JP3650603B2 - Random pulse generation method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真性乱数を発生させることが知られているジャンクションノイズや熱雑音などの雑音源から発生するアナログノイズ波形から、ランダムパルスを得る方法及びその装置に関する。
より詳しくは、発生したランダムパルスが、真性乱数に基づくものであることが確かなランダムパルスを得る方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1に示すように、従来のランダムパルスは、雑音源のアナログノイズ波形の大きな波形のみに着目し、これをデジタル化するか、整流するか若しくは全波整流を行い、これをデジタル化していた。しかし、電源ノイズや増幅器から発生する不要なノイズを取り去るとき、低レベル域の信号を切り取るため、デジタル化した信号の1と0の比率が50/50とならない欠点があった。
このため、取り込んだ乱数データをソフトウエアなどにより再加工し、真性乱数に近づけるなどの処理が必要であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、雑音源のアナログノイズ波の大きな波形に含まれている複数の小さな波形の振幅の変化にも着目して、一つのアナログノイズ波から、含まれている複数の小さな波形の振幅に対応する数に相当するパルスを発生させ、もとの雑音源のアナログノイズ波の特性を失うことなく、ランダムパルスを得る方法及び装置を提供する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、雑音源のアナログノイズ波を、デジタルに変換するに際して、アナログノイズ波を整流したのち、ノイズ波形の時間軸に於ける振幅の変化を、クロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として出力し、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなして、これに基づいてパルスを発生させ、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させたのち、パルスを1、0に置き換えてデジタル化するランダムパルス発生方法及びその装置を発明するに至った。
【0005】
さらに、本発明では、熱雑音に基づく真性乱数発生のメカニズムは、電流を流さない状態の抵抗体やダイオード等の熱雑音発生から発生する雑音が、そこに電流を流さないゆえに周波数fに逆比例する1/f雑音(ゆらぎ)を含まない純粋の熱雑音であって、この純粋な熱雑音は、完全にランダムであることに基づくものであることから、アンプや電源から発生する不要なノイズの混入を防ぐことを目的として、熱雑音によるアナログノイズ波のみを正確に取り出す構成を付加することが出来る。
すなわち、本発明においては、ゼロクロス付近の信号は、スレッショルドを設けて切り取ることが出来る。
しかし、ゼロクロス点がずれると、1、0の出現率が変わり、0である時間より1である時間が長くなったり、1である時間より0である時間が長くなったりすることが起る。
【0006】
このような現象は、自然乱数の条件に反するので、これを是正する必要がある。本発明者は、熱雑音によるアナログノイズ波形が、すべての周期を含む交流波形であることから、すべての交流波が、立ち上がりに費やす時間と、立下りに費やす時間が等しいという事実に着目し、一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を、切捨てて、デジタル化するとき、予め、立ち上がりも立ち下がりもしないときの出力(波形のピーク又はボトム)を直前の出力と同じとみなして処理した上、切り取られた信号(第一の信号の穴)で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号(第二の信号の穴)で反転を終了させることにより、デジタル化を行う。
全波整流されたひとつおきの波形は、もともとの交流波形が反転された形になっており、この波形をもとの交流波形の立ち上がり、立下りに戻すためである。
このことにより、自然乱数の条件である特定ビットにおける1,0の出現率を50%とすることができることを見いだした。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明では、ノイズ波形の時間軸に於ける振幅の変化を、時間で微分することにより、経時的に比較する手段は、波形における振幅の変化を検出できれば、どのような手段を用いても良いが、ここではクロックに同期したサンプリングによるものが挙げられ、より具体的には、クロック及び逆相クロックに同期した一対のサンプルアンドホールド回路とコンパレータの組み合わせを提唱する。
理論的には、クロックの周波数は高ければ高いほどアナログノイズ波に含まれている微細な変化に対応したパルスがえられるが、アナログノイズ波の周波数の2〜50倍程度とくに3〜10倍がより実用的である。
【0008】
整流されたアナログノイズ波形に沿って、立ち上がり中波形(上昇波形)、変化なし波形(平行波形)、立下り中波形(下降波形)の出力が得られる様にする手段は、どのようなものであっても良い。
【0009】
切り取られた信号(信号の穴)は、時間軸でいうと、アナログノイズ波が全波整流された結果について云うと、本来ならマイナスにあるべき波形の前と後ろにある。前の信号の穴を第一の信号の穴、後ろの信号の穴を第二の信号の穴と呼ぶ。本来、切り取られた信号(信号の穴)は、1/f雑音(ゆらぎ)に由来するものであるから、この部分をランダムパルスに取り込んではならない。
第一の信号の穴の始まりと終わりのどちらで、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始めても良いし、第二の信号の穴の始まりと終わりのどちらで、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を終了させても良い。
【0010】
本発明の実施の形態をまとめると、以下のとおりである。
(1) 雑音源のアナログノイズ波を、デジタルに変換するに際して、アナログノイズ波を整流したのち、アナログノイズ波の時間軸に於ける振幅の変化を、立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなして、これに基づいて1、0のパルスを発生させ、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させるランダムパルス発生方法。
(2) 整流を全波整流で行う上記1に記載したランダムパルス発生方法。
(3) 一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てて、デジタル化するとき、切り取られた信号(第一の信号の穴)で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号(第二の信号の穴)で反転を終了させることにより、デジタル化を行う上記1に記載したランダムパルス発生方法。
(4) 雑音源からの雑音信号を増幅する増幅器、増幅器の出力を整流する整流器、整流器の出力を、クロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として捉え、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路、これに基づいて1、0のパルスを発生させるパルス発生回路、一つおきのノイズ波形に相当する出力を反転させる回路、反転させたパルスを1、0に置き換えてデジタル化する回路を具備するランダムパルス発生器。
(5) 整流器が全波整流器である上記4に記載したランダムパルス発生器。
(6) 全波整流器とクロックに同期したサンプリングにより経時的に比較して、振幅の変化を立ち上がり中波形、変化なし波形、立下り中波形として出力し、変化なし波形は直前の振幅の変化と同じとみなす回路の間に、一定レベル以下の雑音源のアナログノイズ波を切捨てるスレッショルド回路を設け、切り取られた信号(第一の信号の穴)で、一つおきのノイズ波形に相当する出力の反転を始め、次の切り取られた信号(第二の信号の穴)で反転を終了させる回路、信号の穴の時に限りクロックを止め、その直前のデータを保持するスイッチ回路を有する上記5に記載したランダムパルス発生器。
【0011】
本発明は当業者にとって、種々の実施態様が考えられ、次に示す実施例にのみ拘束されるべきものではないことは言うに及ばない。
(実施例)
図2に本発明の高速ランダムパルス発生装置を示す。
雑音源からの電気信号であるアナログノイズ波を、増幅器で増幅し、全波整流器で全波整流して、極性をプラス側、或いはマイナス側の一方向に揃え、スレッショルド回路で一定レベル以下の不要なノイズを切り取られたアナログノイズ波は、1及び2の対になったサンプルアンドホールド回路A及びBに入る。
この対のサンプルアンドホールド回路には、スイッチ回路11を通って、クロックが供給され、しかも、インバータ回路3によって、片側のサンプルアンドホールド回路Aには、逆相のクロックが入るため、対のサンプルアンドホールド回路A及びBは、半クロック毎に、交互に、入力されたノイズアナログ波形の信号レベルをホールドし、その出力をコンパレータ4に入れる。
コンパレータ4は、半クロック毎のノイズアナログ波形の信号レベルを監視し、信号レベルが上昇したならHIGH、下降したならLOWを出力する。
【0012】
しかしながら、新しいデータがコンパレータの比較端子に交互に入るため、上昇を続けるノイズアナログ波形があっても、コンパレータ出力は、半クロック毎に、HIGH、LOW、HIGH、LOW、を出力し続ける。
図3(a)にコンパレータ4の出力を示す。
XOR回路5は、半クロック毎に、正転、逆転を繰り返しもとの正常な上昇、下降の情報としてデジタル化する。
図3(b)にXOR回路5の出力を示す。
さらに、ひとつおきのノイズアナログ波形は、全波整流される前は、マイナスの側にあった波形であり、もとは下降波形であったものが反転されて上昇波形になったものであるから、再び反転させる必要がある。
【0013】
反転時期は、一定レベル以下の不要な雑音を切り取ったために出来た信号のないところ<信号の穴>で、反転を行う。
インバータ回路9でデジタル化され、フリップフロップ回路10に入った信号の穴のパルスは、パルス毎に極性を換え、XOR6の出力を反転させる。
ラッチ回路7は、グリッチなどの不要な信号を出力させないために設けられている。
もしも、信号の穴が半クロックよりも長いと、この間に信号の反転が起ってしまうので、望みどおりにならない。この為、スイッチ回路11は、信号の穴の時に限りクロックを止め、その直前のデータを保持する。
これは、信号の穴を擬似的に消滅させることであり、信号を切り取る前の状態を擬似的に復元していることになる。
図3(c)に最終的に得られる出力を示す。
図4に示すように、本発明の方法では、切り取られた部分のある実線のノイズ波形を、点線の波形として計測しているのと同じになる。
【0014】
【本発明の効果】
本発明は、雑音源のアナログノイズ波の大きな波形に含まれている複数の小さな波形の振幅の変化に着目して、一つのアナログノイズ波に含まれている複数の小さな波形の振幅に対応する数に相当するパルスを発生させ、もとの雑音源のアナログノイズ波の特性を失うことなく、高速で用いるランダムパルスを得ることができ、さらには、1/f雑音(ゆらぎ)を含まないで、自然乱数の条件である特定ビットにおける1,0の出現率を50%とすることができるランダムパルス発生方法及び装置を提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の方法と本発明の方法の相違点を説明する説明図。
【図2】 実施例の回路図。
【図3】 回路図の(a)、(b)、(c)におけるパルスの波形図。
【図4】 本発明において計測される波形の模式図
【符号の説明】
1 サンプルアンドホールド回路A
2 サンプルアンドホールド回路B
3 インバータ回路
4 コンパレータ
5 XOR回路
6 XOR回路
7 ラッチ回路
8 遅延回路
9 インバータ回路
10 フリップフロップ回路
11 スイッチ回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for obtaining a random pulse from an analog noise waveform generated from a noise source such as junction noise or thermal noise, which is known to generate a true random number.
More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for obtaining a random pulse in which the generated random pulse is surely based on a true random number.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 1, the conventional random pulse focuses only on a large waveform of the analog noise waveform of the noise source and digitizes it, or rectifies it or performs full-wave rectification. . However, when removing power supply noise and unnecessary noise generated from an amplifier, a low-level signal is cut out, so the ratio of 1 and 0 of a digitized signal is not 50/50.
For this reason, it has been necessary to reprocess the fetched random number data by software or the like to bring it closer to the true random number.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventor also pays attention to the change in the amplitude of a plurality of small waveforms included in the large waveform of the analog noise wave of the noise source, and the amplitude of the plurality of small waveforms included from one analog noise wave. There are provided a method and an apparatus for generating random pulses without generating loss of analog noise wave characteristics of an original noise source by generating pulses corresponding to the number corresponding to.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
When converting the analog noise wave of the noise source into digital, the inventor rectifies the analog noise wave, and then compares the change in amplitude on the time axis of the noise waveform over time by sampling synchronized with the clock. Then, the amplitude change is output as a rising waveform, no change waveform, and falling waveform, and the no change waveform is regarded as the same as the previous amplitude change, and a pulse is generated based on this. After inverting the output corresponding to the noise waveform, a random pulse generation method and apparatus for digitizing by replacing the pulse with 1 and 0 have been invented.
[0005]
Furthermore, in the present invention, the mechanism of true random number generation based on thermal noise is that the noise generated from the generation of thermal noise such as a resistor or a diode that does not flow current is inversely proportional to the frequency f because no current flows therethrough. This is pure thermal noise that does not include 1 / f noise (fluctuation). Since this pure thermal noise is based on the fact that it is completely random, unnecessary noise generated from an amplifier or power supply In order to prevent mixing, it is possible to add a configuration that accurately extracts only analog noise waves due to thermal noise.
That is, in the present invention, a signal near the zero cross can be cut off by providing a threshold.
However, when the zero cross point is shifted, the appearance rate of 1 and 0 changes, and the time that is 1 becomes longer than the time that is 0, or the time that is 0 becomes longer than the time that is 1.
[0006]
Such a phenomenon violates the condition of natural random numbers, so it is necessary to correct it. The present inventor pays attention to the fact that the time spent on rising is equal to the time spent on falling, since the analog noise waveform caused by thermal noise is an alternating current waveform including all cycles. When the analog noise wave of a noise source below a certain level is cut off and digitized, the output when there is no rise or fall (the peak or bottom of the waveform) is treated in advance as the same as the previous output. Start the inversion of the output corresponding to every other noise waveform with the cut signal (first signal hole) and end the inversion with the next cut signal (second signal hole) To digitize.
Every other full-wave rectified waveform has an inverted form of the original AC waveform, and this waveform is returned to the rising and falling edges of the original AC waveform.
As a result, it has been found that the appearance rate of 1, 0 in a specific bit which is a condition for natural random numbers can be 50%.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, any means may be used as the means for comparing the changes over time by differentiating the amplitude change in the time axis of the noise waveform over time as long as the change in the amplitude in the waveform can be detected. However, here, there is one based on sampling synchronized with a clock, and more specifically, a combination of a pair of sample and hold circuits and a comparator synchronized with a clock and a reverse phase clock is proposed.
Theoretically, the higher the clock frequency, the higher the pulse corresponding to the minute change contained in the analog noise wave, but the frequency of the analog noise wave is about 2-50 times, especially 3-10 times. More practical.
[0008]
What is the means to obtain the output of rising waveform (rising waveform), unchanged waveform (parallel waveform), falling waveform (falling waveform) along the rectified analog noise waveform? There may be.
[0009]
The cut signal (signal hole) is in front of and behind the waveform that should be negative in terms of the result of full-wave rectification of the analog noise wave on the time axis. The front signal hole is called the first signal hole, and the rear signal hole is called the second signal hole. Originally, the cut signal (signal hole) is derived from 1 / f noise (fluctuation), so this portion must not be taken into a random pulse.
You can start reversing the output corresponding to every other noise waveform at either the beginning or end of the first signal hole, or every other start or end of the second signal hole. The inversion of the output corresponding to the noise waveform may be terminated.
[0010]
The embodiments of the present invention are summarized as follows.
(1) When the analog noise wave of the noise source is converted to digital, after the analog noise wave is rectified, the change in amplitude on the time axis of the analog noise wave is shown as a rising waveform, no change waveform, and falling Random pulse generation method in which a waveform with no change is regarded as the same as the previous amplitude change, 1 and 0 pulses are generated based on this, and the output corresponding to every other noise waveform is inverted.
(2) The random pulse generation method described in 1 above, wherein the rectification is performed by full wave rectification.
(3) When the analog noise wave of a noise source below a certain level is cut off and digitized, the output of the output corresponding to every other noise waveform is started with the cut signal (first signal hole). The random pulse generation method according to 1 above, wherein digitization is performed by ending inversion at the next cut signal (second signal hole).
(4) An amplifier that amplifies a noise signal from a noise source, a rectifier that rectifies the output of the amplifier, and the output of the rectifier are compared over time by sampling synchronized with the clock, and the change in amplitude is a rising waveform, no change A waveform that is regarded as a waveform during falling and a waveform without change is regarded as the same as the change in amplitude immediately before, a pulse generation circuit that generates 1 and 0 pulses based on this, an output corresponding to every other noise waveform A random pulse generator comprising a circuit for inverting the signal and a circuit for replacing the inverted pulse with 1 and 0 for digitization.
(5) The random pulse generator as described in 4 above, wherein the rectifier is a full-wave rectifier.
(6) Compared over time by sampling synchronized with the full-wave rectifier and clock, the change in amplitude is output as a rising waveform, a no-change waveform, and a falling waveform. A threshold circuit that cuts off analog noise waves from noise sources below a certain level is provided between the circuits that are considered to be the same, and the output corresponding to every other noise waveform is the cut signal (first signal hole). The above circuit 5 has a circuit that starts reversing and ends the reversal at the next cut signal (second signal hole), and a switch circuit that stops the clock only when the signal is holed and holds the data immediately before that. The described random pulse generator.
[0011]
For the person skilled in the art, it goes without saying that various embodiments are conceivable and should not be restricted only to the examples given below.
(Example)
FIG. 2 shows a high-speed random pulse generator of the present invention.
An analog noise wave, which is an electrical signal from a noise source, is amplified by an amplifier, full-wave rectified by a full-wave rectifier, and the polarity is aligned in one direction on the positive side or negative side, and the threshold circuit does not require a certain level or less. An analog noise wave from which noise has been cut off enters sample-and-hold circuits A and B which are a pair of 1 and 2.
The pair of sample-and-hold circuits is supplied with a clock through the switch circuit 11, and the inverter circuit 3 causes the sample-and-hold circuit A on one side to receive a reverse phase clock. The AND hold circuits A and B hold the signal level of the input noise analog waveform alternately every half clock, and input the output to the comparator 4.
The comparator 4 monitors the signal level of the noise analog waveform every half clock, and outputs HIGH when the signal level rises and LOW when the signal level falls.
[0012]
However, since new data alternately enters the comparison terminal of the comparator, the comparator output continues to output HIGH, LOW, HIGH, and LOW every half clock even if there is a noise analog waveform that continues to rise.
FIG. 3A shows the output of the comparator 4.
The XOR circuit 5 repeats normal rotation and reverse rotation every half clock and digitizes it as normal ascending and descending information.
FIG. 3B shows the output of the XOR circuit 5.
Furthermore, every other noise analog waveform was the waveform that was on the negative side before full-wave rectification, and the waveform that was originally a falling waveform was inverted to a rising waveform. Need to be reversed again.
[0013]
At the time of inversion, inversion is performed at a <signal hole> where there is no signal generated by cutting out unnecessary noise below a certain level.
The signal hole pulse that is digitized by the inverter circuit 9 and enters the flip-flop circuit 10 changes the polarity for each pulse and inverts the output of the XOR 6.
The latch circuit 7 is provided in order not to output an unnecessary signal such as a glitch.
If the signal hole is longer than half a clock, signal inversion will occur during this time, so it will not work as desired. For this reason, the switch circuit 11 stops the clock only when there is a signal hole and holds the data immediately before that.
This means that the hole of the signal is quasi-erased, and the state before the signal is cut is quasi-restored.
FIG. 3C shows the output finally obtained.
As shown in FIG. 4, the method of the present invention is the same as measuring a solid noise waveform with a cut-out portion as a dotted waveform.
[0014]
[Effect of the present invention]
The present invention focuses on the change in the amplitude of a plurality of small waveforms included in a large waveform of the analog noise wave of the noise source, and corresponds to the amplitude of a plurality of small waveforms included in one analog noise wave. A random pulse to be used at high speed can be obtained without losing the characteristics of the analog noise wave of the original noise source by generating pulses corresponding to the number, and further, without including 1 / f noise (fluctuation) Thus, a random pulse generation method and apparatus capable of setting the occurrence rate of 1, 0 in a specific bit, which is a natural random condition, to 50% can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a difference between a conventional method and a method of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of the embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram of pulses in (a), (b), and (c) of the circuit diagram.
FIG. 4 is a schematic diagram of waveforms measured in the present invention.
1 Sample and hold circuit A
2 Sample and hold circuit B
3 Inverter circuit 4 Comparator 5 XOR circuit 6 XOR circuit 7 Latch circuit 8 Delay circuit 9 Inverter circuit 10 Flip-flop circuit 11 Switch circuit
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