ITVA20010033A1 - Circuito di generazione di una sequenza casuale di bit. - Google Patents

Description

“CIRCUITO DI GENERAZIONE DI UNA SEQUENZA CASUALE DI BIT”

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione concerne i generatori di numeri casuali ed in particolare un circuito di generazione di una sequenza casuale di bit.

BACKGROUND DELL’INVENZIONE

I generatori di numeri casuali (RNG) sono oggigiorno utilizzati in diversi campi, quali ad esempio la crittografia, per generare chiavi crittografiche e per inizializzare in maniera casuale certe variabili nei protocolli crittografici, i video-games, per realizzare giochi strettamente basati sulla casualità (fortuna).

Sequenze di numeri casuali possono essere generate sia via software sia via hardware. I generatori software di numeri casuali implementano un algoritmo che, ripetuto iterativamente a partire da un certo valore iniziale detto seme (“seed”) dell’ algoritmo, genera una sequenza di numeri uniformemente distribuita in un certo intervallo. Chiaramente, una qualsiasi sequenza di numeri da essi prodotta è periodica e può essere predetta conoscendo l’algoritmo e il seme dell’algoritmo utilizzati.

Dato che le sequenze di numeri prodotti da questi generatori sono predicibili, e quindi non realmente casuali, tali generatori software vengono anche chiamati Pseudo-RNG. Nonostante la loro semplicità di realizzazione, gli Pseudo-RNG sono inadatti in quelle applicazioni, quali la crittografia, in cui è assolutamente necessario generare chiavi crittografiche impredicibili.

I generatori hardware sono dei dispositivi che producono sequenze di numeri casuali sfruttando fenomeni fisici. Tali generatori possono essere dei sistemi deterministici con una dinamica molto complessa oppure sistemi, detti anche True-RNG, che sfruttano fenomeni fisici caotici o rumorosi come ad esempio il rumore termico di una resistenza o un diodo. La caratteristica di quest’ultimo tipo di generatori consiste nel fatto che la sequenza di numeri generata è sicuramente impredicibile, cosa che li rende particolarmente adatti ad essere utilizzati in crittografia.

In letteratura sono noti diversi esempi di generatori di numeri casuali basati su fenomeni fisici caotici.

Il brevetto US Pat. No. 6,061,702 descrive un True-RNG realizzato usando un oscillatore controllato in tensione (VCO), pilotato dal segnale ottenuto amplificando il rumore termico di una coppia di resistori. Il VCO genera un segnale la cui frequenza varia in maniera casuale, che viene utilizzato per campionare il segnale prodotto da una pluralità di oscillatori stabili aventi frequenza maggiore di quella del segnale prodotto dal VCO.

Il brevetto US Pat. No. 5,961,577 descrive un True-RNG comprendente un oscillatore, costituito da più amplificatori ad anello aventi al loro interno elementi circuitali sensibili al rumore, e un comparatore che genera un segnale logico casuale confrontando l’uscita di uno degli amplificatori con una soglia prestabilita.

I circuiti noti sopracitati hanno un’architettura relativamente complessa, in quanto richiedono o un oscillatore controllato in tensione o una serie di amplificatori ad anello.

Il brevetto US Pat. No. 6,195,669 descrive un generatore True-RNG in cui un segnale corrotto dal rumore prodotto da un generatore di rumore, è alimentato all’ingresso di un amplificatore ad alto guadagno che, dotato di condensatori di blocco della componente continua (offset del segnale), amplifica solo la componente alternata del segnale. Tale componente alternata amplificata viene convertita in una sequenza casuale di bit da un convertitore analogico/digitale.

In questo circuito sono però necessari dei condensatori di blocco per evitare che la componente continua del segnale di rumore (offset del segnale) porti in saturazione Γ amplificatore ad alto guadagno. Ciò comporta lo svantaggio di dover lavorare con un segnale che inverte la sua polarità, per cui il circuito che elabora tale segnale deve essere dotato sia di un’alimentazione positiva che un’alimentazione negativa.

SCOPO E SOMMARIO DELL’INVENZIONE

È stato ora trovato ed è l’oggetto della presente invenzione un circuito di generazione di sequenze casuali di bit basato su fenomeni fisici rumorosi (True-RNG) molto semplice da realizzare.

Il circuito dell’invenzione risolve brillantemente i problemi dovuti all’offset di segnale senza dover far uso di condensatori di blocco perché amplifica la componente alternata del segnale prodotto da una sorgente di rumore termico fornendo in ingresso ad un amplificatore differenziale il segnale di rumore e la sua componente continua, estratta mediante un filtro passa-basso.

Più precisamente l’oggetto della presente invenzione è un circuito di generazione di una sequenza casuale di bit comprendente una linea di polarizzazione, un generatore di un segnale di tensione corrotto da rumore polarizzato dal circuito di polarizzazione, uno stadio di amplificazione che produce un segnale amplificato rappresentativo della sola componente alternata del segnale corrotto da rumore e uno stadio di uscita elettricamente in cascata allo stadio di amplificazione che produce una sequenza casuale di bit in funzione del segnale rappresentativo.

Una peculiarità del circuito dell’invenzione consiste nel fatto che lo stadio di amplificazione comprende un filtro passa-basso di ingresso che alimenta la componente continua del segnale corrotto da rumore ad uno degli ingressi di un amplificatore differenziale all’altro ingresso del quale è alimentato il segnale corrotto da rumore non filtrato.

In tal modo non solo è possibile prelevare la componente rumorosa semplicemente adattando il punto di lavoro del differenziale, ma è possibile filtrare già in fase di preamplificazione le componenti di disturbo non desiderate a bassa frequenza quali variazioni sulla tensione di alimentazione, variazioni termiche e accoppiamenti capacitivi con altri segnali del dispositivo. La scelta dei parametri del filtro permette di decidere la finestra temporale sulla quale mediare il segnale rumoroso per ottenere la componente continua.

E rilevante notare come tale soluzione permetta sempre di elaborare segnali a media non nulla, in particolare segnali che non invertono la loro polarità. Utilizzando segnali che non invertono la loro polarità è possibile realizzare un circuito con un’unica alimentazione.

Lo stadio di uscita genera un segnale ad onda quadra che commuta tra stati alto e basso ad ogni inversione della componente alternata del segnale rappresentativo e comprende un circuito campionatore producente la sequenza casuale di bit campionando il segnale ad onda quadra con un segnale di clock che può essere fornito dall’ esterno.

L’invenzione è più precisamente definita nelle annesse rivendicazioni. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I diversi aspetti e vantaggi della presente invenzione risulteranno ancor più evidenti attraverso una descrizione dettagliata di una forma di realizzazione facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 è una forma di realizzazione dell’invenzione in cui lo stadio di amplificazione A3 è realizzato utilizzando un filtro passa-basso; la Figura 2 è uno schema circuitale dettagliato di una realizzazione preferita del circuito di Fig. 1;

la Figura 3 illustra possibili andamenti dei principali segnali del circuito di Fig. 2.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

Uno schema del circuito di generazione di sequenze casuali di bit dell’invenzione è illustrato in Fig. 1. Esso è costituito da una linea di polarizzazione Al che fornisce una certa tensione di polarizzazione ad un generatore A2 di un segnale di tensione corrotto da rumore NOISE BUFF, da uno stadio di amplificazione A3 della sola componente alternata del segnale NOISE BUFF e da uno stadio di uscita A4 che genera la sequenza casuale di bit.

La linea di polarizzazione Al può essere realizzata in vari modi: ad esempio collegando in serie due o più transistori MOSFET connessi a diodo tra i nodi di alimentazione come rappresentato in figura, oppure utilizzando un comune partitore di tensione. Nell’esempio di realizzazione di Fig. 1 si è preferito utilizzare due MOSFET di conduttività opposta connessi a diodo, di cui il MOSFET a canale P è sempre in conduzione mentre quello a canale N è sempre in interdizione, perché in questo modo si polarizza il generatore di rumore A2 dissipando minore potenza.

Il generatore di rumore A2 è stato realizzato per massima semplicità impiegando un amplificatore differenziale che amplifica la tensione di rumore termico di una coppia di resistori, ma può essere utilizzato un qualsiasi dispositivo che produca un segnale di tensione corrotto da rumore.

Lo stadio A3 produce un segnale replica amplificato della sola componente alternata del segnale di rumore NOISE BUFF senza far uso di condensatori di blocco. Molto semplicemente, un filtro passa-basso estrae la componente continua del segnale NOISE BUFF, che viene fornita ad un ingresso di un amplificatore differenziale, mentre all’ altro ingresso è applicato il segnale corrotto da rumore NOISE BUFF, non filtrato. Avendo segnali a media non nulla è possibile anche l’impiego di semplici amplificatori di classe A.

Nel caso di figura, il filtro passa-basso è un filtro R-C, ma nulla vieta di utilizzare un qualsiasi altro filtro passa-basso.

Il segnale amplificato rappresentativo della componente alternata del segnale NOISE BUFF viene fornito allo stadio di uscita A4, che produce un segnale ad onda quadra che commuta tra gli stati alto e basso ogni volta che la componente alternata del segnale NOISE_BUFF cambia segno. Il segnale ad onda quadra viene quindi campionato utilizzando un clock CLK che nell’esempio è generato esternamente, producendo in uscita una sequenza casuale di bit BIT OUT.

Secondo una realizzazione preferita, il segnale ad onda quadra viene generato molto semplicemente con un amplificatore di potenza, ricevente ai rispettivi ingressi le versioni del segnale rappresentativo prodotte sia dall’uscita invertente che dall’uscita non invertente dell’amplificatore differenziale dello stadio precedente. Il tal modo si possono rilevare le inversioni della componente alternata del segnale rappresentativo utilizzando, ancora una volta, segnali a media non nulla.

In Fig. 2 è riportato uno schema circuitale dettagliato della realizzazione preferita del generatore di sequenze di numeri casuali della Fig. 1. Nella figura si distinguono quattro sotto-circuiti Bl, B2, B3, B4 in cui accanto a ciascun componente sono indicati dei valori preferiti dei parametri costruttivi.

Il circuito di polarizzazione, illustrato nel sottocircuito Bl, è costituito da due MOSFET a canale P sempre in conduzione M25 e MI 36 e dal MOSFET a canale N sempre in interdizione M30, e fornisce una desiderata tensione di polarizzazione al generatore di rumore costituito dai due resistori R8 e R9 e dall’ amplificatore differenziale M108, M109, M104 e M105. Il transistore M244, pilotato dal segnale BIAS PI, comanda l’accensione dell’ amplificatore differenziale.

L’uscita NOISE1 viene fornita ad un buffer di tensione, illustrato nel sotto-circuito B2, costituito dai MOSFET M140, M142, M143, M144, generante il segnale corrotto da rumore NOISE BUFF.

Anche in questo caso il filtro passa-basso è un filtro R-C, costituito dal resistore RX170 e dal condensatore CWLA219, che estrae la componente continua NOISE MID del segnale NOISE BUFF. Come mostrato nel sottocircuito B3, entrambi i segnali NOISE MID e NOISE BUFF vengono forniti a rispettivi ingressi dell’ amplificatore differenziale, costituito dai MOSFET M190, M192, M189 e M188, le cui uscite OUT DIFF1 e OUT DIFF 2 sono le tensioni di ingresso dell’ amplificatore di potenza comprendente i MOSFET M202, M200, M197 e M198 e i due invertitori in cascata. In questo modo si amplifica la differenza tra i segnali OUT DIFF1 e OUT DIFF2 con una caratteristica saturata producendo il segnale ad onda quadra OUT.

Nella figura è anche illustrato un sotto-circuito B4 di accensione della sorgente di rumore.

All’attivarsi di un segnale di accensione ON, il transistore M102 è posto in conduzione mentre il transistore M242 entra in interdizione: la tensione BIAS PI sul nodo di controllo del MOSFET M243 si annulla e il MOSFET M244 del sotto-circuito B1 entra in conduzione, alimentando Γ amplificatore differenziale M108, M109, M104, M105.

Possibili andamenti dei principali segnali del circuito di Fig. 2 sono illustrati in Fig. 3, utilizzando i parametri costruttivi indicati accanto ad ogni componente di Fig. 2.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di generazione di una sequenza casuale di bit (BIT OUT) comprendente una linea di polarizzazione (Al), un generatore (A2) di un segnale di tensione corrotto da rumore (NOISE BUFF), polarizzato da detto circuito di polarizzazione (Al), uno stadio di amplificazione producente un segnale amplificato rappresentativo della sola componente alternata (A3) di detto segnale corrotto da rumore (NOISE BUFF), uno stadio di uscita (A4) elettricamente in cascata a detto stadio di amplificazione (A3) producente detta sequenza casuale di bit (BIT OUT) in funzione di detto segnale rappresentativo, caratterizzato dal fatto che detto stadio di amplificazione (A3) comprende un filtro passa-basso d’ingresso estraente la componente continua di detto segnale corrotto da rumore (NOISE BUFF); un amplificatore differenziale producente detto segnale rappresentativo, ricevente ad un ingresso non invertente detto segnale corrotto da rumore (NOISE BUFF) e ad un ingresso invertente detta componente continua estratta dal filtro passa-basso d’ingresso; detto stadio di uscita (A4) comprende un circuito generatore di un segnale ad onda quadra (OUT) che commuta tra stati alto e basso ad ogni inversione della componente alternata di detto segnale rappresentativo; e un circuito campionatore campionante detto segnale ad onda quadra (OUT) con un segnale di clock (CLK) e generante detta sequenza casuale di bit.
2. 2. Il circuito della rivendicazione 1, in cui detto circuito generatore di un segnale ad onda quadra (OUT) è un amplificatore differenziale di potenza con caratteristica di amplificazione saturata, ricevente ai suoi ingressi le versioni di detto segnale rappresentativo presenti rispettivamente sull’ uscita invertente e sull’uscita non invertente di detto primo amplificatore differenziale.
3. 3. Il circuito secondo una delle rivendicazioni 1 e 2, in cui detto filtro passa-basso è un filtro R-C.
4. 4. Il circuito secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto generatore di segnale corrotto da rumore (A2) comprende un amplificatore differenziale, producente detto segnale di tensione corrotto da rumore e una coppia di resistori d’ingresso, connessi in comune al nodo di polarizzazione di detta linea di polarizzazione (Al) ciascuno avente l’altro terminale connesso ad un rispettivo ingresso dell’amplificatore differenziale.
5. 5. Il circuito secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta linea di polarizzazione (Al) è costituita da due MOSFET a canale P connessi a diodo (M25, M136) collegati in serie tra il nodo di alimentazione e il nodo di polarizzazione di detto generatore (A2), e da un MOSFET a canale N connesso a diodo (M30) collegato tra il nodo di polarizzazione e massa.