DE102008018727B4

DE102008018727B4 - Random number generator

Info

Publication number: DE102008018727B4
Application number: DE102008018727.5A
Authority: DE
Inventors: Thilo Apitz; Rüdiger Sparr
Original assignee: Rohde and Schwarz SIT GmbH
Current assignee: Rohde and Schwarz SIT GmbH
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: DE102008018727A1

Abstract

Zufallszahlengenerator zur Erzeugung einer Sequenz von Zufallsbits mit einer elektrischen Quelle (2, 3, 3', 14, 14') zur erdsymmetrischen Speisung der beiden Elektroden eines Halbleiterelements (1), wobei das Halbleiterelement (1) zur Erzeugung jeweils eines analogen Rauschsignals an den beiden Elektroden dient, einem Differenzverstärker (5), dessen Eingänge symmetrisch mit den beiden Elektroden des Halbleiterelements (1) verbunden sind, zur Anpassung der Signaldifferenz der an den Elektroden des Halbleiterelements (1) jeweils erzeugten analogen Rauschsignale an den Eingangssignalbereich eines nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers (7), einem Analog-Digital-Wandler (7) zur Digitalisierung der verstärkten Signaldifferenz und einer nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitungs-Einheit (8) zur digitalen Nachverarbeitung von Abtastwerten der digitalisierten Signaldifferenz und zur Erzeugung der Sequenz von Zufallsbits, wobei der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers (5) in einer linearen Rückkopplung des Differenzverstärkers (5) durch die digitale Signalverarbeitungs-Einheit (8) einstellbar und nachregelbar ist.Random number generator for generating a sequence of random bits with an electrical source (2, 3, 3 ', 14, 14') for the unbalanced supply of the two electrodes of a semiconductor element (1), wherein the semiconductor element (1) for generating in each case an analog noise signal to the two electrodes is used, a differential amplifier (5) whose inputs are symmetrically connected to the two electrodes of the semiconductor element (1), to adapt the signal difference of the electrodes of the semiconductor element (1) respectively generated analog noise signals to the input signal range of a subsequent analog-digital Converter (7), an analog-digital converter (7) for digitizing the amplified signal difference and a downstream digital signal processing unit (8) for digital post-processing of samples of the digitized signal difference and for generating the sequence of random bits, wherein the gain of the Differential amplifier (5) in one linear feedback of the differential amplifier (5) by the digital signal processing unit (8) is adjustable and readjustable.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zufallszahlengenerator.The invention relates to a random number generator.

Die Erzeugung von Zufallszahlen hat in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik – beispielsweise Kryptographie, numerische Simulation, rechnergestütztes Testen – eine hohe Bedeutung.The generation of random numbers in many areas of science and technology - such as cryptography, numerical simulation, computer-aided testing - is of great importance.

Die Generierung von Zufallszahlen in Hard- oder Software auf der Basis von mathematischen Algorithmen ist für kryptographische Anwendungen im Hochsicherheitsbereich wenig geeignet, da bei Kenntnis des mathematischen Algorithmuses und des verwendeten Initialwertes die Zufallszahlenfolge für einen Dritten reproduzierbar ist.The generation of random numbers in hardware or software on the basis of mathematical algorithms is not very suitable for cryptographic applications in the high-security area, since knowledge of the mathematical algorithm and the initial value used, the random number sequence for a third party is reproducible.

Aus der US 2005/0288924 A1 ist eine Vorrichtung zur Generierung eines binären Zufallszahlensignals mithilfe einer analogen Rauschquelle, einem Analog-Digital-Wandler und einem Normalisierungsbaustein zur Optimierung der Gleichverteilung zwischen gesetzten und nicht-gesetzten Bits im binären Zufallszahlensignal bekannt.From the US 2005/0288924 A1 A device is known for generating a binary random number signal by means of an analog noise source, an analog-to-digital converter and a normalization device for optimizing the equal distribution between set and non-set bits in the binary random number signal.

Als Entropiequelle für nicht-deterministische Zufallszahlen bietet sich eine ein Rauschsignal erzeugende Rauschquelle an, welche auf rein physikalischen Effekten – beispielsweise radioaktiven, elektrotechnischen, quantenmechanischen und optischen Prinzipien – beruht und mit einer nachgelagerten digitalen Signalverarbeitung des von der physikalischen Rauschquelle erzeugten und abgetasteten Rauschsignals kombiniert ist.As a source of entropy for non-deterministic random numbers is a noise signal generating noise source, which is based purely on physical effects - such as radioactive, electrical, quantum mechanical and optical principles - and combined with a downstream digital signal processing of the generated and sampled by the physical noise source noise signal ,

Oszillatorbasierte Rauschquellen, die das digitalisierte Rauschsignal zweier RC- oder Quarzoszillatoren logisch verknüpfen, sind für kryptographische Anwendungen wegen zu geringer Robustheit gegenüber manipulierten Veränderungen der äußeren Umgebungsbedingungen – Temperaturdrift, Versorgungsspannungsdrift – wenig geeignet.Oscillator-based noise sources that logically link the digitized noise signal of two RC or quartz oscillators are not well suited for cryptographic applications due to their lack of robustness to manipulated changes in environmental conditions - temperature drift, supply voltage drift.

Andere physikalische Rauschquellen – nuklearer Zerfall eines radioaktiven Elements, atmosphärisches Rauschen eines Rundfunkempfängers und Photonenemission – erfordern einen hohen Platzbedarf, einen hohen sicherheitsrelevanten Aufwand und eine zusätzliche Auswerteschaltung zur Wandlung der nicht-elektrischen Größe in eine elektrische Größe, die zusätzliche unerwünschte Korrelationen im gewandelten Rauschsignal verursachen kann und deshalb für einen praktischen Einsatz ebenfalls wenig geeignet ist.Other physical noise sources - nuclear decay of a radioactive element, atmospheric noise of a radio receiver and photon emission - require a large amount of space, a high security overhead and an additional evaluation circuit for converting the non-electrical variable into an electrical variable, causing additional undesirable correlations in the converted noise signal can and is therefore also unsuitable for practical use.

Die US 2003/0208517 A1 und die US 6,188,294 B1 offenbaren jeweils einen Zufallszahlengenerator mit einem Widerstand, dessen thermisches Rauschen als Rauschquelle benutzt wird. Das thermische Rauschen von Widerständen in einer aus Widerständen und Kondensatoren aufgebauten Entzerrer-Schaltung wird in der US 6 728 893 B1 als Rauschquelle zur Zufallszahlengenerierung ausgenutzt.The US 2003/0208517 A1 and the US 6,188,294 B1 each discloses a random number generator with a resistor whose thermal noise is used as the noise source. The thermal noise of resistors in an equalizer circuit constructed of resistors and capacitors is disclosed in US Pat US 6,728,893 B1 exploited as a noise source for random number generation.

Als kostengünstige Rauschquelle mit hoher Entropie hat sich eine Halbleiterdiode, insbesondere eine Zener-Diode, bewährt, die an der negativen Durchbruchspannung – einem Bereich, in dem durch den Lawineneffekt das sogenannte Schrotrauschen am deutlichsten ausgeprägt ist – betrieben wird.As a cost-effective noise source with high entropy, a semiconductor diode, in particular a Zener diode, has proven successful, which is operated at the negative breakdown voltage - a region in which the so-called shot noise is most clearly pronounced by the avalanche effect.

In der DE 102 23 252 C1 wird ein binärer Rauschsignalgenerator beschrieben, bei dem zwei Zener-Dioden als Rauschquellen jeweils ein Rauschsignal einprägen, die jeweils mit einem der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers verbunden sind. Der Differenzverstärker liefert ausgangsseitig ein aus den beiden Rauschsignalen gebildetes und verstärktes Differenz-Rauschsignal, das von Gleichtaktstörungen befreit ist. Durch Größenvergleich des Differenz-Rauschsignals mit einem Schmitt-Trigger und nachfolgender digitaler Abtastung des Ausgangssignals des Schmitt-Triggers entsteht eine Folge von Zufallsbits.In the DE 102 23 252 C1 a binary noise signal generator is described in which two Zener diodes as noise sources each memorize a noise signal, which are each connected to one of the two inputs of a differential amplifier. On the output side, the differential amplifier supplies a differential noise signal formed from the two noise signals and amplified, which is freed from common-mode interference. By comparing the size of the differential noise signal with a Schmitt trigger and subsequent digital sampling of the output signal of the Schmitt trigger results in a sequence of random bits.

Da die beiden Zener-Dioden herstellungsbedingt keine exakt identischen Parameter – geringfügig unterschiedliche Spannungs-Strom-Kennlinienverläufe und unterschiedliche differentielle Widerstände in den einzelnen Kennlinienpunkten der Spannungs-Strom-Kennlinien – aufweisen, befinden sich die beiden Zener-Dioden bei gleicher Versorgungsspannung nicht im identischen Spannungs-Strom-Kennlinien-Arbeitspunkt. Die beiden Eingänge des nachgeschalteten Differenzverstärkers werden deshalb mit einem zum jeweiligen Arbeitspunkt korrespondierenden unterschiedlichen Störsignalanteil der Stromversorgung, der von einem zum Schrotrauschen im jeweiligen Arbeitspunkt korrespondierenden Wechselspannungsanteil überlagert ist, asymmetrisch angesteuert. Diese Störsignal-Asymmetrie zwischen den beiden Eingängen des Differenzverstärkers kann durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers nicht unterdrückt werden und führt nachteilig am Ausgang des Differenzverstärkers zu einem Differenz-Rauschsignal mit einem periodischen Störsignalanteil aus der Stromversorgung.Since the two Zener diodes due to the production no exactly identical parameters - slightly different voltage-current characteristics and different differential resistances in the individual characteristic points of the voltage-current characteristics - have, the two Zener diodes are not in the same voltage at the same voltage stream-characteristic operating point. The two inputs of the downstream differential amplifier are therefore controlled asymmetrically with a corresponding to each operating point different Störsignalanteil the power supply, which is superimposed by a corresponding to the shot noise in the respective operating point AC voltage component. This interference signal asymmetry between the two inputs of the differential amplifier can not be suppressed by the common mode suppression of the differential amplifier and leads disadvantageously at the output of the differential amplifier to a differential noise signal with a periodic Störsignalanteil from the power supply.

Auch aus der US 2004/0006580 A1 ist eine Rauschquelle bestehend aus zwei Halbleiterbauelementen – in diesem Fall aus zwei Feldeffekt-Transistoren – bekannt, die eine asymmetrische Ansteuerung eines nachgeschalteten Differenzverstärkers bewirken, die durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers nicht beseitigt werden kann. Auch die US 2008/0074184 A1 und die DE 103 17 936 A1 bieten keine Lösungen zur Gleichtaktunterdrückung bei asymmetrisch angesteuerten Differenzverstärker-Eingängen an.Also from the US 2004/0006580 A1 is a noise source consisting of two semiconductor devices - in this case of two field effect transistors - known, which cause an asymmetric driving a downstream differential amplifier, which can not be eliminated by the common mode rejection of the differential amplifier. Also the US 2008/0074184 A1 and the DE 103 17 936 A1 do not offer solutions to Common mode rejection for asymmetrically driven differential amplifier inputs.

Eine Lösung für dieses Problem bietet die US 4,611,183 an, die die Verwendung eines einzigen Halbleiterbauelements, einer Lawinen-Diode, vorschlägt, deren Elektroden mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden sind und somit die Problematik der Asymmetrie an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers nicht kennt.One solution to this problem is the US 4,611,183 which proposes the use of a single semiconductor device, an avalanche diode, whose electrodes are connected to the inputs of a differential amplifier and thus does not know the problem of asymmetry at the two inputs of the differential amplifier.

Da die Signaldifferenz der beiden Signale, die jeweils an den beiden Elektroden eines einzigen als Rauschquelle dienenden Halbleiterbauelements erfasst werden, den Signalbereich eines nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers überschreiten kann, wird der Analog-Digital-Wandler über einen längeren Zeitabschnitt in diesem Fall im Sättigungsbereich betrieben und liefert ein digitales Ausgangssignal mit einem konstanten binären Signalpegel über einen längeren Zeitabschnitt. Nachteilig reduziert sich damit über einen längeren Zeitabschnitt die Entropie des binären Zufallszahlensignals.Since the signal difference of the two signals which are respectively detected at the two electrodes of a single semiconductor device serving as a noise source can exceed the signal range of a subsequent analog-to-digital converter, the analog-to-digital converter in this case in the saturation region over a longer period of time operates and provides a digital output signal having a constant binary signal level over a longer period of time. The disadvantage is that the entropy of the binary random number signal is reduced over a longer period of time.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen binären Zufallszahlengenerator zu schaffen, der in allen Zeitpunkten ein binäres Zufallszahlensignal mit einer hohen Entropie aufweist.The object of the invention is therefore to provide a binary random number generator which has a binary random number signal with a high entropy at all times.

Zusätzlich gehen bei der Abtastung des Differenz-Rauschsignals durch den Schmitt-Trigger-Baustein Störsignalanteile aus der Stromversorgung in das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers und somit in das Rauschsignal ein.In addition, during the sampling of the differential noise signal by the Schmitt trigger module, interference signal components from the power supply enter the output signal of the Schmitt trigger and thus into the noise signal.

Für die Ausgabe einer Sequenz von Zufallsbits ist dagegen im Hinblick auf eine hohe Entropie pro Zufallsbit ein Differenz-Rauschsignal erforderlich, das möglichst gering durch äußere Störsignale beeinflusst wird.For the output of a sequence of random bits, on the other hand, in view of a high entropy per random bit, a differential noise signal is required, which is influenced as little as possible by external interference signals.

Hinzukommt, dass die Spannungs-Strom-Kennlinien der beiden Zener-Dioden durch eine bauteilabhängige unterschiedliche Temperaturabhängigkeit und eine bauteilabhängige unterschiedliche Alterungsabhängigkeit des Kennlinienverlauf zusätzlich unterschiedlich verzerrt werden und damit durch Über- oder Untersteuerungen des Differenzverstärkers die Entropie der von dem Zufallsgenerator erzeugten Zufallsbits zusätzlich verschlechtert wird.In addition, the voltage-current characteristics of the two Zener diodes are additionally distorted differently by a component-dependent different temperature dependence and a component-dependent different aging dependence of the characteristic curve and thus the entropy of the random bits generated by the random generator is additionally degraded by over or under control of the differential amplifier ,

Schließlich führen die nichtlinearen Rückkopplungen im Differenzverstärker bzw. im Schmitt-Trigger des in der DE 102 23 252 C1 offenbarten Zufallszahlengenerators zu zusätzlichen Verzerrungen im verstärkten Rauschsignal bzw. in den Abtastwerten des verstärkten Rauschsignals, die die Entropie pro Zufallsbit zusätzlich verschlechtern.Finally, the nonlinear feedbacks in the differential amplifier or in the Schmitt trigger of the in DE 102 23 252 C1 disclosed random number generator to additional distortions in the amplified noise signal or in the samples of the amplified noise signal, which further degrade the entropy per random bit.

Die Erfindungsaufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Zufallszahlengenerator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusätzliche technisch vorteilhafte Erweiterungen des erfindungsgemäßen Zufallszahlengenerators sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.The invention task is solved by a random number generator according to the invention with the features of patent claim 1. Additional technically advantageous extensions of the random number generator according to the invention are listed in the dependent claims.

Im erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerator kommt als Rauschsignalquelle anstelle von zwei mit den beiden Eingängen eines nachfolgenden Differenzverstärkers jeweils verbundenen Zener-Dioden eine einzige Zener-Diode zum Einsatz, die im Hinblick auf eine Gleichtaktunterdrückung von im Bereich der Rauschquelle auftretenden Störsignalen eine erdsymmetrische elektrische Speisung ihrer beiden Elektroden, einen symmetrischen Abgriff der an ihren beiden Elektroden erzeugten Rauschsignale und eine symmetrische Einkopplung der beiden symmetrisch abgegriffenen Rauschsignale an die beiden Eingänge des Differenzverstärkers aufweist. Zur Erzeugung einer binären Signalfolge wird die im Differenzverstärker verstärkte Differenz der beiden analogen Rauschsignale digitalisiert und einer digitalen Signalverarbeitungs-Einheit zur digitalen Nachverarbeitung der Abtastwerte des Differenz-Rauschsignals und zur Erzeugung einer Sequenz von Zufallsbits zugeführt.In the binary random number generator according to the invention comes as a noise signal source instead of two Zener diodes connected to the two inputs of a subsequent differential amplifier, a single Zener diode used with respect to a common mode suppression of noise occurring in the noise source a ground-balanced electrical supply of its two electrodes , Has a symmetrical tap of the noise signals generated at its two electrodes and a symmetrical coupling of the two symmetrically tapped noise signals to the two inputs of the differential amplifier. To generate a binary signal sequence, the difference amplified in the differential amplifier of the two analog noise signals is digitized and fed to a digital signal processing unit for digital post-processing of the samples of the differential noise signal and for generating a sequence of random bits.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators erfolgt die symmetrische elektrische Speisung der beiden Elektroden der Zener-Diode mit einer Gleichspannungsquelle und zwei symmetrisch geschalteten, hochohmigen und identischen Widerständen.In a first embodiment of the binary random number generator according to the invention, the symmetrical electrical supply of the two electrodes of the Zener diode with a DC voltage source and two symmetrically connected, high-impedance and identical resistors.

In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators erfolgt die symmetrische elektrische Speisung der beiden Elektroden der Zener-Diode mit zwei symmetrisch geschalteten Gleichstromquellen.In a second embodiment of the binary random number generator according to the invention, the symmetrical electrical supply of the two electrodes of the Zener diode with two symmetrically connected DC sources.

Die Nichtlinearität in der Rückkopplung des Differenzverstärkers nach dem nächstkommenden Stand der Technik wird durch eine lineare, den Arbeitspunkt des Differenzverstärkers stabilisierende Rückkopplung ersetzt.The non-linearity in the feedback of the differential amplifier according to the closest prior art is replaced by a linear, the operating point of the differential amplifier stabilizing feedback.

Die Nichtlinearität in der Rückkopplung des Schmitt-Triggers nach dem nächstkommenden Stand der Technik wird durch Einsatz eines Analog-Digital-Wandlers beseitigt, der funktionell keine Rückkopplung aufweist. Auch gehen im Gegensatz zu einem Schmitt-Trigger Störsignalschwankungen in der Stromversorgung nicht in das Ausgangssignal eines Analog-Digital-Wandlers ein.The non-linearity in the feedback of the Schmitt trigger according to the closest prior art is eliminated by the use of an analog-to-digital converter, which has functionally no feedback. Also, unlike a Schmitt trigger, jitter in the power supply does not go into the output of an analog-to-digital converter.

Die Parametrierung der linearen Rückkopplung des Differenzverstärkers legt den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers fest und ist über eine digitale Signalverarbeitungs-Einheit einstellbar und nachregelbar.The parameterization of the linear feedback of the differential amplifier determines the amplification factor of the differential amplifier and is over one digital signal processing unit adjustable and readjustable.

Mit dem Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers wird die Amplitudendifferenz der an den beiden Elektroden der Zener-Diode jeweils abgegriffenen Rauschsignale an den Eingangssignalbereich des nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers zur Verhinderung von Signalüber- und -untersteuerung angepasst. Hierzu werden die Abtastwerte des digitalisierten Differenzsignal der an den beiden Elektroden der Zener-Diode jeweils abgegriffenen Rauschsignale am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers geeignet gemessen und überwacht und der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers geeignet nachgeregelt.The amplification factor of the differential amplifier is used to adapt the amplitude difference of the noise signals picked off at the two electrodes of the Zener diode to the input signal range of the subsequent analog-to-digital converter in order to prevent signal overflow and underflow. For this purpose, the sampled values of the digitized difference signal of the noise signals picked off at the two electrodes of the Zener diode are suitably measured and monitored at the output of the analog-to-digital converter, and the amplification factor of the differential amplifier is readjusted appropriately.

Mit der Regelung des Verstärkungsfaktors des Differenzverstärkers werden auch Einflüsse durch Änderungen der Umgebungsbedingungen – beispielsweise Temperaturdrift der Rauschsignalamplitude oder Spannungspegeldrift der Gleichspannungsquelle bzw. Strompegeldrift der Gleichstromquelle – kompensiert. Ferner werden Fertigungsbedingte Streuungen und Alterungserscheinungen von Bauteilen damit kompensiert.With the control of the amplification factor of the differential amplifier and influences by changes in environmental conditions - for example, temperature drift of the noise signal amplitude or voltage level drift of the DC voltage source or current level drift of the DC power source - compensated. Furthermore, production-related variations and aging phenomena of components are compensated for.

Die Umgebungstemperatur und die Spannungen der Stromversorgung des Generators werden geeignet gemessen und überwacht, um festzustellen, ob der Generator bei zulässigen Umgebungsbedingungen arbeitet.The ambient temperature and voltages of the generator power supply are appropriately measured and monitored to determine if the generator is operating at acceptable environmental conditions.

In der digitalen Signalverarbeitungseinheit werden jeweils zwei aufeinander folgende Abtastwerte des digitalisierten Differenz-Rauschsignals miteinander verglichen und in Abhängigkeit der Differenz der jeweils aufeinander folgenden Abtastwerte des digitalisierten Differenz-Rauschsignals ein Bit für die auszugebende Sequenz von Zufallsbits bestimmt.In the digital signal processing unit, two successive sampled values of the digitized difference noise signal are compared with one another and a bit for the sequence of random bits to be output is determined as a function of the difference between the successive samples of the digitized difference noise signal.

Im Fall einer Differenz ungleich von Null zwischen aufeinander folgenden Abtastwerten des Differenz-Rauschsignals wird bei einer positiven Differenz ein Bit für die Sequenz von Zufallsbits gesetzt, das zum Bit der Sequenz von Zufallsbits bei einer negativen Differenz invertiert ist.In the case of a non-zero difference between successive samples of the difference noise signal, a positive difference sets one bit for the sequence of random bits inverted to the bit of the sequence of random bits for a negative difference.

Im Fall einer Differenz von Null zwischen aufeinander folgenden Abtastwerten des Differenz-Rauschsignals wird kein Bit für die Sequenz von Zufallsbits gesetzt.In the case of a difference of zero between successive samples of the difference noise signal, no bit is set for the sequence of random bits.

Auf diese Weise wird ein Gleichanteil im digitalisierten Differenz-Rauschsignal beseitigt, der aufgrund der Quantisierungsungenauigkeit der Analog-Digital-Wandlung in aufeinander folgenden Abtastwerten des digitalisierten Differenz-Rauschsignals auftritt, falls die zugehörigen Analogwerte des Differenz-Rauschsignals innerhalb zweier benachbarter Quantisierungsschwellen des Analog-Digital-Wandlers liegen und somit identische Abtastwerte des Differenz-Rauschsignals in aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten entstehen. Zusätzlich werden durch das Verfahren der Differenzbildung Gleichanteile beseitigt, die durch eingekoppelte Störsignale hervorgerufen werden. Die Beseitigung des Gleichanteils im digitalisierten Differenz-Rauschsignal führt somit zu einer Erhöhung der Entropie der auf diese Weise in der digitalen Signalverarbeitungseinheit erzeugten Sequenz von Zufallsbits.In this way, a DC component in the digitized differential noise signal due to the quantization inaccuracy of the analog-to-digital conversion in successive samples of the digitized differential noise signal is eliminated if the associated analog values of the differential noise signal are within two adjacent quantization thresholds of the analog-digital And thus identical samples of the differential noise signal in successive sampling times arise. In addition, by the method of subtraction equal components are eliminated, which are caused by coupled interference signals. The elimination of the DC component in the digitized differential noise signal thus leads to an increase in the entropy of the sequence of random bits generated in this way in the digital signal processing unit.

Optional können aus einer von Null verschiedenen Differenz oder mehreren aufeinander folgenden Differenzen von jeweils aufeinander folgenden Abtastwerten des digitalisierten Differenzrauschsignals mit Hilfe einer Booleschen Funktion, vorzugsweise der Anwendung einer XOR-Funktion auf Bitebene, ein oder mehrere Zufallsbits generiert werden. Ein im digitalisierten Differenz-Rauschsignal vorhandener Gleichanteil kann auf diese Weise optimal entfernt werden und damit die Entropie pro Zufallsbit zusätzlich erhöht werden.Optionally, one or more random bits may be generated from a non-zero difference or a plurality of consecutive differences of each successive samples of the digitized difference noise signal using a Boolean function, preferably the application of an XOR function at the bit-level. A DC component present in the digitized difference noise signal can be optimally removed in this way and thus the entropy per random bit can be additionally increased.

Wird die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandler sehr viel kleiner als die Frequenzbandbreite des abzutastenden analogen Differenzrauschsignals gewählt, so ist definitiv das Nyquist-Kriterium nicht mehr erfüllt, so dass zwischen den Abtastwerten der analogen Rauschsignale keine Korrelationen mehr bestehen.If the sampling frequency of the analog-to-digital converter is chosen to be much smaller than the frequency bandwidth of the analog differential noise signal to be sampled, the Nyquist criterion is definitely no longer met, so that no correlations exist between the sampling values of the analog noise signals.

Befindet sich der binäre Zufallszahlengenerator in einem unzulässigen Zustand, so wird die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits von der digitalen Signalverarbeitungseinheit unterdrückt. Die digitale Signalverarbeitungs-Einheit erfasst und überwacht hierzu folgende unzulässige Zustände des binären Zufallszahlengenerators:

• unzulässige Temperatur,
• unzulässiger Spannungsbereich der Versorgungsgleichspannung,
• unzulässige Strompegel der Versorgungsgleichströme,
• unzulässige Signalüber- oder -unterschreitung der Abtastwerte der Amplitudendifferenz zwischen beiden Rauschsignalen und
• Teil- oder Totalausfall der Zener-Diode, des Differenzverstärkers und/oder des Analog-Digital-Wandlers.

If the binary random number generator is in an invalid state, the output of the sequence of random bits is suppressed by the digital signal processing unit. The digital signal processing unit detects and monitors for this purpose the following impermissible states of the binary random number generator:

• impermissible temperature,
• impermissible voltage range of the DC supply voltage,
• impermissible current levels of the supply direct currents,
• impermissible signal overshoot or undershoot of the samples of the amplitude difference between the two noise signals and
Partial or total failure of the Zener diode, the differential amplifier and / or the analog-to-digital converter.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Zufallszahlengenerators werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:Embodiments of the random number generator according to the invention are explained below with reference to the drawing in detail. The figures of the drawing show:

1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators, 1 a block diagram of a first embodiment of the binary random number generator according to the invention,

2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators, 2 a block diagram of a second embodiment of the binary random number generator according to the invention,

3 ein Flussdiagramm der digitalen Signalverarbeitung in der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit, 3 a flow chart of the digital signal processing in the digital signal processing unit,

4 ein Flussdiagramm der Überwachung und Regelung des differentiell an der Zener-Diode abgegriffenen Rauschsignals hinsichtlich Signalüber- oder -unterschreitung, 4 a flowchart of the monitoring and control of the differentially tapped at the Zener diode noise signal with respect to signal overrun or underrun,

5 ein Flussdiagramm der Überwachung und Regelung von Umgebungsbedingungen hinsichtlich zulässiger Parameter und 5 a flow chart of the monitoring and control of environmental conditions in terms of allowable parameters and

6 ein Flussdiagramm der Überwachung von Komponenten des binären Zufallszahlengenerators hinsichtlich korrekten Betriebs. 6 a flow chart of the monitoring of components of the binary random number generator for correct operation.

Im Folgenden wird die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators anhand des Blockdiagramms in 1 erläutert.In the following, the first embodiment of the binary random number generator according to the invention will be described with reference to the block diagram in FIG 1 explained.

Die Rauschquelle, die als einzelne in Sperrrichtung gepolte Zener-Diode 1 ausgeführt ist, wird an ihren beiden Elektroden jeweils von einer bezüglich der Impedanz gegen Erde (Schaltungsmasse) symmetrischen Gleichspannung gespeist. Die Speisung der Zener-Diode erfolgt von einer hinsichtlich ihres Spannungspegels einstellbaren Gleichspannungsquelle 2 über jeweils einen symmetrisch ausgeführten Widerstand 3 und 3', d. h. über jeweils einen Widerstand 3 und 3' mit identischer Parameterwertigkeit.The noise source, which acts as a single reverse-biased zener diode 1 is executed, is fed at its two electrodes in each case by a respect to the impedance to earth (circuit ground) symmetrical DC voltage. The supply of the Zener diode is effected by a DC voltage source which can be set with regard to its voltage level 2 each with a symmetrical resistance 3 and 3 ' , ie via one resistor each 3 and 3 ' with identical parameter value.

Die Zener-Diode 1, die in Sperrrichtung gepolt ist und im Bereich ihrer Durchbruchspannung betrieben wird, weist aufgrund des Lawinenlaufzeiteffekts im Innern der im Bereich der Durchbruchspannung betriebenen Zener-Diode 1 ein sogenanntes Schrotrauschen auf. Dieses Schrotrauschen ist als Wechselanteil der an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 symmetrisch anliegenden Durchbruchspannung überlagert. Die zwischen den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 anliegende Gesamtspannung aus dem Gleichanteil der gespeisten Durchbruchspannung und dem Wechselanteil des erzeugten Schrotrauschens wird durch differentiellen Abgriff der an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 jeweils anliegenden Spannungen gegen Erde erfasst.The zener diode 1 , which is poled in the reverse direction and operated in the region of their breakdown voltage, has due to the avalanche runtime effect in the interior of the operated in the breakdown voltage Zener diode 1 a so-called shot noise. This shot noise is as an alternating component of the two electrodes of the Zener diode 1 symmetrically applied breakdown voltage superimposed. The between the two electrodes of the zener diode 1 applied total voltage from the DC component of the fed breakdown voltage and the AC component of the generated shot noise is obtained by differential tap the at the two electrodes of the Zener diode 1 each applied voltages to earth detected.

Die an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 erfasste Wechselspannung gegen Erde wird im Ausführungsbeispiel über jeweils einen Koppelkondensator 4 und 4' den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 5 zugeführt. Die beiden Koppelkondensatoren 4 und 4' sind nur für den zum Schrotrauschen gehörigen Wechselanteil der an der jeweiligen Elektrode der Zener-Diode 1 gegen Erde abgegriffenen Gesamtspannung durchlässig. Zwischen den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 5 liegt folglich eine dem Schrotrauschen in der Zener-Diode 1 entsprechende Wechselspannung an, die im Folgenden als Differenz der an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignale oder als Differenz-Rauschsignal bezeichnet wird.The at the two electrodes of the zener diode 1 recorded AC voltage to ground is in the embodiment via a coupling capacitor 4 and 4 ' the two inputs of a differential amplifier 5 fed. The two coupling capacitors 4 and 4 ' are only for the alternating noise component belonging to the shot noise at the respective electrode of the zener diode 1 permeable to earth tapped overall voltage. Between the two inputs of the differential amplifier 5 Consequently, there is a shot noise in the Zener diode 1 corresponding AC voltage, hereinafter referred to as the difference of the two electrodes of the Zener diode 1 tapped noise signals or as differential noise signal is called.

Der Arbeitspunkt des Differenzverstärkers 5 ist über eine in 1 nicht dargestellte lineare Rückkopplung stabilisiert. Durch geeignete Parametrierung dieser linearen Rückkopplung ist der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 5 einstellbar. Durch adaptive Einstellung der Parameter der linearen Rückkopplung kann der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 5 kontinuierlich nachgeregelt werden. Der Differenzverstärker 5 kann mit einem einzigen Operationsverstärker, der die Differenzbildung und Verstärkung gleichzeitig realisiert, oder aus mehreren kaskadierten Operationsverstärkern, in denen die Differenzbildung, die Verstärkung und weitere Signalverarbeitungsfunktionen jeweils separat durchgeführt werden, aufgebaut sein. Der Frequenzbandbereich des Differenz-Rauschsignals wird durch die Höhe des Verstärkungsbandbreitenproduktes des Differenzverstärkers oder zusätzlicher Frequenzgang-Kompensationsmaßnahmen begrenzt.The operating point of the differential amplifier 5 is about a in 1 not shown linear feedback stabilized. By appropriate parameterization of this linear feedback is the gain of the differential amplifier 5 adjustable. By adaptively adjusting the parameters of the linear feedback, the amplification factor of the differential amplifier 5 be readjusted continuously. The differential amplifier 5 can be constructed with a single operational amplifier, which realizes the difference and amplification simultaneously, or of a plurality of cascaded operational amplifiers, in which the difference, the gain and other signal processing functions are each performed separately. The frequency band range of the differential noise signal is limited by the magnitude of the gain bandwidth product of the differential amplifier or additional frequency response compensation measures.

Das verstärkte Differenz-Rauschsignal bzw. das verstärkte, differentiell an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 abgegriffene Rauschsignal wird einem weiteren Koppelkondensator 6 zur Filterung weiterer im Differenzverstärker 5 dem Differenz-Rauschsignal überlagerter Gleichspannungsanteile – beispielsweise Offsetspannung der im Differenzverstärker 5 verwendeten Operationsverstärker – zugeführt, um anschließend in einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert zu werden. Die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers 7 ist um ein Vielfaches kleiner als der Frequenzbandbereich des verstärkten und bandbegrenzten analogen Differenz-Rauschsignals, um eine Korrelation zwischen den Abtastwerten zu vermeiden.The amplified differential noise signal or the amplified, differentially at the two electrodes of the Zener diode 1 tapped noise signal is another coupling capacitor 6 for filtering more in the differential amplifier 5 the difference noise signal superimposed DC components - for example, offset voltage of the differential amplifier 5 used operational amplifier - fed to subsequently in an analog-to-digital converter 7 to be digitized. The sampling frequency of the analog-to-digital converter 7 is many times smaller than the frequency band range of the amplified and band-limited analog differential noise signal to avoid correlation between the samples.

Die Abtastwerte des digitalisierten und verstärkten Differenz-Rauschsignals werden in einer nachfolgenden digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 digital nachverarbeitet und in eine Sequenz von Zufallsbits gewandelt, wie aus der weiter unten im Detail beschriebenen digitalen Signalverarbeitung im Flussdiagramm der 3 hervorgeht. Neben diesen Signalverarbeitungsfunktionen sind in der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 zusätzliche Überwachungs- und Steuerungsfunktionen im Hinblick auf einen korrekten Betrieb des binären Zufallszahlengenerators – Überwachung und Regelung des differentiell an der Zener-Diode abgegriffenen Rauschsignals hinsichtlich Signalüber- oder -unterschreitung gemäß Flussdiagramm der 4, Überwachung von Umgebungsbedingungen hinsichtlich zulässiger Parameter gemäß Flussdiagramm der 5, Überwachung von Komponenten des binären Zufallszahlengenerators hinsichtlich korrekten Betriebs gemäß Flussdiagramm der 6 – implementiert.The samples of the digitized and amplified differential noise signal are processed in a subsequent digital signal processing unit 8th digitally processed and converted into a sequence of random bits, as described in more detail below the digital signal processing in the flowchart of 3 evident. In addition to these signal processing functions are in the digital signal processing unit 8th additional monitoring and control functions for correct operation of the binary random number generator - monitoring and control of the differentially picked up at the Zener diode noise signal in terms of signal overshoot or undershoot according to the flowchart of 4 , Monitoring of environmental conditions regarding permissible parameters according to the flowchart of 5 , Monitoring components of the binary random number generator for correct operation according to the flowchart of the 6 - implemented.

Die digitale Signalverarbeitungs-Einheit 8 kann als Mikro-Controller oder als Mikroprozessor bzw. Signalprozessor in Kombination mit digitalen Speicher-Bausteinen und Ein-/Ausgabe-Bausteinen oder als anders geartete echtzeitfähige Signalverarbeitungen durchführende Verarbeitungs-Einheit realisiert sein.The digital signal processing unit 8th may be implemented as a micro-controller or as a microprocessor or signal processor in combination with digital memory devices and input / output devices or as a different type of real-time signal processing processing unit.

Der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 ist ein Schalter 9 nachgeschaltet, dessen Zustand von der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 ansteuerbar ist und die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits im Fall einer Signalüber- oder -unterschreitung der Abtastwerte des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals, im Fall einer unzulässigen Temperatur und/oder eines unzulässigen Spannungspegels der Gleichspannungsquelle 2 und/oder eines unzulässigen Strompegels der Gleichstromquellen 14 bzw. 14' und/oder eines unzulässigen Spannungspegels der Stromversorgung des gesamten Zufallszahlengenerators und/oder im Fall einer defekten Komponente des binären Zufallszahlengenerators sperrt. Der Schalter 9 wird vorzugsweise durch eine Funktion in der Signalverarbeitungseinheit 8 realisiert.The digital signal processing unit 8th is a switch 9 whose state is from the digital signal processing unit 8th is controllable and the output of the sequence of random bits in the case of signal overshoot or undershoot the samples of the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal, in the case of an inadmissible temperature and / or an inadmissible voltage level of the DC voltage source 2 and / or an impermissible current level of the DC sources 14 respectively. 14 ' and / or an inadmissible voltage level of the power supply of the entire random number generator and / or blocks in the case of a defective component of the binary random number generator. The desk 9 is preferably by a function in the signal processing unit 8th realized.

Neben der Ansteuerung des Schalters 9 zur Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits führt die digitale Signalverarbeitungs-Einheit 8 die adaptive Parametrierung der linearen Rückkopplung des Differenzverstärkers 5 im Rahmen der Nachregelung des Verstärkungsfaktors des Differenzverstärkers 5 durch. Hierzu enthält die digitale Signalverarbeitungseinheit 8 eine Funktion, welche die Abtastwerte des verstärkten Differenz-Rauschsignals auf Signalüber- oder -untersteuerung überwacht.In addition to the control of the switch 9 for outputting the sequence of random bits, the digital signal processing unit 8th the adaptive parameterization of the linear feedback of the differential amplifier 5 in the context of the readjustment of the amplification factor of the differential amplifier 5 by. This includes the digital signal processing unit 8th a function that monitors the samples of the amplified differential noise signal for signal over or under control.

Im Hinblick auf eine Kompensation einer Temperaturdrift und einer Versorgungsspannungsdrift durch Nachregelung des Verstärkungsfaktors des Differenzverstärkers 5 erhält die digitale Signalverarbeitungs-Einheit 8 optional von einer ersten Überwachungseinheit 11, welche mit einer Temperatur-Mess-Einheit 12 verbunden ist, einen Temperatur-Istwert und von einer zweiten Überwachungseinheit 13 den Wert der auf die Zener-Diode 1 eingeprägten Gleichspannung.With regard to a compensation of a temperature drift and a supply voltage drift by readjustment of the amplification factor of the differential amplifier 5 receives the digital signal processing unit 8th optionally from a first monitoring unit 11 , which with a temperature measuring unit 12 is connected, a temperature actual value and from a second monitoring unit 13 the value of the zener diode 1 impressed DC voltage.

Zusätzlich führt die digitale Signalverarbeitungseinheit 8 die Verstellung des Spannungspegels der Gleichspannungsquelle 2 im Rahmen der Anpassung des Differenz-Rauschsignalpegels an den Eingangssignalbereich des Analog-Digital-Wandlers durch.In addition, the digital signal processing unit performs 8th the adjustment of the voltage level of the DC voltage source 2 in the context of adjusting the differential noise signal level to the input signal range of the analog-to-digital converter.

In 2 ist die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen binären Zufallszahlengenerators dargestellt. Identische Funktionseinheiten weisen identische Bezugszeichen auf und werden im Folgenden nicht mehr beschrieben.In 2 the second embodiment of the binary random number generator according to the invention is shown. Identical functional units have identical reference symbols and will not be described below.

Anstelle einer Spannungseinprägung mithilfe der Gleichspannungsquelle 2 und den beiden symmetrisch verschalteten Vorwiderständen 3 und 3' besitzt die zweite Ausführungsform eine symmetrische Stromeinprägung mit den beiden symmetrisch angeordneten und jeweils mit einer Elektrode der Zener-Diode 1 verbundene Stromquelle 14 und 14' auf. Analog wie bei der Spannungseinprägung in der ersten Ausführungsform gemäß 1 wird zur Regelung der Stromstärke der beiden Stromquellen 14 und 14' die an der Zener-Diode 1 anliegende Gleichspannung von der zweiten Überwachungs-Einheit 13 gemessen und der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 zugeführt.Instead of a voltage impression using the DC voltage source 2 and the two symmetrically connected series resistors 3 and 3 ' the second embodiment has a symmetrical current injection with the two symmetrically arranged and in each case with an electrode of the Zener diode 1 connected power source 14 and 14 ' on. Analogous to the voltage impression in the first embodiment according to 1 is used to control the amperage of the two power sources 14 and 14 ' the at the zener diode 1 applied DC voltage from the second monitoring unit 13 measured and the digital signal processing unit 8th fed.

In der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 werden in der zweiten Ausführungsform die von der zweiten Überwachungs-Einheit 13 gemessene und an der Zener-Diode 1 anliegenden Gleichspannung zur Regelung der in die Zener-Diode 1 eingeprägten Gleichströme dahingehend berücksichtigt, dass bei unzulässigen Werten der Schalter 9 zum Sperren der Sequenz von Zufallsbits geöffnet wird und entweder die Strompegel der beiden Gleichstromquellen 14 und 14' nachgeregelt werden oder der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 5 zur Anpassung der differentiell an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignale an den Eingangssignalbereich des Analog-Digital-Wandlers 7 nachgestellt wird.In the digital signal processing unit 8th in the second embodiment, those of the second monitoring unit 13 measured and at the zener diode 1 applied DC voltage to control the in the Zener diode 1 impressed direct currents to the effect that at inadmissible values, the switch 9 is opened to block the sequence of random bits and either the current levels of the two DC sources 14 and 14 ' be readjusted or the amplification factor of the differential amplifier 5 for adapting the differentially to the two electrodes of the Zener diode 1 tapped noise signals to the input signal range of the analog-to-digital converter 7 is readjusted.

Im Folgenden wird die in der digitalen Signalverarbeitungs-Einheit 8 durchgeführte Signalverarbeitung der vom Analog-Digital-Wandler 7 gelieferten Abtastwerte des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals anhand des Flussdiagramms in 3 erläutert:
Im ersten Verfahrensschritt S10 wird mit Einlesen der kontinuierlich in der Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers 7 erzeugten Abtastwerte der verstärkten und differentiell an den beiden Elektroden der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignale jeweils die Differenz zweier aufeinander folgender Abtastwerte bestimmt.The following is the in the digital signal processing unit 8th performed signal processing of the analog-to-digital converter 7 supplied samples of the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal using the flowchart in 3 explains:
In the first method step S10 is read in the continuously in the sampling rate of the analog-to-digital converter 7 generated samples of the amplified and differentially at the two electrodes of the Zener diode 1 tapped noise signals each determines the difference between two consecutive samples.

In einem optional durchzuführenden Verfahrensschritt S20 können aus einer von Null verschiedenen Differenz oder mehreren aufeinander folgenden Differenzen von jeweils aufeinander folgenden Abtastwerten des digitalisierten Differenzrauschsignals mit Hilfe einer Booleschen Funktion, vorzugsweise der Anwendung einer XOR-Funktion auf Bitebene, ein oder mehrere Zufallsbits generiert werden.In an optional method step S20, a non-zero difference or a plurality of successive differences of respectively successive samples of the digitized differential noise signal can be determined by means of a Boolean function, preferably using a bit-level XOR function, one or more random bits are generated.

Im nächsten Verfahrensschritt S30 wird ermittelt, ob die in Verfahrensschritt S10 ermittelte Differenz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Abtastwerten oder die in Verfahrensschritt S20 XOR-verküpften Differenzen ungleich Null sind.In the next method step S30, it is determined whether the difference between two successive sample values determined in method step S10 or the differences XOR-linked in method step S20 are not equal to zero.

Ist dies der Fall, so wird im darauffolgenden Verfahrensschritt S40 ein Bit für die Sequenz von Zufallsbits erzeugt, das bei einer positiven Differenz die invertierte Wertigkeit zum Fall einer negativen Differenz – Folge mit positiver und negativer Differenz: Bit-Sequenz mit Wertigkeitsfolge 1-0; Folge mit negativer und positiver Differenz: Bit-Sequenz mit Wertigkeitsfolge 0-1 – aufweist.If this is the case, then in the following method step S40 a bit is generated for the sequence of random bits, which in the case of a positive difference, the inverted significance for the case of a negative difference sequence with positive and negative difference: bit sequence with significance sequence 1-0; Sequence with negative and positive difference: Bit sequence with sequence of values 0-1 - has.

Ist die Differenz zweier Abtastwerte des differentiellen Rauschsignals dagegen Null und ist somit durch die begrenzte Auflösung des Analog-Digital-Wandlers eine Differenz nicht erfassbar, so wird für das aktuelle Wertepaar gemäß Verfahrensschritt S50 kein Bit für die Sequenz der Zufallsbits erzeugt.On the other hand, if the difference between two sampled values of the differential noise signal is zero and thus a difference can not be detected by the limited resolution of the analog-to-digital converter, no bit is generated for the sequence of random bits for the current value pair according to method step S50.

Im darauffolgenden Verfahrensschritt S60 wird die Überwachung und Regelung des differentiell an der Zener-Diode abgegriffenen Rauschsignals hinsichtlich Signalüber- oder -unterschreitung mit den einzelnen im Flussdiagramm der 4 noch detaillierter beschriebenen Verfahrensschritten durchgeführt.In the subsequent step S60, the monitoring and control of the differentially tapped at the Zener diode noise signal with respect to signal overrun or underrun with the individual in the flowchart of 4 performed in more detail described method steps.

Der darauffolgende Verfahrensschritt S70 beinhaltet die Überwachung von Umgebungsbedingungen hinsichtlich zulässiger Parameter mit den einzelnen im Flussdiagramm der 5 noch detaillierter beschriebenen Verfahrensschritten.Subsequent step S70 involves monitoring ambient conditions for allowable parameters with the individual ones in the flowchart of FIG 5 Still more detail described method steps.

Schließlich wird im abschließenden Verfahrensschritt S80 die Überwachung der Komponenten des binären Zufallszahlengenerators hinsichtlich ihres korrekten Betriebs durchgeführt, wie sie im Flussdiagramm der 6 in ihren einzelnen Verfahrensschritten beschrieben ist.Finally, in the final method step S80, the components of the binary random number generator are monitored for their correct operation, as shown in the flowchart of FIG 6 is described in their individual process steps.

Im Folgenden wird die Überwachung und Regelung des differentiell an der Zener-Diode abgegriffenen Rauschsignals hinsichtlich Signalüber- oder -unterschreitung anhand des Flussdiagramms in 4 beschrieben.In the following, the monitoring and control of the differential signal picked up at the Zener diode with respect to signal overshoot or undershoot will be described with reference to the flowchart in FIG 4 described.

Im ersten Verfahrensschritt S200 werden die Abtastwerte des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode abgegriffenen Rauschsignals erfasst und hinsichtlich Signalüber- oder -unterschreitung überwacht. Hinsichtlich Signalunterschreitung wird jeweils ein Signalabschnitt des Rauschsignals bewertet, indem ein Intervall von Abtastwerten des Rauschsignals einerseits mit einem minimal geforderten dritten Grenzwert und andererseits mit einem maximal geforderten vierten Grenzwert verglichen wird. Erreicht kein Abtastwert den minimal geforderten dritten Grenzwert oder erreicht kein Abtastwert den maximal geforderten vierten Grenzwert, so liegt eine Signalunterschreitung vor. Hinsichtlich Signalüberschreitung werden die Abtastwerte einerseits mit einem minimal zulässigen ersten Grenzwert und andererseits mit einem maximal zulässigen zweiten Grenzwert verglichen. Unterschreiten die Abtastwerte den minimal zulässigen ersten Grenzwert oder überschreiten die Abtastwerte den maximal zulässigen zweiten Grenzwert, so liegt eine Signalüberschreitung vor.In the first method step S200, the sampled values of the amplified noise signal picked up differentially at the Zener diode are detected and monitored with respect to signal overshoot or undershoot. With regard to signal undershoot, a signal section of the noise signal is evaluated in each case by comparing an interval of samples of the noise signal on the one hand with a minimum required third limit value and on the other hand with a maximum required fourth limit value. If no sample value reaches the minimum required third limit value or if no sample value reaches the maximum required fourth limit value, there is a signal undershoot. With regard to signal overshoot, the samples are compared on the one hand with a minimum permissible first limit value and on the other hand with a maximum permissible second limit value. If the sampling values fall below the minimum permissible first limit value or if the sampling values exceed the maximum permissible second limit value, then there is a signal overshoot.

Ergeben die in Verfahrensschritt S210 durchgeführten Vergleiche, dass entweder eine Signalüber- oder -unterschreitung vorliegt, so wird im darauffolgenden Verfahrensschritt S220 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Öffnen des Schalters 9 gesperrt.If the comparisons carried out in method step S210 indicate that there is either a signal overshoot or undershoot, then in the following method step S220 the output of the sequence of random bits is opened by opening the switch 9 blocked.

Da die Signalüber- oder -unterschreitung des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffen Rauschsignals unterschiedliche Ursachen besitzt – beispielsweise Temperatur- oder Versorgungsspannungsdrift oder unkalibrierte Verstärkung des Differenzverstärkers 5 – sind im folgenden unterschiedliche Maßnahmen zur Regelung des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals durchzuführen.Since the signal overshoot or undershoot the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal has different causes - for example, temperature or supply voltage drift or uncalibrated gain of the differential amplifier 5 - Below are different measures for controlling the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal to perform.

Beispielsweise bei einer Temperaturdrift oder bei einer unkalibrierten Verstärkung des Differenzverstärkers 5 ist gemäß Verfahrensschritt S230 der einstellbare Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 5 solange nachzuregeln, bis keine Signalüber- oder -unterschreitung der Abtastwerte des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals mehr vorliegt.For example, at a temperature drift or at an uncalibrated gain of the differential amplifier 5 is the adjustable gain of the differential amplifier according to step S230 5 as long as no signal overshoot or undershoot of the samples of the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal is more present.

Im Fall einer Pegeldrift der elektrischen Versorgungsquelle ist gemäß Verfahrensschritt S240 der Spannungswert der Gleichspannungsquelle 2 gemäß 1 oder sind die Stromwerte der Gleichstromquellen 14 und 14' solange nachzuregeln, bis keine Signalüber- oder -unterschreitung der Abtastwerte des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals mehr vorliegt. Zusätzlich wird durch die Verstellung des Spannungswerts der Gleichspannungsquelle 2 bzw. des Stromwerts der beiden Gleichstromquellen 14, 14' das Rauschverhalten der Zener-Diode an den Eingangssignalbereich des Differenzverstärkers 5 angepasst.In the case of a level drift of the electrical supply source, according to method step S240, the voltage value of the DC voltage source 2 according to 1 or are the current values of the DC sources 14 and 14 ' as long as there is no signal overshoot or undershoot of the samples of the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal is more present. In addition, by adjusting the voltage value of the DC voltage source 2 or the current value of the two DC sources 14 . 14 ' the noise behavior of the zener diode to the input signal range of the differential amplifier 5 customized.

Daneben können auch andere hier nicht weiter ausgeführte Maßnahmen anstelle der in Verfahrensschritt S230 und S240 beschriebenen Maßnahmen zur Anpassung des Signalpegels des verstärkten und differentiell an der Zener-Diode 1 abgegriffenen Rauschsignals an den Eingangssignalbereich des Differenzverstärkers 5 durchgeführt werden.In addition, other measures not described further here can be used instead of the measures described in method steps S230 and S240 for adjusting the signal level of the amplified and differentially at the Zener diode 1 tapped noise signal to the input signal range of the differential amplifier 5 be performed.

Liegt keine Signalüber- oder unterschreitung mehr vor, so wird im abschließenden Verfahrensschritt S250 die Sequenz von Zufallsbits wieder durch Schließen des Schalters 9 freigegeben.If there is no more signal crossing or undershooting, then in the concluding method step S250 the sequence of random bits is restored by closing the switch 9 Approved.

Im Folgenden wird die Überwachung der Umgebungsbedingungen hinsichtlich zulässiger Parameterwerte anhand des Flussdiagramms in 5 beschrieben. Hierbei werden die Parameter Temperatur, Spannungspegel der Stromversorgung des Zufallszahlengenerators, Spannungspegel der Gleichspannungsquelle 2 und Strompegel der beiden Gleichstromquellen 14 und 14' erfasst und bewertet:
Im ersten Verfahrensschritt S300 wird im Fall einer Spannungseinprägung der Spannungspegel der Gleichspannungsquelle 2 und im Fall einer Stromeinprägung der Spannungsabfall an der Zener-Diode 1 über die zweite Überwachungseinheit 13 erfasst und hinsichtlich unzulässiger Werte durch Vergleich mit vorher festgelegten Grenzwerten überwacht. Analog wird der Spannungspegel der Stromversorgung des gesamten Zufallszahlengenerators an einer geeigneten Messstelle der Stromversorgung durch Vergleich mit einem vorher festgelegten Grenzwert überwacht.In the following, the monitoring of the environmental conditions with regard to permissible parameter values is based on the flowchart in FIG 5 described. Here, the parameters temperature, voltage level of the power supply of the random number generator, voltage level of the DC voltage source 2 and current levels of the two DC sources 14 and 14 ' recorded and evaluated:
In the first method step S300, in the case of a voltage impression, the voltage level of the DC voltage source becomes 2 and in the case of a current injection, the voltage drop across the zener diode 1 via the second monitoring unit 13 recorded and monitored for impermissible values by comparison with predefined limit values. Similarly, the voltage level of the power supply of the entire random number generator is monitored at a suitable measuring point of the power supply by comparison with a predetermined threshold.

Ergeben die in Verfahrensschritt S310 durchgeführten Vergleiche, dass ein unzulässiger Spannungspegel der Gleichspannungsquelle 2 oder ein unzulässiger Strompegel der Gleichstromquellen 14 und 14' oder ein unzulässiger Spannungspegel der Stromversorgung des gesamten Zufallszahlengenerators vorliegen, so wird im nächsten Verfahrensschritt S320 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Öffnen des Schalters 9 unterbunden.If the comparisons performed in method step S310 result in an impermissible voltage level of the DC voltage source 2 or an impermissible current level of the DC sources 14 and 14 ' or an inadmissible voltage level of the power supply of the entire random number generator, so in the next step S320, the output of the sequence of random bits by opening the switch 9 prevented.

Im darauffolgenden Verfahrensschritt S330 werden entweder der Spannungspegel der regelbaren Gleichspannungsquelle 2 oder die Strompegel der regelbaren Gleichstromquellen 14 und 14' oder der Spannungspegel der Stromversorgung für den gesamten Zufallszahlengenerators auf zulässige Werte nachgeregelt.In the subsequent method step S330, either the voltage level of the controllable DC voltage source 2 or the current levels of the controllable DC sources 14 and 14 ' or the voltage level of the power supply for the entire random number generator is readjusted to allowable values.

Liegen zulässige Werte des Spannungspegels oder der Strompegel vor, so wird in Verfahrensschritt S340 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Schließen des Schalters 9 wieder freigegeben.If permissible values of the voltage level or the current levels are present, then in step S340 the output of the sequence of random bits is obtained by closing the switch 9 released again.

Im darauffolgenden Verfahrensschritt S350 wird der Umgebungstemperaturwert über eine Temperatur-Mess-Einheit 12 erfasst und in einer ersten Überwachungs-Einheit 11 hinsichtlich unzulässiger Werte durch Vergleich mit vorab festgelegten Grenzwerten überwacht.In the subsequent method step S350, the ambient temperature value is measured via a temperature measuring unit 12 recorded and in a first monitoring unit 11 with regard to impermissible values by comparison with predefined limit values.

Ergibt der Vergleich gemäß Verfahrensschritt S360, dass ein unzulässiger Temperaturwert vorliegt, so wird im darauffolgenden Verfahrensschritt die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Öffnen des Schalters 9 unterbunden.If the comparison according to method step S360 reveals that an impermissible temperature value exists, then in the subsequent method step the output of the sequence of random bits is opened by opening the switch 9 prevented.

Im nächsten optionalen Verfahrensschritt S380 wird eine geeignete Maßnahme zur Anpassung der Umgebungstemperatur an zulässige Werte – beispielsweise durch Kühlung – durchgeführt.In the next optional method step S380, a suitable measure for adapting the ambient temperature to permissible values is carried out, for example by cooling.

Sobald ein zulässiger Umgebungstemperaturwert erreicht ist, wird im abschließenden Verfahrensschritt S390 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Schließen des Schalters 9 wieder freigegeben.As soon as a permissible ambient temperature value is reached, the final step S390 is to output the sequence of random bits by closing the switch 9 released again.

Im Folgenden wird die Überwachung von Komponenten des binären Zufallszahlengenerators hinsichtlich eines korrekten Betriebs anhand des Flussdiagramms in 6 erläutert.Hereinafter, the monitoring of components of the binary random number generator for correct operation will be described with reference to the flowchart in FIG 6 explained.

Im ersten Verfahrensschritt S400 wird die korrekte Funktion der einzelnen Funktionseinheiten – Komponenten – in der Signalflusskette des binären Zufallszahlengenerators – Zener-Diode 1, Differenzverstärkers 5, Analog-Digital-Wandler 7 – mittels statistischen Online-Tests überwacht. Auf diese Weise kann ein Teil- oder Totalausfall einer oder mehrerer Komponenten der Signalflusskette aus Alterungsgründen oder anderen bauteilbegründeten Ursachen identifiziert werden.In the first method step S400, the correct function of the individual functional units - components - in the signal flow chain of the binary random number generator - Zener diode 1 , Differential amplifier 5 , Analog-to-digital converter 7 - monitored by online statistical tests. In this way, a partial or total failure of one or more components of the signal flow chain can be identified for reasons of aging or other device-based causes.

Wird gemäß Verfahrensschritt S410 ein solcher Defekt einer oder mehrerer Komponenten des binären Zufallszahlengenerators identifiziert, so wird im darauffolgenden Verfahrensschritt S420 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Öffnen des Schalters 9 gesperrt.If such a defect of one or more components of the binary random number generator is identified according to method step S410, then in the subsequent method step S420 the output of the sequence of random bits is opened by opening the switch 9 blocked.

Im darauffolgenden Verfahrensschritt S430 wird nach Beseitigung der Fehlerquelle der korrekte Betrieb der jeweiligen Komponente wiederhergestellt.In the subsequent method step S430, after correcting the error source, the correct operation of the respective component is restored.

Nach Wiederherstellung des korrekten Betriebs der jeweiligen Komponente wird im abschließenden Verfahrensschritt S440 die Ausgabe der Sequenz von Zufallsbits durch Schließen des Schalters 9 wieder freigegeben.After restoration of the correct operation of the respective component, in the final step S440, the output of the sequence of random bits by closing the switch 9 released again.

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsformen nicht beschränkt. Von der Erfindung sind auch andere Halbleiterbauelemente anstelle der Zener-Diode abgedeckt, die in analoger Weise bei Einprägung einer symmetrischen Gleichspannung oder eines symmetrischen Gleichstromes eine der Durchbruchspannung überlagertes Rauschsignal, insbesondere ein Schrotrauschsignal, liefern. Das Zufallssignal kann auch durch ein Halbleiterrauschen ohne Durchbruchspannung erzeugt werden.The invention is not limited to the illustrated embodiments. The invention also covers other semiconductor components instead of the Zener diode, which in an analogous manner when impressing a symmetrical DC voltage or a symmetrical DC current deliver a noise signal superimposed on the breakdown voltage, in particular a shot noise signal. The random signal can also be generated by a semiconductor noise without breakdown voltage.

Ferner sind von der Erfindung auch Verfahren abgedeckt, welche aus einer von Null verschiedenen Differenz oder mehreren aufeinander folgenden Differenzen von jeweils aufeinander folgenden Abtastwerten des digitalisierten Differenzrauschsignals mit Hilfe einer Booleschen Funktion, vorzugsweise der Anwendung einer XOR-Funktion auf Bitebene, ein oder mehrere Zufallsbits generieren.Furthermore, the invention also covers methods which generate one or more random bits from a difference, which is different from zero, or from a plurality of successive differences of respectively successive samples of the digitized difference noise signal with the aid of a Boolean function, preferably the application of an XOR function at bit level ,

Claims

Random number generator for generating a sequence of random bits with an electrical source ( 2 . 3 . 3 ' . 14 . 14 ' ) for the earth-symmetrical feeding of the two electrodes of a semiconductor element ( 1 ), wherein the semiconductor element ( 1 ) is used to generate in each case an analog noise signal at the two electrodes, a differential amplifier ( 5 ) whose inputs are symmetrical with the two electrodes of the semiconductor element ( 1 ) are adapted to adapt the signal difference at the electrodes of the semiconductor element ( 1 ) each generated analog noise signals to the input signal range of a subsequent analog-to-digital converter ( 7 ), an analog-to-digital converter ( 7 ) for digitizing the amplified signal difference and a downstream digital signal processing unit ( 8th ) for digital post-processing of samples of the digitized signal difference and for generating the sequence of random bits, wherein the amplification factor of the differential amplifier ( 5 ) in a linear feedback of the differential amplifier ( 5 ) by the digital signal processing unit ( 8th ) is adjustable and nachregelbar.

Random number generator according to claim 1, characterized in that the electrical source ( 2 ; 3 . 3 ' . 14 . 14 ' ) a DC voltage source ( 2 ) with two symmetrically connected, identical high-impedance resistors ( 3 . 3 ' ).

Random number generator according to claim 1, characterized in that the electrical source ( 2 ; 3 . 3 ' . 14 . 14 ' ) two symmetrically switched DC sources ( 14 . 14 ' ) are.

Random number generator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the amplification factor of the differential amplifier ( 5 ) for adapting the signal difference to the input signal range of the subsequent analog-to-digital converter ( 7 ) and can be adjusted on the basis of the monitoring of the sampled values of the digitized signal difference.

Random number generator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the amplification factor of the differential amplifier ( 5 ) for compensating a temperature drift of the semiconductor element ( 1 ) and / or a voltage or current drift of the electrical source ( 2 ; 3 . 3 ' . 14 . 14 ' ) and can be adjusted on the basis of monitoring the temperature and / or the voltage or the current.

Random number generator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sampling frequency of the analog-to-digital converter ( 7 ) is considerably smaller than the frequency bandwidth of the noise signal.

Random number generator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the digital post-processing of samples of the digitized signal difference in the digital signal processing unit ( 8th ) includes forming a difference of two successive samples of the digitized signal difference and generating one bit of the sequence of random bits in response to the determined difference.

Random number generator according to claim 7, characterized in that in the case of a non-zero difference, the significance of the respective bit of the sequence of random bits in a positive difference is inverted to the significance of the respective bit of the sequence of random bits in the case of a negative difference.

Random number generator according to claim 7, characterized in that in the case of a difference of zero, the generation of the respective bit of the sequence of random bits is omitted.

Random number generator according to Claim 7, characterized in that one or more random bits are generated from a difference, which is different from zero, or from a plurality of successive samples of the digitized difference noise signal, using a Boolean function, preferably the application of an XOR function at bit level become.

Random number generator according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the digital signal processing unit ( 8th ) a switching element ( 9 ), which in case of an inadmissible temperature and / or an inadmissible voltage level or an impermissible current level of the electrical source ( 2 ; 3 . 3 ' . 14 . 14 ' ) and / or an inadmissible voltage level of the power supply of the random number generator and / or an over- or under-controlled signal difference at the electrodes of the zener diode ( 1 ) each generated analog noise signals and / or in the case of a partial or total failure of the zener diode ( 1 ), the differential amplifier ( 5 ) and / or the analog-to-digital converter ( 7 ) prevents the output of the sequence of random bits.

Random number generator according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the semiconductor element is a diode, in particular a zener diode ( 1 ) is.