PL236964B1 - Generator losowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator losowy przeznaczony zwłaszcza do generacji losowych liczb i ciągów liczbowych.

Znany jest w technice, np. z publikacji Xiaoyan Jia, Liji Wu, Beibei Wang, Xiangmin Zhang, „A Novel Oscillator-Based TRNG for Smart IC Card”, 2015 IEEE 11th International Conference on ASIC (ASICON), Chengdu, ISSN: 2162-755X, DOI: 10.1109/ASICON.2015.7517094, generator losowy, który zawiera dwa generatory pierścieniowe oraz detektor fazy. Wyjścia generatorów pierścieniowych dołączone są do wejść detektora fazy, natomiast wyjście detektora fazy jest wyjściem generatora losowego.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US2011169580A1 generator liczb losowych, który zawiera pierwszy oscylator o wysokiej częstotliwości (HF), drugi oscylator o niskiej częstotliwości (LF) i obwód próbkujący. Oscylator HF generuje sygnał oscylacyjny wysokiej częstotliwości. Oscylator LF generuje sygnał oscylacyjny niskiej częstotliwości. Sygnał oscylacyjny LF służy do próbkowania sygnału oscylacyjnego HF w celu wygenerowania sekwencji losowych bitów. W jednym korzystnym przykładzie wykonania oscylator LF zawiera wiele stopni inwerterów, a każdy inwerter zawiera szereg tranzystorów o minimalnej długości.

Znany jest w technice, np. z publikacji Xiao-Feng Zhang, Guo-Qiang Bai, Hong-Yi Chen, „True Random Number Generator for Network Security Co-processor”, Computer Engineering 2009, Vol. 35, Issue 10, pp. 229-231. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2009.10.076, generator losowy, w którym układ wykorzystuje zegar o stałej częstotliwości do próbkowania mocy wyjściowej szybkiego oscylatora pierścieniowego. Dodano wewnętrzny pierścień sprzężenia zwrotnego w celu kontrolowania częstotliwości szybkiego oscylatora pierścieniowego w celu akumulacji szumu fazowego.

Celem wynalazku jest wywołanie procesu chaotycznego o charakterze niedeterministycznym.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że w generatorze losowym przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością oraz że wyjście detektora fazy dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością, oraz że wyjście detektora fazy dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością przez układ sterujący. Generator pierścieniowy ma przynajmniej jedną linię opóźniającą, której wejście i wyjście ma ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora pierścieniowego oraz że linia opóźniająca ma elementy opóźniające połączone w szereg. Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością ma przynajmniej jedną linię opóźniającą której wejście i wyjście są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora z regulowaną szybkością oraz że linia opóźniająca ma elementy opóźniające połączone w szereg. Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością ma dodatkowy element opóźniający, dołączany do wybranego miejsca linii opóźniającej przy pomocy klucza, którego wejście sterujące dołączone ma do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością. Układ sterujący ma przynajmniej jeden element opóźniający oraz elementy opóźniające połączone są w szereg. Detektor fazy ma przerzutnik o dwóch wejściach dołączonych do wejść detektora fazy i wyjściu dołączonym do wyjścia detektora fazy. Detektor fazy ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy, ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika i drugiego wejścia drugiego przerzutnika, drugie wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika, a wyjście detektora fazy dołączone ma do wybranych wyjść przerzutników przez układ logiczny.

Wynalazek umożliwia generację liczb i ciągów losowych dzięki niestabilności korekcji fazy generatorów pierścieniowych oraz dzięki niedeterministycznemu, chaotycznemu zachowaniu układu.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z generatorem pierścieniowym i generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością, fig. 2 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z dwoma generatorami pierścieniowymi z regulowaną szybkością, fig. 3 przedstawia schemat blokowy generatora pierścieniowego, fig. 4 przedstawia schemat blokowy pierwszego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością, fig. 5 przedstawia schemat blokowy drugiego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością, fig. 6 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z elementów opóźniających, fig. 7 przedstawia schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z jednego przerzutnika, a fig. 8 - schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z dwóch przerzutników.

PL 236 964 B1

Generator losowy przedstawiony na fig. 1 zawiera generator pierścieniowy GP oraz generator pierścieniowy z regulowaną szybkością GPRS. których wyjścia o-GP i o-GPRS dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością s-GPRS. Wyjście o-DF detektora fazy DF dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Detektor fazy DF przełącza częstotliwość generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS cyklicznie zmieniając lub synchronizując fazę obydwu generatorów GP i GPRS. Dzięki takiemu sprzężeniu zwrotnemu układ złożony z generatorów pierścieniowych GP i GPRS oraz detektora fazy DF może pracować w sposób chaotyczny.

Generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera dwa generatory pierścieniowe z regulowaną szybkością GPRS i GPRS’, których wyjścia o-GPRS i o-GPRS’ dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia i-US układu sterującego US. a wyjście układu sterującego, US dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością s-GPRS i s-GPRS’. Wyjście o-DF detektora fazy DF dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Opóźnienie wprowadzane przez układ sterujący US do pętli sterowania fazą generatorów powoduje, że układ złożony z generatorów pierścieniowych GPRS i GPRS’. detektora fazy DF i układu sterującego US jest układem chaotycznym. Dodatkowo bliskość faz generatorów oznacza czasową bliskość zboczy generowanych sygnałów, które zmieniają swoje czasowe położenie przez występowanie zjawiska jitteru w układach cyfrowych. Dzięki temu pseudolosowy układ chaotyczny staje się układem niedeterministycznym. Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS, poprawia chaotyczne właściwości działania układu.

Generator pierścieniowy przedstawiony na fig. 3 zawiera linię opóźniającą LO, której wejście i-LO i wyjście o-LO są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia o-GP generatora pierścieniowego GP. Linia opóźniająca LO zawiera elementy opóźniające EO połączone w szereg.

Liczba elementów opóźniających oraz opóźnienie wprowadzane przez każdy element opóźniający determinują podstawową częstotliwość pracy generatora pierścieniowego GP. Częstotliwość podstawowa jest obarczona niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych - typowych dla układów elektronicznych (zjawiska szumowe, termiczne, jitter itp.).

Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 4 zawiera linię opóźniającą LO, której wejście i-LO i wyjście o-LO są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia o-GPRS generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS. Linia opóźniająca LO zawiera elementy opóźniające EO połączone w szereg. Pomiędzy wybranymi elementami opóźniającymi EO linia opóźniająca LO ma element wprowadzający opóźnienie w postaci kondensatora C, który jedną końcówką jest dołączany do tej linii przy pomocy klucza KL. Druga końcówka kondensatora C dołączona jest do masy układu GND. Wejście sterujące klucza KL dołączone jest do wejścia sterującego generatora s-GPRS.

Generator GPRS posiada dwie podstawowe częstotliwości pracy, a wybór jednej z nich dokonywany jest przez sygnał sterujący generatora s-GPRS. Podstawowe częstotliwości pracy zależą od liczby elementów opóźniających EO składających się na linię opóźniającą LO, od opóźnienia wprowadzanego przez każdy element opóźniający EO oraz od opóźnienia wprowadzanego przez dołączenie kondensatora C powodujące wolniejsze przełączanie się sąsiadujących z nim elementów opóźniających EO. Częstotliwości podstawowe generatora są obarczone niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych - typowych dla układów elektronicznych (zjawiska szumowe, termiczne, jitter itp.).

Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 5 ma budowę taką jak układ z fig. 4, z tą różnicą, że klucz KL’ ma działanie przeciwne do klucza KL. Odwrotne działanie klucza powoduje, że wybrana częstotliwość pracy generatora GPRS’ jest przeciwna w stosunku do częstotliwości wybranej w generatorze GPRS.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 6 zawiera dwuelementowy szereg złożony z elementów opóźniających EO dołączony pomiędzy wejściem i-US i wyjściem o-US układu sterującego US.

Szereg elementów opóźniających EO wprowadza opóźnienie w sprzężeniu zwrotnym, tj. opóźnienie w przekazywaniu sygnału sterowania korekcją fazy, dzięki czemu poprawia chaotyczne właściwości działania układu.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 7 stanowi przerzutnik P o dwóch wejściach D i C stanowiących wejścia i1-DF i i2-DF detektora fazy DF i wyjściu Q stanowiącym wyjście detektora fazy o-DF.

PL 236 964 B1

W zależności od tego, czy narastające zbocze na wejściu D przerzutnika nadejdzie przed czy po narastającym zboczu na wejściu C przerzutnika, na wyjściu Q pojawi się logiczna jedynka lub logiczne zero.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 8 zawiera układ logiczny AND o dwóch wejściach i jednym wyjściu oraz dwa przerzutniki P1 i P2, każdy o dwóch wejściach D1 i C1 oraz D2 i C2 jak również dwóch wyjściach Q1 i nQ1 oraz Q2 i nQ2. Wejścia przerzutników dołączone są do wejść detektora fazy DF. natomiast wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy przez układ logiczny AND. Pierwsze wejście detektora fazy i1-DF dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika D1 i drugiego wejścia drugiego przerzutnika C2. Drugie wejście detektora fazy i2-DF dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika C1 i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika D2. Wejścia układu logicznego AND dołączone są do drugiego wyjścia pierwszego przerzutnika n Q1 oraz pierwszego wyjścia drugiego przerzutnika Q2. Wyjście układu logicznego AND dołączone jest do wyjścia detektora fazy o-DF.

Detektor fazy zbudowany z dwóch przerzutników pozwala na symetryczną detekcję ujemnych i dodatnich przesunięć fazowych.

Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu losowych liczb i ciągów liczbowych.

Claims (7)

1. Generator losowy zawierający detektor fazy, którego wyjście jest dołączone do wyjścia generatora losowego oraz zawierający dwa generatory pierścieniowe, których wyjścia dołączone są do wejść detektora fazy (DF), znamienny tym, że przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością (GPRS, GPRS’) oraz że wyjście (o-DF) detektora fazy dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością (s-GPRS, s-GPRS’) przez układ sterujący (US).

2. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że generator pierścieniowy (GP) zawiera przynajmniej jedną linię opóźniającą (LO), której wejście (i-LO) i wyjście (o-LO) są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora pierścieniowego (o-GP), przy czym linia opóźniająca (LO) zawiera elementy opóźniające (EO) połączone w szereg.

3. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że generator pierścieniowy z regulowaną szybkością (GPRS, GPRS’) zawiera przynajmniej jedną linię opóźniającą (LO), której wejście (i-LO) i wyjście (o-LO) są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora z regulowaną szybkością (o-GPRS, o-GPRS’), przy czym linia opóźniająca (LO) zawiera elementy opóźniające (EO) połączone w szereg.

4. Generator losowy według zastrz. 3, znamienny tym, że generator pierścieniowy z regulowaną szybkością (GPRS, GPRS’) zawiera dodatkowy element wprowadzający opóźnienie (C), dołączany do linii opóźniającej (LO) między wyjściem jednego elementu opóźniające (EO) i wejściem następnego przy pomocy klucza (KL, KL’), którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością (s-GPRS, s-GPRS’).

5. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że układ sterujący (US) zawiera przynajmniej jeden element opóźniający (EO), oraz elementy opóźniające (EO) połączone są w szereg.

6. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) stanowi przerzutnik (P) o dwóch wejściach (D, C) stanowiących wejścia detektora fazy (i1-DF, i2-DF) i wyjściu (Q) stanowiącym wyjście detektora fazy (o-DF).

7. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) zawiera dwa przerzutniki (P1), (P2) o dwóch wejściach (D1, C1), (D2, C2) i dwóch wyjściach (Q1, nQ1), (Q2, nQ2) każdy, który ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy i który ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy (i1-DF) dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika (D1) i drugiego wejścia drugiego przerzutnika (C2), drugie wejście detektora fazy (i2-DF) dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika (C1) i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika (D2), a wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do wybranych wyjść przerzutników (nQ1, Q2) przez układ logiczny (AND).