JP2000066879A - 乱数発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ソフトウェア処理とハードウェアとを複合し
てランダム性の高い乱数を発生させる。 【解決手段】 ノイズ発生源１２が発生するノイズを、
帯域制限増幅器１３により帯域制限して増幅し、さらに
これをサンプルホールド回路１４において標本化してデ
ィジタル信号列に変換し、得られた信号列をマイクロプ
ロセッサ１７内のＭ系列符号発生部１７ａにおいてソフ
トウェア処理して乱数を発生する。同じ乱数が異なる二
箇所で同時に発生する不都合を排除し、乱数としての信
頼性を確実に高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ソフトウェア処理
とハードウェアとを複合してランダム性の高い乱数を発
生させるようにした乱数発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速道路の料金所において利用料金を自
動的に徴収する自動料金収受システム（ＥＴＣ）の導入
を控え、路車間通信に必要な通信装置を搭載した車両の
開発が進められている。高速道路自動料金収受システム
を利用する車両は、料金所の手前の所定の通信エリア内
に達した段階で、路側ビーコンを介して料金所と通信接
続確立を行う必要があり、初期接続処理用として例えば
３２ビットのリンクＩＤを用いて通信接続確立を行う方
法が検討されている。ただし、同一の路側ビーコン通信
エリア内では他の車載通信装置との通信上の衝突を避け
る必要があり、このためリンクＩＤに非常に高いランダ
ム性を与える乱数発生装置を開発する必要がある。

【０００３】図２に示す従来の乱数発生装置１は、乱数
発生ソフトウェアを搭載したマイクロプロセッサ２が、
初期接続処理用として３２ビットのリンクＩＤを発生す
るものであり、ここでは乱数としてＭ系列符号を用いる
ようにしている。マイクロプロセッサ２は、ソフトウェ
ア処理によりＭ系列符号を発生するのであるが、符号発
生原理を説明しやすいよう、ここでは便宜的にハードウ
ェア構成になぞらえてマイクロプロセッサ２の内部ブロ
ックを図示してある。

【０００４】ソフトウェアが実現するＭ系列符号発生手
段は、０又は１の状態を記憶する１ビットのレジスタ３
ａを３２段に亙って縦列接続したシフトレジスタ３と、
特定段のレジスタ３ａからデータを取り出して帰還させ
る帰還タップ４と、帰還タップ４からの出力を加算して
初段のレジスタ３ａに帰還する加算器（排他的論理和回
路）５とから構成され、各レジスタ３ａが保持するビッ
トデータは所定の動作クロックに従って順次シフトされ
る。なお、帰還タップ４の位置は特定段に設定する必要
があり、こうすることで、所定周期で所定の変化形態を
示すＭ系列符号を発生することができる。また、初期状
態として３２段のシフトレジスタ３の全てのレジスタ３
ａに「０」がセットされるオール０の状態を避けるた
め、Ｍ系列符号発生開始時に初期値として例えばオール
１等のデータをセットするよう、初期値を保持する初期
値レジスタ６がシフトレジスタ３に併設してあり、車両
が路側ビーコンとの通信エリア内に進入したときに作動
する起動トリガ回路７から供給されるトリガ信号によ
り、初期値レジスタ６の保持データが初期値としてシフ
トレジスタ３に移送されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の乱数発生装
置１が発生する乱数の精度は、マイクロプロセッサ２に
搭載した乱数発生ソフトウェアに依存するのは当然であ
るが、Ｍ系列符号の初期値は乱数発生ソフトウェアの起
動タイミングをもってセットされる。このため、起動タ
イミングが偶然重なってしまった２台の車両について
は、同じ初期値を用いてＭ系列符号を発生する結果、同
じ乱数をリンクＩＤとして用いてしまうことがあり、通
信障害を招く恐れがあった。これは、乱数発生ソフトウ
ェアの起動タイミングが幅広く分散していないことにも
一因があるが、いずれにしてもＭ系列符号として得られ
る乱数のランダム性が乏しくなるほど、他の車載通信装
置との通信上の衝突を招く危険が増え、料金収受システ
ム自体の円滑な運用の妨げとなるため、乱数のランダム
性を高める対策を講じなければならないといった課題が
あった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決したものであ
り、乱数発生ソフトウェアが必要とする初期値をノイズ
発生用のハードウェアから供給し、ランダム性の高い乱
数を発生することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ノイズを発生するノイズ発生源と、該ノ
イズ発生源から供給されるノイズを帯域制限して増幅す
る帯域制限増幅器と、該帯域制限増幅器の出力を標本化
するサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路
の標本化出力をディジタル信号列に変換するＡ／Ｄ変換
器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力をソフトウェア処理して乱
数を発生するマイクロプロセッサとを具備することを特
徴とするものである。

【０００８】また、本発明は、ノイズを発生するノイズ
発生源と、通過帯域及び増幅度が外部から可変設定さ
れ、前記ノイズ発生源から供給されるノイズを帯域制限
して増幅する帯域制限増幅器と、標本化タイミングを外
部から可変設定され、前記帯域制限増幅器の出力を標本
化するサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回
路の標本化出力をディジタル信号列に変換するＡ／Ｄ変
換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力をソフトウェア処理して
乱数を発生するとともに、該乱数に基づいて前記帯域制
限増幅器の通過帯域及び増幅度か又は前記サンプルホー
ルド回路の前記標本化タイミングの少なくとも一方を可
変設定するマイクロプロセッサとを具備することを特徴
とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１を
参照して説明する。図１は、本発明の乱数発生装置の一
実施形態を示す概略ブロック構成図である。

【００１０】図１に示す乱数発生装置１１は、ノイズ発
生源１２と帯域制限増幅器１３とサンプルホールド回路
１４とＡ／Ｄ変換器１５とを縦列接続して構成したノイ
ズ発生器１６と、乱数発生ソフトウェアを搭載したマイ
クロプロセッサ１７と、マイクロプロセッサ１７が発生
した乱数を書き込む不揮発性メモリ１８等から構成され
る。マイクロプロセッサ１７は、機能的に分割集約して
図示した２ブロックからなり、乱数発生ソフトウェアに
従って動作するＭ系列符号発生部１７ａと、発生した乱
数に応じてパラメータを可変設定するパラメータ可変設
定部１７ｂがこれらのブロックに該当する。

【００１１】ノイズ発生源１２は、熱雑音や或いは白色
雑音に相当する周期性のないノイズを発生する働きをす
るものであり、本実施形態では、例えば抵抗器の両端に
発生する熱雑音を増幅してコンパレータにおいてしきい
値判別することによりノイズを発生させる構成が用いら
れる。帯域制限増幅器１３は、通過帯域及び増幅度がマ
イクロプロセッサ１７内のパラメータ可変設定部１７ｂ
により可変設定され、ノイズ発生源１２から供給される
ノイズを帯域制限して増幅する。サンプルホールド回路
１４は、標本化タイミングをマイクロプロセッサ１７内
のパラメータ可変設定部１７ｂにより可変設定され、帯
域制限増幅器１３の出力を標本化する。Ａ／Ｄ変換器１
５は、サンプルホールド回路１４の標本化出力を量子化
してディジタル信号列に変換し、マイクロプロセッサ１
７内のＭ系列符号発生部１７ａに初期値として与える。

【００１２】ここで、ノイズ発生源１２は、周期性も再
現性ももたない熱雑音を発生し、これを帯域制限増幅器
１３を介してサンプルホールド回路１４に供給する。帯
域制限増幅器１３の通過帯域幅と増幅度は、マイクロプ
ロセッサ１７内のパラメータ可変設定部１７ｂが出力す
る通過帯域幅と増幅度を指定するパラメータにより設定
されており、同様にサンプルホールド回路の標本化タイ
ミングもまた、マイクロプロセッサ１７内のパラメータ
可変設定部１７ｂが出力する標本化タイミングを指定す
るパラメータにより設定されている。従って、ノイズ発
生源１２が発生したノイズは、前回生成した乱数に応じ
て設定されたパラメータに従って帯域制限されかつ増幅
され、続いて標本化される。

【００１３】サンプルホールド回路５によって標本化さ
れたノイズは、Ａ／Ｄ変換器１５に供給され、ここで量
子化されてディジタル数値列に変換される。ディジタル
数値列は、マイクロプロセッサ１７内のＭ系列符号発生
部１７ａに初期値として供給される。Ｍ系列符号発生部
１７ａは、Ａ／Ｄ変換器１５から供給されたディジタル
数値列を初期値としてＭ系列符号を発生するが、ここで
発生したＭ系列符号は乱数として不揮発性メモリ１８に
格納保存され、これが高速道路料金収受システムのため
の接続確認用リンクＩＤとして用いられる。また、この
乱数はパラメータ可変設定部１７ｂに供給され、次回の
リンクＩＤ作成時にノイズ発生器１６内で必要になる通
過帯域幅及び増幅度と標本化タイミングの設定に供され
る。

【００１４】このように、上記乱数発生装置１１によれ
ば、ノイズ発生源１２が発生するノイズを帯域制限して
増幅し、さらにこれを標本化してディジタル信号列に変
換し、得られた信号列をソフトウェア処理して乱数を発
生する構成としたから、与えられた初期値に基づいて単
純にソフトウェア処理によりて乱数を発生する従来装置
１のように、初期値を与えるタイミングが偶然に重なっ
てしまった場合に、同じ乱数が異なる二箇所で同時に発
生するといったランダム性を損なう問題が発生すること
は殆どない。また、ノイズ発生源１２がハードウェアに
固有のランダム性をもって発生する規則性をもたないノ
イズにより、ソフトウェア処理に供するディジタル信号
列を真のランダム性をもって発生することができ、同じ
乱数が異なる二箇所で同時に発生する不都合を徹底的に
排除し、発生乱数の信頼性を確実に高めることができ
る。

【００１５】また、仮にノイズ発生源１２自体のノイズ
発生に関する非周期性が外乱による影響を受けたとして
も、ノイズに由来する数値に基づいて乱数を発生するマ
イクロプロセッサ１７が、この乱数に基づいてパラメー
タ（通過帯域幅及び増幅度と標本化タイミング）を可変
設定するため、この帰還的修正とハードウェア処理との
相乗効果により、きわめて高いランダム性をもって乱数
を発生させることができる。

【００１６】また、ノイズ発生源１２が、熱雑音や或い
は白色雑音に相当する周期性のないノイズを発生する構
成としたから、例えば抵抗器の熱雑音をコンパレータに
てしきい値判別するといったハードウェア処理により安
定したノイズの発生が可能であり、電気的或いは機械的
に発生した周期性や再現性をもたないノイズを用い、マ
イクロプロセッサ１７によるソフトウェア処理による乱
数発生を確実なものとすることができる。また、マイク
ロプロセッサ１７が、Ａ／Ｄ変換器１５の出力を初期値
としてソフトウェア処理によりＭ系列符号を発生するた
め、Ａ／Ｄ変換器１５を介して与えられるノイズをもっ
てＭ系列符号の初期値を設定することで、Ｍ系列符号が
もつランダム性を有効活用することができ、同じ乱数が
異なる二箇所で同時に発生する不都合を良好に排除する
ことができる。

【００１７】なお、上記実施形態において、マイクロプ
ロセッサ１７が発生した乱数に応じて帯域制限増幅器１
３の通過帯域及び増幅度とサンプルホールド回路１４の
標本化タイミングの両方を可変設定する構成としたが、
帯域制限増幅器１３の通過帯域及び増幅度とサンプルホ
ールド回路１４の標本化タイミングのいずれか一方だけ
をマイクロプロセッサ１７が発生した乱数に応じて可変
設定するようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ
１７内のパラメータ可変設定部１７ｂは省略することも
でき、その場合は、帯域制限増幅器１３の通過帯域及び
増幅度も或いは帯域制限増幅器１３に接続されるサンプ
ルホールド回路１４の標本化タイミングも固定されるこ
とになるが、ノイズ発生源１２のランダム性に依存する
乱数発生は可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、ノイズ発生源が発生するノイズを帯域制限して増幅
し、さらにこれを標本化してディジタル信号列に変換
し、得られた信号列をソフトウェア処理して乱数を発生
する構成としたから、与えられた初期値に基づいて単純
にソフトウェア処理により乱数を発生する従来装置のよ
うに、初期値を与えるタイミングが偶然に重なってしま
った場合に、同じ乱数が異なる二箇所で同時に発生する
といったランダム性を損なう問題が発生することは殆ど
なく、ノイズ発生源がハードウェアに固有のランダム性
をもって発生する規則性をもたないノイズにより、ソフ
トウェア処理に供するディジタル信号列を真のランダム
性をもって発生することができ、同じ乱数が異なる二箇
所で同時に発生する不都合を徹底的に排除し、発生乱数
の信頼性を確実に高めることができる等の優れた効果を
奏する。

【００１９】また、本発明は、ノイズ発生源に接続され
る帯域制限増幅器の通過帯域及び増幅度か又は帯域制限
増幅器に接続されるサンプルホールド回路の標本化タイ
ミングの少なくとも一方を、マイクロプロセッサが発生
乱数に従って可変設定する構成としたから、仮にノイズ
発生源自体のノイズ発生に関する非周期性が外乱による
影響を受けたとしても、ノイズに由来する数値に基づい
て乱数を発生するマイクロプロセッサが、この乱数に基
づいて通過帯域幅及び増幅度と標本化タイミングを可変
設定するため、この帰還的修正とハードウェア処理との
相乗効果により、きわめて高いランダム性をもって乱数
を発生させることができる等の効果を奏する。

【００２０】また、ノイズ発生源が、熱雑音や或いは白
色雑音に相当する周期性のないノイズを発生する構成と
したから、例えば抵抗器の熱雑音をコンパレータにてし
きい値判別するといったハードウェア処理により安定し
たノイズの発生が可能であり、電気的或いは機械的に発
生した周期性や再現性をもたないノイズを用い、マイク
ロプロセッサによるソフトウェア処理による乱数発生を
確実なものとすることができる等の効果を奏する。

【００２１】また、マイクロプロセッサが、Ａ／Ｄ変換
器の出力を初期値としてソフトウェア処理によりＭ系列
符号を発生するため、Ａ／Ｄ変換器を介して与えられる
ノイズをもってＭ系列符号の初期値を設定することで、
Ｍ系列符号がもつランダム性を有効活用することがで
き、同じ乱数が異なる二箇所で同時に発生する不都合を
良好に排除することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の乱数発生装置の一実施形態を示す概略
ブロック構成図である。

【図２】従来の乱数発生装置の一例を示す概略ブロック
構成図である。

【符号の説明】

１１ 乱数発生装置 １２ ノイズ発生源 １３ 帯域制限増幅器 １４ サンプルホールド回路 １５ Ａ／Ｄ変換器 １６ ノイズ発生器 １７ マイクロプロセッサ １７ａ Ｍ系列符号発生部 １７ｂ パラメータ可変設定部 １８ 不揮発性メモリ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノイズを発生するノイズ発生源と、該ノ
   イズ発生源から供給されるノイズを帯域制限して増幅す
   る帯域制限増幅器と、該帯域制限増幅器の出力を標本化
   するサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路
   の標本化出力をディジタル信号列に変換するＡ／Ｄ変換
   器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力をソフトウェア処理して乱
   数を発生するマイクロプロセッサとを具備することを特
   徴とする乱数発生装置。
2. 【請求項２】 前記ノイズ発生源は、熱雑音や或いは白
   色雑音に相当する周期性のないノイズを発生することを
   特徴とする請求項１記載の乱数発生装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロプロセッサは、前記ＡＤ変
   換器の出力を初期値としてソフトウェア処理によりＭ系
   列符号を発生することを特徴とする請求項１記載の乱数
   発生装置。
4. 【請求項４】 ノイズを発生するノイズ発生源と、通過
   帯域及び増幅度が外部から可変設定され、前記ノイズ発
   生源から供給されるノイズを帯域制限して増幅する帯域
   制限増幅器と、標本化タイミングを外部から可変設定さ
   れ、前記帯域制限増幅器の出力を標本化するサンプルホ
   ールド回路と、該サンプルホールド回路の標本化出力を
   ディジタル信号列に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ
   変換器の出力をソフトウェア処理して乱数を発生すると
   ともに、該乱数に基づいて前記帯域制限増幅器の通過帯
   域及び増幅度か又は前記サンプルホールド回路の前記標
   本化タイミングの少なくとも一方を可変設定するマイク
   ロプロセッサとを具備することを特徴とする乱数発生装
   置。
5. 【請求項５】 前記ノイズ発生源は、熱雑音や或いは白
   色雑音に相当する周期性のないノイズを発生することを
   特徴とする請求項４記載の乱数発生装置。
6. 【請求項６】 前記マイクロプロセッサは、前記ＡＤ変
   換器の出力を初期値としてソフトウェア処理によりＭ系
   列符号を発生することを特徴とする請求項４記載の乱数
   発生装置。