[發明專利]一種真隨機數發生器

在審

• 申請號: 201310549303.4
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN104598198A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 楊世鐸
• 申請（專利權）人: 國民技術股份有限公司
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 深圳市威世博知識產權代理事務所(普通合伙) 44280
• 代理人: 何青瓦

技術領域

本發明涉及信息安全領域，特別是涉及一種真隨機數發生器。

背景技術

隨著計算機技術、通信技術的迅猛發展，尤其是網絡的廣泛利用，信息已成為當今社會的一種十分重要的財富。信息化社會不斷發展的同時對信息安全的需求也日漸提高，其中，密碼學是信息安全的重要組成部分，而隨機數發生器(Random?Number?Generator，RNG)在密碼學領域有著非常重要的作用，是密碼系統硬件實現的重要組成部分。具體來說，隨機數發生器用于產生高質量的隨機數序列，以對信息本身以及信息的傳遞過程等進行加密，實現信息的保密傳輸。

隨機數發生器主要分為兩種：偽隨機數發生器和真隨機數發生器。用確定性的算法計算得到的隨機序列叫偽隨機數，如果攻擊者擁有足夠的計算能力，則完全可以預測到偽隨機數的產生規律，一般應用在安全性要求較低的場合。而真隨機數是由物理方法產生，選取了真實世界的自然隨機性，因為具有外界無法預知、不可再現等優點，能夠更好的保護信息的傳輸，廣泛應用在信息安全領域。

目前，真隨機數發生器的實現方案一般有三種：直接噪聲放大法、離散時間混沌法和振蕩采樣法。其中，振蕩采樣法由于實現方法簡單、數據隨機性良好，應用最為廣泛，但是振蕩采樣法獲取得到的隨機數隨機性較差。為了提高基于振蕩采樣法的真隨機數發生器產生的隨機數的隨機性，目前有兩種解決途徑：一是降低低頻時鐘信號的頻率，但是降低低頻時鐘信號頻率的同時降低了隨機數的速率，無法滿足信息傳輸的實際需求。二是提高高頻時鐘信號的頻率，但提高高頻時鐘信號的頻率需要增大電路面積以及功耗，增加了生產成本。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種真隨機數發生器，能夠以較低成本以及相對簡單的方式產生隨機性高的真隨機數信號。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種真隨機數發生器，包括：高頻時鐘發生器，用于產生高頻時鐘信號；低頻時鐘發生器，用于產生低頻時鐘信號；噪聲加擾電路，用于產生噪聲信號，并將噪聲信號耦合至低頻時鐘發生器，低頻時鐘發生器輸出耦合有噪聲信號的低頻時鐘信號；采樣電路，用于根據耦合有噪聲信號的低頻時鐘信號對高頻時鐘信號進行采樣，以產生真隨機數信號。

其中，低頻時鐘發生器輸出的耦合有噪聲信號的低頻時鐘信號，其隨機性抖動均方根值為高頻時鐘信號的時鐘周期的5～10倍。

其中，噪聲加擾電路將噪聲信號耦合至低頻時鐘信號的方式包括直流耦合或交流耦合。

其中，噪聲信號為噪聲加擾電路中的電阻或器件的熱噪聲經放大處理后得到的信號。

其中，噪聲加擾電路包括運算放大器、第一噪聲電阻、第二噪聲電阻、第一反饋電阻和第二反饋電阻，運算放大器的同相輸入端與第一噪聲電阻的一端連接，第一噪聲電阻的另一端與參考電壓連接，運算放大器的反向輸入端與第二噪聲電阻的一端連接，第二噪聲電阻的另一端分別與第一反饋電阻和第二反饋電阻的一端連接，第一反饋電阻的另一端與運算放大器的輸出端連接，第二反饋電阻的另一端與參考電壓連接，參考電壓為運算放大器提供直流偏置電壓，運算放大器對第一噪聲電阻和第二噪聲電阻的熱噪聲進行放大，并由運算放大器的輸出端輸出噪聲信號。

其中，低頻時鐘發生器包括振蕩器以及向振蕩器提供電流的電流鏡，噪聲加擾電路輸出的噪聲信號耦合至電流鏡或振蕩器。

其中，電流鏡包括第一PMOS管、第二PMOS管以及電流源，其中第一PMOS管的源極和第二PMOS管的源極與第一工作電壓連接，第一PMOS管的柵極和第二PMOS管的柵極以及第一PMOS管的漏極與電流源的正極連接，電流源的負極與第二工作電壓連接，第二PMOS管的漏極與振蕩器的輸入端連接，噪聲加擾電路輸出的噪聲信號耦合至第一PMOS管的柵極和第二PMOS管的柵極、第二PMOS管的漏極或振蕩器的輸出端。

其中，低頻時鐘發生器進一步包括耦合電容，噪聲加擾電路輸出的噪聲信號經耦合電容耦合至第一PMOS管的柵極和第二PMOS管的柵極。

其中，低頻時鐘發生器進一步包括放大器和緩沖器，放大器包括第三PMOS管和NMOS管，第三PMOS管的源極與第一工作電壓連接，第三PMOS管的柵極與電流源的正極連接，振蕩器的輸出端與NMOS管的柵極連接，NMOS管的源極與第二工作電壓連接，NMOS管的漏極分別與第三PMOS管的漏極和緩沖器的輸入端連接，緩沖器的輸出端輸出耦合有噪聲信號的低頻時鐘信號。