JP2001344094A - 乱数発生回路 - Google Patents

乱数発生回路

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JP2001344094A
JP2001344094A JP2000163184A JP2000163184A JP2001344094A JP 2001344094 A JP2001344094 A JP 2001344094A JP 2000163184 A JP2000163184 A JP 2000163184A JP 2000163184 A JP2000163184 A JP 2000163184A JP 2001344094 A JP2001344094 A JP 2001344094A
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analog
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Haruhiko Ishii
春彦 石井
Yukio Tanaka
幸男 田中
Kenichi Kamiyama
健一 神山
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NTT Electronics Corp
Original Assignee
NTT Electronics Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、発生頻度が一様でかつ再現性
の無い乱数発生回路を簡易な構成で実現することにあ
る。 【解決手段】本発明は、抵抗や半導体素子等の電子部品
に流れる電流の揺らぎからアナログ的に発生する雑音を
増幅して乱数として出力するアナログ乱数発生回路13
と、レジスタと論理演算素子の組合せあるいはソフトウ
エア演算によりディジタル疑似乱数を発生し出力するデ
ィジタル疑似乱数発生回路12と、該アナログ乱数発生
回路13の出力と該ディジタル疑似乱数発生回路12の
出力とを論理演算して出力する論理演算回路14とを具
備することを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は2値(1/0)の乱
数を時系列的に発生させる乱数発生回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、クレジットカードなどで使用され
ている磁気カードの偽造防止対策として、暗号回路を搭
載したICカードの開発が進められている。セキュリテ
ィを高めるためには暗号回路内に発生頻度が一様でかつ
再現性のない乱数を発生させる回路が必要である。
【0003】従来、乱数(=雑音)を発生させる方法と
しては、レジスタと論理回路の組合せにより疑似乱数を
発生させる方法と、抵抗や半導体素子等に流れる電流の
揺らぎに伴う雑音を増幅して2値乱数データを得る方法
が多く用いられてきた。
【0004】前者の代表例としてはM系列符号がある。
図2は7段のM系列発生回路21の構成例を示す。22
は7段のシフトレジスタであり、その4段目出力23と
7段目出力24を入力とする排他的論理和回路(XO
R)25の出力を1段目の入力に帰還しており、クロッ
ク26の立上り毎に各段のシフトレジスタ22のデータ
が右へ1ビットずつシフトされることにより、7段目の
出力24から2値の乱数が出力される。
【0005】そのシリアル出力を7ビット毎に区切って
数値化したデータ(1〜127)の発生頻度は図3の乱
数出力31に示すように完全に均一化されており、偏り
の無い理想的な乱数列を出力することができる。
【0006】しかしながらこの方法では、アルゴリズム
と初期値がわかると全く同じ乱数列が再現できるという
大きな欠点があった。
【0007】後者の例としては図4に示すようにツェナ
ーダイオード41に抵抗42を介して電圧源43から電
流を流し、その両端に発生する雑音を増幅器44で電源
電圧まで増幅して出力45に2値の雑音(=乱数)を出
力する方法がある。この方法では、電流の偶然の揺らぎ
を利用して雑音を発生するため、前者のように全く同じ
雑音(=乱数)が再現されるおそれは無いが、出力デー
タの発生頻度は図5の乱数出力51に示すように必ずし
も均一なものが得られるとは限らず、出力されないデー
タ出力値も見られる。従来のこの方法では、精度の良い
乱数を発生させることが困難という欠点があった。ま
た、回路をLSI化する場合、通常多く使用されるCM
OSプロセスではツェナーダイオードが容易に作成でき
ないという欠点もあった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、発生頻度が一様で再現性の無い
乱数を発生させる乱数発生回路を提供することを目的と
する。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の乱数発生回路は、抵抗や半導体素子等の電子
部品に流れる電流の揺らぎからアナログ的に発生する雑
音を増幅して乱数として出力するアナログ乱数発生回路
と、レジスタと論理演算素子の組合せあるいはソフトウ
エア演算によりディジタル疑似乱数を発生し出力するデ
ィジタル疑似乱数発生回路と、該アナログ乱数発生回路
の出力と該ディジタル疑似乱数発生回路の出力とを論理
演算して出力する論理演算回路とを具備することを特徴
とするものである。
【0010】また本発明は、前記乱数発生回路におい
て、アナログ乱数発生回路として、相補形の2個のトラ
ンジスタぺアの入力端子どうし及び出力端子どうしを接
続したインバータと該インバータの入力端子と出力端子
との間に接続された帰還抵抗とで構成されたインバータ
アンプをコンデンサを介在することにより複数段交流的
に結合して初段のインバータアンプで発生したアナログ
的雑音を増幅し乱数として出力するアナログ乱数発生回
路を用いることを特徴とするものである。
【0011】本発明による乱数発生回路は、ディジタル
疑似乱数発生回路とアナログ乱数発生回路との出力どう
しの論理演算をとることにより、上記の問題を解決する
ものである。
【0012】即ち、均一性が不十分なアナログ的乱数
を、再現されるおそれはあるが均一性の高いディジタル
疑似乱数と論理演算することにより、スペクトラムを拡
散し、再現性がなくかつ均一性が確保できる乱数を発生
することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態例を詳細に説明する。
【0014】本発明の一実施形態例を図1に示す。乱数
発生回路15はディジタル疑似乱数発生回路12、アナ
ログ乱数発生回路13、及び論理演算回路14より構成
される。ディジタル疑似乱数発生回路12は例えば図2
に示すようなM系列符号等、ディジタル的に疑似乱数を
発生させる回路であり、公知の技術で容易に実現できる
ものである。ディジタル疑似乱数発生回路12の出力1
8からは均一性の良いシリアル乱数データが出力され
る。アナログ乱数発生回路13は電流の揺らぎ等、アナ
ログ的な発生源から乱数(=雑音)を発生させる回路で
あり、例えば図4に示すようなツェナーダイオードを利
用した方法等の公知の従来技術でも実現できる。
【0015】本発明による他の実施形態例としては、図
6に示すようなインバータアンプを多段接続したアナロ
グ乱数発生回路60の構成によるものが使用可能であ
る。
【0016】603はインバータ素子であり、相補形の
2個のトランジスタぺアの入力端子どうし及び出力端子
どうしを接続して構成される。例えばCMOS−LSI
プロセスではnチャネルトランジスタとpチャネルトラ
ンジスタ各1個の組合せで容易に実現できる。このイン
バータ素子603の入・出力端子間に抵抗604により
負帰還をかけることにより、簡易な構成でアナログのイ
ンバータアンプ61が実現できる。インバータアンプ6
1の出力601には、内部トランジスタに流れる電流の
揺らぎによる微小な雑音が発生し、コンデンサ602に
より交流的に結合された次段のインバータアンプ61に
より増幅される。多段接続のインバータアンプ61によ
り電源電圧まで増幅された雑音振幅が出力バッファ回路
62により、2値のディジタル雑音信号に変換され、出
力63にシリアルで乱数として出力される。
【0017】出力バッファ回路62は通常CMOSプロ
セスで多く用いられるディジタルインバータ素子等で容
易に実現可能である。
【0018】図1に示す乱数発生回路15内の論理演算
回路14はアナログ乱数発生回路13の出力17とディ
ジタル疑似乱数発生回路12の出力18を入力として論
理演算を行い出力19を生じる回路である。論理演算回
路14の簡単な例としては排他的論理和(XOR)回路
等が適用可能であるが、他のより複雑な論理回路であっ
ても良い。
【0019】論理演算回路14により論理演算された乱
数出力の発生頻度例を図7に示す。乱数出力71は、図
3のM系列符号と比較すると発生頻度には多少ばらつき
が見られるものの、図5のアナログ乱数発生回路のよう
な出力されないデータ出力値は見られず、大きな改善効
果が見られる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ア
ナログ乱数発生回路により発生された再現性は無いが一
様性が十分でない乱数と、ディジタル疑似乱数発生回路
により発生された一様性は十分だが、再現性のある乱数
とを論理演算することにより、両者の長所のみを取り出
した一様性があり、再現性の無い乱数を容易に得ること
ができる。
【0021】また、アナログ乱数発生回路については、
インバータアンプを交流結合により複数段シリーズに接
続することにより、LSI化が容易になるという利点が
ある。
【0022】なお、以上の説明ではディジタル疑似乱数
発生回路は7段のM系列符号をハードウェアで発生する
場合を例にとって説明したが、段数はこれ以外でもよ
く、また符号の種類もM系列以外のものでもよい。また
マイクロプロセッサ等のソフトウエアで演算して実現す
る方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る乱数発生回路の一実施形態例を示
す構成説明図である。
【図2】従来のディジタル疑似乱数発生回路の一例を示
す回路図である。
【図3】図2のディジタル疑似乱数発生回路のデータ出
力値に対する発生頻度の一例を示す特性図である。
【図4】従来のアナログ乱数発生回路の一例を示す回路
図である。
【図5】図4のアナログ乱数発生回路のデータ出力値に
対する発生頻度の一例を示す特性図である。
【図6】本発明に係るアナログ乱数発生回路の一例を示
す回路図である。
【図7】本発明に係る乱数発生回路のデータ出力値に対
する発生頻度の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
12 ディジタル疑似乱数発生回路 13,60 アナログ乱数発生回路 14 論理演算回路 15 乱数発生回路 17,18,19,45,63,601 出力 21 M系列発生回路 22 シフトレジスタ 23 4段目出力 24 7段目出力 25 排他的論理和回路(XOR) 26 クロック 31,51,71 乱数出力 41 ツェナーダイオード 42,604 抵抗 43 電圧源 44 増幅器 61 インバータアンプ 62 出力バッファ回路 602 コンデンサ 603 インバータ素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神山 健一 東京都渋谷区道玄坂1−12−1 エヌティ ティエレクトロニクス株式会社内 Fターム(参考) 5J049 CA03 CA09 CA10

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 抵抗や半導体素子等の電子部品に流れる
    電流の揺らぎからアナログ的に発生する雑音を増幅して
    乱数として出力するアナログ乱数発生回路と、 レジスタと論理演算素子の組合せあるいはソフトウエア
    演算によりディジタル疑似乱数を発生し出力するディジ
    タル疑似乱数発生回路と、 該アナログ乱数発生回路の出力と該ディジタル疑似乱数
    発生回路の出力とを論理演算して出力する論理演算回路
    とを具備することを特徴とする乱数発生回路。
  2. 【請求項2】 アナログ乱数発生回路として、相補形の
    2個のトランジスタぺアの入力端子どうし及び出力端子
    どうしを接続したインバータと該インバータの入力端子
    と出力端子との間に接続された帰還抵抗とで構成された
    インバータアンプをコンデンサを介在することにより複
    数段交流的に結合して初段のインバータアンプで発生し
    たアナログ的雑音を増幅し乱数として出力するアナログ
    乱数発生回路を用いることを特徴とする請求項1記載の
    乱数発生回路。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Effective date: 20040120

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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20040615