CN201773390U - 基于电阻噪声处理的真随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于真随机数发生器领域，具体涉及一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器。其包括第一时钟源、第二时钟源、采样器、后处理单元、偏置电路和电源管理单元，第一时钟源和第二时钟源的输出端均与采样器的输入端相连，采样器的输出端与后处理单元相连，电源管理单元与偏置电路的输入端相连并为整个发生器供电，偏置电路的输出端与第二时钟源相连。该真随机数发生器通过引入电荷泵的设计，极大的降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，通过提取噪声信号驱动压控振荡器(VCO)的结构生成具有较大相位噪声的振荡信号，并运用后处理算法进一步增强了系统的随机特性。
Description
技术领域
本实用新型属于真随机数发生器领域，具体涉及一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器。
背景技术
在现代信息安全技术中，密码技术应用日益广泛，其中用于通讯双方加密、解密的密钥尤为关键，而密钥一般都是由随机数发生器(Random Number Generator，RNG)产生的。因此，随机数发生器的性能直接决定了密钥的安全性，亦即决定了密码系统的安全性。
随机数发生器可分为伪随机数发生器(PRNG)和真随机数发生器(TRNG)。伪随机数是由种子和一定的数学算法产生的，其序列周期长度有限，随机性较差，是可以预测的，一般应用在安全性不高的场合；真随机数是由物理方法产生的，选取了真实世界的自然随机性，因而具有随机性好，不可预测等优点，被广泛应用于信息安全领域。
目前真随机数发生器的实现方案一般有三种：直接放大法、振荡采样法、离散时间混沌法。直接放大法主要利用了电路中的物理噪声，但其易受到开关噪声、衬底耦合、串扰等非理想因素的影响，使其随机性大大降低；离散时间混沌法利用混沌电路的不可预测性及对初始条件敏感的依赖性产生随机数，但其对确定性噪声不敏感，响应时间较长；振荡采样法通过D触发器把两个独立的振荡信号进行数字混合，但要获得较好的随机性，要求采样时钟具有较大的相位噪声。
本实用新型提供一种真随机数发生器，它通过引入电荷泵的设计，极大的降低了耦合、串扰等非理性因素的影响，通过提取噪声信号驱动压控振荡器(VCO)的结构生成具有较大相位噪声的振荡信号，并运用后处理算法进一步增强了系统的随机特性。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种极大降低耦合、串扰等非理性因素影响的基于电阻噪声处理的真随机数发生器。
为此，本实用新型是通过下述技术方案来实现的：
一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器，其改进之处在于：该发生器包括第一时钟源、第二时钟源、采样器、后处理单元、偏置电路和电源管理单元，所述第一时钟源和第二时钟源的输出端均与采样器的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元相连，所述电源管理单元与偏置电路的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路的输出端与第二时钟源相连。
本实用新型较优选的技术方案为：所述第一时钟源包括缓冲器和环形振荡器，所述环型振荡器与缓冲器的输入端相连，所述缓冲器的输出端与采样器的输入端相连。
本实用新型更优选的技术方案为：所述第二时钟源包括噪声源、处理单元、压控振荡器和偏置电路，所述噪声源包括第一噪声源和第二噪声源，所述处理单元包括第一缓冲放大单元、第二缓冲放大单元、电荷泵和滤波器，所述第一噪声源经过第一缓冲放大单元进行幅度放大后进入电荷泵的UP端口，所述第二噪声源经过第二缓冲放大单元进行幅度放大后进入电荷泵的DN端口，所述电荷泵的输出端与压控振荡器相连，电荷泵与压控振荡器之间连接有一滤波器，所述偏置电路的输出端与压控振荡器相连，所述压控振荡器的输出端与采样器的输入端相连。
本实用新型更优选的技术方案为：所述后处理单元采用48位线性反馈移位寄存器。
本实用新型更优选的技术方案为：所述第一时钟源、第二时钟源、采样器和后处理单元之间采用保护环进行隔离处理。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型中，采用基于电阻噪声的产生机制，实现了真随机数发生器；
2、本实用新型中相位噪声较大的第二时钟源对较高频的第一时钟源进行采样，实现了较好的随机特性；
3、本实用新型通过采用保护环将整个发生器进行了合理的布图设计，减小了耦合、串扰等非理想因素的影响，减小了所生成随机数与外界因素的相关性，增大了其与电阻噪声的相关性，提高了随机特性；
4、本实用新型中的第二时钟源通过对两路电阻噪声信号处理的方式消除了耦合带来的影响，提高了随机数的方差特性；
5、本实用新型中的后处理单元结构简单，非常适合于集成电路硬件实现，运行速度快，可产生具有良好统计性质的序列。
附图说明
图1是本实用新型发生器的整体结构示意图；
图2是本实用新型发生器的具体结构示意图；
图3是第二时钟源中处理单元的结构示意图；
图4是电荷泵的原理图；
图5是后处理单元的原理图；
其中，1-第一时钟源(CLK1)，2-第二时钟源(CLK2)，3-采样器，4-后处理单元，5-偏置电路，6-电源管理单元，7-噪声源，8-处理单元，9-压控振荡器(VCO)，10-偏置电路，11-缓冲期，12-环形振荡器，13-第一噪声源，14-第二噪声源，15-第一缓冲放大单元，16-第二缓冲放大单元，17-电荷泵，18-滤波器，19-充电电流源，20-放电电流源，21-充电通路的压控开关，22-放电通路的压控开关。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的真随机数发生器做进一步详细的说明。
本实用新型的真随机数发生器的结构如附图1所示，包括第一时钟源1、第二时钟源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5和电源管理单元6，第一时钟源1和第二时钟源2的输出端均与采样器3的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元4相连，所述电源管理单元6与偏置电路5的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路5的输出端与第二时钟源2相连。
端口Enable是TRNG(真随机数发生器)的使能信号，控制TRNG的工作状态；端口VDD、VSS是系统的电源信号；端口TRNG_OUT是系统产生的真随机数序列的输出信号。总体TRNG系统由第一时钟源1、第二时钟源2、采样器3、后处理单元4、偏置电路5、电源管理模块6组成。其中，第一时钟源1主要产生一路高频的时钟信号，第二时钟源2产生一路相位噪声较大的低频时钟信号，采样器3实现两路时钟信号的数字混合并生成具有一定随机度的真随机数，后处理单元4对采样器3生成的随机数进行处理，以进一步增强其随机特性；电源管理单元6主要负责电压转换并给整个系统供电，偏置电路5为第二时钟源2提供偏置电压。
为减小模块间的串扰、耦合，提高系统的随机性，物理设计时按照附图2所示方式进行布图。将整个系统分为四部分，分别为：
一)由噪声源7、处理单元8、压控振荡器9和偏置电路10组成的第二时钟源2；
二)由环型振荡器12和缓冲器11组成的第一时钟源1；
三)采样器3；
四)后处理单元4；
布图时四个部分之间运用保护环(Guard Ring，如虚线所示)进行隔离处理。其中，第一时钟源1和第二时钟源2在芯片中的摆放位置尽可能远(附图2中处于对角线上)，并对第二时钟源2中的压控振荡器9作另外的隔离处理(如虚线所示)。
本实用新型中，第一时钟源1主要用于产生频率较高的时钟信号，作为采样器3的数据信号，是由环形振荡器12和缓冲器11来实现的。环型振荡器12与缓冲器11的输入端相连，缓冲器11的输出端与采样器3的输入端相连。
本实用新型中，第二时钟源2主要用于产生频率较低、相位噪声较大的时钟信号，作为采样器3的采样时钟信号。其结构如附图3所示，由第一噪声源13、第二噪声源14、第一缓冲放大单元15、第二缓冲放大单元16、电荷泵17、滤波器18及压控振荡器9组成。其中，第一噪声源13和第二噪声源14均取自CMOS工艺中电阻产生的噪声信号，分别经过第一缓冲放大单元15和第二缓冲放大单元16进行幅度放大，放大后的两路噪声信号分别进入电荷泵17的UP端口和DN端口。附图4是电荷泵17的原理图，UP端口和DN端口分别控制充电通路的压控开关21和放电通路的压控开关22(控制电压的大小与开关打开的时间成正比)，充电电流源19和放电电流源20具有相等的电流信号，信号经过电荷泵后由后续的滤波器18进行滤波处理，得到的电压信号作为压控振荡器9的控制电压信号，压控振荡器9输出的周期信号即为第二时钟源2的时钟信号。
该结构可以消除由噪声源引入的耦合和串扰信号，使生成的第二时钟源具有较大的相位噪声，从而提高整个随机数系统的随机度。假设噪声信号为e(t)，由耦合和串扰引入的信号为δ(t)，则第一噪声源13的噪声信号可以表示为e1(t)+δ(t)，第二噪声源14的噪声信号可以表示为e2(t)+δ(t)，经过增益为G的缓冲放大单元进入电荷泵的信号为：
UP：G·(e1(t)+δ(t))
DN：G·(e2(t)+δ(t))
设压控开关的比例系数为k，电流源电流为I，则电荷泵19输出端的电荷变化为：ΔQ＝I·k·G·(e1(t)+δ(t))-I·k·G·(e2(t)+δ(t))＝I·k·G·(e1(t)-e2(t))。可以看到得到的净电荷中已经消除了耦合带来的影响，仅与噪声信号差相关，增大了信号的方差特性。电荷的变化经过滤波器18的处理生成噪声电压驱动压控振荡器9。由于噪声信号的特性使得生成的第二时钟源2具有较大的相位噪声。该时钟源通过采样器3对第一时钟源1进行采样，可以得到随机性较好的随机数，由于该产生机制是建立在物理噪声基础上，因而属于真随机数发生器。
本实用新型中采用后处理单元4对随机序列进行处理。后处理单元4的原理如附图5所示，其采用48位线性反馈移位寄存器(LFSR)，反馈位同时异或采样器3的输出。该LFSR的产生多项式为：f(x)＝X48+X7+X5+X4+X2+X+1，其初始值由采样器3产生。经过后处理单元4得到的序列具有良好的统计特性，极大地增强了序列的随机度。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于电阻噪声处理的真随机数发生器，其特征在于：该发生器包括第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、采样器(3)、后处理单元(4)、偏置电路(5)和电源管理单元(6)，所述第一时钟源(1)和第二时钟源(2)的输出端均与采样器(3)的输入端相连，所述采样器的输出端与后处理单元(4)相连，所述电源管理单元(6)与偏置电路(5)的输入端相连并为整个发生器供电，所述偏置电路(5)的输出端与第二时钟源(2)相连。
2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述第一时钟源(1)包括缓冲器(11)和环形振荡器(12)，所述环型振荡器(12)与缓冲器(11)的输入端相连，所述缓冲器(11)的输出端与采样器(3)的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述第二时钟源(2)包括噪声源(7)、处理单元(8)、压控振荡器(9)和偏置电路(10)，所述噪声源(7)包括第一噪声源(13)和第二噪声源(14)，所述处理单元(8)包括第一缓冲放大单元(15)、第二缓冲放大单元(16)、电荷泵(17)和滤波器(18)，所述第一噪声源(13)经过第一缓冲放大单元(15)进行幅度放大后进入电荷泵(17)的UP端口，所述第二噪声源(14)经过第二缓冲放大单元(16)进行幅度放大后进入电荷泵(17)的DN端口，所述电荷泵(17)的输出端与压控振荡器(9)相连，电荷泵与压控振荡器之间连接有一滤波器(18)，所述偏置电路(10)的输出端与压控振荡器相连，所述压控振荡器的输出端与采样器(3)的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述后处理单元(4)采用48位线性反馈移位寄存器。
5.根据权利要求1-4任一所述的真随机数发生器，其特征在于：所述第一时钟源(1)、第二时钟源(2)、采样器(3)和后处理单元(4)之间采用保护环进行隔离处理。
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