WO2000054406A1 - Zufallssignalgenerator sowie verfahren zur erzeugung eines zufallssignals - Google Patents

Zufallssignalgenerator sowie verfahren zur erzeugung eines zufallssignals Download PDF

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WO2000054406A1
WO2000054406A1 PCT/EP2000/001993 EP0001993W WO0054406A1 WO 2000054406 A1 WO2000054406 A1 WO 2000054406A1 EP 0001993 W EP0001993 W EP 0001993W WO 0054406 A1 WO0054406 A1 WO 0054406A1
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exclusive
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Richard Vogts
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Richard Vogts
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/84—Generating pulses having a predetermined statistical distribution of a parameter, e.g. random pulse generators

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a random signal and a random signal generator.
  • a random signal generator which has a non-deterministic random sequence generator which has a voltage-controlled oscillator whose frequency control input is connected to a noise voltage source.
  • the oscillator At its output, the oscillator has an oscillator signal, the frequency of which fluctuates randomly around a center frequency in accordance with the stochastically changing noise voltage present at the frequency control input.
  • the random sequence generator has several dynamic flip-flops, each of which is connected with its data input to a ring oscillator assigned to them. A separate ring oscillator is provided for each flip-flop, the frequencies of these ring oscillators differing somewhat from one another and each being greater than the frequency of the voltage-controlled oscillator of the random signal generator.
  • the clock inputs of the flip-flops are each connected to the output of the random signal generator, so that a signal value of the individual oscillation signals of the ring oscillators is sampled on a clock edge of the oscillation signal of the voltage-controlled oscillator, which frequency changes randomly, and into that of the ring oscillator in question assigned flip-flop is read.
  • the signal values temporarily stored in the individual flip-flops are then each output at an output of the flip-flops and form the random signal to be generated.
  • the signals present at the outputs of the flip-flops each represent a binary digit of a random number to be generated which has several digits.
  • the binary values of the digit signals present at the output of the flip-flops should be equally distributed, that is to say called Outputs of the flip-flops should each deliver an approximately equal number of logical "ones" and "zeros".
  • the known random number generator has the disadvantage that the individual digit signals or the binary digits of the random number assigned to them still have a certain dependency on one another. A correlation of two random numbers can also occur, which are read out from the random signal generator in immediate succession. An observer can therefore deduce the properties of the random signal or random number generator, in particular the properties of the ring oscillators contained therein, by observing the random numbers output by the random number generator for a correspondingly long time. It is also disadvantageous that a defect in the noise voltage source and / or the voltage-controlled oscillator of the random signal generator can result in the voltage-controlled oscillator oscillating at a constant frequency, so that the correlation of the random numbers then increases sharply, i.e.
  • the randomness of the random signal or the random numbers represented by this signal decreases without the user of the random number generator noticing.
  • a pseudo-random number generator which has several deterministic random sequence generators, each of which has an output for a pseudo-random signal. These outputs are each connected to an input of a combination device, which is an output for a non-linear combination of the pseudo-random signals formed combination signal.
  • the combination signal output is connected to the data input of a shift register having a plurality of memory elements, into which the data read out from the combination signal output can be read sequentially.
  • the data outputs of the memory elements of the shift register are each connected to an input of a non-linear logic device. This has an output for a signal which is formed by a non-linear combination of the data signals present at the data outputs of the memory elements of the shift register.
  • the known pseudo-random number generator has the disadvantage that the signal present at the output of the logic device can be described by a mathematical function despite the comparatively complex combination of several pseudo-random signals to form a random number signal.
  • the random numbers generated with the random number generator can therefore be predicted when this mathematical function and the state of the random signal generator are known. It is also unfavorable that the random signal generator still has a comparatively complicated structure.
  • a random signal generator is also already known, in which an analog noise signal from a noise source is amplified with a high-frequency amplifier and the signal level of this amplifier is then digitized. The random number to be generated is then read out sequentially at the output of the high-frequency amplifier, the two signal levels defined by the digitization of the amplifier output signal as
  • Binary values of a binary number can be interpreted.
  • this random signal generator is also relatively expensive, since to avoid correlations between the digital output signal of the random signal generator and the analog one Noise signal a complex shielding of the high frequency amplifier is required.
  • the noise source must be shielded from external electromagnetic interference.
  • the solution to this problem with regard to the method is that at least two random sequence signals are generated and exclusively-or-linked by means of at least two non-deterministic random sequence generators and that the exclusive-OR output signal forms the random signal or an intermediate signal for further processing.
  • the exclusive-or output signal as an intermediate signal is exclusively-or-linked as an intermediate signal with the random sequence signal of at least one further non-deterministic random sequence generator and the exclusive-or output signal of this combination forms the random signal or an intermediate signal for further processing.
  • the statistical distribution of the signal levels or Random values of the generated random signal are then even better approximated to a uniform distribution.
  • a random signal value is determined from the intermediate signal by supplying this intermediate signal to an exclusive-OR gate and a buffered output signal of the exclusive-OR gate. Random sequence signal values generated at different times are thus exclusively-or-linked to one another, whereby an even greater randomness of the signal levels or random values of the generated random signal is achieved.
  • the above-mentioned object can also be achieved in that at least two random sequence signals are generated by means of at least two non-deterministic random sequence generators, a) that a random signal value is determined in each case from each of the random sequence signals of the individual random sequence generators and exclusively with a memory value assigned to another random sequence generator. or-is linked, b) the result of this combination is temporarily stored as a new storage value assigned to the first-mentioned random sequence generator, c) that method steps a) and b) are repeated at least once again as a loop d) and that the individual random sequence generator Ren assigned memory values are output as a random signal.
  • a plurality of random sequence signals are thus generated with the aid of different random sequence generators, these random sequence signals being linked to one another by means of exclusive or combinations in accordance with method steps a) to d) be combined.
  • a random signal can advantageously be provided which has a greater randomness than the individual random sequence signals from which the random signal was mixed.
  • the method therefore makes it possible to determine random numbers or random signals using a plurality of comparatively simple random signal generators which are practically not correlated with one another and whose frequency is distributed almost equally.
  • the random sequence generators are each reset to a defined state before processing step a) again. As a result, the correlation of two signal values of the random signal determined immediately one after the other can additionally be reduced.
  • a preferred embodiment of the method provides that in order to generate the random sequence signals of the random sequence generators, the frequency of a voltage-controlled oscillator is changed by means of a noise voltage signal, and that the random signal value is determined in each case from the oscillator signal of the oscillator.
  • the random signals can thereby be generated in a simple manner with a comparatively good uniform distribution of their random signal values. It is particularly advantageous if a defined period of time, which is equal to or greater than the period of the oscillator signal, is waited for before processing step a) is repeated.
  • the waiting time can, for example, be longer than ten times the period. Random signal values or random numbers determined successively or successively from the random signal then have an even lower correlation with one another.
  • the random signal generator has at least two non-deterministic random sequence generators and at least one exclusive-OR gate, that the inputs of the exclusive-OR gate are connected to random sequence generators that supply random sequence signals, and that the output of the Exclusive-OR gate is connected directly or indirectly via an intermediate stage for further processing of the exclusive-OR gate output signal to a random signal output of the random signal generator.
  • the random signal generated by the random signal generator advantageously has a greater randomness than the individual random sequence signals from which the random signal was mixed. Thus, even when using simply constructed random sequence generators, a good approximation of the statistical distribution of the signal levels or random values of the generated random signal to a uniform distribution can be achieved.
  • the intermediate stage has an exclusive-OR gate, one input of which is connected to the output of the exclusive-OR gate connected to the random sequence generators and the other input of which is connected to the random sequence signal output of a further random sequence generator, and if the output of this Exclusive OR gate directly or indirectly via an intermediate stage for further processing of the exclusive-OR gate output signal is connected to the random signal output of the random signal generator.
  • the statistical distribution of the signal levels or random values of the random signal generated by means of the random signal generator is then even more closely approximated to a uniform distribution.
  • the intermediate stage has an exclusive-OR gate, one input of which is connected directly or indirectly via a further intermediate stage to the output of the exclusive-OR gate connected to the random sequence generators, and that to the A memory element is connected to the output of the first-mentioned exclusive-OR gate, the output of which is connected via a feedback loop to the second input of this exclusive-OR gate.
  • the random signal generator has at least two function groups, each of which has a non-deterministic random sequence generator, an exclusive-OR gate and a memory element, the exclusive-OR gate of each functional group each having one its two inputs are connected to a random sequence signal output of the random sequence generator of the functional group and its other input is connected to a data output of the memory element of the functional group, the output of the exclusive-OR gate of each functional group being connected to the data input of the memory element of the functional group, and wherein the storage elements of the functional groups for moving their Memory contents are interconnected via data lines.
  • the signal values of the random signal to be generated are thus advantageously formed from the random signal values of a plurality, preferably all, of the random sequence generators, as a result of which the signal values of the random signal are more random than the random signal values determined from the random sequence signals of the random sequence generators.
  • the random signal generator therefore enables the determination of random signals with an almost perfectly equally distributed frequency of their signal values, even if the frequency of the random sequence signal values of the individual random sequence generators - as is always the case in practice - deviates from the ideal uniform distribution.
  • random signal values determined in succession with the random signal generator have only a very low correlation.
  • the individual random sequence generators of the random signal generator can therefore have a comparatively simple structure, which overall results in a simply constructed and inexpensive to produce random signal generator.
  • a good even distribution of the frequency of the random signal values and a low correlation between the individual random signal values can still be achieved if one of the random sequence generators should fail or if for other reasons, for example due to environmental influences
  • the random signal generator therefore has a high level of operational reliability.
  • the random signal generator has at least two function groups, each have a random sequence generator, an exclusive-OR gate and a memory element, the exclusive-OR gate of each function group each having one of its two inputs with a random sequence signal output of the random sequence generator of the function group and with its other input having a data output of the memory element of another Function group is connected, and wherein the output of the exclusive-OR gate is connected to the data input of the memory element of the first-mentioned function group.
  • this solution also has the advantage that additional data lines for shifting the memory contents between the memory elements can be omitted.
  • One embodiment of the invention provides that the storage element or the storage elements are part of a ring shift register.
  • the memory contents of the memory elements can then be shifted cyclically in a simple manner after each exclusive-OR combination of the random signal values with the memory contents in the ring memory. It is even possible for the ring shift register to have buffer elements in addition to the memory elements of the function groups. Additional digits of a random number to be determined can then be buffered in the buffer elements. The number or number of digits of the individual random numbers can then be greater than the number of random sequence generators of the random signal generator.
  • the random signal generators have a reset input by means of which the random signals of the random sequence generators can be converted into a defined state.
  • the random sequence generators can then each have a defined one before determining a new random number Be brought to the initial state, whereby the correlation between successively determined random numbers is reduced.
  • the random sequence generators each have a voltage-controlled oscillator whose frequency control input is connected to a noise voltage source, the oscillator output being connected to the random sequence signal output of the random sequence generator.
  • the random sequence signals can thereby be generated in a simple manner and with a comparatively good uniform distribution of the frequency of their random sequence signal values.
  • the oscillator output is connected to the input of a flip-flop or similar frequency divider and if the output of the flip-flop is connected to the random sequence signal output of the random sequence generator.
  • the flip-flop then inverts its output signal with each clock pulse of the oscillator, as a result of which a better uniform distribution of the random signal values determined from the random signal values present at the output of the random signal generator is achieved.
  • the random signal generator can then be produced particularly cost-effectively and can be designed, for example, as a plug-in card which has a bus connection for connection to the system bus of a microcomputer.
  • Fig. 1, 2 is a circuit diagram of a random signal generator having a plurality of random sequence generators, of which but only three are shown
  • 3, 5 is a circuit diagram of a random signal generator which has a plurality of function groups and a plurality of intermediate storage elements, only three of the functional groups and only one of the intermediate storage elements being shown,
  • FIG. 4 shows a modification of the circuit diagram according to FIG. 3, the random signal generator having a serial random signal output instead of the parallel random signal output shown in FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a modification of the circuit diagram according to FIG. 5, the random signal generator having a serial random signal output instead of the parallel random signal output shown in FIG. 5, and
  • Fig. 7 is a block diagram of the random signal generator.
  • the random signal generator shown in FIG. 1, generally designated 10, has a plurality of non-deterministic random sequence generators 30a, 30b, 30c and a number of exclusive-OR gates 40a, 40b, 40c.
  • the random sequence signal output 70a of the random sequence generator 30a is connected to a first input 60a and the random sequence signal output 70b of the random sequence generator 30b is connected to a second input 60a of the exclusive-OR gate 40a.
  • the intermediate signal present at the output 100a of the exclusive-OR gate 40a, formed by mixing the random sequence signals of the two random sequence generators 30a, 30b, has a greater random content than each of the two random sequence signals present at the inputs 60a, 80a.
  • the intermediate signal is connected directly or indirectly via at least one intermediate stage, not shown in the drawing, for further processing of the intermediate signal to the first input 60b of the exclusive-OR gate 40b.
  • the second input 80b of this exclusive-OR gate 40b is connected to the random sequence signal output 70c of a further random sequence generator 30b.
  • the random signal present at the output 100b of the exclusive-OR gate 40b connected to an output terminal of the random signal generator 10 has a greater random content than each of the random sequence signal outputs 70a, 70b, 70c. This results in a good approximation of the distribution of the signal values of the random signal to a uniform distribution.
  • At least one intermediate stage can be arranged between the output 100a of the exclusive-OR gate 40a and the input 60b of the exclusive-OR gate 40b, or a plurality of intermediate stages connected in series can be provided.
  • the construction of these intermediate stages corresponds in each case to the arrangement formed by the exclusive-OR gate 40b and the random sequence generator 30c, with one input of the exclusive-OR gate of the intermediate stage in each case with the output of the exclusive-OR gate and connected upstream in series the output of the exclusive-OR gate of the intermediate stage is connected to an input of the exclusive-OR gate connected in series in the row.
  • the exclusive-OR gate 40b can be followed by an intermediate stage which has a further exclusive-OR gate 40c, the first input 60c of which is connected to the output 100b of the exclusive-OR gate 40b.
  • the data input of a memory element 50 is connected to the output of the exclusive-OR gate 40c, whose output is connected to the second input 80c via a feedback loop Exclusive-OR gate 40c is connected. This measure ensures that random sequence values generated by the random sequence generators 30a, 30b, 30c or signals derived therefrom are mixed with one another in time.
  • the data output of the memory element 50 is connected to the random signal output of the random signal generator 10.
  • a non-deterministic random sequence generator 3a, 3b, 3c an exclusive-OR gate 4a, 4b, 4c and a memory element 5a, 5b, 5c.
  • the exclusive-OR gate 4a, 4b, 4c of each function group 2a, 2b, 2c is in each case with one of its two inputs 6a, 6b, 6c with a random signal output 7a, 7b, 7c of the random sequence generator 3a , 3b, 3c of the function group 2a, 2b, 2c and with its other input 8a, 8b, 8c connected to a data output 9a, 9b, 9c of the memory element 5a, 5b, 5c of the function group 2a, 2b, 2c.
  • the memory elements 5a, 5b, 5c are part of a ring shift register and that this additionally also has intermediate memory elements 12 which are connected to the memory elements 5a, 5b, 5c of the function groups 2a, 2b, 2c by means of data lines 13 Ring are connected.
  • the storage values stored in the storage elements 5a, 5b, 5c can be cyclically shifted in the ring shift register by means of the data lines 13.
  • the memory elements 5a, 5b, 5c and the intermediate memories 12 are each preset with a predetermined memory value, for example a logic 0 or a logic 1. From the Random signal of each of the random sequence generators 3a, 3b, 3c, a random sequence signal value is determined in each case, for example by sampling the random sequence signal.
  • the signal corresponding to this random sequence signal value and present at the random signal output 7a, 7b, 7c of a function group 2a, 2b, 2c is in each case associated with the memory value stored in the memory element 5a, 5b, 5c of the function group 2a, 2b, 2c
  • Data output 9a, 9b, 9c present data signal in the gate 4a, 4b, 4c exclusive-OR-linked.
  • the result of this combination is stored by means of the data input 11a, 11b, 11c as a new storage value in the respective storage element 5a, 5b, 5c of the relevant function group 2a, 2b, 2c.
  • the memory values in the ring memory formed by the memory elements 5a, 5b, 5c and the intermediate memory elements 12 are then shifted to the right by a number of digits or bits in the ring memory corresponding to the number of random sequence generators 3a, 3b, 3c. Since the number of memory elements 5a, 5b, 5c corresponds to the number of buffer elements 12, the signal values previously stored in memory elements 5a, 5b, 5c are now buffer-stored in the buffer elements.
  • the random sequence signals of the random sequence generators 3a, 3b, 3c are each reset to the initial state.
  • a defined time is then waited until the random sequence signals of the random sequence generators 3a, 3b, 3c have each assumed a random value.
  • a random sequence signal value is then determined in each case from the individual random sequence signals of the function groups 2a, 2b, 2c. This is in the manner described above by means of the exclusive-OR gate 4a, 4b, 4c of the respective function group 2a, 2b, 2c with the one in the memory element 5a, 5b, 5c of this function group 2a, 2b, 2c contain the exclusive-OR link and are stored in the respective memory element 5a, 5b, 5c of the function group 2a, 2b, 2c.
  • the data values stored in the ring shift register are cyclically shifted to the right by a number that is greater by 1 than the number of random sequence generators 3a, 3b, 3c in the ring shift register.
  • the random sequence signals of the random sequence generators 3a, 3b, 3c are reset to the initial state. A defined time is then waited until the random sequence signals have each taken a random value.
  • Memory elements 5a, 5b, 5c and the intermediate memories 12 are preset, possibly repeated one or more times as a loop. In practice, it has proven to be advantageous if, in the case of a random signal generator 1 whose ring shift register has a width of 8 bits, the overall loop defined by the processing steps mentioned
  • Random number at the data outputs 9a, 9b, 9c, 9d read out in parallel as a binary number.
  • the frequency of the random numbers generated by the random signal generator 1 is almost evenly distributed.
  • the individual random numbers are not or not significantly correlated. This is achieved above all by mixing the random signal values generated by means of the different random sequence generators 3a, 3b, 3c.
  • the random signal values are uncorrelated with one another.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a random signal or random number generator 1, the structure of which essentially corresponds to that of FIG. 3, but with the difference that the second input 8a, 8b; 8c each of the exclusive-OR gates 4a, 4b, 4c is connected to the data output 9c, 9a, 9b of a memory element 5c, 5a, 5b of another function group 2b, 2c, 2a.
  • the random signal generator each has a parallel random signal output. This has a plurality of connections, each of which is connected to a data output 9a, 9b, 9c, 9d of a memory element 5a, 5b, 5c, 5d or an intermediate storage element 12.
  • a serial random signal output is provided, which is connected to the output of the intermediate storage element 12.
  • the individual random sequence generators 3a, 3b, 3c each have a voltage-controlled oscillator 14a, 14b, 14c, which has a frequency control input 15a, 15b, 15c, which is connected to the output of a noise voltage source 16a, 16b, 16c is.
  • the oscillator output of each of the oscillators 14a, 14b, 14c is connected to the input of a flip-flop 17a, 17b, 17c, the output of which forms the random sequence signal output 7a, 7b, 7c.
  • the flip-flops 17a, 17b, 17c each have one for resetting the random sequence signal present at the random sequence signal output 7a, 7b, 7c Reset input.
  • the reset inputs are connected to one another and to a microprocessor 19 by means of a reset line 18.
  • the exclusive-or gates 4a, 4b, 4c, the memory elements 5a, 5b, 5c and the intermediate memory elements 12 are arranged in the microprocessor 19.
  • random sequence generators 3a, 3b and / or 3c in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 to 6 can also be designed according to FIG. 1 and at least two non-deterministic random sequence generators (30a, 30b) and at least one exclusive-or May have gates (40a).

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Abstract

Ein Zufallssignalgenerator (1) hat wenigstens zwei Funktionsgruppen (2a, 2b, 2c), die jeweils einen Zufallsfolgengenerator (3a, 3b, 3c), ein Exklusiv-Oder-Gatter (4a, 4b, 4c) und ein Speicherelement (5a, 5b, 5c) aufweisen. Das Exklusiv-Oder-Gatter (4a, 4b, 4c) jeder Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) ist jeweils mit einem seiner beiden Eingänge (6a, 6b, 6c) mit einem Zufallsfolgensignal-Ausgang (7a, 7b, 7c) des Zufallsfolgengenerators (3a, 3b, 3c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) und mit seinem anderen Eingang (8a, 8b, 8c) mit einem Datenausgang (9a, 9b, 9c) des Speicherelements (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) verbunden. Der Ausgang (10a, 10b, 10c) des Exklusiv-Oder-Gatters (4a, 4b, 4c) jeder Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) ist jeweils mit dem Dateneingang (11a, 11b, 11c) des Speicherelements (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) verbunden. Die Speicherelemente (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppen (2a, 2b, 2c) sind zum Verschieben ihrer Speicherinhalte über Datenleitungen (13) miteinander verbunden.

Description

Zufallssignalgenerator sowie Verfahren zur Erzeugung eines Zufallssignals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Zufallssignals und einen Zufallssignalgenerator.
Aus WO 97/43709 kennt man bereits einen Zufallssignalgenerator, der einen nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerator aufweist, der einen spannungsgesteuerten Oszillator hat, dessen Frequenz- steuereingang mit einer Rauschspannungsquelle verbunden ist . Der Oszillator weist an seinem Ausgang ein Oszillatorsignal auf, dessen Frequenz entsprechend der an dem Frequenzsteuereingang anliegenden, sich stochastisch ändernden Rauschspannung zufällig um eine Mittenfrequenz schwankt. Der Zufallsfolgengenerator hat mehrere dynamische Flip-Flops, die jeweils mit ihrem Dateneingang an einem ihnen zugeordneten Ring-Oszillator angeschlossen sind. Dabei ist für jedes Flip-Flop jeweils ein eigener Ring-Oszillator vorgesehen, wobei die Frequenzen dieser Ring-Oszillatoren etwas voneinander abweichen und jeweils größer sind als die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators des Zufallsignalgenerators. Die Takteingänge der Flip-Flops sind jeweils mit dem Ausgang des Zufallsignalgenerators verbunden, so daß bei einer Taktflanke des sich zufällig in der Frequenz verändernden Schwingungssignales des spannungsgesteuerten Oszillators jeweils ein Signalwert der einzelnen Schwingungssignale der Ring-Oszillatoren abgetastet und in das dem betreffenden Ring-Oszillator zugeordnete Flip-Flop eingelesen wird. Die in den einzelnen Flip-Flops zwischengespeicherten Signalwerte werden dann jeweils an einem Ausgang der Flip-Flops ausgegeben und bilden das zu erzeugende Zufalls- signal. Dabei representieren die an den Ausgängen der Flip-Flops anliegenden Signale jeweils eine Binärziffer einer zu erzeugenden, mehrere Ziffern aufweisenden Zufallszahl. Nach Angabe der Patentschrift sollen die Binärwerte der am Ausgang der Flip-Flops anliegenden Ziffernsignale gleich verteilt sein, d.h. heißt die Ausgänge der Flip-Flops sollen jeweils im Mittel ein etwa gleich großen Anzahl logischer "Einsen" und "Nullen" liefern.
Der vorbekannte Zufallszahlengenerator hat jedoch den Nachteil, daß die einzelnen Ziffernsignale beziehungsweise die diesem zugeordneten Binärstellen der Zufallszahl noch eine gewisse Abhängigkeit voneinander aufweisen. Auch kann es zu einer Korrelation von zwei Zufallszahlen kommen, die unmittelbar nacheinander aus dem Zufallssignalgenerator ausgelesen werden. Ein Beobachter kann deshalb durch entsprechend langes Beobachten der von dem Zufallszahlengenerator ausgegebenen Zufallszahlen auf die Eigenschaften des Zufallssignal- oder Zufallszahlengenerators, insbesondere auf die Eigenschaften der darin enthaltenen Ringoszillatoren schließen. Ungünstig ist außerdem, daß ein Defekt in der Rauschspannungsquelle und/oder dem spannungsgesteuerten Oszillator des Zufallsignalgenerators zur Folge haben kann, daß der spannungsgesteuerte Oszillator mit einer konstanten Frequenz schwingt, so daß die Korrelation der Zufallszahlen dann stark zunimmt, d.h. die Zufälligkeit des Zufallssignals bzw. der durch dieses Signal repräsentierten Zufallszahlen nimmt ab, ohne daß dies der Benutzer des Zufallszahlengenerators bemerkt. Für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise bei der Verschlüsselung von Nachrichten oder der Identifikation eines Absenders einer Nachricht mittels einer "digitalen" Unterschrift, ist es jedoch erforderlich, daß die Zufälligkeit des erzeugten Zufallssignales bzw. der Zufallszahlen möglichst groß ist und somit die Zufallszahlen praktisch nicht vorhersagbar sind.
Aus EP 0 782 069 AI kennt man auch bereits einen Pseudo- Zufallszahlengenerator, der mehrere deterministische Zufallsfolgengeneratoren aufweist, die jeweils einen Ausgang für ein Pseudo-Zufallssignal haben. Diese Ausgänge sind jeweils mit einem Eingang einer Kombinationseinrichtung verbunden, die einen Ausgang für ein durch nichtlineare Kombination der Pseudo-Zufallssignale gebildetes Kombinationssignal aufweist. Der Kombinationssignal- Ausgang ist mit dem Dateneingang eines mehrere Speicherelemente aufweisenden Schieberegisters verbunden, in das die aus dem Kombinationssignal-Ausgang ausgelesenen Daten sequentiell einlesbar sind. Die Datenausgänge der Speicherelemente des Schieberegisters sind jeweils mit einem Eingang einer nichtlinearen Verknüpfungseinrichtung verbunden. Diese weist einen Ausgang für ein Signal auf, das durch nichtlineare Kombination der an den Datenausgängen der Speicherelemente des Schiebe- registers anliegenden Datensignale gebildet ist. An diesem Ausgang werden die einzelnen Stellen der zu erzeugenden Zufallszahl nacheinander synchron zu einem Taktsignal ausgegeben. Der vorbekannte Pseudo-Zufallszahlengenerator hat den Nachteil, daß das an dem Ausgang der Verknüpfungseinrichtung anliegende Signal trotz der vergleichsweise aufwendigen Kombination mehrerer Pseudo-Zufallssignale zu einem Zufallszahlensignal durch eine mathematische Funktion beschreibbar ist. Die mit dem Zufallszahlengenerator erzeugten Zufallszahlen sind deshalb bei Kenntnis dieser mathematischen Funktion und des Zustands des Zufallssignalgenerators vorhersagbar. Ungünstig ist außerdem, daß der Zufallssignalgenerator noch einen vergleichsweise komplizierten Aufbau aufweist.
Man kennt auch bereits einen Zufallssignalgenerator, bei dem ein analoges Rauschsignal einer Rauschquelle mit einem Hochfrequenzverstärker verstärkt und der Signalpegel dieses Verstärkers anschließend digitalisiert wird. Am Ausgang des Hochfrequenzverstärkers wird dann die zu erzeugende Zufallszahl sequentiell ausgelesen, wobei die beiden durch die Digitalisierung des Verstärker-Ausgangssignals definierten Signalpegel als
Binärwerte einer Binärzahl interpretiert werden. Dieser Zuf llssignalgenerator ist jedoch ebenfalls relativ teuer, da zur Vermeidung von Korrelationen zwischen dem digitalen Ausgangssignal des Zufallssignalgenerators und dem analogen Rauschsignal eine aufwendige Abschirmung des Hochfrequenzverstärkers erforderlich ist. Außerdem muß die Rauschquelle gegen äußere elektromagnetische Störungen abgeschirmt sein.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Erzeugung eines Zufallssignals anzugeben, das statistisch weitgehend voneinander unabhängige und gleichverteilte Signalpegel oder Zufallswerte aufweist. Außerdem besteht die Aufgabe, einen Zufallssignalgenerator zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, mit dem aber dennoch statistisch weitgehend voneinander unabhängige und gleichverteilte Signalpegel, Zufallswerte oder Zufallszahlen erzeugt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bezüglich des Verfahrens darin, daß mittels wenigstens zweier nichtdeterministischer Zufallsfolgengeneratoren zumindest zwei Zufallsfolgensignale erzeugt und exklusiv-oder-verknüpft werden und daß das Exklusiv-Oder- Ausgangssignal das Zufallssignal oder ein Zwischensignal zur Weiterverarbeitung bildet.
In vorteilhafter Weise wird dadurch ein Zufallssignal bereitgestellt, das eine größere Zufälligkeit aufweist, als die einzelnen Zufallsfolgensignale, aus denen das Zufallssignal gemischt wurde. Somit kann eine gute Annäherung der statistischen Verteilung der Signalpegel oder Zufallswerte des generierten Zufallssignal an eine Gleichverteilung erreicht werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, daß das Exklusiv-Oder-Ausgangssignal als Zwischensignal mit dem Zufallsfolgensignal wenigstens eines weiteren nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerators exklusiv-oder-verknüpft wird und das Exklusiv-Oder-Ausgangssignal dieser Verknüpfung das Zufallssignal oder ein Zwischensignal zur Weiterverarbeitung bildet. Die statistische Verteilung der Signalpegel oder Zufallswerte des generierten Zufallssignals ist dann noch besser an eine Gleichverteilung angenähert.
Besonders vorteilhaft ist, wenn aus dem Zwischensignal ein Zufallssignalwert ermittelt wird, indem einem Exklusiv-Oder- Glied dieses Zwischensignals sowie ein zwischengespeichertes Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes zugeführt wird. Es werden also zu unterschiedlichen Zeitpunkten generierte Zufallsfolgen- signalwerte miteinander exklusiv-oder-verknüpft, wodurch eine noch größere Zufälligkeit der Signalpegel oder Zufallswerte des generierten Zufallssignals erreicht wird.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann bezüglich des Verfahrens auch dadurch gelöst werden, daß mittels wenigstens zweier nichtdeterministischer Zufallsfolgengeneratoren wenigstens zwei Zufallsfolgensignale erzeugt werden, a) daß jeweils ein Zufallssignalwert aus jedem der Zufallsfolgensignale der einzelnen Zufallsfolgengeneratoren ermittelt wird und mit einem einem anderen Zufallsfolgengenerator zugeordneten Speicherwert exklusiv-oder-verknüpft wird, b) das Ergebnis dieser Verknüpfung jeweils als neuer, dem zuerstgenannten Zufallsfolgengenerator zugeordneten Speicherwert zwischengespeichert wird, c) daß die Verfahrensschritte a) und b) als Schleife wenigstens einmal erneut durchlaufen werden d) und daß danach die den einzelnen Zufallsfolgengenerato- ren jeweils zugeordneten Speicherwerte als Zufallssignal ausgegeben werden .
Es werden also mehrere Zufallsfolgensignale mit Hilfe von unterschiedlichen Zufallsfolgengeneratoren erzeugt, wobei diese Zufallsfolgensignale mittels Exklusiv-oder-Verknüpfungen entsprechend den Verfahrensschritten a) bis d) miteinander kombiniert werden. In vorteilhafter Weise kann dadurch ein Zufallssignal bereitgestellt werden, das eine größere Zufälligkeit aufweist, als die einzelnen Zufallsfolgensignale, aus denen das Zufallssignal gemischt wurde. Das Verfahren ermöglicht es deshalb, mittels mehrerer vergleichsweise einfach aufgebauter Zufallssignalgeneratoren Zufallszahlen oder Zufallssignale zu ermitteln, die praktisch nicht miteinander korreliert sind und deren Häufigkeit nahezu gleich verteilt ist.
Vorteilhaft ist, wenn die Verfahrensschritte a) bis d) mehrmals durchlaufen werden. Dadurch ist es möglich, Zufallszahlen zu erzeugen, die eine größere Anzahl Ziffern oder Stellen aufweisen als die Anzahl der Zufallssignalgeneratoren.
Vorteilhaft ist, wenn die Speicherwerte in einem Datenspeicher zyklisch verschoben werden. Die mittels der einzelnen Zufallsfolgengeneratoren generierten Zufallssignalwerte können dann noch besser gemischt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Zufallsfolgengeneratoren jeweils vor dem erneuten Abarbeiten des Verfahrensschritt a) in einen definierten Zustand zurückgesetzt werden. Dadurch kann die Korrelation zweier unmittelbar nacheinander ermittelter Signalwerte des Zufallssignals zusätzlich reduziert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, daß zum Erzeugen der Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengeneratoren jeweils die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators mittels eines Rauschspannungssignals verändert wird und daß der Zufallssignalwert jeweils aus dem Oszillatorsignal des Oszillators ermittelt wird. Die Zufallssignale können dadurch auf einfache Weise bereits mit einer vergleichsweise guten Gleichverteilung ihrer Zufallssignalwerte erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn jeweils vor dem erneuten Abarbeiten des Verfahrensschritts a) eine definierte Zeitdauer, die gleich oder größer als die Periodendauer des Oszillatorsignals ist, abgewartet wird. Die Wartezeit kann beispielsweise größer als das zehnfache der Periodendauer sein. Nacheinander bzw. aufeinanderfolgend aus dem Zufallssignal ermittelte Zufallssignalwerte oder Zufallszahlen weisen dann untereinander eine noch geringere Korrelation auf.
Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe besteht bezüglich des Zufallssignalgenerators darin, daß der Zufallssignalgenerator wenigstens zwei nichtdeterministische Zufallsfolgengeneratoren und zumindest ein Exklusiv-Oder-Gatter aufweist, daß die Eingänge des Exklusiv-Oder-Gatters mit Zufallsfolgensignale liefernden Zufallsfolgengeneratoren verbunden sind, und daß der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters direkt oder indirekt über eine Zwischenstufe zur Weiterverarbeitung des Exklusiv-Oder- Gatter-Ausgangssignales mit einem Zufallssignal-Ausgang des Zufallssignalgenerators verbunden ist.
In vorteilhafter Weise weist das von dem Zufallssignalgenerator erzeugte Zufallssignal eine größere Zufälligkeit auf, als die einzelnen Zufallsfolgensignale, aus denen das Zufallssignal gemischt wurde. Somit kann auch bei Verwendung einfach aufgebauter Zufallsfolgengeneratoren eine gute Annäherung der statistischen Verteilung der Signalpegel oder Zufallswerte des generierten Zufallssignal an eine Gleichverteilung erreicht werden.
Vorteilhaft ist, wenn die Zwischenstufe ein Exklusiv-Oder-Gatter aufweist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des mit den Zufallsfolgengeneratoren verbundenen Exklusiv-Oder-Gatter und dessen anderer Eingang mit dem Zufallsfolgensignal-Ausgang eines weiteren Zufallsfolgengenerators verbunden ist, und wenn der Ausgang dieses Exklusiv-Oder-Gatters direkt oder indirekt über eine Zwischenstufe zur Weiterverarbeitung des Exklusiv-Oder- Gatter-Ausgangssignales mit dem Zufallssignal-Ausgang des Zufallssignalgenerators verbunden ist. Die statistische Verteilung der Signalpegel oder Zufallswerte des mittels des Zufalls- signalgenerators erzeugten Zuf llssignals ist dann noch besser an eine Gleichverteilung angenähert.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zwischenstufe ein Exklusiv-Oder-Gatter aufweist, dessen einer Eingang direkt oder indirekt über eine weitere Zwischenstufe mit dem Ausgang des mit den Zufallsfolgengeneratoren verbundenen Exklusiv-Oder-Gatter verbunden ist, und daß an den Ausgang des zuerstgenannten Exklusiv-Oder-Gatters ein Speicherelement angeschlossen ist, dessen Ausgang über eine Rückkoppel- schleife mit dem zweiten Eingang dieses Exklusiv-Oder-Gatters verbunden ist. Dadurch ist es möglich, zu unterschiedlichen Zeitpunkten generierte Zufallsfolgensignalwerte miteinander exklusiv-oder zu verknüpfen, wodurch eine noch größere Zufälligkeit der Signalpegel oder Zufallswerte des generierten Zufalls- signals erreicht wird.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann bezüglich des Zufallssignalgenerators auch dadurch gelöst werden, daß der Zufallssignalgenerator wenigstens zwei Funktionsgruppen hat, die jeweils einen nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerator, ein Exklusiv-Oder-Gatter und ein Speicherelement aufweisen, wobei das Exklusiv-Oder-Gatter jeder Funktionsgruppe jeweils mit einem seiner beiden Eingänge mit einem Zufallsfolgensignal-Ausgang des Zufallsfolgengenerators der Funktionsgruppe und mit seinem -änderen Eingang mit einem Datenausgang des Speicherelements der Funktionsgruppe verbunden ist, wobei der Ausgang des Exklusiv- Oder-Gatters jeder Funktionsgruppe jeweils mit dem Dateneingang des Speicherelements der Funktionsgruppe verbunden ist, und wobei die Speicherelemente der Funktionsgruppen zum Verschieben ihrer Speicherinhalte über Datenleitungen miteinander verbunden sind.
In vorteilhafter Weise werden also jeweils die Signalwerte des zu erzeugenden Zufallssignales aus den Zufallssignalwerten mehrerer, vorzugsweise aller Zufallsfolgengeneratoren gebildet, wodurch die Signalwerte des Zufallssignales eine größere Zufälligkeit aufweisen als die aus den Zufallsfolgensignalen der Zufallsfolgengeneratoren ermittelten Zufallssignalwerte . Der Zufallssignalgenerator ermöglicht deshalb die Ermittlung von Zufallssignalen mit nahezu perfekt gleich verteilter Häufigkeit ihrer Signalwerte, selbst dann, wenn die Häufigkeit der Zufallsfolgensignalwerte der einzelnen Zufallsfolgengeneratoren - wie dies in der Praxis immer der Fall ist - von der idealen Gleichverteilung abweicht. Außerdem weisen nacheinander mit dem Zufallssignalgenerator ermittelte Zufallssignalwerte nur eine sehr geringe Korrelation auf. Die einzelnen Zufallsfolgengeneratoren des Zufallssignalgenerators können deshalb einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweisen, wodurch sich insgesamt ein einfach aufgebauter und kostengünstig herstellbarer Zufalls- signalgenerator ergibt. In vorteilhafter Weise kann bei einem Zufallssignalgenerator, der mehr als zwei Zufallsfolgengeneratoren aufweist, selbst dann noch eine gute Gleichverteilung der Häufigkeit der Zufallssignalwerte und eine geringe Korrelation zwischen den einzelnen Zufallssignalwerten erreicht werden, wenn einer der Zufallsfolgengeneratoren einmal ausfallen sollte oder wenn aus anderen Gründen, beispielsweise durch Umgebungseinflüsse
(Temperatur, elektromagnetische Felder, Manipulationsversuche usw.) und/oder Alterungsprozesse, ein Verlust der Zufälligkeit der Zufallsfolgensignalwerte auftreten sollte. Der Zufalls- signalgenerator weist deshalb eine hohe Betriebssicherheit auf.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann bezüglich des Zufallssignalgenerators auch dadurch gelöst werden, daß der Zufallssignalgenerator wenigstens zwei Funktionsgruppen hat, die jeweils einen Zufallsfolgengenerator, ein Exklusiv-Oder-Gatter und ein Speicherelement aufweisen, wobei das Exklusiv-Oder-Gatter jeder Funktionsgruppe jeweils mit einem seiner beiden Eingänge mit einem Zufallsfolgensignal-Ausgang des Zufallsfolgengenerators der Funktionsgruppe und mit seinem anderen Eingang mit einem Datenausgang des Speicherelements einer anderen Funktionsgruppe verbunden ist, und wobei der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters jeweils mit dem Dateneingang des Speicherelements der zuerst genannten Funktionsgruppe verbunden ist.
Zusätzlich zu den Vorteilen der Lösung gemäß Anspruch 14 hat diese Lösung noch den Vorteil, daß zusätzliche Datenleitungen zum Verschieben der Speicherinhalte zwischen den Speicherelementen entfallen können.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Speicherelement oder die Speicherelemente Teil eines Ringschieberegister sind. Die Speicherinhalte der Speicherelemente können dann auf einfache Weise nach jeder Exklusiv-Oder-Verknüpfung der Zufallssignalwerte mit den Speicherinhalten in dem Ringspeicher zyklisch verschoben werden. Dabei ist es sogar möglich, daß das Ringschieberegister zusätzlich zu den Speicherelementen der Funktionsgruppen Zwischenspeicherelemente aufweist. In den Zwischenspeicherelementen können dann zusätzliche Ziffern einer zu ermittelnden Zufallszahl zwischengespeichert werden. Die Ziffern- oder Stellenzahl der einzelnen Zufallszahlen kann dann größer sein als die Anzahl der Zufallsfolgengeneratoren des Zufallssignalengenerators .
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Zufallssignalgeneratoren einen Rücksetzeingang aufweisen, mittels dem die Zufallssignale der Zufallsfolgengeneratoren in einen definierten Zustand überführbar sind. Die Zufallsfolgengeneratoren können dann vor dem Ermitteln einer neuen Zufallszahl jeweils in einen definierten Ausgangszustand gebracht werden, wodurch die Korrelation zwischen aufeinanderfolgend ermittelten Zufallszahlen vermindert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Zufallsfolgengeneratoren jeweils einen spannungsgesteuerten Oszillator auf, dessen Frequenzsteuereingang mit einer Rauschspannungsquelle verbunden ist, wobei der Oszillator-Ausgang mit dem Zufallsfolgensignalausgang des Zufallsfolgengenerators verbunden ist. Die Zufallsfolgensignale können dadurch auf einfache Weise und mit einer vergleichsweise guten Gleichverteilung der Häufigkeit ihrer Zufallsfolgensignalwerte erzeugt werden .
Vorteilhaft ist, wenn der Oszillator-Ausgang mit dem Eingang eines Flip-Flops oder dergleichen Frequenzteiler verbunden ist und wenn der Ausgang des Flip-Flop mit dem Zufallsfolgensignalausgang des Zufallsfolgengenerators verbunden ist. Das Flip-Flop invertiert dann mit jedem Taktimpuls des Oszillators sein Ausgangssignal , wodurch eine bessere Gleichverteilung der aus den am Ausgang des Zufallssignalgenerators anliegenden Zufallssignals ermittelten Zufallssignalwerten erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn zumindest das oder die Exklusiv- Oder-Gatter und gegebenenfalls das Ringschieberegister Teil eines Mikroprozessors sind. Der Zufallssignalgenerator ist dann besonders kostengünstig herstellbar und kann beispielsweise als EinSteckkarte ausgebildet sein, die einen Bus-Anschluß zum Verbinden mit dem Systembus eines Mikrocomputers aufweist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1, 2 ein Schaltbild eines Zuf llssignalgenerators , der mehrere Zufallsfolgengeneratoren aufweist, von denen jedoch nur drei dargestellt sind,
Fig. 3, 5 ein Schaltbild eines Zufallssignalgenerators, der mehrere Funktionsgruppen sowie mehrere Zwischen- Speicherelemente aufweist, wobei von den Funktionsgruppen nur drei und von den Zwischenspeicherelementen nur eines dargestellt ist,
Fig. 4 eine Abwandlung des Schaltbilds nach Figur 3, wobei der Zufallssignalgenerator anstelle des in Fig. 3 gezeigten parallelen Zufallssignalausgangs einen seriellen Zufallssignalausgang hat,
Fig. 6 eine Abwandlung des Schaltbilds nach Figur 5, wobei der Zufallssignalgenerator anstelle des in Fig. 5 gezeigten parallelen Zufallssignalausgangs einen seriellen Zufallssignalausgang hat, und
Fig. 7 ein Blockschaltbild des Zufallssignalgenerators.
Der in Fig. 1 gezeigte, im ganzen mit 10 bezeichnete Zufallssignalgenerator weist mehrere nichtdeterministische Zufallsfolgengeneratoren 30a, 30b, 30c und mehrere Exklusiv-Oder-Gatter 40a, 40b, 40c auf. Der Zufallsfolgensignalausgang 70a des Zufallsfolgengenerators 30a ist mit einem ersten Eingang 60a und der Zufallsfolgensignalausgang 70b des Zufallsfolgengenerators 30b ist mit einem zweiten Eingang 60a des Exklusiv-Oder-Gatter 40a verbunden. Das am Ausgang 100a des Exklusiv-Oder-Gatters 40a anliegende, durch Mischung der Zufallsfolgensignale der beiden Zufallsfolgengeneratoren 30a, 30b gebildete Zwischensignal weist eine größeren Zufallsgehalt auf als jedes der beiden an den Eingängen 60a, 80a anliegende Zufallsfolgensignale.
Das am Ausgang 100a des Exklusiv-Oder-Gatters 40a anliegende Zwischensignal ist direkt oder indirekt über wenigstens eine, in der Zeichnung nicht dargestellte Zwischenstufe zur Weiterverarbeitung des Zwischensignales mit dem ersten Eingang 60b des Exklusiv-Oder-Gatters 40b verbunden. Der zweite Eingang 80b dieses Exklusiv-Oder-Gatters 40b ist an dem Zufallsfolgensignalausgang 70c eines weiteren Zufallsfolgengenerators 30b angeschlossen. Das an dem mit einem Ausgangsanschluß des Zufallssignalgenerators 10 verbundenen Ausgang 100b des Exklusiv-Oder- Gatters 40b anliegende Zufallssignal weist einen größeren Zufallsgehalt auf als jedes der Zufallsfolgensignalausgänge 70a, 70b, 70c. Somit ergibt sich eine gute Annäherung der Verteilung der Signalwerte des Zufallssignales an eine Gleichverteilung.
Zwischen dem Ausgang 100a des Exklusiv-Oder-Gatters 40a und dem Eingang 60b des Exklusiv-Oder-Gatters 40b kann wenigstens eine Zwischenstufe angeordnet sein oder es können mehrere in Reihe geschaltete Zwischenstufen vorgesehen sein. Diese Zwischenstufen entsprechen jeweils in ihrem Aufbau der aus dem Exklusiv-Oder- Gatters 40b und dem Zufallsfolgengenerator 30c gebildeten Anordnung, wobei jeweils ein Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters der Zwischenstufe mit dem Ausgang des in der Reihe benachbart vorgeschalteten Exklusiv-Oder-Gatters und der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters der Zwischenstufe mit einem Eingang des in der Reihe benachbart nachgeschalteten Exklusiv-Oder- Gatters verbunden ist.
Wie in Figur 2 erkennbar ist, kann dem Exklusiv-Oder-Gatter 40b eine Zwischenstufe nachgeschaltet sein, die ein weiteres Exklusiv-Oder-Gatter 40c aufweist, dessen erster Eingang 60c mit dem Ausgang 100b des Exklusiv-Oder-Gatters 40b verbunden ist. An den Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters 40c ist der Dateneingang eines Speicherelements 50 angeschlossen ist, dessen Ausgang über eine Rückkoppelschleife mit dem zweiten Eingang 80c dieses Exklusiv-Oder-Gatters 40c verbunden ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß zeitlich nacheinader von den Zufallsfolgengeneratoren 30a, 30b, 30c generierte Zufallsfolgenwerte bzw. daraus abgeleitete Signale miteinander gemischt werden. Der Datenausgang des Speicherelements 50 ist mit dem Zufallssignalausgang des Zufallssignalgenerators 10 verbunden.
Die in Fig. 3 bis 6 gezeigten, im ganzen mit 1 bezeichneten Zufallssignalgeneratoren haben jeweils mehrere Funktionsgruppen 2a, 2b, 2c, die jeweils einen nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerator 3a, 3b, 3c, ein Exklusiv-Oder-Gatter 4a, 4b, 4c und ein Speicherelement 5a, 5b, 5c aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Exklusiv-Oder-Gatter 4a, 4b, 4c jeder Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c jeweils mit einem seiner beiden Eingänge 6a, 6b, 6c mit einem Zufallssignal-Ausgang 7a, 7b, 7c des Zufallsfolgengenerators 3a, 3b, 3c der Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c und mit seinem anderen Eingang 8a, 8b, 8c mit einem Datenausgang 9a, 9b, 9c des Speicherelements 5a, 5b, 5c der Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c verbunden. In Fig. 3 ist ferner erkennbar, daß die Speicherelemente 5a, 5b, 5c Teil eines Ringschieberegisters sind und daß dieses zusätzlich noch Zwischenspeicherelemente 12 aufweist, die mit den Speicherelementen 5a, 5b, 5c der Funktionsgruppen 2a, 2b, 2c mittels Datenleitungen 13 zu einem Ring verschaltet sind. Mittels der Datenleitungen 13 sind die in den Speicherelementen 5a, 5b, 5c abgelegten Speicherwerte zyklisch in dem Ringschieberegister verschiebbar .
Nachfolgend sind die einzelnen Verarbeitungsschritte des Zufallssignalgenerators 1 bei der Ermittlung eines Zufallssignals bzw. einer Zufallszahl näher erläutert. Zunächst werden die Speicherelemente 5a, 5b, 5c und die Zwischenspeicher 12 jeweils mit einem vorgegebenen Speicherwert vorbesetzt, beispielsweise einer logischen 0 oder einer logischen 1. Aus dem Zufallssignal jedes der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c wird jeweils ein Zufallsfolgensignalwert ermittelt, beispielsweise durch Abtasten des Zufallsfolgensignals. Das diesem Zufallsfolgen- signalwert entsprechende, jeweils an dem Zufallssignalausgang 7a, 7b, 7c einer Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c anliegende Signal wird jeweils mit dem in dem Speicherelement 5a, 5b, 5c der Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c abgelegten Speicherwert entsprechenden, an dem Datenausgang 9a, 9b, 9c anliegenden Datensignal in dem Gatter 4a, 4b, 4c Exklusiv-Oder-Verknüpft . Das Ergebnis dieser Verknüpfung wird mittels des Dateneingangs 11a, 11b, 11c jeweils als neuer Speicherwert in das jeweilige Speicherelement 5a, 5b, 5c der betreffenden Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c eingespeichert .
Danach werden die Speicherwerte in dem durch die Speicherelemente 5a, 5b, 5c und die Zwischenspeicherelemente 12 gebildeten Ringspeicher um eine der Anzahl der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c entsprechende Anzahl Stellen oder Bit in dem Ringspeicher nach rechts verschoben. Da die Anzahl der Speicherelemente 5a, 5b, 5c der Anzahl der Zwischenspeicherelemente 12 entspricht, sind die zuvor in den Speicherelementen 5a, 5b, 5c abgelegten Signalwerte nun in den Zwischenspeicherelementen zwischengespeichert .
Danach werden die Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c jeweils in den Ausgangszustand zurückversetzt. Anschließend wird eine definierte Zeit abgewartet, bis die Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c jeweils einen zufälligen Wert angenommen haben. Aus den einzelnen Zufallsfolgensignalen der Funktionsgruppen 2a, 2b, 2c wird dann jeweils ein Zufallsfolgensignalwert ermittelt. Dieser wird in der zuvor beschriebenen Weise mittels des Exklusiv-Oder- Gatters 4a, 4b, 4c der jeweiligen Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c mit dem in dem Speicherelement 5a, 5b, 5c dieser Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c enthaltenen Speicherwert Exklusiv-Oder-Verknüpf und in dem jeweiligen Speicherelement 5a, 5b, 5c der Funktionsgruppe 2a, 2b, 2c abgelegt.
Danach werden die in dem Ringschieberegister gespeicherten Datenwerte um eine Anzahl Stellen, die um 1 größer ist als die Anzahl der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c in dem Ringschieberegister zyklisch nach rechts verschoben. Außerdem werden die Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c in den Ausgangszustand zurückgesetzt. Danach wird eine definierte Zeit abgewartet, bis die Zufallsfolgensignale jeweils einen zufälligen Wert angenommen haben.
Die vorstehend beschriebenen Verarbeitungsschritte können mit Ausnahme des ersten Verarbeitungsschritts, bei dem die
Speicherelemente 5a, 5b, 5c und die Zwischenspeicher 12 vorbesetzt werden, als Schleife gegebenenfalls noch ein oder mehrmals wiederholt werden. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei einem Zufallssignalgenerator 1, dessen Ringschieberegister eine Breite von 8 Bit aufweist, die durch die genannten Verarbeitungsschritte definierte Schleife insgesamt
16 mal durchlaufen wird, d.h. es werden 16 vollständige
Primärbytes eingelesen und verarbeitet. Danach wird die
Zufallszahl an den Datenausgängen 9a, 9b, 9c, 9d parallel als Binärzahl ausgelesen.
Die mittels des Zufallssignalgenerators 1 erzeugten Zufallszahlen weisen bezüglich ihrer Häufigkeit nahezu eine Gleichverteilung auf. Dabei sind die einzelnen Zufallszahlen nicht oder nicht nennenswert korreliert. Dies wird vor allem dadurch erreicht, daß die mittels der unterschiedlichen Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c erzeugten Zufallssignalwerte miteinander vermischt werden. Die Zufallssignalwerte sind untereinander unkorreliert . Bei der Verknüpfung der jeweils an den Eingängen 6a, 6b, 6c und 8a, 8b, 8c der Exklusiv-Oder-Gatter 4a, 4b, 4c anliegenden, einen bestimmten Zufallsgehalt aufweisenden Eingangssignale ergibt sich deshalb an den Ausgängen 10a, 10b, 10c der Exklusiv-Oder- Gatter 4a, 4b, 4c ein Ausgangssignal, das einen größeren Zufallsgehalt als jede der beiden Eingangssignale aufweist, d.g. das Ausgangs signal ist zufälliger als jedes der Eingangssignale.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zufallssignal- bzw. Zufallszahlengenerators 1 gezeigt, dessen Aufbau im wesentlichen demjenigen nach Fig. 3 entspricht, jedoch mit dem Unterschied, daß der zweite Eingang 8a, 8b; 8c jedes der Exklusiv-Oder-Gatter 4a, 4b, 4c jeweils mit dem Datenausgang 9c, 9a, 9b eines Speicherelements 5c, 5a, 5b einer anderen Funktions- gruppe 2b, 2c, 2a verbunden ist.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 5 weist der Zufallssignalgenerator jeweils einen parallelen Zufallssignalausgang auf. Dieser hat mehrere Anschlüsse, die jeweils mit einem Datenausgang 9a, 9b, 9c, 9d eines Speicherelements 5a, 5b, 5c, 5d oder eines Zwischenspreicherelements 12 verbunden sind. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 und 6 ist jeweils ein serieller Zufallssignalausgang vorgesehen, der mit dem Ausgang des Zwischenspreicherelements 12 verbunden ist.
Wie aus Fig. 7 erkennbar ist, weisen die einzelnen Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b, 3c jeweils einen spannungsgesteuerten Oszillator 14a, 14b, 14c auf, der einen Frequenzsteuereingang 15a, 15b, 15c hat, der mit dem Ausgang einer Rauschspannungsquelle 16a, 16b, 16c verbunden ist. Der Oszillatorausgang jeder der Oszillatoren 14a, 14b, 14c ist jeweils mit dem Eingang eines Flip-Flop 17a, 17b, 17c verbunden, dessen Ausgang den Zufallsfolgensignalausgang 7a, 7b, 7c bildet. Zum Zurücksetzen des an dem Zufallsfolgensignalausgang 7a, 7b, 7c anliegenden Zufallsfolgensignal haben die Flip-Flops 17a, 17b, 17c jeweils einen Rücksetzeingang. Die Rücksetzeingänge sind mittels einer Rücksetzleitung 18 untereinander und mit einem Mikroprozessor 19 verbunden. In dem Mikroprozessor 19 sind die Exklusiv-Oder- Gatter 4a, 4b, 4c, die Speicherelemente 5a, 5b, 5c und die Zwischenspeicherelemente 12 angeordnet.
Erwähnt werden soll noch, daß die die Zufallsfolgengeneratoren 3a, 3b und/oder 3c bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 bis 6 auch gemäß Fig.l ausgebildet sein können und wenigstens zwei nichtdeterministische Zufallsfolgengeneratoren (30a, 30b) und zumindest ein Exklusiv-Oder-Gatter (40a) aufweisen können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines Zufallssignals, wobei mittels wenigstens zweier nichtdeterministischer Zufallsfolgengenera- toren (30a, 30b) zumindest zwei Zufallsfolgensignale erzeugt und exklusiv-oder-verknüpft werden und wobei das Exklusiv-Oder-Ausgangssignal das Zufallssignal oder ein Zwischensignal zur Weiterverarbeitung bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Exklusiv-Oder-Ausgangssignal als Zwischensignal mit dem Zufallsfolgensignal wenigstens eines weiteren nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerators (30c) exklusiv- oder-verknüpft wird und das Exklusiv-Oder-Ausgangssignal dieser Verknüpfung das Zufallssignal oder ein Zwischensignal zur Weiterverarbeitung bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Zwischensignal ein Zufallssignalwert ermittelt wird, indem einem Exklusiv-Oder-Glied (40c) dieses Zwischensignals sowie ein zwischengespeichertes Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes (40c) zugeführt wird.
4. Verfahren zur Erzeugung eines Zufallssignals, wobei mittels wenigstens zweier nichtdeterministischer Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c) wenigstens zwei Zufallsfolgensignale erzeugt werden, a) wobei jeweils ein Zufallssignalwert aus jedem der Zufallsfolgensignale der einzelnen Zufallsfolgengenera- toren (3a, 3b, 3c) ermittelt wird und mit einem einem anderen Zufallsfolgengenerator (3b, 3c, 3d) zugeordneten Speicherwert exklusiv-oder-verknüpft wird, b) wobei das Ergebnis dieser Verknüpfung jeweils als neuer, dem zuerstgenannten Zufallsfolgengenerator (3a, 3b, 3c) zugeordneten Speicherwert zwischengespeichert wird, c) wobei die Verfahrensschritte a) und b) als Schleife wenigstens einmal erneut durchlaufen werden d) und wobei danach die den einzelnen Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c) jeweils zugeordneten Speicherwerte als Zufallssignal ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte a) bis d) mehrmals durchlaufen werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherwerte in einem Datenspeicher zyklisch verschoben werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c) jeweils vor dem erneuten Abarbeiten des Verfahrensschritts a) in einen definierten Zustand zurückgesetzt werden .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte a) bis d) mittels eines Mikroprozessors ausgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c) jeweils die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (14a, 14b, 14c) mittels eines Rauschspannungssignals verändert wird und daß der Zufallssignalwert jeweils aus dem Oszillatorsignal des Oszillators (14a, 14b, 14c) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor dem erneuten Abarbeiten des Verfahrensschritts a) eine definierte Zeitdauer, die gleich oder größer als die Periodendauer des Oszillatorsignals ist, abgewartet wird.
11. Zufallssignalgenerator (10), mit wenigstens zwei nichtdeterministischen Zufallsfolgengeneratoren (30a, 30b) und mit zumindest einem Exklusiv-Oder-Gatter (40a) , wobei die Eingänge des Exklusiv-Oder-Gatters (40a) mit Zufallsfolgensignale liefernden Zufallsfolgengeneratoren (30a, 30b) verbunden sind, und wobei der Ausgang (100a) des Exklusiv- Oder-Gatters (40a) direkt oder indirekt über eine Zwischenstufe zur Weiterverarbeitung des Exklusiv-Oder-Gatter- Ausgangssignales mit einem Zufallssignal-Ausgang (90) des Zufallssignalgenerators (1) verbunden ist.
12. Zufallssignalgenerator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufe ein Exklusiv-Oder- Gatter (40b) aufweist, dessen einer Eingang (60b) mit dem Ausgang (100a) des mit den Zufallsfolgengeneratoren (30a, 30b) verbundenen Exklusiv-Oder-Gatter (40a) und dessen anderer Eingang (80b) mit dem Zufallsfolgensignal-Ausgang (70c) eines weiteren Zufallsfolgengenerators (30c) verbunden ist, und daß der Ausgang (100b) dieses Exklusiv-Oder-Gatters (40b) direkt oder indirekt über eine Zwischenstufe zur WeiterverarbeitungdesExklusiv-Oder-Gatter-Ausgangssignales mit dem Zufallssignal-Ausgang (90) des Zufallssignalgenerators (1) verbunden ist.
13. Zufallssignalgenerator (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufe ein Exklusiv-Oder- Gatter (40c) aufweist, dessen einer Eingang (60c) direkt oder indirekt über eine weitere Zwischenstufe mit dem Ausgang
(100a) des mit den Zufallsfolgengeneratoren (30a, 30b) verbundenen Exklusiv-Oder-Gatter (40a) verbunden ist, und daß an den Ausgang des zuerstgenannten Exklusiv-Oder-Gatters (40c) ein Speicherelement (50) angeschlossen ist, dessen
Ausgang über eine Rückkoppelschleife mit dem zweiten Eingang (80c) dieses Exklusiv-Oder-Gatters (40c) verbunden ist.
14. Zufallssignalgenerator (1), wobei der Zufallssignalgenerator (1) wenigstens zwei Funktionsgruppen (2a, 2b, 2c) hat, die jeweils einen nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerator (3a, 3b, 3c) , ein Exklusiv-Oder-Gatter (4a, 4b, 4c) und ein Speicherelement (5a, 5b, 5c) aufweisen, wobei das Exklusiv- Oder-Gatter (4a, 4b, 4c) jeder Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) jeweils mit einem seiner beiden Eingänge (6a, 6b, 6c) mit einem Zufallsfolgensignal-Ausgang (7a, 7b, 7c) des Zufallsfolgengenerators (3a, 3b, 3c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) und mit seinem anderen Eingang (8a, 8b, 8c) mit einem Datenausgang (9a, 9b, 9c) des Speicherelements
(5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) verbunden ist, wobei der Ausgang (10a, 10b, 10c) des Exklusiv-Oder-Gatters
(4a, 4b, 4c) jeder Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) jeweils mit dem Dateneingang (11a, 11b, 11c) des Speicherelements (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) verbunden ist, und wobei die Speicherelemente (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppen (2a, 2b, 2c) zum Verschieben ihrer Speicherinhalte über Datenleitungen (13) miteinander verbunden sind.
15 . Zufallssignalgenerator ( 1 ) , wobei der Zufallssignalgenerator ( 1 ) wenigstens zwei Funktionsgruppen ( 2a , 2b , 2c ) hat , die jeweils einen nichtdeterministischen Zufallsfolgengenerator (3a, 3b, 3c ) , ein Exklusiv-Oder-Gatter ( 4a , 4b, 4c ) und ein Speicherelement ( 5a , 5b , 5c ) aufweisen, wobei das Exklusiv-
Oder-Gatter (4a , 4b, 4c ) jeder Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c ) j eweils mit einem seiner beiden Eingänge ( 6a , 6b , 6c ) mit einem Zufalls folgensignal-Ausgang ( 7a , 7b , 7 c ) des Zufallsfolgengenerators ( 3a , 3b, 3 c ) der Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) und mit seinem anderen Eingang (8a, 8b, 8c) mit einem Datenausgang (9c, 9a, 9b) des Speicherelements
(5c, 5a, 5b) einer anderen Funktionsgruppe (2b, 2c, 2a) verbunden ist, und wobei der Ausgang (10a, 10b, 10c) des Exklusiv-Oder-Gatters (4a, 4b, 4c) jeweils mit dem
Dateneingang (11a, 11b, 11c) des Speicherelements (5a, 5b, 5c) der zuerst genannten Funktionsgruppe (2a, 2b, 2c) verbunden ist.
16. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 13 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (5a, 5b, 5c, 50) oder die Speicherelemente (5a, 5b, 5c, 50) Teil eines Ringschieberegister sind.
17. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 14 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringschieberegister zusätzlich zu den Speicherelementen (5a, 5b, 5c) der Funktionsgruppen (2a, 2b, 2c) Zwischenspeicherelemente (12) aufweist .
18. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c, 30a, 30b, 30c) einen Rücksetzeingang aufweisen, mittels dem die Zufallsfolgensignale der Zufallsfolgengenera- toren (3a, 3b, 3c, 30a, 30b, 30c) in einen definierten Zustand überführbar sind.
19. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsfolgengeneratoren (3a, 3b, 3c, 30a, 30b, 30c) jeweils einen spannungs- gesteuereten Oszillator (14a, 14b, 14c) aufweisen, dessen Frequenzsteuereingang (15a, 15b, 15c) mit einer Rauschspannungsquelle (16a, 16b, 16c) verbunden ist und daß der Oszillator-Ausgang mit dem Zufallsfolgensignalausgang (7a, 7b, 7c, 70a, 70b, 70c) des Zufallsfolgengenerators (3a, 3b, 3c, 30a, 30b, 30c) verbunden ist.
20. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator-Ausgang mit dem Eingang eines Flip-Flops (17a, 17b, 17c) oder dergleichen Frequenzteiler verbunden ist und daß der Ausgang des Flip- Flops (17a, 17b, 17c) mit dem Zufallsfolgensignalausgang (7a, 7b, 7c, 70a, 70b, 70c) des Zufallsfolgengenerators (3a, 3b, 3c, 30a, 30b, 30c) verbunden ist.
21. Zufallssignalgenerator (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das oder die Exklusiv-Oder-Gatter (4a, 4b, 4c, 40a, 40b, 40c) und gegebenenfalls das Ringschieberegister Teil eines Mikroprozessors (19) sind.
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