CN1340759A - 产生随机数字的方法 - Google Patents

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Abstract

在从具有1/f特征的噪音中产生纯粹的随机数字的方法中,具有1/f特征的第一噪音和具有1/f特征的第二噪音提供给差分电路,得到第一噪音和第二噪音之间的差分信号,从而消除1/f特征的影响。然后,从该差分信号中产生的随机数字不具有基于第一和第二噪音的1/f特征的周期性。

Description

产生随机数字的方法
技术领域
本发明涉及产生随机数字的方法，并且更具体地涉及产生基本上不具有周期性的均匀的或纯粹的随机数字的方法。
背景技术
具有相同发生频率的无序的随机数字作为一个整体，已经广泛地应用在数值模拟中，用于分析社会现象和物理现象。为了保护电子交易、电子病例记录和远程电子诊断中的个人信息，还已经提出了利用随机数字的编码系统。
通常，通过电子计算机的软件产生随机数字，其中使用了用于产生具有特定分布属性的数字的算法。但是，在通过计算机算法产生随机数字的情况中，由于根据特定的数学公式产生随机数字，不能产生既不具有周期也不具有规律的纯粹的随机数字。因此，当借助这种伪随机数字对重要的个人数据进行编码时，编码后的数据可能很容易地被解码并且将得不到保护。
为了减轻上面提到的缺点，还已经提出在由电子元件例如电阻和二极管产生的电子噪音的基础上产生随机数字。但是，由电阻产生的噪音具有所谓的1/f特征。也就是说，较低频率的噪音分量具有较高的振幅而较高频率的噪音分量具有较低的振幅。因此，当在根据噪音的振幅而得到的二阶信号的基础上产生随机数字时，存在的问题在于所产生的随机数字由于1/f特征而具有周期。以这种方式，不能产生不具有周期的均匀的或纯粹的随机数字。二极管也产生1/f噪音，并且因此由二极管噪音产生的随机数字也具有周期。
发明概述
为了其目的，本发明提供一种产生随机数字的方法，用于从具有1/f特征的噪音中产生既没有周期也没有规律的基本上纯粹的随机数字。
根据本发明，产生随机数字的方法包括步骤：
从第一噪音发生器电路产生具有1/f特征的第一噪音，和从第二噪音发生器电路产生具有1/f特征的第二噪音；
将从第一和第二噪音发生器电路产生的具有1/f特征的所述第一和第二噪音提供给差分电路，从而得到所述第一噪音和所述第二噪音之间的差分信号；和
从所述差分信号产生随机数字，其不具有基于第一和第二噪音的1/f特征的周期性。
在根据本发明的产生随机数字的方法中，尽管由第一和第二噪音发生器电路产生的第一和第二噪音具有1/f特征，但基于这样的事实：消除具有较高频率即较高发生频率的噪音分量的可能性，变得高于消除具有较低频率即较低发生频率的噪音分量的可能性，并且由此以来噪音的整个频率范围上的发生频率变得均匀，使得从这些噪音中得到的差分信号不会由于1/f特征而具有周期。因此，在由差分电路产生的差分信号中，已经消除了基于1/f特征的周期，并且可以产生没有周期的纯粹的随机数字。
在根据本发明的随机数字产生方法的一个优选实施例中，来自差分电路的输出信号提供给模拟-数字转换电路，并且由此转换为数字信号。由此从模拟-数字转换电路中产生的数字信号用来作为随机数字。在这种情况中，通过改变各段数字信号序列的长度可以得到各种类型的随机数字。
在根据本发明的随机数字产生方法的另一个优选实施例中，从由所述模拟-数字转换电路产生的数字信号的一个比特或多个比特得到单个的数码，然后该数码与预定的阈值电平进行比较。当数字等于或大于该阈值电平时，分配二进制数“1”，而当数字小于阈值电平时，分配二进制数“0”。在这种情况中，检测“1”和“0”的发生概率，可以调整所述阈值电平使得“1”和“0”的发生概率变为0.5或接近0.5。可选择地，例如通过所产生的随机数字，可以调整检测“1”和“0”的发生概率的期间。
附图的简要说明
图1是电路图，表示在根据本发明的随机数字发生方法中使用的噪音发生电路的一个实施例；
图2是框图，表示根据本发明的随机数字发生电路的一个实施例；
图3是流程图，表示图2中所示随机数字发生电路的工作原理；
图4是图表，表示由根据本发明的方法产生的随机数字的分布；和
图5是图表，表示由已知方法产生的随机数字的分布。
优选实施例的描述
图1是电路图，表示在根据本发明的随机数字发生方法中使用的噪音发生电路的一个实施例。在该实施例中，采用二极管作为噪音源。由于由二极管产生的噪音非常微弱，放大该噪音。与此同时，除去可能包含在DC电源中的周期性杂音。施加有12v的DC电压的终端11通过电阻12、13和电解电容14、15与放大器16的正向输入端连接。电阻13与电解电容14之间的公共连接点与噪音发生二极管17的阳极连接，该二极管的阴极与地电位连接。电解电容18和19连接在地电位和电阻12和13的连接点之间。
放大器16的输出终端通过反馈电阻21和22与地电位连接，这些反馈电阻之间的连接点与放大器16的反向输入端连接。放大器16的输出端通过耦合电解电容23与高通滤波器24连接。耦合电解电容23和高通滤波器24之间的连接点通过电阻25与地电位连接。通过提供高通滤波器24，可以除去包含在噪音中的周期性分量例如杂音。因此，在与高通滤波器24连接的输出端处，得到由二极管17产生并且由放大器16放大的噪音。该噪音具有1/f特征并且称为噪音信号。在图1中，作为参考表示了电阻和电解电容的值，但应当注意到本发明不限于这些值。
图2是框图，表示根据本发明的随机数字发生电路的一个实施例。给出了分别由图1中所示的噪音发生电路构成的第一和第二噪音发生电路31和32。从第一和第二噪音发生电路31和32产生的具有1/f特征的噪音信号提供给差分电路33，并且得到这些噪音信号之间的差值。分别从第一和第二噪音发生电路31和32中产生的噪音信号具有1/f特征，其中具有较低频率的噪音分量具有较大的振幅而具有较高频率的噪音分量具有较小的振幅。因此，当具有这种1/f特征的噪音信号受到模拟-数字转换时，较小的数字信号的发生频率变成高于较大的数字信号的。这导致转换后的数字信号中的周期性。因此，如果从这种具有周期的数字信号中产生随机数字，该随机数字同样具有周期。以这种方式，不能得到纯粹的随机数字。
在本发明中，为了消除上面提到的周期性，从第一和第二噪音发生电路31和32产生的噪音信号提供给差分电路33，并且得到它们之间的差值。然后，具有较高频率的噪音分量的概率高于具有较低频率的噪音分量的概率，对具有较高频率的噪音分量的发生频率的减小远远多于具有较低频率的噪音分量的发生频率。因此，减小由差分电路33产生的差值信号的周期，通过来自差分电路33的差值信号可以产生不具有基于1/f特征的周期性的随机数字。
在该实施例中，来自差分电路33的差值信号提供给模拟-数字转换电路34并且转换成数字信号。由此产生的数字信号提供给计算电路35。在计算电路35中，来自模拟-数字转换电路34的数字信号可以作为随机数字输出，或者通过改变数字转换后的值的片段输出其它随机数字。在该实施例中，在计算电路35中，由数字信号的一个比特或多个比特形成数字的值，并且由此形成的数字值与预定的阈值数值相比较，产生随机数字的二值比特“1”和“0”。
当通过与计算电路35中的阈值数值相比较产生的“1”和“0”比特作为随机数字输出时，由于这些“1”和“0”的发生频率没有受到控制，这些随机数字可能不同于纯粹的随机数字。在该实施例中，在计算电路35中，计算“1”和“0”比特的发生频率和调整阈值数值，使得发生的频率变为0.5或接近0.5。
图3是流程图，表示通过计算“1”和“0”比特的发生频率和通过调整阈值数值使得发生频率变为0.5或接近0.5，产生纯粹的随机数字的过程。在步骤S1中，由模拟-数字转换电路33提供的数字信号的大小与阈值电平相比较，当数字信号不小于阈值电平时产生“1”比特而当数字信号小于阈值电平时产生“0”。接下来，在步骤S2中，计算在一个预定的周期中“1”比特和“0”比特的发生频率。
另外，在步骤S3中，判断计算出的“1”比特和“0”比特的频率是否接近0.5。如果判断该发生频率不接近于0.5，在步骤S4中，改变阈值电平。在这种情况中，当“1”比特的发生频率高于“0”比特的发生频率时，增大阈值电平，但是当“1”比特的发生频率低于“0”比特的发生频率时，减小阈值电平。
通过重复上述步骤，“1”比特和“0”比特的发生频率变为接近0.5，并且当在步骤S3中判断“1”比特和“0”比特的发生频率变为接近0.5时，在步骤S5中记录由“1”比特和“0”比特构成的随机数字的数据，并且当在步骤S6中证实已经记录了所需要数量的随机数字时，在步骤S7中结束随机数字的记录。
图4是图表，表示由根据本发明的方法产生的随机数字的分布。在图4中，绘制了3000个点，其中每一个确定为使得产生的二进制数除以每16个比特，并且由第一个和最后一个八比特限定的值分别绘制在垂直轴和水平轴上。图5是图表，表示已知方法的随机数字的分布，其中仅仅使用了单个噪音发生电路。在根据本发明的方法中，3000个点均匀地分布，因此可以理解这些随机数字不具有基于噪音发生源的1/f特征的周期性。但是，在图5中所示的已知方法中，一些点集中在特定的区域中形成喷溅的图案，并且因此随机数字具有周期性。
本发明不限于上面所解释的实施例中，而是在本发明的范围内本领域技术人员可以做出多种变形和改进。例如，在上面的实施例中，通过二极管构成用于产生具有1/f特征的噪音的噪音发生源，但可以通过其它元件例如电阻形成。
如所详细解释的，在根据本发明的方法中，通过得到由两个噪音发生电路产生的两个噪音之间的差值，可以消除噪音的1/f特征，并且从所述差值中可以产生不具有周期的纯粹的随机数字。当通过使用这种随机数字产生编码时，它们不能很容易地被解码。这有利于重要信息的安全性的改进并且本发明的社会价值非常重大。此外，根据本发明，通过控制二进制数“1”和“0”的发生频率可以调整随机数字的特征，并且因此根据这种随机数字编码的信息将更加不容易被解码。

Claims (10)

1.一种产生随机数字的方法，包括步骤：
从第一噪音发生器电路产生具有1/f特征的第一噪音，和从第二噪音发生器电路产生具有1/f特征的第二噪音；
分别将从第一和第二噪音发生器电路产生的具有1/f特征的所述第一和第二噪音提供给差分电路，从而得到所述第一噪音和所述第二噪音之间的差分信号；和
从所述差分信号产生随机数字，该随机数字不具有基于第一和第二噪音的1/f特征的周期性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中差分电路产生的差值信号经模拟-数字转换电路转换为数字信号，并且由此转换后的数字信号作为随机数字输出。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过改变各段数字信号度来调整随机数字的本质。
4.根据权利要求2所述的方法，其中从由所述模拟-数字转换电路产生的数字信号的一个比特或多个比特得到单个的数码，然后该数码与预定的阈值电平进行比较，当数码等于或大于该阈值电平时，分配成二进制数“1”，而当数字小于阈值电平时，分配成二进制数“0”。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在给定的周期内检测“1”和“0”的发生概率，并且调整所述阈值电平使得“1”和“0”的发生概率变为给定的值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中调整所述阈值电平使得“1”和“0”的发生概率变为0.5或接近0.5。
7.根据权利要求5所述的方法，其中调整检测“1”和“0”的发生概率的所述周期。
8.根据权利要求7所述的方法，其中根据产生的随机数字调整检测“1”和“0”的发生概率的所述周期。
9.根据权利要求1所述的方法，其中通过设在所述第一和第二噪音发生电路中的噪音发生元件产生每个所述第一和第二噪音。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过二极管或电阻形成所述噪音发生元件。
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