[发明专利]真随机数产生方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及安全领域、通讯领域或其他需要利用随机数的领域，尤其涉及一种基于量化过程噪声放大的真随机数产生方法及其装置。

背景技术

在数字通信、电子交易、数字签名等安全应用中，需要一个高质量的随机数源产生密钥，然后用对称或非对称的算法完成认证或识别。或者在动态元件匹配(DEM)等场合，也要需要一个随机数产生装置。

设计良好的随机数的特征在于码流的不可预知性，特别是在安全领域，攻击者无法根据随机数发生器的设计对随机数进行任何有价值的预测，这就需要随机数发生器的噪声源来源于物理噪声，如在电路实现中利用的热噪声和散粒噪声。根据该原理，现有的真随机数发生装置通常利用抖动的时钟采样，但是基于抖动的时钟采样的方法输出随机数的码率会受到该采样时钟的频率的限制。

如何提供一种能够达到更快的随机数输出码率的真随机数产生方法及其装置是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种真随机数产生方法及其装置，可以不受时钟频率的限制，通过量化放大噪声的过程，实现了将噪声的对称分布转化为输出随机序列“0”、“1”的随机特性，从而产生出高质量的真随机数。

本发明所采用的技术方案是提出的一种真随机数产生方法，包括如下步骤：

步骤1.将噪声产生模块输出的噪声信号通过求和模块进行求和后，再放大处理，然后送至采样保持模块；

步骤2.将采样保持模块输出的模拟信号一路送回求和模块；另一路通过模数转换器转换成数字信号，然后再将该数字信号通过级联的数模转换器转换成模拟信号；

步骤3.将数模转换器输出的模拟信号与送入模数转换器的输入信号送至求和模块进行相减，并与引入的噪声信号相加，得出求和数据；

步骤4.将步骤3输出的求和数据送入放大模块进行放大；

步骤5.将放大模块输出的信号一路送至采样保持模块循环，另一路送入比较器进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。

进一步地，在本技术方案中，所述放大模块采用的放大系数k取值小于2^N，且大于1，N的取值至少为2；所述的模数转换器的输入以差分对称的-Fs/2,+Fs/2为区间，噪声放大的效果是以0为中心呈正态分布的噪声幅值的标准偏差向正负两个方向延伸；所述放大模块的量化且放大的过程不改变噪声电压关于零点对称的分布特性，且比较器输出高低值的概率近似等于1/2。

本技术方案还提出了一种真随机数的产生装置，包括：

噪声产生模块；

采样保持模块，用于对放大模块处理后送入的噪声信号进行采样并保持；

模数转换器，将采样保持模块输入的模拟信号转换成数字信号；

数模转换器，与所述模数转换器级联，用于将模数转换器输入的数字信号转换成模拟信号；

求和模块，用于将所述模数转换器的输入与所述数模转换器的输出进行求差计算，然后与输入的噪声信号以及采样保持模块输入的信号进行求和计算；

放大模块，用于将求和模块输出的结果进行放大；

比较器，用于将放大模块输出的信号进行正负属性比较，然后将比较得出的随机序列数0，或1作为随机数输出。

进一步地，所述放大模块输出通过一个反馈电路作为所述采样保持模块的输入；所述模数转换器采用快闪结构，由开关电容、分压电阻、比较器构成，分压电阻将基准电压分压成参考电压，通过开关电容输入到比较器进行比较后，输出到温度计二进制编码单元；所述数模转换器、求和模块及放大模块采用开关电容采样保持放大器结构，具有减法、求和、放大及采样保持功能；所述的噪声产生模块采用独立的单元结构，或与数模转换器、求和模块及放大模块相结合，或利用电路本身产生的热噪声；所述的模数转换器，数模转换器、比较器和采样保持模块的电路采用电压型电路或电流型电路。

本发明通过将模数转换和数模转换过程中的量化误差的放大的过程，将电路中引入的热噪声放大，不仅可以产生质量较高的随机数，并且可以达到更快的随机数输出码率，此外本发明的电路整体的实现对芯片的面积的要求较小。

附图说明

图1为本发明的真随机数产生方法流程示意图；

图2为本发明比较器输出高低的概率分布示意图；

图3为本发明电路的一实施例结构示意图。

具体实施方式