CN114123977B - 一种基于可控断裂结的白噪声发生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，包括可控断裂结、电阻、脉冲电压源、比较器、低频脉冲源、或非门、计数器、数模转换器、低噪放大器；可控断裂结和电阻串联，电阻下端接地，可控断裂结上端接一脉冲电压源，脉冲电压源交替产生开、关脉冲；设置计数器的计数时间周期T，用计数器得出本周期或非门输出脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，产生了随机数；经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。本发明可以产生真随机数，进而产生白噪声，可以降低电路复杂度、对电路元件的要求。
Description
技术领域
本发明属于白噪声产生的数字方法，具体涉及悬浮石墨烯可控断裂结的电开关特性、信号处理领域。
背景技术
数字域上的随机数和模拟域上的噪声在某种意义上具有一致性，均描述了一种不确定性，利用随机数产生白噪声的方法就顺理成章。
随机是一个相对的概念，是自然界的基本特征。随机数需要满足一定的统计性质，其为没有明显模式或特征的序列。随机序列一般具有以下三个特点：(1)等分布性：组成随机序列的每一位的取值是等概率的，满足相同的概率分布；(2)不可预测性：无法通过分析已知的序列信息以推断后续的未知序列，也无法通过已有的序列推断前段的未知序列；(3)不可复制性：无法完整无误地再现某一次出现过的随机序列，即序列之间的相关系数趋于0。
随机数发生器可以分为伪随机数发生器和真随机数发生器两类：(1)伪随机数发生器：由一个初始状态(也称为“种子”)开始，通过一个确定算法来依次递推产生随机数，一旦“种子”和算法确定，整个随机数序列就确定下来，常见的伪随机数产生算法有线性同余法、线性反馈寄存器法、混沌映射法等；(2)真随机数发生器：依托自然界物理现象本身的随机特性，常见的物理熵源如原子核的放射性衰变、电阻热噪声、散粒噪声等，这些物理熵源本身就是不可预测的，由此可见对于一个真随机数发生器来说，不存在“种子”的说法，没有办法预知产生的下一个结果是什么，因此是“真”随机的。
白噪声指的是一段声音中的频率分量的功率谱密度在整个可听范围(20～20000Hz)内都是均匀的，相对的，其他不具有这一性质的噪声信号称为有色噪声。白噪声具有以下效应： (1)安抚效应：缓解失眠症状、集中注意力、可以让婴儿停止哭泣，因为白噪声和子宫中的嘈杂声有类似之处；(2)遮蔽效应：弱化(中和)其他噪声，营造“虚假的宁静”。
真随机数发生器根据随机性的来源进行分类，可以分为以下四种：
(1)热噪声放大法将电阻的热噪声作为噪声源，经过放大、比较器量化处理得到随机序列。
(2)振荡器采样法用稳定的低频振荡器对不稳定的高频振荡器进行采样，将信号的时序抖动作为物理熵源，得到随机序列。
(3)混沌系统采样法：混沌动态过程对初始条件高度依赖并且敏感，若令初始状态来源于系统的本底噪声，则输出结果也具有了真随机性。
(4)亚稳态采样法：基于亚稳态的真随机数发生器由一对交叉耦合的反相器对组成。
利用随机序列产生白噪声，自然而然地，序列随机性的好坏就决定了产生的白噪声质量的好坏。对伪随机数发生方法来说，产生的序列是伪随机的，也就是说序列由起始种子和固定算法得出，或者说序列是有周期的，只不过周期很长，取一小段时间的序列来看是随机的，而当时间超过周期，则序列开始循环。序列的伪随机性会限制产生的白噪声的质量以及其适用范围。对真随机数发生方法来说，现有的方法存在一定的问题：(1)热噪声放大法：对放大器的要求较高，且得到的噪声中含有放大器本身的噪声，需要额外电路消除放大器的噪声，提高了电路的复杂度和实现难度，降低了电路的可移植性；(2)振荡器采样法：对振荡器要求较高；(3)混沌系统采样法：混沌网络过于复杂，电路实现难度高且分析困难，动态过程存在稳定性不足的缺陷；(4)亚稳态采样法：对工作环境中的电压与温度敏感，对电路时钟树的布局布线要求较高。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于可控断裂结的白噪声发生方法，是一种产生真随机数的方法，用于产生白噪声，可以降低电路复杂度、对电路元件的要求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，包括可控断裂结、电阻、脉冲电压源、比较器、低频脉冲源、或非门、计数器、数模转换器、低噪放大器；可控断裂结和电阻串联，电阻下端接地，断裂结上端接一脉冲电压源，脉冲电压源交替产生开、关脉冲；当施加开脉冲时，断裂结变为开态即高导低阻态，电阻分压增大，即断裂结和电阻连接处电压升高；设置比较器的参考电压，当断裂结和电阻连接处电压小于参考电压时，比较器输出高电位；比较器的输出端、低频脉冲源分别与或非门的两个输入端连接，在比较器和低频脉冲源均输出低电位时，总输出为高电位；设置计数器时间周期T，用计数器得出本周期或非门输出脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。
进一步地，当电压源交替产生开脉冲和关脉冲时，可控断裂结在开态和关态之间不断切换，且切换时间随机，导致断裂结和电阻连接处的电压值从Vmin变为Vmax过程或从Vmax变为 Vmin过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端电压脉冲宽度不同，再由低频时钟脉冲源驱动的或非门作用，通过低频脉冲源时序抖动，取出比较器输出端对应不同长度或位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在计数器时间周期T内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。
进一步地，比较器输出端脉冲宽度随机，低频脉冲源具有时序抖动。
进一步地，开脉冲电压大小为4V，关脉冲电压大小为8V。
进一步地，比较器的参考电压位于断裂结和电阻连接处最大电压和最小电压值之间。
进一步地，其特征在于，计数器时间周期T为固定时间。
本发明的有益效果是：本发明可以产生真随机数，进而产生白噪声，可以降低电路复杂度、对电路元件的要求。本发明的随机性根本来源于断裂结开关过程用时的不确定性和低频脉冲源的时序抖动，为物理熵源，保障了产生序列的随机性，具体体现为可通过NIST-SP 800-22的检验，包括频率检验、块内频数检验、游程检验、块内最长游程检验、二元矩阵秩检验、离散傅立叶变换检验、非重叠模块匹配检验、重叠模块匹配检验、Maurer通用统计检验、线性复杂度检验、序列检验、近似熵检验、累加和检验、随机游动检验和随机游动状态频数检验共15个检验方法，其对应的P值都满足随机性要求，验证了产生随机序列的随机性。
附图说明
图1(a)为热噪声放大法电路，图1(b)为振荡器采样法电路，图1(c)为亚稳态采样法电路；
图2(a)为可控断裂结开态示意图，图2(b)为可控断裂结关态示意图，图2(c)为可控断裂结开态和关态响应情况；
图3为随机数产生模块电路示意图；
图4为电路中各点的电压关系。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图2(a)图为施加开脉冲4V之后的断裂结SEM图像，断裂结的间隙较小，处于开态即高导低阻态；图2(b)为施加关脉冲8V之后的断裂结SEM图像，断裂结的间隙较大，处于关态即高阻低导态。图2(c)为开态和关态时断裂结的电流(中图)、电导(下图)随断裂结电压(上图)的响应情况。
图3为随机数产生模块电路示意图，电路的主要部分为一个断裂结和一个标准电阻串联，标准电阻起分压作用，标准电阻下端接地，断裂结上端接一脉冲电压源，交替产生开、关脉冲。断裂结的主要特点为：当两端电压达到开脉冲电压大小4V时，断裂结由于结构变化(间隙较小)，处于开态即高导低阻态，当两端电压达到关脉冲电压大小8V时，断裂结由于结构变化(间隙较大)，处于关态即高阻低导态，在本发明中，可控断裂结起到分压作用，以改变可控断裂结与电阻连接处即2处电压的大小。当施加开脉冲时，断裂结变为开态即高导低阻态，标准电阻分压增大，即可控断裂结与电阻连接处电压升高；适当选取比较器的参考电压，使其介于可控断裂结与电阻连接处电压最大、最小值之间，当可控断裂结与电阻连接处电压小于参考电压时，比较器输出高电位；再与一个低频脉冲源通过或非门连接，在比较器和低频脉冲源均输出低电位时，总输出为高电位；最后，在一个较长的固定时间周期T内，用计数器得出本周期产生脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。可控断裂结和低频脉冲源在本发明中作为物理熵源从根本上保证了随机性，具体来说，因为可控断裂结开关物理过程用时的不确定性，当电压源交替产生开脉冲和关脉冲时，可控断裂结在开态和关态之间不断切换，且切换速度不确定即时间随机，导致可控断裂结与电阻连接处的电压值从Vmin变为Vmax过程或从Vmax变为Vmin过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端即3处电压脉冲宽度不同，再由低频时钟脉冲源驱动的或非门作用，又因为低频脉冲源的时序抖动，进而取出对应比较器输出端不同长度或位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在较长的时间周期T内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。图中ON-OFF pulse generator表示产生开、关脉冲的电压源，M表示可控断裂结，R0表示标准电阻，Vref表示参考电压，comparator表示比较器，LF clock表示低频时钟脉冲源，NOR表示或非门，counter 表示计数器，DAC表示数模转换器。
图4(a)描述的是可控断裂结与脉冲电压源连接处即1处的电压随时间的变化波形图，其中开脉冲4V和关脉冲8V交替恒定周期出现。
图4(b)描述的是可控断裂结与电阻连接处即2处的电压随时间的变化波形图，因为可控断裂结随着开、关脉冲电压的施加而开关即阻值变化，2处的电压也随之相应地增大或减小，且增大或减小过程的时间随机。
图4(c)描述的是比较器输出端即3处的电压随时间的变化波形图，当2处电压小于参考电压时，3处处于高电位，当2处电压大于参考电压时，3处处于低电位，因2处增大或减小过程的时间随机，所以3处脉冲宽度随机。
图4(d)描述的是低频脉冲源与或非门连接处即4处的电压随时间的变化波形图，因为上方为低频振荡器，所以呈现低频脉冲信号。
图4(e)描述的是或非门输出端即5处的电压随时间的变化波形图，5处为或非门输出端，所以5处只有当3、4处均处于低电位时才为高电位，在V_4为低电位的时间内，V_5和V_3 波形互补，若V_3处于低电位，则V_5处于高电位；若V_3处于高电位，则V_5处于低电位。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，其特征在于，包括可控断裂结、电阻、脉冲电压源、比较器、低频脉冲源、或非门、计数器、数模转换器、低噪放大器；可控断裂结和电阻串联，电阻下端接地，可控断裂结上端接一脉冲电压源，脉冲电压源交替产生开、关脉冲；当施加开脉冲时，断裂结变为开态即高导低阻态，电阻分压增大，即断裂结和电阻连接处电压升高；设置比较器的参考电压，当断裂结和电阻连接处电压小于参考电压时，比较器输出高电位；比较器的输出端、低频脉冲源分别与或非门的两个输入端连接，在比较器和低频脉冲源均输出低电位时，总输出为高电位；设置计数器的计数时间周期T，用计数器得出本周期或非门输出脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频；
当电压源交替产生开脉冲和关脉冲时，可控断裂结在开态和关态之间不断切换，且切换过程时间随机，导致断裂结和电阻连接处的电压值从Vmin变为Vmax过程或从Vmax变为Vmin过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端电压脉冲宽度不同，再由低频时钟脉冲源驱动的或非门作用，通过低频脉冲源时序抖动，取出比较器输出端对应不同长度或位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在计数器时间周期T内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，其特征在于，比较器输出端脉冲宽度随机。
3.根据权利要求1所述的一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，其特征在于，开脉冲电压大小为4V，关脉冲电压大小为8V。
4.根据权利要求1所述的一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，其特征在于，比较器的参考电压位于断裂结和电阻连接处最大电压和最小电压值之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于可控断裂结的白噪声发生电路，其特征在于，计数器时间周期T为固定时间。
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