平。此时，比较单元输出为高低电平组成的方波，方波示意图如图5(b)所示，结合图5(a)可以看出，当振荡波形电压大于Vref时，COU端输出高电平，反之相反。调整参考电压可以实现输出方波占空比的调整。

4、比较单元输出的方波脉冲输入到真随机数发生器锁存单元(图4所示)的SIN1端，作为触发脉冲，SIN2端为外部输入的时钟信号Clock，频率可调整，Clock信号示意图如图5(c)所示，通常情况下Clock脉冲可以采用高频时钟信号。触发脉冲可以采用上升沿或下降沿触发，以上升沿触发为例，当SIN1端的触发脉冲上升沿到来时，锁存SIN2端的Clock信号电平并由SOU端输出，示意图如图5(d)所示，本实施例中SOU端输出的真随机数为1010。由于阈值开关器件本身阈值电压的不一致性带来的真随机性，造成了锁存单元输出电平的真随机性，即输出随机数的真随机性。

5、整个真随机数发生器只要输入电压存在，即可实现不间断的真随机数输出，通过频率的调整实现速率调整，最终实现所需要的真随机数序列。

需要说明的是：上述实施例提供的一种速率可调的真随机数发生器在产生真随机数时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块或不同的器件组合来实现，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的真随机数产生方法实施例属于同一构思，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的演示性实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种速率可调的真随机数产生方法，其特征在于：

产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；根据参考电压调整所述振荡波形并产生占空比可调的方波；用所述方波锁存时钟信号并输出真随机数。

2.一种如权利要求1所述真随机数产生方法，其特征在于：

产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形具体包括：利用分压实现振荡波形的输出。

3.一种如权利要求2所述真随机数产生方法，其特征在于：

利用分压实现振荡波形的输出具体包括：当所述分压超过高阈值电压时，跳变为低压输出；当所述分压低于低阈值电压时，跳变为高压输出；如此反复实现震荡波输出。

4.一种如权利要求3所述真随机数产生方法，其特征在于：

所述分压可以根据需要进行调整。

5.一种如权利要求1至4中任意真随机数产生方法，其特征在于：

根据参考电压调整所述振荡波形并产生占空比可调的方波，具体包括：当所述振荡波电压大于所述参考电压时，产生的所述方波为高电平；当所述振荡波电压小于所述参考电压时，产生的所述方波为低电平。

6.一种如权利要求1至4中任一真随机数产生方法，其特征在于：

用所述方波锁存时钟信号并输出真随机数，具体包括：采用所述方波上升沿触发所述时钟信号电平并输出；或者，采用所述方波下降沿触发所述时钟信号电平并输出。

7.一种如权利要求6所述真随机数产生方法，其特征在于：

所述时钟信号频率可以根据需要进行调整。

8.一种速率可调真随机数发生器，其特征在于由以下单元组成：

波形发生单元，用于产生频率可调的具有真随机特性的振荡波形；比较单元，用于根据参考电压调整波形发生单元输出的振荡波形并产生占空比可调的方波；锁存单元，根据比较单元输出的方波锁存时钟信号并输出真随机数。

9.一种如权利要求8所述真随机数发生器，其特征在于：

所述波形发生单元由阈值开关模块、可调阻值模块两部分组成，所述阈值开关模块、可调阻值模块串行连接；所述阈值开关模块具有高、低两种阻态，对应的存在两种阈值电压；所述可调阻值模块阻值可控调整。